A micromechanical investigation of pile set-up effect in sands
Authors:   , Lei Jiangtao 
Published: February 2025

(English) Driven piles in granular soils gain shaft capacity after installation in a phenomenon known as “pile set-up”. Set-up effects in sand have not been incorporated into design procedures largely because the underlying mechanisms are not well understood. This thesis reports a micromechanical investigation of pile set-up effect in sand using a newly developed fracture-based DEM model for simulating time-dependent behaviour in sand.
Creep and stress relaxation around the pile have been widely discussed as possible underlying mechanism for pile set-up effect. Following the idea that creep and stress relaxation in sands are frequently accompanied by grain breakage, a new model based on the discrete-element method (DEM) to simulate creep/stress relaxation in sands was proposed. The model aims for conceptual simplicity, computational efficiency and ease of calibration. To this end a new form of normalized Charles power law is incorporated into a DEM model for rough crushable sands based on the particle splitting technique. The creep/stress relaxation time is advanced using an off-DEM ageing strategy. The model is validated by simulating creep/stress relaxation in quartz sands in oedometric and triaxial conditions. Model predictions are shown to compare favourably with experimental creep results in terms of creep strain, creep strain rates and particle breakage/GSD evolution, and with experimental stress relaxation results in terms of relaxed stress, stress relaxation rate, and GSD evolution.
The fracture-based DEM model was then implemented to a centrifuge DEM chamber to simulated pile creep and pile set-up. Simulated pile creep settlements agree with observations in terms of pile creep parameter m and pile creep rate. Simulated pile set-up falls into the range of field observations for jacked piles. The results obtained indicate that particle breakage may play a significant role in set-up and represent the first validated modelling attempt of this complex phenomenon.
To gain familiarity with DEM modelling of penetration problems, a DEM based CPT and SPT simulation on a volcanic sand was also conducted, using a virtual calibration chamber (VCC). The simulated CPT results are shown to capture well experiments from the literature over a range of density and confining stress. A good correlation between the energy-based equivalent SPT tip resistance with the CPT tip resistance can be observed if shaft resistance effects are discounted. SPT driven scheme may be used for simulating pile driven in the future study once proper driven parameters are determined.

(Català) Els pilons clavats en sòls granulars guanyen capacitat de fust després de la instal·lació en un fenomen conegut com a "maduració". La maduració no s'ha incorporat en gran mesura als procediments de disseny perquè els mecanismes subjacents no s'entenen bé. Aquesta tesi descriu una investigació micromecànica de l'efecte del muntatge de pilons en sorra utilitzant un model DEM basat en fractures desenvolupat recentment per simular el comportament dependent del temps en sorra.
La fluència i la relaxació de la tensió al voltant del pilot han estat àmpliament discutides com a possibles mecanismes subjacents per a l'efecte de maduració del fust. Seguint la idea que la fluència i la relaxació de la tensió a sorres solen anar acompanyades de trencament de grans, es proposa un nou model basat en el mètode d'elements discrets (DEM) per simular fluència i relaxació en sorres. El model apunta a la simplicitat conceptual, l'eficiència computacional i la facilitat de calibratge. A aquest efecte, s'incorpora una nova forma de llei de potència de Charles normalitzada en un model DEM per a sorres fragmentables rugoses basat en la tècnica de divisió de partícules. El temps de fluència/relaxació de la tensió s'avança fent servir una estratègia d'envelliment fora de DEM. El model es valida simulant la fluència/relaxació de la tensió en sorres de quars en condicions edomètriques i triaxials. Es demostra que les prediccions del model es comparen favorablement amb els resultats experimentals de fluència en termes de deformació per fluència, taxes de deformació per fluència i evolució de trencament de partícules/GSD, i amb els resultats experimentals de relaxació de la tensió en termes de tensió relaxada, taxa de relaxació de la tensió i evolució de GSD.
Posteriorment, el model DEM de fractura diferida es va implementar en una cambra DEM centrífuga per simular la fluència i la maduració de pilons. Els assentaments simulats de fluència de pilons coincideixen amb les observacions en termes del paràmetre de fluència de pilons m i la taxa de fluència de pilons. La maduració simulada en pilons clavats cauen dins el rang d'observacions de camp per a aquest tipus de pilons. Els resultats obtinguts indiquen que el trencament de partícules pot tenir un paper important en el muntatge i representen el primer intent de modelatge validat daquest fenomen complex.
Per familiaritzar-se amb el modelatge DEM de problemes de penetració, també es va dur a terme una simulació CPT i SPT basada en DEM en una sorra volcànica, utilitzant una càmera de calibratge virtual (VCC). Els resultats simulats del CPT reflecteixen bé els experiments de la literatura sobre un rang de densitat i tensió de confinament. Es pot observar una bona correlació entre la resistència de la punta de l'SPT equivalent basada en energia i la resistència de la punta del CPT si es descompten els efectes de la resistència de l'eix. L'esquema d'avenç de l'SPT es pot utilitzar per simular el del pilotatge en estudis futurs una vegada es determinin els paràmetres de clavament adequats.
Paraules clau: materials granulars, mètode d'elements discrets, sorra, fluència, trituració de partícules, propagació d'esquerdes, relaxació de la tensió, dependència del temps, centrífuga, piló, fluència del piló, maduració de fust, envelliment fora de DEM.

(Español) Los pilotes hincados en suelos granulares ganan capacidad de fuste después de la instalación en un fenómeno conocido como "maduración". La maduración no se ha incorporado a los procedimientos de diseño en gran medida porque los mecanismos subyacentes no se entienden bien. Esta tesis describe una investigación micromecánica del efecto del montaje de pilotes en arena utilizando un modelo DEM basado en fracturas recientemente desarrollado para simular el comportamiento dependiente del tiempo en arena.
La fluencia y la relajación de la tensión alrededor del pilote han sido ampliamente discutidas como posibles mecanismos subyacentes para el efecto de maduración del fuste. Siguiendo la idea de que la fluencia y la relajación de la tensión en arenas suelen ir acompañadas de rotura de granos, se propone un nuevo modelo basado en el método de elementos discretos (DEM) para simular fluencia y relajación en arenas. El modelo apunta a la simplicidad conceptual, la eficiencia computacional y la facilidad de calibración. Con este fin, se incorpora una nueva forma de ley de potencia de Charles normalizada en un modelo DEM para arenas fragmentables rugosas basado en la técnica de división de partículas. El tiempo de fluencia/relajación de la tensión se adelanta utilizando una estrategia de envejecimiento fuera de DEM. El modelo se valida simulando la fluencia/relajación de la tensión en arenas de cuarzo en condiciones edométricas y triaxiales. Se demuestra que las predicciones del modelo se comparan favorablemente con los resultados experimentales de fluencia en términos de deformación por fluencia, tasas de deformación por fluencia y evolución de rotura de partículas/GSD, y con los resultados experimentales de relajación de la tensión en términos de tensión relajada, tasa de relajación de la tensión y evolución de GSD.

Posterioremente, el modelo DEM de fractura diferida se implementó en una cámara DEM centrífuga para simular la fluencia y la maduración de pilotes. Los asentamientos simulados de fluencia de pilotes coinciden con las observaciones en términos del parámetro de fluencia de pilotes m y la tasa de fluencia de pilotes. La maduración simulada en pilotes hincados caen dentro del rango de observaciones de campo para este tipo de pilotes. Los resultados obtenidos indican que la rotura de partículas puede desempeñar un papel importante en el montaje y representan el primer intento de modelado validado de este fenómeno complejo.
Para familiarizarse con el modelado DEM de problemas de penetración, también se llevó a cabo una simulación CPT y SPT basada en DEM en una arena volcánica, utilizando una cámara de calibración virtual (VCC). Los resultados simulados del CPT reflejan bien los experimentos de la literatura sobre un rango de densidad y tensión de confinamiento. Se puede observar una buena correlación entre la resistencia de la punta del SPT equivalente basada en energía y la resistencia de la punta del CPT si se descuentan los efectos de la resistencia del eje. El esquema de avance del SPT se puede utilizar para simular el del pilotaje en futuros estudios una vez que se determinen los parámetros de hinca adecuados.