Power transfer and vibrator-pile-soil interactions within the framework of vibratory pile driving

Abstract

The vibratory driving technique is used for driving piles and sheet piles into the ground, by imparting to the profile a longitudinal vibratory motion. Performance of the technique results from interactions between the driving unit, the pile and the soil. The objective of the present thesis is to develop a better understanding of those interactions. The research is based on a detailed study of experimental results, consisting in full scale vibratory driving tests and experience databases. A large amount of data was available thanks to the partners (and other participating organizations) of this research (BBRI, Arcelor-Mittal, Deltares, LCPC). A new full scale test campaign was also conducted in Limelette (Belgium) for investigating specific questions such as the influence of vibratory parameters and sheet pile movements on the efficiency of the technique, in terms of both driving time and power consumption. Analysis of the experimental results has allowed some shortcomings in the current methods addressing pile vibrodrivability to be identified. Shortcomings are mainly related to the assumptions regarding the vibratory action actually applied to the pile (force and frequency), the (sheet) pile movement, and the definition of soil parameters. The second part of the thesis is devoted to the improvement of vibrodriving prediction methods based on theoretical and experimental conclusions. In particular, suggestions are made to correct the definition of the vibratory force and to account for the possible influence of power limitation coming from the power pack. In that process, the definitions of the soil parameters are revisited based on the literature and experimental studies. Also the possibility of extending vibrodriving models for the prediction of power consumption is investigated, as well as the possibility to override the rigid body assumption through use of the finite element approach.Le vibrofonçage est utilisé pour foncer des pieux et palplanches dans le sol, en imposant au profil à foncer un mouvement vibratoire longitudinal. Les performances de cette technique résultent des interactions entre l’équipement de vibrofonçage, le pieu et le sol. L’objectif de la présente recherche est de développer une meilleure compréhension de ces interactions. La recherche se base sur une étude détaillée de résultats expérimentaux, issus d’essais de vibrofonçage en vraie grandeur et de bases de données constituées de relevés d’expériences. Une grande quantité de données était disponible grâce aux partenaires de la recherche, et autres organismes participant (BBRI, Arcelor-Mittal, Deltares, LCPC). Une nouvelle campagne d’essais en vraie grandeur a également été menée à Limelette (Belgique) pour investiguer des questions plus spécifiques telles que l’influence des paramètres de vibrofonçage et l’influence des mouvements de la palplanche sur l’efficacité de la technique, en termes de vitesse de fonçage et consommation énergétique. L’analyse de ces résultats expérimentaux a permis d’identifier des lacunes dans les méthodes actuelles de prédiction du vibrofonçage. Ces lacunes sont principalement liées aux hypothèses concernant l’action du vibrateur sur le pieu (force et fréquence), le comportement du pieu (ou de la palplanche), et la définition des paramètres de sol. La seconde partie de la thèse est consacrée à l’amélioration des méthodes de prédiction du vibrofonçage sur base des conclusions des études théoriques et expérimentales. En particulier, des suggestions sont faites pour corriger l’expression de la force vibratoire et prendre en compte l’effet d’un possible manque de puissance du groupe hydraulique, tandis que la définition des paramètres de sol est revue sur base de l’étude de littérature et des résultats expérimentaux. La possibilité d’étendre les modèles de calcul à la prédiction de la consommation énergétique lors du vibrofonçage est finalement étudiée, de même que la possibilité de s’écarter de l’hypothèse du corps rigide pour représenter le pieu, grâce à une approche par éléments finis.(FSA 3) -- UCL, 201