Kinematic seismic response and bending of free-head piles in layered soil

Abstract

The paper studies the kinematic response of free-head piles. Such pile deformation has triggered structural damage in many strong earthquakes. In this Paper dimensionless parametric graphs for pile bending moments are presented which pertain to characteristic two-layer soil profiles. The results are derived by using an existing rigorous dynamic finite-element code, and by implementing a realistic beam-on-dynamic-Winkler-foundation formulation specifically developed for the kinematic response of piles in layered soil. The Winkler model is shown to reproduce quantitatively even detailed trends observed in the finite-element results; a simple analytical expression is thereby developed for estimating the Winkler stiffness in terms of the local soil Young's modulus and key dimensionless pile/ soil parameters. The study concludes that even relatively flexible piles may not exactly experience the wavy and abruptly changing ground deformation of the free field. The critical region of pile distress due to such kinematic loading is shown to be at or near the interface between alternating soft and stiff soil layers. The magnitude of the bending moment at such critical interface locations depends mainly on the stiffness contrast of the two layers through which the pile penetrates, the excitation frequency and the relative rigidity of the pile. A constraining cap may exert an important effect on such kinematic deformations. L'article étudie la réponse cinématique de pieux à tete-libre. La déformation de ces pieux a en effet occasionné des endommagements structuraux lors de nombreux tremblements de terre de forte amplitude. L'article propose des graphiques à paramètres adimensionnels permettant de calculer le moment fléchissant des pieux et de caractériser des sols bicouches. Les résultats sont calculés à l'aide d'un code dynamique d'éléments finis, préexistant et rigoureux, et d'une formulation réaliste de "Beam-on-Dynamic-Winkler-Foundation" spécialement mise en oeuvre pour la réponse cinématique des pieux dans des sols stratifiés. Le modèle de Winkler permet de reproduire les tendances, même très détaillées, des résultats obtenus par éléments finis. Une expression analytique simple est alors développée. Elle permet d'estimer la raideur de Winkler en terme de module de Young local du sol et de paramètres clés adimensionnel pieu/sol. L'étude montre que meme les pieux relativement flexibles ne supportent pas totalement une déformation rapide et odulante du terrain. La zone critique des pieux sinistrés résultant d'un tel chargement cinématique se trouve au niveau ou à proximité de l'interface sol souple/sol rigide. L'amplitude du moment fléchissant au niveau de ces interfaces critiques dépend principalement du contraste de raideur existant entre les deux couches traversées par le pieu, de la fréquence d'excitation et de la rigidité relative du pieu. Un capuchon de mise sous contrainte pourrait avoir un effet important sur de telles déformations cinéma-tiques.