Numerical analysis of a laterally loaded single pile in soft soils: a comparative study of constitutive models

The estimation of the lateral pile load capacity is crucial in the design of those structures where the lateral load is predominant, such as tall buildings, bridges, and off-shore platforms. In the current design procedure for pile foundations, the "p − y" approach is one of the most diffused and preferred methods by designers compared to elastic continua or Finite Elements (FE) analyses, which require non-trivial modeling of the soil- structure interaction problem and involve longer computational time. In the literature, many approximated procedures, based on experimental and/or numerical simulations, are available. A correct understanding of the complex pile-soil mechanism is crucial for the correct definition of the curves. Being the problem, usually, a three-dimensional hydro-mechanical coupled soil-structure interaction, a correct model must be based on a refined finite element analysis. The principal research objectives followed in this dissertation are: (i) simulate a fully three-dimensional FE analysis to obtain the load capacity curves incorporating in the analysis the hydro-mechanical properties of soft soils, and (ii) compare the influence of different constitutive models on p−y curves including simple conventional model and a more advanced model for soft soils, named JMC. The FE analyses are performed using the commercial software Abaqus by implementing a transient pore pressure/effective stress analysis. The simulations are performed adopting a single concrete monopile embedded in a layered soft soil profile. Firstly, the conventional constitutive models Mohr-Coulomb and Modified Cam-clay were employed, and then the JMC model was incorporated into the analysis to simulate the response of peat and organic clay composing the subsoil. The numerical results, in terms of ultimate load vs. pile deflection, are compared with classical analytical theories. Finally, the "p − y" curves for the pile, varying the relative thickness of the soft soil layers are presented.

La stima della capacità di carico laterale dei pali rappresenta un punto cruciale nella progettazione di quelle strutture in cui il carico laterale è predominante, come edifici alti, ponti e piattaforme off-shore. Nell’attuale procedura di progettazione delle fondazioni su pali, il metodo "p − y" è uno dei metodi più diffusi e preferiti dai progettisti rispetto alle analisi di mezzi continui o a delle analisi ad Elementi Finiti (EF), che richiedono una modellazione non banale del problema di interazione terreno-struttura ed inoltre, comportano tempi di calcolo più lunghi. In letteratura sono disponibili molte procedure approssimate, basate su simulazioni sperimentali e/o numeriche. Una corretta comprensione del complesso meccanismo palo-terreno è fondamentale per la corretta definizione delle curve p − y. Essendo il problema, in genere, un’interazione idromeccanica tridimensionale accoppiata terreno-struttura, un modello corretto deve essere basato su una dettagliata analisi agli elementi finiti. I principali obiettivi di ricerca seguiti in questa tesi sono: (i) simulare un’analisi FE completamente tridimensionale per ottenere le curve di capacità di carico incorporando nel modello le proprietà idromeccaniche dei terreni soffici, e (ii) confrontare l’influenza di diversi modelli costitutivi sulle curve "p − y", mediante l’utilizzo di un modello convenzionale semplice e un modello più avanzato per i terreni soffici, chiamato JMC. Le analisi sono eseguite utilizzando il software commerciale Abaqus, implementando un’analisi transitoria della pressione interstiziale/sforzo efficace. Le simulazioni sono state eseguite adottando un singolo palo in calcestruzzo inserito in un terreno caratterizzato da una stratigrafia di terreni soffici. In primo luogo, sono stati utilizzati modelli costitutivi convenzionali come Mohr-Coulomb e Modified Cam-clay, e poi il modello JMC è stato incorporato nell’analisi per simulare la risposta della torba e dell’argilla organica che compongono il sottosuolo. I risultati numerici, in termini di carico ultimo rispetto allo spostamento del palo, sono stati confrontati con le teorie analitiche classiche. Infine, vengono presentate le curve "p − y" ottenute variando lo spessore degli strati di terreno soffice.