Geotechnical Design of Axially Loaded Piles through the Integration of Numerical Analysis and the Unified Method

Abstract

Piles are commonly used as foundation elements to reduce settlements, but traditional geotechnical design is based on bearing capacity analysis, with settlements controlled through a separate calculation approach. In such a pile design, “bearing capacity” is often considered as a final value obtained by separately calculating and summing the shaft friction and tip resistance. However, this approach is unrealistic because it does not clearly specify at what deformation level the bearing capacity is defined. In the Unified Method, however, pile design accounts for settlements; the pile tip and associated circumferential friction resistances are calculated, and the pile's long-term behavior is predicted. Since instrumented pile load test data are used in this pile design approach, the design is based on the actual pile behavior. This article presents a holistic design approach integrating numerical analysis with the Unified Method. In this approach, pile bearing capacity is considered not as a singular final value, but as a performance-based quantity dependent on load-settlement behavior. This paper references an instrumentally observed pile loading test and evaluates the stress and displacement results obtained from a calibrated numerical model within the framework of the Unifıed Method by converting them into forces. Furthermore, the effect of negative perimeter friction on pile behavior under different surcharge pressures is investigated. Accordingly, it is observed that negative perimeter friction alters the pile load transfer mechanism, mobilizing the tip resistance at higher settlement levels. The proposed numerical analysis-Unified Method integration enables simultaneous evaluation of short- and long-term pile behavior and offers a performance-based, more realistic, and economical design approach.

Keywords

• Unified Method
• numerical analysis
• performance-based design
• axially loaded piles
• negative skin friction
• load–settlement behavior
• pile–soil interaction

Eksenel Yüklü Kazıkların Sayısal Analiz ve Bileşik Yöntem Entegrasyonu ile Geoteknik Tasarımı

Abstract

Kazıklar, oturmaları azaltmak üzere inşa edilen temel elemanları olsa da geleneksel geoteknik tasarım, taşıma gücü analizine göre yapılmakta ve oturmalar ayrı bir hesaplama yaklaşımıyla kontrol edilmektedir. Böylesi bir kazık tasarımında “taşıma gücü” çoğu zaman, şaft sürtünmesi ve uç direncinin ayrı ayrı hesaplanarak toplanmasıyla nihai bir değer olarak ele alınmaktadır. Bileşik Kazık Tasarım Yöntem’inde ise kazık tasarımı, oturmalar dikkate alınarak yapılmakta; kazık ucu ve buna bağlı çevre sürtünme dirençleri hesaplanmakta ve kazığın uzun dönem davranışı tahmin edilmektedir. Bu kazık tasarım yaklaşımında enstrümante edilmiş kazık yükleme deneyi verileri kullanıldığından gerçek kazık davranışı için tasarım gerçekleştirilmektedir. Bu makalede, Bileşik Yöntem ile sayısal analizinin entegre edildiği bütüncül bir tasarım yaklaşımı sunulmuştur. Bu yaklaşımda kazık taşıma gücü, tekil bir nihai değer olarak değil, yük–oturma davranışına bağlı performans temelli bir büyüklük olarak ele alınmaktadır. Makale kapsamında aletsel gözlemli bir kazık yükleme deneyi referans alınmış ve kalibre edilmiş sayısal modelden elde edilen gerilme ve yer değiştirme sonuçları kuvvete dönüştürülerek Bileşik Yöntem çerçevesinde değerlendirilmiştir. Ayrıca farklı sürşarj basınçları altında negatif çevre sürtünmesinin kazık davranışına etkisi incelenmiştir. Buna göre negatif çevre sürtünmesi durumunda kazık yük transfer mekanizmasını değiştirdiği ve uç direncinin daha yüksek oturma seviyelerinde mobilize olduğu görülmektedir. Önerilen sayısal analiz–Bileşik Yöntem entegrasyonu, kısa ve uzun dönem kazık davranışını birlikte dikkate almakta ve performansa dayalı, daha gerçekçi ve ekonomik bir tasarım yaklaşımı sunmaktadır. Bu makalede sunulan mühendislik yaklaşımıyla, gerilme-şekil değiştirme esaslı sayısal analizlere dayalı kazık analizleri, geleneksel limit dengeye dayalı tasarım anlayışıyla bir analizde bütünleştirilmektedir. Bu sayede geoteknik kazık tasarımı gerçek arazi davranışına dayalı olarak yapılmaktadır

Keywords

• Bileşik Yöntem
• sayısal analiz
• performansa dayalı tasarım
• eksenel yüklü kazıklar
• negatif çevre sürtünmesi
• kazık–zemin etkileşimi

References

1. Fellenius, B.H. Negative skin friction and settlement of piles. Proceedings of the ASCE Conference on Analysis and Design of Pile Foundations, San Francisco, USA, 1984.
2. Fellenius, B.H. From strain measurements to load in piles. Geotechnical News, 19(1), 35–38, 2001.
3. Fleming, W.G.K., Weltman, A.J., Randolph, M.F. & Elson, W.K. Piling engineering, 3rd ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2009.
4. Fellenius, B.H. Basics of foundation design. Electronic publication, 2026.
5. Tomlinson, M.J. & Woodward, J. Pile design and construction practice, 6th ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2014.
6. Burland, J.B. Shaft friction of piles in clay — a simple fundamental approach. Ground Engineering, 6(3), 30–42, 1973.
7. Randolph, M.F. & Wroth, C.P. Analysis of deformation of vertically loaded piles. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 104(12), 1465–1488, 1978.
8. Poulos, H.G. & Davis, E.H. Pile foundation analysis and design. Wiley, New York, 1980.

9. Randolph, M.F. Science and empiricism in pile foundation design. Géotechnique, 53(10), 847–875, 2003.
10. İnanır, O. E., Şenol, A., & Berilgen, M. M., Çekme Yüküne Maruz Betonarme Kazık Davranışının Orijinal Bir Kazık Yükleme Deneyi ve İmalat Yaklaşımı ile İncelenmesi. Turkish Journal of Civil Engineering, 35(4), 69–93, 2024.
11. Tan, S. A., & Fellenius, B. H., Negative skin friction pile concepts with soil–structure interaction. Geotechnical Research, 3(4), 137–147, 2016.
12. Drbe, O., El Naggar, M. H., & Sadrekarimi, A., Evaluation of negative skin friction on bridge abutment piles. DFI Journal, 15(2), 1–14, 2021.
13. Fellenius, B.H., Recent advances in the design of 1905 Alexander Street SE piles for axial loads, dragloads, downdrag, and settlement. Calgary, Alberta, T2G 4J3 Proceedings of a Seminar by American Society of Civil Engineers, ASCE, and Port of New York and New Jersey, [phone] April 1998, 19 p, 1998.
14. Fellenius, B.H., Unified design of piled foundations with emphasis on settlement analysis. Honoring George G. Goble — "Current Practice and Future Trends in Deep Foundations" Geo-Institute Geo-TRANS Conference, Los Angeles, July 27-30, 2004, Edited by J.A. DiMaggio and M.H. Hussein. ASCE Geotechnical Special Publication, GSP 125, pp. 253 – 275, 2004.
15. Fellenius, B.H., Results from long-term measurement in piles of drag load and downdrag. Canadian Geotechnical Journal 43(4) 409-430, 2006.
16. Fellenius, B.H., Settlement and deformation. Chapter 7 in the 2023 CFEM, 22 p, 2023.
17. Fellenius, B.H., Results of an instrumented static loading test. Application to design and compilation of an international survey. Journal of the Deep Foundation Institute, 15(1) 71-87., 2021.
18. Tan, S.A. & Fellenius, B.H., Load transfer and downdrag on piles in consolidating ground. Canadian Geotechnical Journal, 53(12), 1985–1998, 2016.
19. Fellenius, B.H., What's capacity? Is the concept at all useful? The Pile Driver, Issue 2025(6), pp. 109-116,2025.
20. Hanifah, A. A., & Lee, S. K. (2006). Application of global strain extensometer (GloStrExt) method for instrumented bored piles in Malaysia. In Proceedings of the DFI-EFFC 10th International Conference on Piling and Deep Foundations (Amsterdam, the Netherlands, May 31–June 2, 2006, pp. 1–8).
21. Brinkgreve, R. B. J., Kumarswamy, S., Swolfs, W. M., Fonseca, F., & Bentley Systems. (2024). PLAXIS 2D 2024.2 Reference Manual. Bentley Systems.