Centrifuge modeling technique for axial compressive loading on helical piles in sand

ABSTRACT: Model helix piles in previous research based on geotechnical centrifuge modeling were insufficiently instrumented and characterized. As a result, there is a knowledge gap on the appropriate experimental technique that can provide accurate information on the internal load transfer within the helices and the nature of pile failure mode, particularly in the sand. The article provides an overview of the pile instrumentation and centrifuge modeling technique and axial compressive load carrying capacity on five model aluminum piles in a model box filled with sand. For instrumentation, two groove trenches were engraved onto the sides of the metal shaft to place axial strain gauges at definite locations over the length of the pile. Appropriate calibrations were made to ascertain the accuracy of the placed gauges over some fixed loads. An appropriate sand pluviation technique was adopted, and correlation charts were developed for a prefabricated portable traveling pluviator to obtain the uniformity of sand deposition on the model box for a desired relative density. A dual-axis electrical actuator was affixed on top of the soil container to impose the axial compressive load on the installed model piles in the sand bed. From an inflight centrifuge test at a 20 g scale unit, the axial load vs. normalized axial displacement responses of the model piles up to a depth of 20% of the shaft or helix diameter is ascertained from the axial strain gauges located within the pile. It was observed that, the pile with helix carried a larger load compared to a smooth pile. With the addition of a second helix and an increase in inter helix spacing, the load-carrying capacity increases significantly, depicting the nature of a Cylindrical Shear Mode (CSM). The measured ultimate capacity was comparable to the theoretical ultimate capacity from the literature.

RÉSUMÉ: Les modèles de pieux hélicoïdaux dans les recherches précédentes basées sur la modélisation géotechnique par centrifugation étaient insuffisamment instrumentés et caractérisés. En conséquence, il existe un manque de connaissances sur la technique expérimentale appropriée qui peut fournir des informations précises sur le transfert de charge interne dans les hélices et la nature du mode de rupture du pieu, en particulier dans le sable. L'article donne un aperçu de l'instrumentation des pieux et de la technique de modélisation par centrifugation et de la capacité de charge de compression axiale sur cinq pieux modèles en aluminium dans une boîte modèle remplie de sable. Pour l'instrumentation, deux tranchées à rainures ont été gravées sur les côtés de l'arbre métallique pour placer des jauges de contrainte axiale à des emplacements définis sur la longueur du pieu. Des étalonnages appropriés ont été effectués pour vérifier la précision des jauges placées sur certaines charges fixes. Une technique appropriée de pluie de sable a été adoptée et des tableaux de corrélation ont été développés pour un pluviateur portable préfabriqué afin d'obtenir l'uniformité du dépôt de sable sur la boîte modèle pour une densité relative souhaitée. Un actionneur électrique à double axe a été fixé au-dessus du conteneur de sol pour imposer la charge de compression axiale sur les pieux modèles installés dans le lit de sable. À partir d'un essai de centrifugation en vol à une unité d'échelle de 20 g, la charge axiale par rapport aux réponses de déplacement axial normalisé des pieux modèles jusqu'à une profondeur de 20 % du diamètre de l'arbre ou de l'hélice est déterminée à partir des jauges de contrainte axiales situées dans le pieu. Il a été observé que le pieu avec hélice portait une charge plus importante par rapport à un pieu lisse. Avec l'ajout d'une deuxième hélice et une augmentation de l'espacement entre les hélices, la capacité de charge augmente considérablement, illustrant la nature d'un mode de cisaillement cylindrique (CSM). La capacité ultime mesurée était comparable à la capacité ultime théorique de la littérature.