Three-dimensional finite element nonlinear dynamic analysis of pile groups for lateral transient and seismic excitations

摘要

The effects of material nonlinearity of soil and separation at the soil–pile interface on the dynamic behaviour of a single pile and pile groups are investigated. An advanced plasticity-based soil model, hierarchical single surface (HiSS), is incorporated in the finite element formulation. To simulate radiation effects, proper boundary conditions are used. The model and algorithm are verified with analytical results that are available for elastic and elastoplastic soil models. Analyses are performed for seismic excitation and for the load applied on the pile cap. For seismic analysis, both harmonic and transient excitations are considered. For loading on the pile cap, dynamic stiffness of the soil–pile system is derived and the effect of nonlinearity is investigated. The effects of spacing between piles are investigated, and it was found that the effect of soil nonlinearity on the seismic response is very much dependent on the frequency of excitation. For the loading on a pile cap, the nonlinearity increases the response for most of the frequencies of excitation while decreasing the dynamic stiffness of the soil–pile system.Key words: pile groups, plasticity, separation, dynamic stiffness, seismic response.On étudie les effets de la non linéarité du matériau sol, et la séparation à l'interface sol–pieu sur le comportement dynamique d'un pieu simple et de groupes de pieux. Un modèle avancé de sol basé sur la plasticité, HiSS, est incorporé dans la formulation des éléments finis. Pour simuler les effets de radiation, on a utilisé des conditions aux frontières appropriées. Le modèle et l'algorithme sont vérifiés avec les résultats analytiques qui sont disponibles pour les modèles de sol élastique et élasto-plastique. Des analyses ont réalisées pour un excitation sismique de même que pour le chargement appliqué sur le casque du pieu. Pour l'analyse sismique, on a considéré des excitations tant harmoniques que transitoires. Pour le chargement sur le casque du pieu, on a dérivé la rigidité dynamique du système sol–pieu et on a étudié l'effet de non linéarité. Les effets de l'espacement entre les pieux ont été étudiés et on a trouvé que l'effet de la non linéarité sur la réponse sismique est très dépendante de la fréquence de l'excitation. Pour le chargement sur le casque du pieu, la non linéarité augmente la réponse pour la plupart des fréquences d'excitation tout en diminuant la rigidité dynamique du système sol–pieu.Mots clés : groupes de pieux, plasticité, séparation, rigidité dynamique, réponse sismique.[Traduit par la Rédaction]