Ground movements due to deep excavations and their effects on pile foundations

• Autores: Chen Zheng
• Directores de la Tesis: Rafael Jiménez Rodríguez (dir. tes.), Andrea Franza (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: César Sagaseta Millán (presid.), Salvador Senent Domínguez (secret.), Alessandra Di Mariano Simoncini (voc.), Gustavo Armijo Palacio (voc.), Ritter Stefan (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Ingeniería civil
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen
  • español

    Con el rápido desarrollo en las grandes ciudades, se necesita infraestructura y servicios (e.g., edificios de gran altura y tránsito rápido) a menudo requiere construcción subterránea (e.g., excavaciones profundas y turno circular), la cual tiene que ser construida cerca de pilotes de cimentación y estructuras existentes. Estas construcciones pueden resultar en movimientos excesivos de tierra que pueden afectar a la seguridad de los pilotes y ser asociados con daños estructurales. Esta tesis se centra en predecir la deformación del suelo causada por excavaciones profundas y turnos circulares desarrollando dos planteamientos analíticos, y evaluando la respuesta del grupo de pilotes y la base de la estructura de pilotes en el modelo continuo elastoplástico (COMPILE). Entonces evaluamos la capacidad de estos modelos comparando nuestros datos modelados con los obtenidos en entornos in situ y/o de laboratorio, y finalmente proporcionamos información de los mecanismos de interacción global excavación-tierra-pilote-estructura (ESPSI). Para la predicción de los movimientos del suelo debido a excavaciones profundas (llamadas “inducidas por excavación”), se desarrollaron las soluciones elásticas y elastoplásticas de forma cerrada para pérdidas de suelo combinadas con métodos de superposición para calcular los movimientos del suelo (incluidos tanto los desplazamientos en la superficie como en el subsuelo). Este enfoque proporciona predicciones razonables de deformaciones del suelo inducidas por excavaciones profundas, aunque subestima los movimientos del suelo adyacentes a la excavación para desplazamientos de paredes de alto nivel (normalizados). Se realizaron estudios paramétricos para ilustrar el efecto de la ovalización del suelo, comportamiento volumétrico, y el modo de deflexión de las paredes en los movimientos de suelo. Lo que destaca el rol de la ovalización del suelo para determinar la magnitud y perfil de los movimientos de la superficie y la subsuperficie. También se proporcionó una tabla en modo de resumen para ayudar a los ingenieros a seleccionar los parámetros de ovalización dependiendo de las condiciones del suelo, método de construcción, y nivel de deflexión de la pared. Para predecir y evaluar los movimientos tridimensionales del suelo debidos a la construcción del eje (consulte “inducidos por el eje”), se desarrolló un nuevo enfoque elástico basado en la teoría de la contracción de la cavidad esférica y se validó mediante comparaciones con el movimiento superficial (e.g., horizontal y vertical) observados en los estudios de caso (e.g., Túnel de prueba Heathrow Express, pozo de acceso en el túnel de cable de Battersea y pozo de lanzamiento de TBM Crossrail en la península de Limmo) y movimientos superficiales y subsuperficiales de arcilla de caolín Speswhite sobreconsolidada obtenida de pruebas de centrifugación. Los resultados indican que la magnitud de los movimientos del suelo aumenta linealmente a medida que el nivel de deflexión de la pared aumenta, y son 1/4-1/2 de esos inducidos por excavaciones profundas normales a lo largo de la distancia desde el muro del diafragma. Los resultados también muestran que el perfil de asentamiento de superficie de tipo enjuta y un perfil de movimiento de superficie horizontal de tipo garrapata ocurren asociados a la construcción del eje. Para analizar el ESPSI debido a carga externa (active) y a cargas inducidas por excavación (pasiva), se desarrolló un modelo de dos etapas (COMPILE) que considera la respuesta no lineal de la interfaz suelo-pilote, interacción pilote-estructura y condición del suelo por capas (e.g., capa superior blanda sobre una capa inferior rígida y capa superior de rigidez media sobre una arcilla rígida). El modelo COMPILE fue validado con datos analíticos, centrífugos y de estudios de caso. Posteriormente, llevamos a cabo estudios paramétricos para evaluar los desplazamientos y fuerzas internas de los pilotes junto con las deformaciones de la superestructura. Los asentamientos resultantes y pendientes resultantes entre pilotes para “pilotes flotantes” (incrustados en el suelo uniforme) fueron mayores que los de “pilotes con extremos” (incrustados en una capa superior muy blanda sobre una capa inferior rígida). Además, tanto los pilotes rígidamente rematados como las estructuras de pilotes semiflexibles provocan, en los cimientos, momentos de flexión que incrementan con la pendiente inducida por la excavación entre pilotes, mientras que el riesgo inducido de rotura por tracción de los pilotes es bajo. Además, los resultados indican una mayor acción de la superestructura en la disminución de la pendiente y la relación de deflexión de las estructuras apiladas apoyadas sobre "pilotes flotantes" que sobre los "pilotes de apoyo final". Finalmente, se confirmó la importancia de incrustar la longitud y la capa inferior del suelo (i.e., Módulo de Young) en la simulación del pilote portante en el modelo. Una longitud suficiente del empotramiento de la base del pilote (e.g., El largo empotrado es 4 veces mayor que el diámetro del pilote) en capas de suelo rígido o en lecho de roca puede conducir a una restricción rotacional perfecta de la parte inferior del pilote. Normalmente, el modelo COMPILE puede simular exitosamente el problema de interacción de la estructura de pilotes y pilotes adyacentes a excavaciones profundas para el diseño preliminar.

  • English

    With the rapid development in crowed city, needs for infrastructure, high-rise buildings and rapid transit require underground construction (e.g., deep-excavation and circular shaft), which may have to be constructed in close proximity to existing pile foundations and piled structures. These constructions could result in excessive ground movements that may detrimentally affect pile foundations and be associated with structural damage. This thesis focuses on predicting the ground deformations induced by deep-excavation and circular shaft by an analytical approach, and evaluating the response of pile group and piled structure using an enhanced elastoplastic continuum model (COMPILE).We then evaluated the capability of these models by comparing modelled data to those obtained from in-situ and/or laboratory settings, and finally provided insights into the mechanisms of global excavation-soil-pile-structure interaction (ESPSI). For the prediction of ground movements due to deep-excavations (referred to as “excavation–induced”), the elastic and elastoplastic closed-form solutions for ground losses combined with superposition methods are integrated to estimate the soil movements (including both surface and subsurface displacements). This approach provides reasonable predictions of soil deformations induced by deep braced excavations, though underestimating ground movements adjacent to the excavation for high (normalised) wall displacement levels. Parametric studies were conducted to illustrate the effect of soil ovalization, volumetric behaviour, and wall deflection mode on the ground movements, which highlighted the role of soil ovalization in determining the magnitude and profile of surface and subsurface movements. A summary chart is provided to help engineers select the ovalization parameter depending on ground conditions, construction method, and wall deflection level. To predict and evaluate the three-dimensional ground movements due to shaft construction (refer to as ‘shaft-induced’), a new elastic approach based on spherical cavity contraction theory was developed, and it was validated by comparisons with surface movements (e.g., horizontal and vertical) observed in history case studies (namely, Heathrow Express Trial Tunnel, access shaft at Battersea cable tunnel, and Crossrail TBM launch shaft at Limmo Peninsula), and surface and subsurface movements of overconsolidated Speswhite kaolin clay obtained from centrifuge tests. Results indicate that the magnitudes of ground movements linearly increase as the wall deflection level increases, and are 1/4 - 1/2 of those induced by regular rectangle deep-excavation. Results also show that spandrel-type surface settlement profile, and a tick-type horizontal surface movement profile occur associated to shaft construction. In order to analyse the ESPSI due to an external (active) load and to excavation-induced (passive) loads, a two-stage model (COMPILE) that considers the nonlinear response of soil-pile interface, pile-structure interaction, and layered ground condition (e.g., soft upper layer above a stiff bottom layer, and medium-stiffness upper layer above a stiff clay) was developed. The COMPILE model was then validated with analytical, centrifuge, and case study data. Subsequently, we conducted parametric studies to evaluate the displacements and internal forces of piles as well as the deformations of the superstructure. Induced settlements and slopes for ‘floating piles’ (embedded in uniform soil) were greater than those for ‘end–bearing piles’ (embedded in very soft upper layer above a stiff bottom layer). Moreover, both rigidly capped piles and semi–flexible piled structures cause, at the foundation heads, bending moments that increase with the excavation-induced slope between piles, whereas the induced risk for tensile failure of piles is low. Also, results indicated a greater action of the superstructure on decreasing the slope and deflection ratio of piled structures rested on ‘floating piles’ than on ‘end–bearing piles’. Finally, the importance of embedding length and bottom soil layer (i.e., Young’s modulus) on simulating the end–bearing pile in model was confirmed. A sufficient length of the pile base embedment (e.g., embedded length is 4 times as large as the pile diameter) in stiff ground layers or in bedrock is needed to obtain a perfect rotational restrain of the pile bottom part. Following validation results, COMPILE model can be used to simulate the interaction problem of pile and piled structure adjacent to deep-excavations in preliminary design.