Centifuge modelling and numerical analysis of helical pile in expansive soil

The performance study of helical piles embedded in expansive soils, conducted with the help of numerical analysis and centrifuge modeling, is presented in this dissertation. Any foundation system is significantly hampered by expansive soils, which are generally recognized for their high swell-shrink characteristics brought on by changes in moisture content. Because of the unique geometry and installation method using helical piles, stability and load-bearing capacity improvement options may be offered to guarantee adequate performance under such problematic soil conditions. For the purpose of establishing field stress conditions and altering key geometric parameters the helix pitch distance, number of helices, spacing ratio S/D, and helix diameter and their effects on the axial uplift and compression capacity of screw piles, the study employs physical modeling using a centrifuge. In order to evaluate behavior under non-vertical forces, conditions were inclined piling forces operated were also modeled. To investigate scale effects and uplift failure mechanisms, these small-scale models were tested at various g levels. To validate the experimental results, learn about failure modes, and improve the design, numerical analysis was done using previously developed theories, such as individual bearing and cylindrical shear. The results demonstrated that load resistance under uplift is greatly increased by increasing the number of helices and optimizing their spacing. These parameters were important in the optimization of screw pile performance under various loading conditions as the results indicated. In addition, the centrifuge tests' results were in line with theoretical forecasts, so modeling that specific strategy can be considered reliable. The behavior of screw piles in expansive soils is examined holistically in this study, which also provides engineers with a useful manual on how to design a solid foundation for buildings in swell-prone areas. The dynamic effects were not taken into account in this research. The primary purpose of the study was to test the behavior of helical piles under controlled load conditions in expansive soil in terms of its load bearing behavior in the statical position. Dynamic or cyclic loading adds other parameters of damping ratio, frequency response, inertia effects, and other special instrumentation and boundary conditions are needed. Because the present work was aimed at the verification of the static uplift and compressing capabilities, the dynamic effects would have complicated the interpretation of the model and would not have been in line with the main research goals. Consequently, dynamic behavior was not included and only quasi-static load applications were taken into consideration, so that clarity and accuracy of the evaluation of the pile soils interaction would be achieved. That will be addressed in future research. Dynamic effects will be addressed in future research.

Bu tez, santrifüj modelleme ve sayısal analiz yardımıyla genleşen zeminlere gömülen helisel kazıkların performans çalışmasını sunmaktadır. Genleşen zeminler, genellikle nem içeriğindeki değişikliklerden kaynaklanan yüksek şişme-büzülme özellikleriyle bilinir; bu nedenle, herhangi bir temel sisteminde önemli sorunlar yaratırlar. Helisel kazıkların özel geometrisi ve montaj tekniği sayesinde, sağlanabilecek stabilite ve yük taşıma kapasitesi iyileştirme alternatifleri, bu tür sorunlu zemin koşullarında yeterli performansı garanti eder.Çalışmada, saha gerilim koşullarını uygulamak ve helisel adım mesafesi, helisel sayısı, aralık oranı S/D ve helisel çapı gibi temel geometrik parametreleri, vidalı kazıkların eksenel kaldırma ve basınç kapasitesi üzerindeki etkilerini değiştirmek için bir santrifüj aracılığıyla fiziksel modelleme kullanılmıştır. Ayrıca, eğimli kazık kuvvetlerinin etki ettiği koşullar modellenerek, düşey olmayan kuvvetler altındaki davranış değerlendirilebilmiştir. Bu küçük ölçekli modeller, ölçek etkilerini ve kaldırma hasarının mekanizmalarını incelemek için farklı g seviyelerinde testlere tabi tutulmuştur. Silindirik kesme ve tekil yataklama gibi halihazırda geliştirilmiş teorilerin yardımıyla sayısal analiz, deneysel sonuçların geçerliliğini kontrol etmek ve hasar modları ve tasarım optimizasyonu hakkında bilgi edinmek için gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, helis sayısının artırılmasının ve aralıklarının optimize edilmesinin, kaldırma kuvveti altındaki yük direncini önemli ölçüde artırdığını kanıtlamıştır. Bunun yanı sıra, santrifüj testlerinden elde edilen çıktı teorik tahminlerle tutarlıydı; dolayısıyla, bu özel yaklaşımın modellenmesi güvenilir kabul edilebilir. Bu çalışma, vidalı kazıkların genleşen zeminlerdeki davranışına bütünsel bir bakış açısı sunmakta ve mühendislere, şişmeye eğilimli ortamlarda yapılar için etkili bir temel oluşturma konusunda pratik bir rehber sunmaktadır. Genleşen zemindeki helezon kazıkların yük taşıma davranışının hareketsiz hâlindeki etkisine odaklanmak için dinamik etkiler ortadan kaldırıldı. Bunların dahil edilmesi gereksiz bir karmaşıklığa yol açacaktı. Sadece yarı statik yükleme analiz edildi ve gelecekteki çalışmalarda dinamik etkiler önerildi.