Enhanced embedded pile formulation for spatial soil‐structure interaction

Finite Elemente (FE‐)Berechnungen geotechnischer Problemstellungen mit hoher Anzahl schlanker Strukturelemente sind in der Planungspraxis weitverbreitet und erfordern in vielen Fällen dreidimensionale Betrachtungen. Die Dimensionierung von Bohrpfahlgründungen stellt einen typischen Anwendungsfall dar. Der Standard‐FE‐Ansatz (SFEA), bei dem die Pfähle mittels Volumenelementen diskretisiert werden, führt allerdings oftmals zu sehr wenig praxistauglichen, großen Berechnungsnetzen, welche mit einem hohen Berechnungsaufwand einhergehen. Alternativ wird daher zunehmend auf Embedded Piles (EP) zurückgegriffen, die einerseits Modellierungsaufwand und Berechnungszeit signifikant reduzieren, andererseits eine vereinfachte Schnittgrößenermittlung erlauben. State‐of‐the‐art‐Formulierungen weisen jedoch Anwendungsgrenzen auf, die in der Praxis oftmals vernachlässigt werden, wie etwa netzabhängige Ergebnisse oder eine idealisierte Boden‐Bauteil‐Interaktion (BBI) entlang der Bauteilachse. Um das Verhalten realitätsnaher abzubilden, wurde der EP mit Impliziter Interaktionsoberfläche (EP‐I) entwickelt, der die BBI entlang der tatsächlichen Kontaktfläche abbildet. Dieser Beitrag erläutert die theoretischen Grundlagen des EP‐I und zeigt seine Anwendbarkeit anhand zweier Pfahlprobleme. Zudem werden praktische Hinweise zur Beurteilung der Einsatzgrenzen der in der weitverbreiteten geotechnischen FE‐Software PLAXIS 3D implementierten EP‐Formulierungen gegeben.

Three‐dimensional Finite Element (FE) simulations involving numerous slender structures with high length‐to‐diameter ratios have become a standard task in geotechnical design practice. Deep foundations supported by bored piles exemplify this problem class. The Standard FE pproach (SFEA), which explicitly discretizes slender structures using solid FEs, often leads to prohibitive mesh topologies and high computational costs. To overcome these limitations, embedded pile (EP) elements are increasingly adopted, offering reduced modelling effort, lower simulation runtimes, and direct extraction of stress resultants. However, state‐of‐the‐art formulations often exhibit limitations such as mesh‐size dependent responses and an idealized centreline‐based representation of soil–structure interaction, which reduce the credibility of the numerical predictions. This concern has motivated the development of an enhanced formulation, referred to as Embedded Pile with Implicit Interaction Surface (EP‐I), which captures soil–structure interaction at the physical soil‐structure contact. The present contribution provides insight into the theoretical foundations of the EP‐I and demonstrates its applicability through two pile problems. Furthermore, it provides practical guidance for evaluating the performance and applicability of EP formulations implemented in the widely used geotechnical FE software PLAXIS 3D.