The paper presents a study of the bearing capacity of a pile model in calibration chamber, under a cyclic axial loading, up to very large number of cycles. The experimental study is aimed to the evolution of the bearing capacity of pile obtained after a cyclic loading up to 105 cycles. Firstly, we present briefly the experimental device and then the results of cyclic tests performed on the pile model in the calibration chamber.  Several parameters which have a significant influence on the cyclic behavior of piles have been investigated, such as the cyclic displacement amplitude and the density of the soil. The analysis of results indicated that the mechanism of densification of the soil around the pile leads to improve pile capacity

Bekki, Hadj

Bouafia, Ali

Canou, Jean

Dupla, Jean-Claude

Tali, Brahim

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J. Appl. Eng. Sci. Technol. (2016) 2(2): 51-55 Corresponding author. E-mail address: abekkihadj@yahoo.frThis work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0. License (CC BY 3.0) http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING SCIENCE & TECHNOLOGY | JAEST - ISSN 2352-9873 (PRINT) | SECTION C: GEOTECHNICAL AND CIVIL ENGINEERINGAvailable online at http://revues.univ-biskra.dz/index.php/jaestfstInfluence of the cyclic loading of very large number of cycles on the pile capacityInfluence du chargement cyclique à grand nombre de cycles sur la capacité portante despieuxHadj Bekki1, Brahim Tali2, Jean Canou2, Jean-Claude Dupla2, Ali Bouafia31 Université Ibn khaldoun de Tiaret, Algérie2 École Nationale des Ponts et Chaussées, Univ. Paris-Est, UR Navier, CERMES, France3 Université Saâd Dahleb de Blida, AlgérieReceived 20 November 2015Revised 26 may 2016Accepted 01 June 2016Published online: 09 August 2016Abstract: The paper presents a study of the bearing capacity of a pile model in calibrationchamber, under a cyclic axial loading, up to very large number of cycles. The experimental study isaimed to the evolution of the bearing capacity of pile obtained after a cyclic loading up to 105cycles. Firstly, we present briefly the experimental device and then the results of cyclic testsperformed on the pile model in the calibration chamber.  Several parameters which have asignificant influence on the cyclic behavior of piles have been investigated, such as the cyclicdisplacement amplitude and the density of the soil. The analysis of results indicated that themechanism of densification of the soil around the pile leads to improve pile capacity.KeywordsCalibration chamberPile modelSoilInterfaceBearing capacityCyclic loading © 2016 The authors. Published by the Faculty of Sciences & Technology, University of Biskra.This is an open access article under the CC BY license.Résumé: L’article présente une étude de la capacité portante des pieux chargés axialement, par une modélisation physique en chambre d’étalonnage,sous l’effet d’un chargement cyclique à grand nombre de cycles. L’étude expérimentale est consacrée à l’évolution de la capacité portante des pieuxobtenue après l’application d’un chargement cyclique à grand nombre de cycles. On présente brièvement le dispositif expérimental utilisé, puis lesrésultats d’essais cycliques réalisés dans la chambre d’étalonnage sur un modèle de pieu, en analysant les effets de la densité et de l’amplitude cyclique.Il a été trouvé que, d’une façon générale, la capacité portante des pieux augmente considérablement suite à l’application d’un chargement cyclique àgrand nombre de cycles. Ceci est dû au phénomène de la densification  du sol au niveau de l’interface pieu-sol.Mots clés : Chambre d’étalonnage; Pieu; Sol; Interface; capacité portante; chargement cyclique.1. IntroductionLes pieux sont soumis, durant leur durée de vie, à dessollicitations cycliques qui sont induites par différentes actionstelles que le vent, la houle, les marées, le trafic routier etferroviaire, etc. Ces actions engendrent la dégradation de lacapacité portante des pieux, on parle souvent de la dégradationdu frottement latéral. Plusieurs travaux de recherche ont étéentrepris depuis le début des années quatre-vingt pourcomprendre les mécanismes de dégradation, on cite entre autresles travaux de Chan et Hanna (1980), Andersen et al. (1980) etPoulos (1981). La plus part des travaux expérimentaux, que cesoit in situ ou en laboratoire, consacrés à l’étude ducomportement des interfaces sous sollicitations cycliquesprésentent des essais pour un nombre de cycles petit ou moyen(jusqu’à quelques centaines ou quelques milliers). Cependant, lessollicitations réelles sont des actions répétitives de l’ordre deplusieurs centaines de milliers de cycles, telles que les fondationsdes éoliennes ou des structures off-shore. Le chargement et ledéchargement du pieu provoquent une évolution trèssignificative du comportement du système pieu sol (dégradationde la capacité portante et accumulation des déplacementsplastiques). La dégradation du frottement latéral a été observéepar plusieurs auteurs, en faisant des  essais in situ et sur desmodèles réduits au laboratoire (Chan et Hanna 1980; Poulos1981; Andersen et al. 1988; Chin et Poulos 1996; Randolph et al.1996; Fakharian 2001; White 2005; Gavin et O’Kelly 2007).L’étude de la dégradation du frottement latéral en utilisant unmodèle de pieu en chambre d’étalonnage (développée au Centred’Études et de Recherches en Mécanique de Sols à l’ÉcoleNationale des Pants et Chaussées de Paris) sous l’effet d’unchargement cyclique de type alterné, à déplacement contrôlé, amis en en évidence une variation très significative du frottementlatéral au niveau de l'interface sol-pieu, en particulier, pour unnombre de cycles élevé (Bekki et al. 2014).52 Bekki et al. / J. Appl. Eng. Sci. Technol. (2016) 2(2): 51-55L’étude de l’évolution de la capacité portante consiste à faire unecomparaison entre les résultats obtenus pour un chargementmonotone initial pré-cyclique et un chargement monotone post-cyclique pour estimer l’évolution de la capacité portante despieux. Certains paramètres clés ont été étudiés, notamment:l’amplitude de déplacement cyclique ainsi que la densité dumassif de sol.Pour étudier l’évolution de la capacité portante des pieux, lesfacteurs de dégradation globale en terme de résistance en pointeet de frottement latéral ont été définis comme suit (Al-Douri1992; Le Kouby 2003).Dq = qp,final/ qp,initial (1)Dτ = fs, final / fs, initial (2)Avec:qp,final: Résistance en pointe limite mesurée lors du chargementmonotone final;qp,initial: Résistance en pointe limite mesurée lors du chargementmonotone initial;fs,final: Frottement latéral limite mesuré lors du chargementmonotone final;fs,initial: Frottement latéral limite mesuré lors du chargementmonotone initial.2. Dispositifs expérimentaux et procédure d’essaiLa chambre d’étalonnage utilisée a été développée à l’UR Navier-CERMES de l’ENPC (Dupla & Canou, 2003; Bekki & al. 2009). Ledispositif permet de fabriquer des massifs de sol de 524 mm dediamètre et de 700 mm de hauteur (Figure 1).Le sable utilisé est le sable de Fontainebleau NE 34,essentiellement siliceux de grains sub-arrondis, ses principalescaractéristiques sont résumées dans le tableau 1. La mise enplace du massif de sol pour essai est réalisée en utilisant latechnique de pluviation (Dupla 1995).Pour la mise sous contraintes des massifs de sable, on a appliquéun niveau de contraintes faible (σh = 50kPa; σv =125kPa), soit uncoefficient de pression de terre K0 égal à 0,40.Le modèle de pieu utilisé est une sonde de type pénétrométriquede diamètre (d) 36 mm et de 950 mm de longueur. La sonde estinstrumentée par deux capteurs d’effort, permettant desmesures découplées; l’un placé dans la pointe ayant une capacitéde  20 kN et l’autre placé à une distance de 240 mm de la pointeet constituant le manchon de frottement latéral ayant unecapacité de 5 kN (Figure 1). La rugosité normalisée du manchondu modèle de pieu est égale à 1, ce qui permet de mobilisercomplètement le frottement. Le modèle de pieu est installé dansle massif de sable jusqu’à une profondeur de 500 mm, avec unevitesse d’enfoncement de l’ordre de 1 mm par seconde.Tableau 1. Caractéristiques physiques du sable de FontainebleauD50(mm) CU CC emax eminρs(g/cm3)ρdmin(g/cm3)ρdmax(g/cm3)0,22 1,49 1 0,882 0,551 2,65 1,41 1,71Le chargement du pieu s’effectue selon trois étapes : on réalisetout d’abord un chargement monotone pour évaluer la capacitéportante initiale du pieu, puis le chargement cyclique à grandnombre de cycles et enfin un chargement monotone final pourl’évaluation de la nouvelle capacité portante obtenue suite àl’application d’une séquence cyclique.3. Essai TypiqueLa figure 2 montre la réponse du pieu suite à l’essai complet,conduit sur le massif de référence M0, réalisé à un état dedensité moyenne (ID=0,65), un niveau de contraintes faible (σh =50kPa ; σv =125kPa) et une amplitude de déplacement cycliqueρc = ± 0,5 mm.Fig 1. Dispositif d’essai en chambre d’étalonnage pour lamodélisation physique des pieux.Bekki et al. / J. Appl. Eng. Sci. Technol. (2016) 2(2): 51-55 53L’essai est effectué en trois étapes:(a) Chargement monotone initialLa résistance en pointe (Figure 2.a) se mobilise à partir d’unevaleur résiduelle positive, ensuite évolue vers un palier à la fin dechargement. Par contre, le frottement latéral (figure 2.b) semobilise à partir d’une valeur négative. La capacité portanteglobale initiale est de 8 kN; la pointe reprend 77% de l’effortappliqué, une telle valeur est très proche à celle trouvé par Chinet Poulos (1996). Le frottement ne reprend donc que  23%, dufait de l’élancement du pieu (évalué à 14).(b) Chargement cycliqueLa figure 3.a montre l’évolution des boucles relatives aufrottement latéral. On remarque bien la dégradation de lacapacité portante à partir du premier cycle.  En effet, sur les 10premiers cycles, on enregistre une dégradation de l’ordre de13%. Cette dégradation cyclique continue jusqu’au cycle 100, puisle frottement latéral augmente en continu jusqu’à la fin del’essai.Dans la phase de radoucissement (dégradation), σh diminue dufait de la diminution de l’épaisseur de l’interface pieu-sol, ce quise traduit par un comportement de type radoucissementcyclique. Ce comportement se poursuit jusqu’à un point où onatteint la dégradation maximale du frottement latéral (Chin etPoulos 1996). À partir de ce point, le sable dans la zoned’interface continue à se densifier mais à faible taux et leFig. 2. Essai Monotone initial, essai cyclique et essai monotone post-cyclique réalisés sur la massif M0 (ID= 0,65; σh = 50kPa; σv =125kPa): (a)Résistance en pointe; (b) Frottement latéral.Fig. 3. Essai cyclique à déplacement contrôlé (ρc = ±0,5 mm)  réalisé sur lamassif  M0 (ID= 0,65 ; σh = 50kPa ; σv =125kPa) : (a) Frottement latéral ; (b)Résistance en pointe.caractère dilatant augmente d’un cycle à un autre. Du fait que ladilatance est partiellement empêchée (Schlosser et Guilloux1980; Lerat et al. 1997), ce phénomène devient prédominant parrapport à la diminution de σh et provoque un durcissementprogressif de l’interface avec des valeurs maximales dufrottement mobilisé et ce jusqu’à la fin de la séquence cyclique,pour un nombre élevé de cycles (Bekki et al. 2013).Pour la résistance en pointe (figure 3.b), la dégradation est plusprononcée sur les premiers cycles. En effet, on enregistre uneforte dégradation de l’ordre de 62% sur les 10 premiers cycles.Ceci s’explique par le fait que le sol sous la pointe est fortementdensifié suite à l’installation de l’inclusion et au chargementmonotone. Ainsi, au cours de chargement cyclique, celui-ciprovoque une diminution du champ de contraintes sous lapointe, durant la phase arrachement (demi cycle négatif), le solest relâché, durant le demi cycle positif (phase compression), ledéplacement imposé n’est pas assez grand pour remobiliser larésistante en pointe, mais au fur et à mesure que le chargementse poursuive, le sol occupe de plus en plus l’espace libéré par ledéplacement et il commence à se densifier suite à la compactionde la masse de sable sous la pointe, ce qui provoque uneaugmentation de la résistance en pointe.(c) Chargement monotone post-cycliqueLa figure 2 montre bien l’amélioration importante de la capacitéportante engendrée par le chargement cyclique. En effet,l’augmentation de la capacité portante globale est de l’ordre de50%, une telle amélioration est due au fait que le chargementcyclique a provoqué une densification du sol au voisinage du54 Bekki et al. / J. Appl. Eng. Sci. Technol. (2016) 2(2): 51-55pieu. L’amélioration du frottement latéral est très importante,qui est de l’ordre de 170%, s’expliquant par le fait que lechargement cyclique a engendré une densification du sol autourdu manchon du pieu, qui est d’ailleurs plus marqué par rapport àla densification du sol sous la pointe, où il a été enregistré 46%d’augmentation de la résistance en pointe.4. Étude paramétrique4.1. Amplitude cycliquePour les différentes amplitudes cycliques testées, il a été trouvéque le chargement cyclique améliore la capacité portante du pieuaprès un grand nombre de cycles (100 000 cycles), en effet, lesfacteurs de dégradation globale sont tous supérieurs à l’unité(Figure 4a). Pour la petite amplitude de ρc = ±0,1 mm, les facteursde dégradation globale sont nettement améliorés, mais ilsrestent relativement faibles par rapport à ceux obtenus pour lesautres amplitudes, du fait que cette amplitude ne permet qu’unelégère densification du sol autour du pieu.Par contre, pour la deuxième amplitude (ρc= ±0,25mm), lesfacteurs de dégradation sont pratiquement doublés, cela est dûau fait que cette amplitude provoque une densificationimportante par un meilleur réarrangement des grains et parconséquent un serrage du sol autour du pieu. Tandis que pour la3ème amplitude (ρc= ±0,5mm), les facteurs de dégradation ontlégèrement diminué par rapport à ceux obtenus pour la 2èmeamplitude, ceci peut être dû au fait que cette amplitude cycliquene permet pas un meilleur réarrangement des grains(réarrangement et désorganisation des grains)Fig. 4. Variation des facteurs de dégradation globale de la résistance enpointe et du frottement latéral en fonction de : (a) Amplitude  cyclique ;(b) Indice de densité du massif.4.2. Densité du massifLa figure 4b montre que pour le massif le plus dense, il y aura uneamélioration importante de la capacité portante (pour un niveaude contraintes faible), en particulier pour le frottement latéral.Ceci s’explique par la densification additionnelle de l’interfaceengendrée par le chargement cyclique qui a provoqué un serragedu sol autour du pieu. Le faible taux d’accroissement de larésistance en pointe nous laisse dire que l’effet de la densité agitplus sur le frottement (par un serrage du sol au tour du manchon)que sur la pointe (diminution du champ de contraintes sous lapointe suite au mouvement alterné du pieu).5. ConclusionLes essais réalisés sur modèle réduit de pieu en chambred’étalonnage montrent que le chargement cyclique alterné àgrand nombre de cycles (100 000 cycles) produit, en général, uneamélioration de la capacité portante tant en résistance en pointequ’en frottement latéral.Il a été trouvé que le taux d’amélioration de la capacité portantevarie en fonction de la densité du massif et de l’amplitudecyclique. Le taux de variation du frottement latéral est plusimportant par rapport à celui de la résistance en pointe, ce quimontre que le frottement latéral est plus sensible aux paramètresde chargement cyclique.L’analyse des résultats trouvés nous permet de dire que lephénomène de densification de l’interface pieu–sol est lemécanisme qui donne une explication à l’amélioration de lacapacité portante suite à un chargement cyclique à grand nombrede cycles.ReferencesAl-Douri, R.H. (1992) Behaviour of Single Pile and Pile groups inCalcareous Sediments. Ph.D. Thesis, University of Sydney. Australia.Andersen, K. H., W. F. Rosenbrand, S. F. Brown,  & J. H. Pool (1980) Cyclicand Laboratory tests on Drammen Clay. Journal of the GeotechnicalEngineering Division, ASCE 106(5): 499-529.Andersen, K.H., Kleven, A. & Heien, D. (1988). Cyclic Soil Data for Designof Gravity Structures. Journal of Geotechnical Engineering. ASCE, 114(5):517-539.Bekki H., A. Apergi, Canou J., J. C. Dupla, B. Tali & A. Bouafia (2009)Expérimentation en chambre d’étalonnage sur  modèles réduits de pieux.Colloque International sur le développement de la géotechnique auMaghreb, Casablanca (Maroc).Bekki, H., J. Canou, B. Tali, J. C. Dupla, & A. Bouafia, (2013) Evolution oflocal friction along a model pile shaft in calibration chamber for largenumber of loading cycles. Comptes Rendus Mécanique, 341(6): 499-507.Bekki, H., J. Canou, B. Tali, J. C. Dupla & A. Bouafia (2014) Behavior of Soil-structure interfaces under cyclic loading for large numbers of cycles:Application to piles. Journal of Applied Engineering Science & Technology,1(1): 11-16.Chan, S.F. & T. H. Hanna (1980) Repeated Loading On Singles Piles inSand, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 106(2): 171-188.Bekki et al. / J. Appl. Eng. Sci. Technol. (2016) 2(2): 51-55 55Chin, J.T. & H.G. Poulos (1996) Tests on Model Jacked Piles in CalcareousSand. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, 19 (2): 164-180.Dupla J. C (1995) Application de la sollicitation d’expansion de cavitécylindrique à l’évaluation des caractéristiques de liquéfaction d’un sable.Thèse de doctorat obtenue au CERMS, ENPC, 321-376.Dupla, J. C., & J. Canou (2003) Cyclic pressuremeter loading andliquefaction properties of sands. Soils and Foundations, 43 (2): 17-31.Fakharian, K. (2001) Friction Pile-Soil Interaction Subjected to Cyclic AxialLoads. Proceedings of the Eleventh International Offshore and PolarEngineering Conference Stavanger, Norway, pp. 17-22.Gavin, K.G. & B. C. O’Kelly (2007) Effect of Friction Fatigue on PileCapacity in Dense Sand. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 133 (1): 63-71.Le Kouby, A. (2003). Étude du comportement mécanique des micros pieuxsous chargement monotones et cycliques verticaux, Application aux effetsde groupe. Thèse de doctorat obtenue au CERMS, ENPC, 229- 319.Lerat, P., M. Boulon & F. Schlosser (1997) Étude expérimentale del’interface sol-structure dans les milieux granulaires. Revue Française deGénie Civil, 1 (2): 345-366.Poulos, H.G. (1981) Some aspects of skin friction of piles in clay undercyclic loading.  Geotechnical Engineering, ASCE, 12, 1- 17.Randolph, F.M., H. A. Joer, M.S Khorshid & A.M. Hyden (1996) Field andLaboratory Data from Pile Load Tests in Calcareous Soil. The 28th OffshoreTechnology Conference, Texas, U.S.A, 6-9.Schlosser, F. & A. Guilloux (1980) Le frottement dans le renforcement dessols. Revue française de Géotechnique, 16: 65-67.White, D. J. (2005) A General Framework For Shaft Resistance onDisplacement Piles in Sand Proc. Int. Symp. On Frontiers in OffshoreGeotechnics, pp. 697-703.

Influence of the cyclic loading of very large number of cycles on the pile capacity

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