Numerical simulation of plug formation during casing installation of cast-in-place concrete pipe (PCC) piles

There is a historic lack of research examining inner soil plugging and outer lateral soil deformation during installation of pipe piles in clay. Furthermore, the influence of the pile tip geometry on soil deformation has not been investigated. Cast-in-place concrete pipe (PCC) piles are a recent generation of pipe piles for soft ground improvement applications, and are cast in place using an innovative double-walled steel casing with a tapered tip. This paper investigates the effect of tip geometry on soil flow mechanisms inside and outside the PCC pile casing during installation in clay. Large-deformation finite element (LDFE) analysis was conducted simulating the continuous penetration process of the casing installation. The LDFE results were validated against (i) field monitoring data in terms of soil lateral displacement and heave outside the casing and (ii) centrifuge test data in terms of penetration resistance, with excellent agreement obtained. An extensive parametric study was then performed encompassing a practical range of parameters. The geometry of the casing tip was shown to have significant influence on the soil movements inside and outside the casing, but minimal effect on the casing penetration resistance. The optimal tapered tip with a tip angle of 45° and minimal extended tip length beneath the tip angle allowed more soil to be pushed inside the casing and less lateral displacement outside the casing, which dictates the amount of concrete required to fill the cavity inside the pile and the pile construction sequence, respectively. Design expressions are proposed for estimating soil movements inside and outside the casing with optimal tip geometry being installed. Key words: pipe piles, casing installation, casing tip, clay, soil deformation, large-deformation finite element (LDFE) analysis. Historiquement, il y a un manque de recherche examinant le phenomene de formation de bouchon de sol interne et la deformation laterale externe pendant l'installation de pieux tubulaires dans l'argile. De plus, on n'a pas examine comment la geometrie de la pointe du pieu influe sur la deformation du sol. Les pieux tubulaires en beton coule sur place (PCC) sont une generation recente de pieux tubulaires en matiere d'applications pour l'amelioration des sols mous, et sont coules sur place au moyen d'un tubage en acier a double paroi avec une pointe conique. Cette etude a pour but d'examiner l'effet qu'a la geometrie de la pointe sur les mecanismes d'ecoulement des sols a l'interieur et a l'exterieur du tubage du pieu PCC lors de l'installation dans l'argile. On a fait l'analyse par elements finis appliquee aux deformations importantes (LDFE) simulant le processus de penetration continu de l'installation du tubage. Les resultats de LDFE ont ete valides contre (i) les donnees de suivi sur le terrain en matiere de deplacement lateral du sol et de soulevement a l'exterieur du tubage, et (ii) les donnees d'essai au centrifuge en matiere de resistance a la penetration, et la concordance s'est averee excellente. On a ensuite realise une vaste etude parametrique englobant une large gamme de parametres. On a demontre que la geometrie de la pointe du tubage influe de facon significative sur les mouvements du sol a l'interieur et a l'exterieur du tubage, mais l'effet sur la resistance a la penetration du tubage est minimal. La pointe conique optimale ayant un angle de pointe de 45° et une longueur de pointe en extension minimale fait en sorte qu'une plus grande quantite de sol a ete poussee dans le tubage et moins de deplacement a eu lieu a l'exterieur du tubage, ce qui prescrit le remplissage en beton requis a l'interieur de la cavite du pieu et la sequence de la construction du pieu, respectivement. On a propose des expressions de conception pour l'estimation des mouvements du sol a l'interieur et a l'exterieur du tubage d'installation ayant une geometrie optimale de la pointe. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : pieux tubulaires, installation du tubage, pointe du tubage, argile, deformation du sol, analyse par elements finis appliquee aux deformations importantes (LDFE).
Introduction PCC pile and construction process Recently, large-diameter, cast-in-place concrete pipe (PCC) piles are increasingly being used in soft ground improvement applications (improving the bearing capacity and reducing the settlement [...]