Contributions to dynamic pile-soil interaction modelling
Authors:   , Conto Quispe Kenny Fernando 
Published: December 2024

(English) The development of more accurate, computationally efficient and practical methodologies for a better understanding of dynamic soil-structure interaction and prediction of ground-borne vibration levels in the vicinity of man-made induced vibration sources is greatly sought-after by practising engineers, as these vibration levels might cause harmful effects on buildings and/or on their occupants. This dissertation aims to develop an approach that requires low computational resources to simulate the response of pile-soil systems accurately and is intended to be simplistic in formulation terms towards a more practical methodology. Thus, an efficient, fully coupled three-dimensional approach for solving pile-soil interaction problems is presented in the current dissertation, as well as its numerical and experimental validation. The proposed approach employs classic rod and Euler-Bernoulli theories to model the pile. The soil, in the presence of the pile's corresponding cavity, is modelled as an elastic half-space using an emerging meshless methodology that approximates the dynamic unknown states of the soil to linear combinations of the fundamental solution of the medium. Thus, this methodology, referred to as the singular boundary method, is adapted in this dissertation to deal with three-dimensional elastodynamic problems. Furthermore, the proposed piled foundation model allows the rotational motions and reaction torques associated with the pile to be accounted for in the pile-soil interaction, and their contribution to the accuracy of the scheme is assessed.
To achieve an acceptable trade-off between the accuracy and numerical performance of the methodology, a comprehensive criterion to define the discretization scheme is also proposed. The robustness of the approach is studied in the context of single-pile and pile-group systems, the latter with and without attaching its corresponding pile cap, where the relevance of including torsional motions in the piles-cap coupling is discussed. Comparisons with existing approaches show that the formulation provides strong computational advantages to detailed modelling approaches, such as the ones based on the three-dimensional finite element-boundary element method, as well as overcoming the fundamental limitations of plainstrain and axisymmetric methods. Finally, a set of experimental tests on a full-scale single-pile foundation and 2x2 pile-group system embedded in layered soil were conducted to validate the modelling strategy for the simulated responses.

(Español) El desarrollo de metodologías prácticas, precisas y eficientes desde el punto de vista computacional son muy requeridas por ingenieros en ejercicio para así ayudar a una mejor comprensión de la interacción dinámica suelo-estructura y para la predicción de niveles de vibración del suelo en las proximidades de fuentes de vibración inducidas por el hombre, ya que estos niveles de vibración pueden causar efectos perjudiciales en edificaciones aledañas como a sus ocupantes. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un enfoque práctico que requiera bajos recursos computacionales para simular con precisión la respuesta de sistemas pilote-suelo y que esté destinado a ser relativamente simplista en su formulación. Por lo tanto, en la presente tesis se presenta un enfoque tridimensional eficiente y completamente acoplado para resolver problemas de interacción pilote-suelo, así como su validación numérica y experimental. El enfoque propuesto utiliza las teorías clásicas barra y viga de Euler-Bernoulli para modelar el pilote. El suelo, en presencia de la cavidad correspondiente del pilote, se modela como un semi-espacio elástico empleando una metodología emergente que no requiere definir un mallado y que aproxima los estados desconocidos dinámicos del suelo a combinaciones lineales de la solución fundamental del medio. Así, esta metodología, denominada como el método de contornos singulares, se adapta en esta tesis para abordar tridimensionalmente problemas elastodinámicos. El modelo propuesto de cimentación con pilotes permite tener en cuenta los movimientos rotativos del pilote, así como también los efectos inducidos por momentos flectores en la interacción pilote-suelo, además su contribución a la precisión de resultados es evaluada. Para lograr un
equilibrio aceptable entre la precisión de resultados y el rendimiento numérico de la metodología, también se propone un criterio para definir el esquema de discretización. La robustez del enfoque se estudia en el contexto de sistemas de pilotes individuales y grupos de pilotes, este último con y sin la conexión a su respectivo encepado, donde se discute la relevancia de incluir movimientos torsionales en su acoplamiento a los pilotes. Comparaciones con enfoques existentes muestran que la formulación proporciona ventajas computacionales sólidas sobre enfoques de modelado detallado, como aquellos métodos tridimensionales basados en el método de elementos finitos-elementos de contorno, además de superar las limitaciones fundamentales de los métodos de deformación plana y axisimétricos. Finalmente, se llevaron a cabo una serie de pruebas experimentales en una cimentación de pilote única a escala real y un sistema de grupo de pilotes 2x2 incrustados en un suelo estratificado para así validar experimentalmente la metodología propuesta.