Numerical simulation of pile-soil interaction by the finite element method

A análise e projeto de grandes estruturas de engenharia requerem, geralmente, a utilização de fundações profundas baseadas em estacas de aço ou concreto armado. Sendo o problema de natureza tridimensional pelas condições de contorno e a variação espacial das propriedades do solo, necessita-se de uma ferramenta computacional capaz de simular esse tipo de problema em situações de interesse, tais como carregamento sísmico ou quase-estático por consolidação. Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico tridimensional baseado no método dos elementos finitos sob pequenas deformações para a modelagem do problema de interação solo-estaca sob carregamento estático, quase-estático e dinâmico. Elementos finitos hexaédricos são utilizados para representar o meio poroso saturado e as estacas de concreto armado. Considera-se a interação parcial entre ambos meios, mediante a inclusão de elementos de interface capazes de simular separação e escorregamento. A não-linearidade física de todos os materiais envolvidos é considerada mediante a utilização da teoria de plasticidade, onde esquemas de integração explícita são utilizados. Um modelo constitutivo baseado na teoria de plasticidade generalizada é utilizado para simular o fenômeno de liquefação em areias. No caso da estaca de concreto armado, utilizou-se um modelo de fissuras distribuídas para representar o processo de fissuração, enquanto a armadura de reforço pode ser representada por uma camada distribuída equivalente ou por um modelo discreto incorporado. Exemplos numéricos são apresentados para validar a correta implementação do modelo numérico.Deep foundations using steel or reinforced concrete piles are conmmonly used in large civil engineering structures. Due to the three-dimensional nature of the problem, its boundary conditions and spatial variability of soil properties, it is necessary to employ numerical models that must be able to simulate this problem under seismic loading as well as under quasi static consolidation processes. A three-dimensional numerical model based on the finite element method, for the static, quase-static and dynamic analysis of the soil-pile interaction problem under the small strain assumption is proposed in this work. For this purpose, coupled hexahedral finite elements are used to represent soil and concrete piles. Interface elements are used to simulate slip, bonding and opening processes at the soil-pile interface. Material nonlinear behaviour of the soil and concrete are considered by using the theory of plasticity, where explicit integration schemes are used. A suitable constitutive model based on the generalized theory of plasticity is employed to represent the liquefaction phenomena in sands under cyclic loading. For the concrete pile, a smeared approach is used to represent concrete cracking due to traction stresses, while both an equivalent smeared layer representation or a discrete unidimensional representation can be used for modeling the reinforcing steel. Numerical examples are presented in order to validate the implementation of the numerical model