A2019-19 Disturbing issues with piles

Tillståndet av de (lösa) jordar omgivande drivna prefabricerad betong- eller träpålar, är nyckeln till att förstå den efterföljande responsen av pålarna. Förutom den kapacitet och styvheten hos pålen själv, statusen omfattar känslighet för påhängslaster från (historiska) bakgrundssättningar eller horisontell belastning från massförskjutningar. Massförskjutningar är en direkt följd av installationsprocessen av pålar, där en viss volym tvingas in i jorden. Dessa två mekanismer, som ursprungligen identifierades av Trafikverket, har lett till problem i urbana geotekniska konstruktioner i lösa jordar. Nuvarande metoder kan inte på ett tillförlitligt sätt förutsäga massförskjutningar och dess effekter över tiden. Särskilt effekterna i en pålgrupp och långsiktiga följderna när porövertryck konsoliderar och ytterligare krypning triggas är okända. Dessutom blir det svårare att förutsäga påhängslaster och dess effekter för lutande pålar, därför att den normala beräkningsmetoden är inte längre direkt tillämpbar, och de axiella och transversella belastningarna i dessa pålar är icke-triviala.

I projektet kommer en integrerad helhetssyn, som använder analyser mha stora deformationer. Detta möjliggör att generera benchmark data och kalibrera förenklade metoder för ingenjörsmässiga analyser, såsom Strain Path
Metod att förutsäga massförskjutningar, och lösningar av typen Winklerbalkar för lutande pålar.

Simuleringen av pålinstallation visar att den initiala responsen från pålinstallation är odränerad i en typisk svensk lera, vilket leder till en uppbyggnad av porövertryck och en förskjutning av jorden bort från pålen utan någon volymförändring. Den efterföljande utjämningen av porövertryck ger en volymetrisk kompression av leran som i sin tur leder till nedåtgående rörelser och horisontella rörelser in mot pålen.

Massundanträngningen i en isotropisk, en anisotropisk samt en sensitiv anisotropisk lera har jämförts. De initiala vertikala förskjutningarna nära pålen ökade till följd av både anisotropi och sensitivitet hos leran vilket innebär att en större andel av jorden försköts till en position nära pålen. Storleken på jordrörelserna till följd av utjämningen av porövertryck visades vara starkt beroende av jordens egenskaper såsom anisotropi och sensitivitet.

Två olika numeriska metoder för att simulera pålinstallation jämfördes för en anisotropisk sensitiv lera med en kopplad numerisk formulering. Den första metoden modellerade pålinstallationen som vertikal penetration medan den andra, förenklade, metoden modellerade pålinststallationen som en horisontellt expanderad kavitet. Nära pålen, inom ett avstånd av ungefär 10 pålradier, visade de två numeriska installationsmetoderna olika förskjutningsfält. På avstånd från pålen visade däremot de två metoderna likartade förskjutningar vilket indikerar att den förenklade metoden är nöjaktig för att prognostisera förskjutningar på avstånd från en installerad påle.
Rörelsen till följd av utjämning av porövertryck visades vara likartad för de två olika metoderna på samtliga undersökta avstånd från pålen.

Den FE baserade numeriska kavitetsexpansionen användes också tillsammans med en linjärelastisk och en linjärelastisk idealplastisk jordrespons i en totalspänningsformulering. Den linjärelastisk idealplastiska modellen gav liknande förskjutningar som den mer avancerade effektivspänningsbaserade modellen, som dessutom beaktade både anisotropi och sensitivitet. Däremot prognostiserade den linjärelastiska modellen något större horisontella och något mindre vertikala förskjutningar jämfört med de effektispänningsbaserade FE simuleringarna. Ingen konsolideringsrörelse kan fångas med en totalspänningsbaserad jordmodell.

Resultaten från de FE-baserade simuleringarna har även jämförts med den analytiska modellen Shallow Strain Path Method (SSPM) och Cavity Expansion Method (CEM). Samtliga jämförda
beräkningsmetoder visar en liknande reduktion av rörelser med ökat avstånd som förenklat kan beskrivas med att ett fördubblat avstånd från pålen ger en halverad rörelse. Sammanfattningsvis visar SSPM på god sammstämmighet med resultaten från simuleringar där jorden modellerats i ett odränerat tillstånd och CEM bildar ett övre gränsvärde för radiella deformationer för samtliga beaktade metoder.

Yannie, J. Karlsson, M. Jelke, D.  (2020), ”Impact of installation on the recovery of pile bearing capacity of displacement piles in sensitive clay”, NGM

Isaksson, J (2022) ”A numerical study on mass displacements from piling in natural clay”, Chalmers, mid-term report,

Jonatan Isaksson, Jorge Yannie, Mats Karlsson, Jelke Dijkstra, (2022), ”Simulation of CPT penetration in sensitive clay”  Proceedings of the 5th International Symposium on Cone Penetration Testing (CPT’22), 8-10 June 2022, Bologna, Italy

Sammanfattning av projektresultat (Svenska).