Experimental and numerical study on the full scale behaviour of micropiles under lateral loading

Micropiles are increasingly used both as new foundation system for buildings in seismic zone, and for the retrofit of existing structures damaged by earthquakes. Hence, it is essential to enhance the knowledge of their dynamic behaviour under horizontal loading. Given the lack of dynamic field tests data, an experimental campaign is carried out, including both two single vertical micropiles and a group of 4 inclined micropiles embedded in alluvial soils. Ambient vibration, impact load, free vibration and forced vibration tests are performed to evaluate the micropiles dynamic behaviour under small to large deformations. Moreover, two-way cyclic horizontal load tests are carried out on the single vertical micropiles to evaluate the evolution of micropile head horizontal stiffness with the number of loading cycles, and with the development of non linear phenomena (among all, the opening of a gap at the soil-micropile interface). To evaluate the influence of loading intensity and typology, execution steps and inclination on the behaviour of micropiles, results are presented in terms of fundamental frequencies, damping and modal shapes obtained from accelerometers at the pile head and strain gages along the shaft. Impedances functions are also experimentally derived for the single micropiles and the group. The experimental data are then compared with numerical results obtained exploiting different models, properly calibrated: a 3-D theoretical approach for the dynamic interaction analysis of vertical and inclined micropile groups is adopted to simulate impact load tests on the single micropiles and on the group. Moreover, different 3-D FE models are developed in a commercial code, having different properties in terms of soil, pile and interface behaviour, to evaluate the response of micropiles in the linear and non-linear range, under dynamic horizontal forces.

Negli ultimi decenni si è assistito ad un crescente utilizzo dei micropali, sia come fondazioni di nuove costruzioni in zona sismica, che per il retrofit di fondazioni esistenti danneggiate. È dunque essenziale approfondire la conoscenza del loro comportamento dinamico sotto carichi orizzontali. Vista la carenza di dati sperimentali, è stata eseguita una campagna prove su due micropali singoli verticali e su un gruppo di quattro micropali inclinati realizzati in un deposito alluvionale. I micropali investigati sfruttano la tecnologia Tubfix. Sono state eseguite prove di vibrazione ambientale, prove di impatto, prove di rilascio (vibrazioni libere) e prove in condizioni di vibrazioni forzate. Inoltre sono state eseguite prove di carico ciclico sui micropali singoli, per valutare l’evoluzione della rigidezza orizzontale della testa del palo con il numero di cicli e con lo sviluppo di fenomeni non lineari (tra tutti, il distacco all’interfaccia micropalo-terreno). Per stimare l’influenza della tipologia e dell’intensità del carico, delle modalità esecutive e dell’inclinazione, i risultati delle prove dinamiche sono presentati in termini di frequenze fondamentali, smorzamento e forme modali ottenute dagli accelerometri sulla testa del palo e dagli estensimetri disposti lungo il fusto. Vengono inoltre proposte funzioni di impedenza derivate sperimentalmente sia per i micropali verticali che per il gruppo. I dati sperimentali sono stati confrontati con i risultati ottenuti da diversi modelli opportunamente calibrati: dapprima un approccio teorico per l’interazione dinamica 3D di pali singoli ed in gruppo, verticali o inclinati, è stato utilizzato per simulare le prove di impatto. Successivamente sono stati sviluppati modelli 3D, attraverso un codice commerciale agli Elementi Finiti, con diverse caratteristiche in termini di proprietà del terreno, del micropalo e dell’interfaccia, che permettessero di stimare il comportamento dei micropali in campo lineare e non lineare sotto forze dinamiche orizzontali.