Characterization of pile driving induced ground motions

Abstract

Pile installation is a complicated, energy intensive process where codes and regulatory standards provide some guidance, but little is understood about coupling and transmission of pile driving energy into and through the ground in the form of vibrations. These vibrations can cause direct structural damage and damage due to settlement of granular soils. This thesis presents results that give insight to concepts that are still in question concerning pile driving induced vibrations using impact hammers. These results are the outcome of an innovative research comprised of three components: (1) full-scale ground monitoring during impact driving of H-piles in the field, (2) small scale pile driving testing in a controlled laboratory environment and (3) numerical analysis of the impact pile driving process using 3D finite element analysis. Field pile driving vibration data were collected from five project sites. The mechanisms of energy propagation during impact pile driving were evaluated by installing sensors in the ground, starting very close from the pile (0.5 ft) and moving away at different radial distances and depths, generating the first data set of its kind. Analysis of the data reinforces the hypothesis of the wave propagation field generated by impact driven piles. Body waves radiate from the pile tip in a spherical wave front. Shear waves propagate outwards from the pile shaft in a cylindrical wave front. The shaft transfer starts only after the pile tip passes below and observation point (sensor). The Rayleigh wave development reported by various researchers is not verified. Attenuation of the peak particle velocity and increase of the shear wave velocity at increasing distances from the pile is also confirmed. A widely used attenuation formula (Bornitz equation) was fitted to the recorded measurements and was found to be a good model to describe the energy degradation through the soil when impact driven piles are used as a source. The attenuation coefficients are in agreement with earlier documented findings. A process to evaluate the potential for a granular soil to undergo shakedown settlement is presented based on the field measurements from the tested sites. This concept can serve as a first guide for identifying potentially troublesome sites with similar site conditions. The order of magnitude of shear coupling assumed for soil behavior zones in the proximity of the pile is confirmed. A decrease of particle velocity and an increase of shear wave velocity with increasing distances from the pile is also verified. Reduced-scale physical experiments of pile driving were conducted in the laboratory. The controlled environment of a homogeneous and properly characterized soil profile allowed for investigation of the mechanisms of energy transfer from the pile to soil without the complexities encountered in the field. The generated wave field follows the pattern found for field testing measurements. The contribution from shear waves is not “seen” by the installed sensors until the pile tip reaches their elevation. These trends substantiate the existence of two wave fields, spherical and cylindrical, generated from a linear source as the pile, a behavior also observed in the field. The pile driving induced vibration field was modeled using a 3D finite element dynamic analysis. It is clearly shown that a cylindrical wave front emanates from the shaft and a spherical wave front radiates from the pile tip. Preliminary results of calculated ground motions in the very close proximity of the pile showed good agreement with recorded ground motions in the laboratory. Pile driving induced vibrations can reach, depending on the size of the project, thousands of loading cycles. The vibration threshold strain assumed in the literature for seismic events needs to be reduced.

Η έμπηξη πασσάλων είναι μια περίπλοκη, ενεργοβόρα διαδικασία όπου οι κώδικες και τα ρυθμιστικά πρότυπα παρέχουν κάποια καθοδήγηση, αλλά λίγα είναι κατανοητά σχετικά με τη σύζευξη και τη μετάδοση της ενέργειας κίνησης πασσάλων μέσα και μέσω του εδάφους με τη μορφή δονήσεων. Αυτές οι δονήσεις μπορεί να προκαλέσουν άμεση δομική βλάβη και ζημιά λόγω καθίζησης κοκκωδών εδαφών. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει αποτελέσματα που δίνουν μια εικόνα για έννοιες που εξακολουθούν να αμφισβητούνται σχετικά με τις δονήσεις που προκαλούνται από την έμπηξη πασσάλων χρησιμοποιώντας σφυριά κρούσης. Αυτά τα αποτελέσματα είναι το αποτέλεσμα μιας καινοτόμου έρευνας που αποτελείται από τρία στοιχεία: (1) παρακολούθηση μετακίνησης εδάφους πλήρους κλίμακας κατά την έμπηξη των πασσάλων H στο πεδίο, (2) μικρής κλίμακας δοκιμή έμπηξης πασσάλων σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον και (3) αριθμητική ανάλυση της διαδικασίας έμπηξης πασσάλων κρούσης με χρήση τρισδιάστατης ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων.Τα δεδομένα πεδίου κραδασμών έμπηξης πασσάλων συλλέχθηκαν από πέντε τοποθεσίες. Οι μηχανισμοί διάδοσης ενέργειας κατά την έμπηξη πασσάλων κρούσης αξιολογήθηκαν με την εγκατάσταση αισθητήρων στο έδαφος, ξεκινώντας πολύ κοντά από τον πάσσαλο (0.5 πόδια) και σε διαφορετικές ακτινικές αποστάσεις και βάθη, δημιουργώντας το πρώτο σύνολο δεδομένων στο είδος του. Η ανάλυση των δεδομένων ενισχύει την υπόθεση του πεδίου διάδοσης του κύματος που δημιουργείται από πασσάλους που προκαλούνται από κρούση. Τα κύματα χώρου διαδίδονται από την αιχμή του πασσάλου σε ένα σφαιρικό μέτωπο κυμάτων. Τα εγκάρσια κύματα διαδίδονται προς τα έξω από πλευρική επιφάνεια του πασσάλου σε ένα κυλινδρικό μέτωπο κυμάτων. Η διάδοση από την πλευρική επιφάνεια ξεκινά μόνο αφού η αιχμή του πασσάλου περάσει από κάτω και το σημείο παρατήρησης (αισθητήρας). Η ανάπτυξη του κύματος Rayleigh που αναφέρθηκε από διάφορους ερευνητές δεν έχει επαληθευτεί.Επιβεβαιώνεται επίσης η εξασθένηση της μέγιστης ταχύτητας των σωματιδίων και η αύξηση της ταχύτητας του εγκάρσιου κύματος σε αυξανόμενες αποστάσεις από τον πάσσαλο. Ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος εξασθένησης (εξίσωση Bornitz) προσαρμόστηκε στις καταγεγραμμένες μετρήσεις και βρέθηκε ότι είναι ένα καλό μοντέλο για να περιγράψει την ενεργειακή υποβάθμιση μέσω του εδάφους όταν χρησιμοποιούνται σαν πηγή πασσάλων που προκαλούνται από κρούση. Οι συντελεστές εξασθένησης συμφωνούν με προηγούμενα τεκμηριωμένα ευρήματα.Παρουσιάζεται μια διαδικασία για την αξιολόγηση της πιθανότητας για ένα κοκκώδες έδαφος να υποστεί καθίζηση με βάση τις μετρήσεις πεδίου από τις ελεγχόμενες τοποθεσίες. Αυτή η ιδέα μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας πρώτος οδηγός για τον εντοπισμό τοποθεσιών με παρόμοιες εδαφικές συνθήκες. Η τάξη μεγέθους της διατμητικής σύζευξης για τις ζώνες συμπεριφοράς του εδάφους κοντά στον πάσσαλο επιβεβαιώνεται. Επαληθεύεται επίσης μια μείωση της ταχύτητας των σωματιδίων και μια αύξηση της ταχύτητας του εγκάρσιου κύματος με αυξανόμενες αποστάσεις από τον πάσσαλο.Μειωμένης κλίμακας πειράματα έμπηξης πασσάλων διεξήχθησαν στο εργαστήριο. Το ελεγχόμενο περιβάλλον ενός ομοιογενούς και σωστά χαρακτηρισμένου προφίλ εδάφους επέτρεψε τη διερεύνηση των μηχανισμών μεταφοράς ενέργειας από τον πάσσαλο στο έδαφος χωρίς τις πολυπλοκότητες που συναντώνται στο πεδίο. Το παραγόμενο πεδίο κύματος ακολουθεί το μοτίβο που βρέθηκε για μετρήσεις δοκιμών πεδίου. Η συνεισφορά από τα εγκάρσια κύματα δεν παρατηρείται από τους εγκατεστημένους αισθητήρες έως ότου η αιχμή του πασσάλου φτάσει στο βάθος τους. Αυτές οι τάσεις τεκμηριώνουν την ύπαρξη δύο κυματικών πεδίων, σφαιρικών και κυλινδρικών, που δημιουργούνται από μια γραμμική πηγή όπως ο πάσσαλος, μια συμπεριφορά που παρατηρείται επίσης στο πεδίο.Το πεδίο δόνησης που προκαλείται από την έμπηξη πασσάλων μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια τρισδιάστατη δυναμική ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Αποδεικνύεται ξεκάθαρα ότι ένα κυλινδρικό μέτωπο κύματος προέρχεται από την πλευρική επιφάνεια και ένα σφαιρικό μέτωπο κύματος διαδίδεται από την αιχμή του πασσάλου. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα των υπολογισμένων κινήσεων του εδάφους σε πολύ κοντινή απόσταση από τον πάσσαλο έδειξαν καλή συμφωνία με τις καταγεγραμμένες κινήσεις του εδάφους στο εργαστήριο.Οι δονήσεις που προκαλούνται από την έμπηξη πασσάλων μπορούν να φτάσουν, ανάλογα με το μέγεθος του έργου, χιλιάδες κύκλους φόρτωσης. Η οριακή επιτρεπτή παραμόρφωση στη βιβλιογραφία για σεισμικά συμβάντα πρέπει να μειωθεί.