Numerical Simulation of Monopile Vibratory and Impact Installation in Saturated Sand
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2823488Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Installasjon av offshore monopeler ved bruk av vibrolodd er antydet å ha flere fordeler sammenlignet med den konvensjonelle metoden ved bruk av fallodd. Det er usikkerhet knyttet til anslag av aksiell og lateral bæreevne av peler installert med vibrolodd. Økt kunnskap knyttet til jordens oppførsel under peleramming med denne metoden kan føre til forbedrede anslag av pelens bæreevne etter installasjon. På sikt kan dette føre til bedre utnyttelse av denne installasjonsmetoden for peler og introdusere de antydede fordelene som medfølger.
Numeriske simuleringer av en monopel påført last fra vibro- og fallodd i mettet sand er utført i PLAXIS 2D. Pelen er modellert ved endelig dybde, og en vertikal, dynamisk last er påført toppen av pelen. Den mulige forskjellen i jordens oppførsel under pelerammingen, og etter konsolidering, er sammenlignet for de to simulerte installasjonsmetodene. I tillegg er effekten på jordens oppførsel ved ulik frekvens til vibroloddet og initiell tetthet i sanden ved installasjon med vibrolodd vurdert. Påliteligheten av resultatene er evaluert, men hverken valgene foretatt ved modelleringen eller resultatene som er oppnådd har blitt verifisert mot data fra feltundersøkelser ved bruk av vibrolodd og fallodd. Derfor er vurderingene av resultatene hovedsakelig konseptuelle.
Resultatene viser en klar forskjell på jordens oppførsel under simuleringen av vibrolodd sammenlignet med fallodd, samtidig som den endelige setningen av pelen er tilnærmet lik for begge installasjonsmetodene. Hastigheten til den vertikale relative forskyvningen ved toppen av pelen er betydelig høyre under den simulerte lastpåføringen med vibrolodd. Poreovertrykk bygges opp for begge installasjonsmetodene, men ved halve pelens lengde under jorden, nær utside pelevegg, bygges dette opp betydelig raskere ved simuleringen av vibrolodd. Den relative reduksjonen av den estimerte sekant skjærmodulen fra første til siste lastsyklus er, for ovennevnte punkt i jorden, betydelig større ved simuleringen av vibrolodd. Derimot er den relative reduksjonen 1 m lenger ut fra peleveggen tilnærmet lik for begge rammemetodene. Indikasjoner på syklisk mobilitet er sett i punktet nær utside pelevegg ved simulering av fallodd allerede ved første lastsyklus, med en relativt stor økning av effektiv middelspenning i trykk. SANISAND-modellen som er brukt implementerer ikke en øvre grense for konstant spenningsforhold mellom deviatorspenning og effektiv middelspenning i trykk som gir plastiske tøyninger. Dette kan medføre at den simulerte jordoppførselen underestimerer plastiske tøyninger langs peleveggen ved simuleringen av fallodd. Kun en liten grad av syklisk mobilitet antydes i samme punkt i jorden ved simulering av vibrolodd og oppstår først etter flere lastsykler. Poreovertrykket og effektiv middelspenning oppnår tilsynelatende en stabil tilstand i jorden ved halve pelens lengde under jorden, nær utside pelevegg, i løpet av de 38.9 simulerte lastsyklene med vibrolodd ved en frekvens på 23.33 Hz, som tilsvarer en total vibreringstid på 1.667 s.
Særlig interessant kan det være at resultatene viser en tilnærmet lik spenningstilstand i jorden etter konsolidering i sammenligningen mellom de to installasjonsmetodene, uavhengig av den betydelige forskjellen i simulert oppførsel av jorden under selve pelerammingen. Dette kan antyde en relativt lik bæreevne av pelen etter begge simulerte metodene av peleramming. Dette er derimot begrenset til de to punktene i jorden som er undersøkt. Anbefalinger for videre arbeid kan inkludere verifisering av en numerisk modell og de oppnådde resultatene for å forbedre kunnskapen om forholdet mellom den observerte oppførselen av jorden under peleramming med vibrolodd og dens tilstand etter konsolidering.
De ulike numeriske simuleringene med vibrolodd antyder en lavere hastighet for vertikal relativ forskyvning ved toppen av pelen ved simulering av de lavere frekvensene med de tilknyttede mindre lastamplitudene. I et punkt ved halve pelens lengde under jorden, nær utside pelevegg, antyder resultatene fra de simulerte lavere frekvensene en lavere hastighet for oppbygging av poreovertrykk og et høyere forhold av sekant skjærmodul mellom første og siste lastsyklus. De samme tendensene er antydet for simuleringen med lavere frekvens hvorav lastamplituden er uendret. Resultatene antyder en større grad av likvifisering av jorden i det ovennevnte punktet nær utside pelevegg for den løsere sanden. Installation of offshore monopiles by vibratory driving is suggested to have several advantages compared to the conventional impact driving method. However, there are uncertainties related to the prediction of axial and lateral bearing capacity of vibratory driven piles. Enhanced knowledge regarding soil behaviour during pile driving with this installation method may grant improved prediction of the bearing capacity of the pile after installation. Ultimately, this may lead to better utilisation of the vibratory installation method with its suggested advantages.
Numerical simulations of vibratory and impact driving of a monopile in saturated sand is performed in PLAXIS 2D. The pile is wished-in-place at final depth, and a vertical, dynamic load is applied to the top of the pile. The possibly different soil behaviour during driving, and after consolidation, is compared for the two simulated installation methods. In addition, the effect of driving frequency and initial soil density on the soil behaviour is investigated for the vibratory installation method. The reliability of the results is evaluated, however, neither the numerical modelling decisions nor the obtained results are verified by data from pile installations in the field with vibratory and impact driving. Hence, the assessments of the results are mainly conceptual.
The results show a clear difference in soil behaviour during simulation of vibratory pile driving compared to impact driving, while the final settlement of the pile is close to similar for both methods. The vertical displacement rate of the top of the pile is considerably higher during vibratory driving. Excess pore pressure build-up is seen for both driving methods, however, the build-up at the centre of the embedded pile length, near the exterior pile wall, develops at a significantly higher rate during vibratory driving. The relative reduction of the estimated secant shear modulus from the first to the last loading cycle is, in the aforementioned point in the soil, considerably higher during vibratory driving compared to impact driving. However, 1 m further out from the pile wall the relative reductions are close to similar for both driving methods. Indications of cyclic mobility is seen in the point near the exterior pile wall during impact driving already during the first loading cycle, with a relatively large increase of effective mean stress in pressure. The SANISAND material model used does not implement cap hardening. Hence, the simulated soil behaviour may under-predict the plastic strains along the pile wall during impact driving. Only slight cyclic mobility is indicated in the same point of the soil during vibratory driving and occurs only after several loading cycles. The excess pore pressure and effective mean stress in the soil at the centre of the embedded pile length, near the exterior pile wall, seem to approach a steady-state during vibratory driving at 23.33 Hz with 38.9 loading cycles, i.e. 1.667 s.
It may be particularly interesting that the results indicate a close to similar stress state in the soil after consolidation in the comparison of the two installation methods, regardless of the considerably different soil behaviour simulated during driving. This may imply a relatively similar bearing capacity of the pile after the simulated pile driving for both methods. This is, however, limited to the two points in the soil investigated. Recommendations for further work may include the verification of a numerical model and obtained results to grant enhanced knowledge of the relation between observed soil behaviour during vibratory driving and the state after consolidation.
The different numerical simulations of vibratory driving suggest a lower rate of vertical displacement of the top of the pile at the lower frequencies with associated smaller load amplitudes. In a point at the centre of the embedded pile length, near the exterior pile wall, the results from the simulated lower frequencies indicate a lower rate of excess pore pressure build-up and a higher ratio of secant shear modulus between the first and last loading cycle. The same tendencies are seen for the simulated lower driving frequency of which the load amplitude remains the same. The results suggest a larger degree of soil liquefaction in the aforementioned point near the exterior pile wall for the looser soil.