Investigation of Consecutive Quay Piles Under the Effect of Submarine Landslide

Abstract

Dynamic responses of single piles and pile groups used in marine structures can be evaluated by both analytical and numerical methods. In the analysis of such structures, it is possible to model the dynamic behaviour by considering the structural properties of the piles, along with environmental loads such as wave effects, sediment movements and liquefiable soil conditions. Design parameters are of great importance in the calculation of the forces that will affect the piles. In this study, the motion of consecutive piles subjected to fluid soil pressure in the case of a seahorse landslide was numerically analysed. Liquefied soil motion was considered within the framework of a non-Newtonian fluid behaviour and was defined based on the Navier-Stokes equations. In line with the initial and boundary conditions determined within the scope of the study, the dynamic analysis of the pile was performed numerically by means of a software using the finite element method. Various models were made for different pile spacings in the defined marine environment where a D diameter cylindrical steel pipe type pile system was located, considering the external forces originating from liquefaction. The fluid soil pressures, and flow velocities formed around the piles were analysed separately for the developed model. In the results obtained, it was determined that no interaction was observed when the distance between the piles was 5D and above for the flow velocity V = 0.5 m/s. As a result of the analyses made for different flow velocities, the drag coefficient was obtained with the loads on the consecutive piles.

Keywords

• Fluid-structure interaction
• Hydrodynamics
• Non-newtonian flow
• Numerical analysis
• Sequential quay piles.

Deniztabanı Sıvılaşmış Zemin Akışı Etkisindeki Ardışık Rıhtım Kazıklarının İncelenmesi

Abstract

Deniz yapılarında kullanılan tekil kazıklar ile kazık gruplarının dinamik tepkileri hem analitik hem de sayısal yöntemlerle değerlendirilebilmektedir. Bu tür yapıların analizinde, dalga etkileri, tortu hareketleri ve sıvılaşabilen zemin koşulları gibi çevresel yüklerle birlikte, yapının işlevsel ve yapısal yükleri ile kazıklara ait yapısal özellikler dikkate alınarak dinamik davranışın modellenmesi mümkündür. Kazıklara etkiyecek kuvvetlerin hesabında tasarım parametreleri büyük önem arz eder. Bu çalışmada denizatı heyelan durumunda akıcı zemin basıncına maruz ardışık kazıkların hareketi sayısal olarak analiz edilmiştir. Sıvılaşmış zemin hareketi, Newtonyen olmayan bir akışkan davranışı çerçevesinde ele alınmış ve Navier-Stokes denklemleri temel alınarak tanımlanmıştır. Çalışma kapsamında belirlenen başlangıç ve sınır koşulları doğrultusunda, sonlu elemanlar yöntemi kullanan bir yazılım aracılığıyla kazığın dinamik analizi sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. D çapında çelik silindirik boru tipi bir kazık sisteminin yer aldığı tanımlı deniz ortamında, sıvılaşmadan kaynaklanan dış kuvvetler dikkate alınarak, farklı kazık aralıkları için çeşitli modellemeler yapılmıştır. Kazıklar etrafında oluşan akışkan zemin basınçları ve akış hızları geliştirilen model için ayrı ayrı analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda Akış hızı V=0.5 m/s için kazıklar arası mesafenin 5D ve üzeri olması durumunca etkileşim gözlenmediği belirlenmiştir. Değişik akım hızları için yapılan analizler sonucu ardışık kazık üzerine gelen yükler ile sürükleme katsayısı elde edilmiştir.

Keywords

• Akışkan-yapı etkileşimi
• Hidrodinamik
• Newtonyen olmayan akış
• Nümerik analiz
• Ardışık rıhtım kazıkları

References

1. Abaqus. (2010). Abaqus/CAE 6.14, www.3ds.com, Dassault Systèmes, Accesed: 15 October 2016.
2. Avcı, G. (2008). Kazıklı Temellere Etki eden Dinamik Yüklerin Statik Yükler Cinsinden Uygulanabilirliğinin İncelenmesi. [Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://acikbilim.yok.gov.tr/bitstream/handle/20.500.12812/589980/yokAcikBilim_303273.pdf?sequence=-1
3. Balmforth, N. J. & Provenzale, A. (2001). “Geophysical Aspects of Non-Newtonian Fluid Mechanics“, Lecture Notes in Physics-Geomorphological Fluid Mechanics LNP 582, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 34–51. https://doi.org/10.1007/3-540-45670-8
4. Barajas, G., Lara, J.L., Romano, A. & Montellà, E.P. (2026). “Landslide impacts on built environment: Numerical analysis of the forces exerted by granular material collapsing on dry and submerged conditions”, Applied Ocean Research, Volume 166, 104902, ISSN 0141-1187, https://doi.org/10.1016/j.apor.2025.104902
5. Bozkurt, H. (2011). Suya Doygun Kil Zeminlerdeki Kazıklara Etki Eden Dinamik Yüklerin Statik Yükler Cinsinden Uygulanabilirliğinin Araştırılması. [Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/589708
6. Chakrabarti, S. K. (1987). Hydrodynamics of Offshore Structures, Springer Verlag, Berlin.
7. Chhabra, R. P. (2010). Non-Newtonian Fluids: An Introduction. In: Krishnan J., Deshpande A., Kumar P. (eds) Rheology of Complex Fluids. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-6494-6-1
8. Dhiman, A. K., Chhabra, R. P. & Eswaran, V. (2006). “Steady Flow of Pomer-Law Fluids Across A Square Cylinder“. Chemical Engineering Research and Design, Vol. 84, pp. 300-310, https://doi.org/10.1205/cherd05017

9. Fan, K. & Gazates, G. (1991). “Seismic Response of Single Piles and Pile Groups“. J.Geotech.Eng., Vol. 117, pp. 1860-1879 s.
10. Gücüyen, E. (2013). İç ve Dış Akış Etkisinde Deniz Deşarj Sistemlerinin Tasarımı. [Doktora Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/598258
11. Haza, Z. F. (2018). “The Drag Forces Exerted by Lahar Flows on a Cylindrical Pier: Case Study of Post Mount Merapi Eruptions“. Materials Science and Engineering, Vol. 316, pp. 1-11, doi:10.1088/1757-899X/316/1/012041
12. Lee, S. H. H, Huang, J. H., Widjaja, B. & Chang, D. W. (2013). “The Phase Concept for Liquefaction in Both Sandy and Clayey Soils“. Journal of Applied Science and Engineering, Vol. 16, Issue 1, pp. 15-22. https://doi.org/10.6180/jase.2013.16.1.03
13. Lei, S., Hua-Ping W., Yong L. & Xian-Zhang, L. (2018). “Soil-Pile-Quay Wall System with Liquefaction-Induced Lateral Spreading: Experimental Investigation, Numerical Simulation, and Global Sensitivity Analysis“. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 144, Issue 11, https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001977
14. Lenz, B. L., Griffith, W. A., & Sawyer, D. E. (2023). “Impact-induced seafloor deformation from submarine landslides: Diagnostic of slide velocity?” Geophysical Research Letters, 50, e2023GL104818. https://doi.org/10.1029/2023GL104818
15. Li, R. Y., Chen, J. J. & Liao, C. C. (2021) “Numerical Study on Interaction between Submarine Landslides and a Monopile Using CFD Techniques“. J. Mar. Sci. Eng. Vol. 9, 736. https://doi.org/10.3390/jmse9070736
16. Liu, C., Wang, C., Fang, Q., & Ling, X. (2022). “Soil-pile-quay wall interaction in liquefaction-induced lateral spreading ground“. Ocean Engineering, Vol. 264, 112592, ISSN 0029-8018, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.112592
17. Marn, J., Delic, M. & Zunic, Z. (2001). “Non-Newtonian Fluid Flow Analysis with Finite Difference and Finite Volume Numerical Models“. Applied Rheology, Vol. 11, Issue 2, pp. 325-335. https://doi.org/10.1515/arh-2001-0019
18. Mehmood, S., Nawaz M., & Ali, A. (2018) “Finite Volume Solution of Non-Newtonian Casson Fluid Flow in A Square Cavity“. Communications in Mathematics and Applications, Vol. 9, Issue 3, pp. 459–474, https://doi.org/10.26713/cma.v9i3.795
19. Mollamahmutoğlu, M. & Babuçcu, F. (2006). Zeminlerde Sıvılaşma, Analiz ve İyileştirme Yöntemleri, Gazi Kitabevi, Türkiye.
20. Morison, J. R., O'Brien. M. P., Johnson, J. W. & Scnaaf, S. P. (1950). “The Forces Exerted by Surface Waves on Piles“. Petroleum Trans., AIME, Vol. 189, pp. 149-157.
21. Nguyen, Q. H. & Nguyen, N. D. (2012). Incompressible Non-Newtonian Fluid Flows Continuum Mechanics, Progress in Fundamentals and Engineering Applications, chapter 3, DOI: 10.5772/26091, Edited by Yong X. Gan, Published by InTech, Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, pp. 47-73 s.
22. Ordu, E. & Ozkan, M. T. (2006). “Kazıklı Temellerin Deprem Performanslarının Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Yöntemi ile İncelenmesi“. İTÜ Dergisi, Vol. 5, Issue 2, pp. 27-34.
23. Quinn, A. DeF. (1972). Design and Construction of Ports and Marine Structures (2nd edition), Mc Graw–Hill, Inc, New York.
24. Sawko, R. (2012). Mathematical and Computational Methods of non-Newtonian, Multiphase Flows. [PhD Thesis, Cranfield University, School of Engineering, Cranfield]. https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/server/api/core/bitstreams/52ec8742-4eec-457a-9cd8-ae62ad98c60c/content
25. Sørlie, E.R., Tran, Q.A., Eiksund, G.R. et al. (2025). “Numerical modeling of clay-rich submarine landslides using a novel material point method coupled with computational fluid dynamics.” Landslides 22, 2503–2518. https://doi.org/10.1007/s10346-025-02514-x
26. Uzuoka, R., Sento N., Kazama, M., Zhang, F., Yashima, A. & Oka, F. (2007). “Three-dimensional Numerical Simulation of Earthquake Damage to Group-Piles in a Liquefied Ground“. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 27, Issue 5, pp. 395-413. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2006.10.003
27. Wang, Z., Zheng, D., Guo, X. et al. (2024) “Investigation of offshore landslides impact on bucket foundations using a coupled SPH–FEM method.” Geoenviron Disasters 11, 2. https://doi.org/10.1186/s40677-024-00266-9
28. Widjaja, B. & Pratama, I. T. (2015). “Determination of the Viscosity Value Based on the Influence of the Sliding Plane by Using a Flume Channel“. International Journal of Technology, Vol. 6, Issue 5, pp. 800-808. https://doi.org/10.14716/ijtech.v6i5.1047
29. Yağcı, B. (2013). BAÜ Müh-Mim Fak., Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi Bölüm-7, Balıkesir.
30. Yoshimi, Y., Takiatsu, K. & Hosoka, Y. (1989). “Evaluation of Liquefaction Resistance of Dense Niigata Sand. Soils and Foundations“. Japanese Society of Soil Mechanisc and Foundation Engineering, Vol. 29, Issue 1, pp. 93-104.
31. Youd, T. L. & Gilstrap, S. D. (1999). “Liquefaction and Deformation of Silty and Fine-Grained Soils“. Proceeding of the Second International Conference on Eartquake Geotechnical Engineering, Vol. 3, pp. 1013-1020.
32. Yiğit, M. E. (2019). Dalga Sediment ve sıvılaşan Zemin İtkilerine Mazur Rıhtım Kazıklarının Dinamik Modellemesi. [Doktora tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/260454