Applied Science, Faculty of
Civil Engineering, Department of
DSpace
UBCV
Brown, Peter Thomas
Master of Applied Science - MASc
University of British Columbia
To reliably determine the lateral load-deflection behaviour of a piled foundation, a load test is commonly required. In-situ geotechnical tools, such as the cone penetrometer and the pressuremeter, have been successfully used to predict the lateral capacity of piles without the need for a load test. This research project investigates some of the variables involved in performing a pressuremeter test, and a procedure to predict the load-deflection relationship of laterally loaded piles is developed. For this thesis a total of eighty pressuremeter tests were conducted at five research sites. The variables pertaining to pressuremeter testing which were studied were: the method of installing the probe (self-boring or full-displacement), the effect of repeating a pressuremeter test at the same depth, the effect of rate of membrane inflation, the result of pore pressure dissipation in fine-grained soils, the effect of stress versus strain controlled membrane inflation, the influence of pre-pushing a small diameter pilot hole, and the effect of performing 10 slow cyclic unload-reload cycles during a test. Three laterally loaded pile case histories were documented. A total of 10 piles were laterally loaded in six separate tests. Using the pressuremeter and the program LATPILE, a prediction of the load-deflection behaviour was made for each test. In general, the deflected shape of each pile was predicted to within. 20-30% of the actual measured deflected shape.
c. / PREDICTING LATERALLY LOADED P I L E BEHAVIOUR USING THE PRESSUREMETER by PETER THOMAS BROWN B . A . S c , The U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , 1983 A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF A P P L I E D SCIENCE i n THE^FACULTY OF GRADUATE STUDIES DEPARTMENT OF C I V I L ENGINEERING We a c c e p t t h i s t h e s i s a s c o n f o r m i n g tc y \ t h e r e q u i r e d S t a n d a r d THE UNIVERSITY OF B R I T I S H COLUMBIA J u l y , 1985 © P e t e r Thomas Brow n , 1985 7B In presenting t h i s thesis i n p a r t i a l f u l f i l m e n t of the requirements for an advanced degree at the University of B r i t i s h Columbia, I agree that the Library s h a l l make i t f r e e l y a v a i l a b l e for reference and study. I further agree that permission for extensive copying of t h i s thesis for scholarly purposes may be granted by the head of my department or by his or her representatives. I t i s understood that copying or pu b l i c a t i o n of t h i s thesis for f i n a n c i a l gain s h a l l not be allowed without my written permission. Department of C ^ J U n j > n e & r i >-v The University of B r i t i s h Columbia 2075 Wesbrook Place Vancouver, Canada V6T 1W5 r iTr_ £ ( 0 /1Q\ A B S T R A C T T o r e l i a b l y d e t e r m i n e t h e l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f a p i l e d f o u n d a t i o n , a l o a d t e s t i s c o m m o n l y r e q u i r e d . I n - s i t u g e o t e c h n i c a l t o o l s , s u c h a s t h e c o n e p e n e t r o m e t e r a n d t h e p r e s s u r e m e t e r , h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d t o p r e d i c t t h e l a t e r a l c a p a c i t y o f p i l e s w i t h o u t t h e n e e d f o r a l o a d t e s t . T h i s r e s e a r c h p r o j e c t i n v e s t i g a t e s s o m e o f t h e v a r i a b l e s i n v o l v e d i n p e r f o r m i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t , a n d a p r o c e d u r e t o p r e d i c t t h e l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s i s d e v e l o p e d . F o r t h i s t h e s i s a t o t a l o f e i g h t y p r e s s u r e m e t e r t e s t s w e r e c o n d u c t e d a t f i v e r e s e a r c h s i t e s . T h e v a r i a b l e s p e r t a i n i n g t o p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g w h i c h w e r e s t u d i e d w e r e : t h e m e t h o d o f i n s t a l l i n g t h e p r o b e ( s e l f - b o r i n g o r f u l l -d i s p l a c e m e n t ) , t h e e f f e c t o f r e p e a t i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t a t t h e s a m e d e p t h , t h e e f f e c t o f r a t e o f m e m b r a n e i n f l a t i o n , t h e r e s u l t o f p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n i n f i n e - g r a i n e d s o i l s , t h e e f f e c t o f s t r e s s v e r s u s s t r a i n c o n t r o l l e d m e m b r a n e i n f l a t i o n , t h e i n f l u e n c e o f p r e - p u s h i n g a s m a l l d i a m e t e r p i l o t h o l e , a n d t h e e f f e c t o f p e r f o r m i n g 10 s l o w c y c l i c u n l o a d - r e l o a d c y c l e s d u r i n g a t e s t . T h r e e l a t e r a l l y l o a d e d p i l e c a s e h i s t o r i e s w e r e d o c u m e n t e d . A t o t a l o f 10 p i l e s w e r e l a t e r a l l y l o a d e d i n s i x s e p a r a t e t e s t s . U s i n g t h e p r e s s u r e m e t e r a n d t h e p r o g r a m L A T P I L E , a p r e d i c t i o n o f t h e l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r w a s m a d e f o r e a c h t e s t . I n g e n e r a l , t h e d e f l e c t e d s h a p e o f e a c h i i p i l e was p r e d i c t e d t o w i t h i n . 2 0-30% o f t h e a c t u a l m e a s u r e d d e f l e c t e d s h a p e . i i i TABLE OF CONTENTS A b s t r a c t i i T a b l e o f C o n t e n t s i v L i s t o f F i g u r e s v i A c k n o w l e d g e m e n t x C h a p t e r 1: I n t r o d u c t i o n 1 C h a p t e r 2: D e s i g n o f L a t e r a l l y L o a d e d P i l e s 3 2.1 I n t r o d u c t i o n 3 2.2 C o n v e n t i o n a l M e t h o d s 4 2.2.1 U l t i m a t e L a t e r a l R e s i s t a n c e M e t h o d s 4 2.2.2 L o a d - D e f l e c t i o n P r e d i c t i o n M e t h o d s 5 2.2.3 S u b g r a d e R e a c t i o n M e t h o d 5 2.2.4 E l a s t i c C o n t i n u u m A p p r o a c h 6 2.3 P-y C u r v e M e t h o d 6 C h a p t e r 3: I n - S i t u T e s t i n g 8 3.1 I n t r o d u c t i o n 8 3.2 D e v e l o p m e n t o f t h e M e n a r d P r e s s u r e m e t e r 8 C h a p t e r 4: F i e l d T e s t i n g 11 4.1 Hughes P r e s s u r e m e t e r 11 4.1.1 S t r e s s C o n t r o l l e d O p e r a t i o n 15 4.1.2 S t r a i n C o n t r o l l e d O p e r a t i o n 17 4.2 Summary o f F i e l d T e s t i n g 20 4.3 D e s c r i p t i o n o f T e s t S i t e s 21 4.3.1 M c D o n a l d ' s Farm S i t e , R i c h m o n d , B.C. 24 4.3.2 L a n g l e y a t 232nd S t r e e t S i t e , L a n g l e y , B.C. 24 4.3.3 A n n a c i s T e s t P i l e S i t e , New W e s t m i n s t e r , B.C. 27 4.3.4 A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e , R i c h m o n d , B.C. 32 4.3.5 C a l g a r y O l y m p i c O v a l S i t e , C a l g a r y , A l b e r t a 35 C h a p t e r 5: R e s u l t s o f F i e l d T e s t i n g 38 5.1 I n t r o d u c t i o n 38 5.2 E x a m p l e P r e s s u r e m e t e r C u r v e s 38 5.3 S e l f - B o r e d a n d F u l l - D i s p l a c e m e n t P r e s s u r e m e t e r C u r v e s 41 5.4 R e p e a t i n g a P r e s s u r e m e t e r T e s t a t t h e Same D e p t h 42 5.5 E f f e c t o f S t r a i n R a t e on P r e s s u r e m e t e r T e s t i n g 45 5.6 E f f e c t o f P o r e P r e s s u r e D i s s i p a t i o n 48 5.7 E f f e c t o f S t r e s s v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s 51 5.8 C o m p a r i s o n Between R a d i a l S t r a i n a n d V o l u m e t r i c S t r a i n 56 i v 5.9 E f f e c t o f S l o w C y c l i c T e s t i n g and P i l o t H o l e s 61 C h a p t e r 6: P r e d i c t i o n o f L a t e r a l P i l e C a p a c i t y 70 6.1 I n t r o d u c t i o n 70 6.2 C o n v e r t i n g P r e s s u r e m e t e r C u r v e s t o P-y C u r v e s 70 6.3 E f f e c t o f a F r e e S u r f a c e 75 6.4 P r o g r a m L A T P I L E 78 C h a p t e r 7: L a t e r a l l y L o a d e d P i l e C a s e H i s t o r i e s 79 7.1 I n t r o d u c t i o n 79 7.2 A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 80 7.2.1 I n t r o d u c t i o n 80 7.2.2 T e s t P r o c e d u r e 81 7.2.3 R e s u l t s 85 7.3 A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 89 7.3.1 I n t r o d u c t i o n 89 7.3.2 T e s t P r o c e d u r e 90 7.3.3 R e s u l t s 93 7.4 C a l g a r y O l y m p i c O v a l S i t e 96 7.4.1 I n t r o d u c t i o n 96 7.4.2 T e s t P r o c e d u r e 97 7.4.3 R e s u l t s 99 C h a p t e r 8: Summary and C o n c l u s i o n s 115 8.1 Summary 115 8.2 C a s e H i s t o r i e s 116 8.3 C o n c l u s i o n s 1 1 6 C h a p t e r 9: S u g g e s t i o n s f o r F u t u r e R e s e a r c h 120 R e f e r e n c e s 121 A p p e n d i c e s 125 v L I S T OF FIGURES F i g u r e No. T i t l e 3- 1 The M e n a r d ( F r e n c h ) V o l u m e t r i c P r e s s u r e m e t e r 4- 1 Hughes ( E n g l i s h ) F u l l - D i s p l a c e m e n t P r e s s u r e m e t e r ( w i t h S e l f - B o r i n g A p p a r a t u s I n s e t ) 4-2 Example S t r e s s and S t r a i n C o n t r o l l e d F r e e A i r C a l i b r a t i o n C u r v e s 4-3 S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r I n f l a t i o n A p p a r a t u s 4-4 Summary o f P r e s s u r e m e t e r T e s t i n g P e r f o r m e d 4-5 P l a n S h o w i n g t h e L o c a t i o n o f I n - s i t u R e s e a r c h S i t e s n e a r V a n c o u v e r , B.C. 4-6 S i t e P l a n o f M c D o n a l d ' s Farm, R i c h m o n d , B.C. 4-7 Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f M c D o n a l d ' s Farm 4-8 S i t e P l a n o f L a n g l e y a t 232nd S t r e e t , L a n g l e y , B.C. 4-9 Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f L a n g l e y a t 232nd S t r e e t S i t e 4-10 S i t e P l a n o f A n n a c i s T e s t P i l e S i t e , New W e s t m i n s t e r , B.C. 4-11 Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 4-12 S i t e P l a n o f A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e , R i c h m o n d , B.C. 4-13 Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 4-14 S i t e P l a n a nd L a t e r a l L o a d T e s t S e q u e n c e f o r O l y m p i c O v a l T e s t S i t e , C a l g a r y , A l b e r t a 4- 15 Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f C a l g a r y O l y m p i c O v a l T e s t S i t e 5- 1 E x a m p l e s o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s Where Membrane D i d a n d D i d N o t I n f l a t e E v e n l y v i 5-2 C o m p a r i s o n of T y p i c a l F u l l - D i s p l a c e m e n t a n d S e l f - B o r e d P r e s s u r e m e t e r T e s t R e s u l t s i n Sand a t M c D o n a l d ' s Farm 43 5-3 E f f e c t o f I n f l a t i n g P r e s s u r e m e t e r T w i c e a t t h e Same D e p t h 44 5-4 E f f e c t o f I n c r e a s i n g S t r a i n R a t e on Shape o f P r e s s u r e m e t e r C u r v e 47 5-5 E f f e c t o f P o r e P r e s s u r e D i s s i p a t i o n on P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t L a n g l e y T e s t S i t e 50 5-6 S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t M c D o n a l d ' s Farm S i t e 53 5-7 S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t L a n g l e y T e s t S i t e 54 5-8 S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 55 5-9 R a d i a l a nd V o l u m e t r i c S t r a i n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 58 5-10 R a d i a l a nd V o l u m e t r i c S t r a i n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t M c D o n a l d ' s Farm T e s t S i t e 60 5-11 R a d i a l S t r a i n v e r s u s M e a s u r e d I n j e c t e d V o l u m e f o r P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t S e v e r a l T e s t S i t e s 62 5-12 E f f e c t o f 10 S l o w S t r a i n C o n t r o l l e d U n l o a d -R e l o a d C y c l e s i n S a n d a t M c D o n a l d ' s Farm S i t e 64 5-13 E f f e c t o f C y c l i c T e s t i n g a nd A P r e - P u s h e d P i l o t H o l e on P r e s s u r e m e t e r C u r v e s i n Sand a t M c D o n a l d ' s Farm 67 5- 14 V a r i a t i o n i n Cone B e a r i n g F o r T h r e e Cone P r o f i l e s A t M c D o n a l d ' s Farm 69 6- 1 C o m p a r i s o n of D i s p l a c e m e n t P a t t e r n s f o r a L a t e r a l l y L o a d e d P i l e and an I n f l a t e d P r e s s u r e m e t e r 71 6-2 D e v e l o p m e n t o f P i l e P-y C u r v e s From P r e s s u r e m e t e r C u r v e s 73 6-3 V a r i a t i o n i n M u l t i p l i c a t i o n F a c t o r w i t h R e l a t i v e D e p t h 77 v i i 7-1 L a t e r a l L o a d T e s t i n g A p p a r a t u s a t A n n a c i s P i l e T e s t S i t e 82 7-2 L o c a t i o n of P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e , and S o i l S p r i n g S t i f f n e s s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 84 7-3 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.915 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s T e s t P i l e 86 7-4 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1100 kN f o r 0.915 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s T e s t P i l e 87 7-5 L o c a t i o n of P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e , and S o i l S p r i n g S t i f f n e s s a t A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 92 7-6 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.324 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s N o r t h P i e r P i l e 94 7-7 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r an I n - L i n e G r o u p o f T h r e e 0.324 m D i a m e t e r F r e e - H e a d P i l e s a t A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 95 7-8 L o c a t i o n o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o Cone P e n e t r o m e t e r P r o f i l e , and S o i l S p r i n g S t i f f n e s s f o r 0.9 m D i a m e t e r C a l g a r y P i l e 100 7-9 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.9 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 101 7-10 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 848 kN f o r 0.9 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 103 7-11 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 1.2 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 104 7-12 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1430 kN f o r 1.2 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 105 7-13 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 1.5 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 106 v i i i 7-14 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1696 kN f o r 1.5 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 107 7-15 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r I n - L i n e G r o u p o f Two 0.9 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e s 109 7-16 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 848 kN f o r 0.9 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e 110 7-17 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r I n - L i n e G r o u p o f Two 1.5 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e s 111 7-18 M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1696 kN f o r 1.5 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e 112 i x A C K N O W L E D G E M E N T S I w o u l d l i k e t o t h a n k my a d v i s o r s , D r . P . K . R o b e r t s o n a n d D r . R . G . C a m p a n e l l a , my c o l l e a g u e s , D r . J . M . O . H u g h e s f o r p r o v i d i n g t i m e a n d e q u i p m e n t , a n d t h e C i v i l E n g i n e e r i n g t e c h n i c a l s t a f f f o r t h e i r a s s i s t a n c e w i t h t h i s r e s e a r c h p r o j e c t . T h e f i n a n c i a l s u p p o r t o f t h e D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , B . C . M i n i s t r y o f T r a n s p o r t a t i o n a n d H i g h w a y s , a n d t h e N a t u r a l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l o f C a n a d a i s g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d . S p e c i a l t h a n k s i s e x t e n d e d t o my w i f e , S u A n n , f o r h e r c o n s t a n t s u p p o r t a n d e n c o u r a g e m e n t . x C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n T o r e l i a b l y d e t e r m i n e t h e c a p a c i t y o f a p i l e d f o u n d a t i o n e i t h e r a v e r y d e t a i l e d s o i l p r o p e r t i e s i n v e s t i g a t i o n o r a p i l e l o a d t e s t i s r e q u i r e d . T h e c o n e p e n e t r a t i o n t e s t ( C P T ) c a n b e u s e d t o p r o v i d e a n e s t i m a t e o f t h e a x i a l c a p a c i t y o f t h e p i l e . P r e d i c t i n g t h e l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f a l a t e r a l l y l o a d e d p i l e o n t h e o t h e r h a n d , i s l e s s s t r a i g h t f o r w a r d . T h e o b j e c t o f t h i s t h e s i s i s t o e v a l u a t e t h e u s e o f t h e p r e s s u r e m e t e r f o r p r e d i c t i n g t h e b e h a v i o u r o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s . I n t h i s s t u d y o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e b e h a v i o u r , t h e c o n e p e n e t r a t i o n t e s t i s u s e d a s a s t r a t i g r a p h i c l o g g i n g t o o l , a n d t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t ( P M T ) i s p e r f o r m e d a t s e l e c t e d d e p t h s t o o b t a i n t h e s t r e s s - s t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l . V a r i a b l e s s u c h a s m e m b r a n e s t r a i n r a t e , p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n , s l o w c y c l i c t e s t i n g , a n d i n s t a l l a t i o n m e t h o d a r e i n v e s t i g a t e d i n s o m e d e t a i l . T h e g e o t e c h n i c a l i n f o r m a t i o n t h u s o b t a i n e d i s t h e n u s e d a s d a t a f o r t h e p r o g r a m L A T P I L E , w h i c h c a l c u l a t e s t h e d e f l e c t i o n o f a p i l e a t v a r i o u s l o a d l e v e l s . T h e r e s u l t i n g p i l e b e h a v o u r p r e d i c t i o n s a r e c o m p a r e d t o t h r e e w e l l d o c u m e n t e d l a t e r a l l o a d c a s e h i s t o r i e s . T h e o r g a n i z a t i o n o f t h i s t h e s i s i s a s f o l l o w s : C h a p t e r 2 d e s c r i b e s s e v e r a l c o n v e n t i o n a l m e t h o d s f o r t h e d e s i g n o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s . C h a p t e r 3 p r e s e n t s a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o i n - s i t u s o i l s t e s t i n g . C h a p t e r s 4 a n d 5 1 d e s c r i b e t h e f i e l d t e s t i n g a n d v a r i a b l e s t h a t w e r e i n v e s t i g a t e d f o r t h i s s t u d y . C h a p t e r 6 d e s c r i b e s t h e m e t h o d u s e d i n t h i s s t u d y f o r l a t e r a l p i l e p r e d i c t i o n s , a n d C h a p t e r 7 i n c l u d e s t h r e e d e t a i l e d p i l e t e s t c a s e h i s t o r i e s . T h e t h e s i s c l o s e s w i t h a s u m m a r y , c o n c l u s i o n s , a n d s o m e s u g g e s t i o n s f o r f u t u r e r e s e a r c h . 2 C h a p t e r 2 D e s i g n o f L a t e r a l l y L o a d e d P i l e s 2.1 I n t r o d u c t i o n M a n y p i l e d s t r u c t u r e s h a v e s u b s t a n t i a l l a t e r a l l o a d s w h i c h m u s t b e r e s i s t e d . E x a m p l e s i n c l u d e : - b r i d g e p i e r s s u b j e c t e d t o c u r r e n t a n d v e s s e l i m p a c t l o a d s - w i n d l o a d i n g o n e l e c t r i c a l t r a n s m i s s i o n t o w e r s - m a r i n e s t r u c t u r e s s u c h a s s h i p d o c k s - o f f s h o r e o i l r i g s t r u c t u r e s t h a t a r e e x p o s e d t o s t o r m a n d c u r r e n t l o a d s - b u i l d i n g f o u n d a t i o n s t h a t a r e s u b j e c t t o w i n d a n d e a r t h q u a k e l o a d i n g T h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e s t r u c t u r e s i s u s u a l l y g o v e r n e d b y e i t h e r a n a l l o w a b l e m a x i m u m d e f l e c t i o n , o r a r e q u i r e d l a t e r a l w o r k i n g l o a d . E x c e e d i n g t h e m a x i m u m a l l o w a b l e l a t e r a l l o a d m a y c a u s e e i t h e r f a i l u r e o f t h e s o i l a r o u n d t h e p i l e , o r c a u s e s t r u c t u r a l f a i l u r e o f t h e p i l e i t s e l f . I n o r d e r t o p r e d i c t t h e l a t e r a l l o a d r e s p o n s e o f a p i l e , a n u m b e r o f s i g n i f i c a n t f a c t o r s m u s t b e e v a l u a t e d , i ) p i l e c h a r a c t e r i s t i c s - l e n g t h - d i a m e t e r - s t i f f n e s s ( E I ) - m e t h o d o f i n s t a l l a t i o n 3 i i ) s o i l c h a r a c t e r i s t i c s - s t r e s s - s t r a i n c h a r a c t e r - s t r a t i g r a p h y i i i ) e x t e r n a l f a c t o r s - a x i a l l o a d - l a t e r a l l o a d The m e t h o d s f o r p r e d i c t i n g t h e l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f p i l e s u t i l i z i n g t h e a b o v e m e n t i o n e d f a c t o r s a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . 2.2 C o n v e n t i o n a l M e t h o d s The p r o b l e m of d e t e r m i n i n g t h e r e s p o n s e o f an i n s t a l l e d s i n g l e p i l e t o an a p p l i e d l a t e r a l l o a d i s a d i f f i c u l t a n a l y t i c a l q u e s t i o n . Many t e c h n i q u e s h a v e been d e v e l o p e d w h i c h p e r m i t a r o u g h a p p r o x i m a t i o n t o t h e p i l e b e h a v i o u r w i t h o u t r e q u i r i n g d e t a i l e d a n a l y s e s . S e v e r a l o f t h e more common a p p r o a c h e s a r e l i s t e d b e l o w . 2.2.1 U l t i m a t e L a t e r a l R e s i s t a n c e M e t h o d The c o n v e n t i o n a l s t a t i c u l t i m a t e l a t e r a l r e s i s t a n c e a p p r o a c h c o n s i d e r s t h e p i l e s i m p l y t o be a r i g i d f o o t i n g b e a r i n g s i d e w a y s i n t h e s o i l . The u l t i m a t e r e s i s t a n c e t h a t t h e s o i l c a n p r o v i d e p e r u n i t l e n g t h i s u s u a l l y c o n s i d e r e d a c o n s t a n t w i t h d e p t h . B r i n c h H a n s e n (1961) p r o v i d e s a d e r i v a t i o n o f t h e s t a t i c a p p r o a c h t h a t i n c o r p o r a t e s a v a r i a b l e 4 s o i l r e s i s t a n c e w i t h d e p t h . D a v i s (1961) d e v e l o p e d a s o l u t i o n f o r p l a n e s t r a i n c o n d i t i o n s . Broms' (1964) method c o n s i d e r s e i t h e r f r e e o r f i x e d - h e a d p i l e s i n b o t h c o h e s i v e and c o h e s i o n l e s s s o i l . 2.2.2 L o a d - D e f l e c t i o n P r e d i c t i o n M e t h o d s E m p i r i c a l c o r r e l a t i o n s a r e a v a i l a b l e t o d e t e r m i n e t h e s a f e l a t e r a l l o a d i n g l e v e l on a c e r t a i n t y p e o f p i l e i n a p r e s c r i b e d s o i l t y p e . M c N u l t y ( 1 9 5 6 ) p r o p o s e d a t a b l e i n v o l v i n g t h e p i l e m a t e r i a l and d i a m e t e r i n e i t h e r s a n d o r c l a y . The maximum l a t e r a l l o a d r e c o m e n d a t i o n s were b a s e d on a s e r i e s o f f u l l - s c a l e l o a d t e s t s . 2.2.3 S u b g r a d e R e a c t i o n M e t h o d I n 1867 W i n k l e r p r o p o s e d b r e a k i n g s o i l i n t o d i s c r e t e u n i t s and a s s i g n i n g a s p r i n g s t i f f n e s s t o e a c h u n i t . The s t i f f n e s s o f t h e s p r i n g ( o r m o d u l u s o f s u b g r a d e r e a c t i o n ) w o u l d d e p e n d on t h e m o d u l u s o f t h e s o i l . E a r l y m o d e l s o f t h i s n a t u r e c o u l d o n l y a c c e p t a f i x e d , l i n e a r v a l u e f o r e a c h s p r i n g s t i f f n e s s . The m o d u l u s f o r t h e s u b g r a d e r e a c t i o n method c a n be d e r i v e d f r o m b a c k a n a l y s i s o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s , p l a t e l o a d i n g t e s t s , o r c o r r e l a t i o n w i t h o t h e r s o i l p r o p e r t i e s . P o u l o s and D a v i s ( 1 9 80) p r o v i d e a d e t a i l e d summary o f t h e s u b g r a d e r e a c t i o n method. 5 2.2.4 E l a s t i c C o n t i n u u m M e t h o d The e l a s t i c c o n t i n u u m method assumes t h e s o i l t o be a homogeneous, e l a s t i c m a t e r i a l w i t h a r a d i a l l y c o n s t a n t Y o u ng's m o d u l u s . The p i l e i s d i v i d e d i n t o e q u a l l e n g t h s e g m e n t s o f c o n s t a n t w i d t h a nd s t i f f n e s s . E a c h segment o f t h e p i l e i s c o n s i d e r e d t o be a s m a l l v e r t i c a l f o o t i n g . The f o o t i n g s a r e l i n k e d t o g e t h e r t h r o u g h t h e s t i f f n e s s ( o r f l e x i b i l i t y ) o f t h e p i l e . P o u l o s and D a v i s (1980) p r o v i d e methods t o a c c o u n t f o r v a r i a t i o n i n m o d u l u s w i t h d e p t h . T h e i r method a l s o a l l o w s a d i s t i n c t i o n t o be made be t w e e n f r e e - h e a d a nd s o c k e t e d p i l e s . 2.3 P-y C u r v e M e t h o d More r e c e n t a p p r o a c h e s t o d e s i g n l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s , s u c h a s by R e e s e ( 1 9 7 7 ) , have i n t r o d u c e d t h e c o n c e p t o f a non-l i n e a r s p r i n g , w h i c h more a c c u r a t e l y m o d e l s t h e h i g h l y n o n -l i n e a r n a t u r e o f s o i l s . L a b o r a t o r y t r i a x i a l t e s t s were u s e d t o o b t a i n t h e s t r e s s - s t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l . The p r e s s u r e m e t e r P-y c u r v e method i n v o l v e s u s i n g t h e t e s t r e s u l t s f r o m a p r e s s u r e m e t e r t o p r e d i c t t h e l a t e r a l l o a d -d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f a p i l e . A f t e r t h e p r e s s u r e m e t e r h a s been i n s e r t e d i n t o t h e g r o u n d , t h e i n f l a t i o n o f t h e membrane i s a n a l o g o u s t o t h e l a t e r a l d i s p l a c e m e n t o f a p i l e . Thus by u t i l i z i n g t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t c u r v e s , a n d t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e p i l e c h a r a c t e r i s t i c s , t h e l a t e r a l d e f l e c t i o n o f a p i l e u n d e r l o a d c a n be e s t i m a t e d . S e v e r a l v a r i a t i o n s o f t h e P-y c u r v e method o b t a i n e d f r o m 6 p r e s s u r e m e t e r s have been d e v e l o p e d by a number o f r e s e a c h e r s . A summary o f methods i s p r o v i d e d by B r i a u d e t . a l . ( 1 9 8 3 a ) . B r i a u d ' s methods a r e b a s e d on t h e u s e o f t h e M e n a r d t y p e p r e s s u r e m e t e r ( i n s t a l l e d i n a p r e - b o r e d h o l e ) . The u s e o f a f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r i n t h i s s t u d y was t a k e n i n t o a c c o u n t i n t h e p r e s s u r e m e t e r P-y c u r v e m e thod. The a p p l i c a t i o n o f t h e P-y method u s e d i n t h i s s t u d y i s d e t a i l l e d i n C h a p t e r 6. 7 C h a p t e r 3 I n - S i t u T e s t i n g 3. 1 I n t r o d u c t i o n The c o m p l e x s t r a t i g r a p h y o f d e p o s i t s f o u n d i n a r e a s s u c h as r i v e r d e l t a s and a l l u v i a l f l o o d p l a i n s c a n be e v a l u a t e d r a p i d l y a n d e c o n o m i c a l l y by u s i n g t h e c o n e p e n e t r a t i o n t e s t ( C P T ) . T h i s s t u d y e m p l o y s t h e u s e o f a 10 cm 2 p i e z o m e t e r f r i c t i o n c o n e d e v e l o p e d a t t h e U n i v e r s i t y o f B.C. ( UBC). The c o n e i s p u s h e d i n t o t h e g r o u n d a t a c o n s t a n t r a t e o f 2 c m / s e c o n d u s i n g t w i n p a r a l l e l h y d r a u l i c p i s t o n s mounted i n s i d e t h e UBC G e o t e c h n i c a l R e s e a r c h V e h i c l e . W i t h t h e t r u c k a n c h o r e d down, t h e a v a i l a b l e p u s h i n g c a p a c i t y c a n be i n c r e a s e d t o 20 t o n n e s . V a r i a b l e s m e a s u r e d by t h e c o n e i n c l u d e t i p b e a r i n g , f r i c t i o n , p o r e p r e s s u r e , t e m p e r a t u r e , a n d i n c l i n a t i o n . F u l l d e t a i l s o f t h e d e s i g n and o p e r a t i o n o f t h e cone and g e o t e c h n i c a l t r u c k a r e g i v e n by C a m p a n e l l a a n d R o b e r t s o n ( 1 9 8 1 ) . 3.2 D e v e l o p m e n t o f t h e P r e s s u r e m e t e r I n an e f f o r t t o p r o d u c e a s o i l e x p l o r a t i o n t o o l w h i c h c o u l d be u s e d f o r a l l p h a s e s o f a s i t e i n v e s t i g a t i o n ( s e t t l e m e n t , b e a r i n g c a p a c i t y , e t c . ) , M e n a r d ( 1 9 5 6 ) d e v e l o p e d a d e v i c e w h i c h c o u l d be i n s e r t e d down a p r e - b o r e d h o l e . F i g u r e 3-1 shows a modern v e r s i o n o f t h e M e n a r d p r e s s u r e m e t e r p r o b e and a s s o c i a t e d c o n t r o l b o x . 8 FIGURE 3-1: The M e n a r d ( F r e n c h ) V o l u m e t r i c P r e s s u r e m e t e r (From R o c t e s t O p e r a t i n g M a n u a l , 1982) 9 The M e n a r d p r e s s u r e m e t e r t e s t i s r u n i n a s t r e s s c o n t r o l l e d manner. The membrane i s i n f l a t e d w i t h p r e s s u r i z e d w a t e r . The p r e s s u r e i s s u p p l i e d by an a i r t a n k t h r o u g h a r e g u l a t o r , a n d t h e volume o f w a t e r w h i c h i s f o r c e d i n t o t h e p r o b e i s m e a s u r e d by t h e c a l i b r a t e d t a n k shown on t h e f a c e of t h e c o n t r o l b o x. The membrane on t h e p r o b e i s d i v i d e d i n t o t h r e e s e p a r a t e c e l l s , a l l o f w h i c h a r e p r e s s u r i z e d . O n l y t h e c e n t e r c e l l i s f o r measurement, t h e c e l l s a t e a c h end o f t h e p r o b e s i m p l y a i d i n t h e p r o p e r r i g h t c y l i n d r i c a l e x p a n s i o n o f t h e c e n t e r c e l l . F o r c o m p l e t e d e t a i l s on t h e c o n s t r u c t i o n and o p e r a t i o n o f t h e M e n a r d p r e s s u r e m e t e r , s e e B a g u e l i n e t . a l . ( 1 9 7 8 ) . The M e n a r d p r e s s u r e m e t e r i s a s i m p l e a n d r o b u s t f i e l d t o o l , b u t B a g u e l i n e t . a l . ( 1 9 7 8 ) d e s c r i b e some i n h e r e n t d e s i g n d e f i c i e n c i e s . F o r e x a m p l e , i f t h e d r i l l h o l e h a s n o t been c r e a t e d w i t h t h e c o r r e c t e q u i p m e n t , o r i s o f t h e wrong d i a m e t e r , t h e n t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e w i l l n o t r e f l e c t t h e t r u e n a t u r e o f t h e s o i l . A c o l l a p s e o f t h e d r i l l h o l e w a l l s w i l l p r e v e n t i n s e r t i o n o f t h e p r o b e a n d a n y l e a k i n t h e membrane o r a s s o c i a t e d t u b i n g w i l l i n v a l i d a t e t h e t e s t . I n s p i t e o f i t s s h o r t c o m i n g s , t h e M e n a r d p r e s s u r e m e t e r h a s been u s e d t o g a t h e r much u s e f u l s o i l d a t a , a n d h a s h e l p e d p a v e t h e way f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h e newer p r e s s u r e m e t e r s y s t e m s d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s o f t h i s s t u d y . 10 C h a p t e r 4 F i e l d T e s t i n g 4.1 Hughes P r e s s u r e m e t e r I n a d d i t i o n t o t h e p i e z o m e t e r f r i c t i o n c one p e n e t r o m e t e r m e n t i o n e d i n S e c t i o n 3.1, t h e m a j o r p i e c e of e q u i p m e n t u s e d i n t h i s s t u d y was t h e Hughes p r e s s u r e m e t e r (HPM). T h i s p r e s s u r e m e t e r was d e v e l o p e d by Hughes and W r o t h a t C a m b r i d g e U n i v e r s i t y i n t h e e a r l y 1 9 7 0 ' s . The p r i n c i p a l d i f f e r e n c e s b etween t h e M e n a r d and t h e Hughes p r e s s u r e m e t e r s a r e : t h e HPM membrane i s i n f l a t e d by n i t r o g e n g a s . o r l i q u i d , h a s a s i n g l e c e l l membrane, a n d t h e r a d i a l d i s p l a c e m e n t i s m e a s u r e d by f e e l e r a r ms. The t h r e e f e e l e r arms a r e s p r i n g l o a d e d , s t r a i n -g a u g e d , and a r e s p a c e d a t 120° a r o u n d t h e c e n t e r of t h e membrane. F i g u r e 4-1 shows a p a r t i a l c u t a w a y v i e w o f t h e HPM. S i x e l e c t r i c a l c h a n n e l s a r e r e q u i r e d between t h e s u r f a c e c o n t r o l box a n d t h e p r e s s u r e m e t e r p r o b e . T h r e e p r o v i d e i n f o r m a t i o n f r o m t h e f e e l e r a r m s ( e a c h o f w h i c h m e a s u r e s r a d i a l s t r a i n i n d e p e n d e n t l y ) , two a r e f o r p o r e p r e s s u r e t r a n s d u c e r s l o c a t e d on t h e o u t s i d e o f t h e membrane ( n o t u s e d i n t h i s s t u d y ) , a n d one i s f o r t h e t o t a l p r e s s u r e t r a n s d u c e r w h i c h m e a s u r e s t h e p r e s s u r e i n s i d e t h e membrane. The s i g n a l w i r e s and p r e s s u r e h o s e t r a v e l up t o t h e s u r f a c e on t h e o u t s i d e o f t h e d r i l l r o d s u s e d t o i n s t a l l t h e p r o b e . The n e w e s t v e r s i o n o f t h e HPM h a s o n l y one p a i r o f w i r e s f r o m t h e s u r f a c e t o t h e p r o b e , and a l l o f t h e s i g n a l s a r e m u l t i p l e x e d 1 1 Signal Wires to Surface Pressure Hose Casing Support Air (Pressurized) Electrical Signal Conditioners Pressure Transducer-Pore Pressure Cell-Displacement Transducers-Flexible Membrane Solid Cone Tip V Return Drilling Fluid Soil Cutter FIGURE 4-1: Hughes ( E n g l i s h ) F u l l - D i s p l a c e m e n t P r e s s u r e m e t e r ( w i t h S e l f - B o r i n g A p p a r a t u s I n s e t ) ( A d a p t e d f r o m R o b e r t s o n e t . a l . , 1983) 12 on t h e s i n g l e w i r e p a i r . I t was n o t y e t o p e r a t i o n a l f o r t h e t e s t i n g p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y . M e c h a n i c a l l y , t h e HPM i s 76 mm i n d i a m e t e r w i t h t h e membrane d e f l a t e d . T h i s g i v e s a membrane l e n g t h t o p r o b e d i a m e t e r r a t i o o f 6. The membrane on t h e HPM i s p r o t e c t e d f r o m a b r a s i o n d u r i n g i n s e r t i o n by a s t a i n l e s s s t e e l ' C h i n e s e l a n t e r n ' . T h i s s h e a t h c o n s i s t s o f t h i n o v e r l a p p i n g s t e e l s t r i p s r u n n i n g t h e l e n g t h o f t h e membrane and j o i n i n g m e t a l c o l l a r s a t e a c h end o f t h e membrane. The l o w e r m e t a l c o l l a r i s f i x e d t o t h e body o f t h e p r o b e , w h i l e t h e u p p e r c o l l a r i s f r e e t o s l i d e , t h u s a l l o w i n g t h e s h e a t h t o e x p a n d a s t h e t e s t p r o g r e s s e s . The HPM c a n e x p a n d up t o 20% r a d i a l s t r a i n ( i n t h i s t h e s i s r a d i a l s t r a i n i s d e f i n e d t o be t h e c h a n g e i n r a d i u s d i v i d e d by t h e i n i t i a l r a d i u s , AR / R ) . I n o r d e r t o o b t a i n a t r u e m e asure o f t h e s o i l p r o p e r t i e s d u r i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t , t h e p r e s s u r e r e q u i r e d t o i n f l a t e t h e membrane i n a i r ( t h e f r e e a i r c a l i b r a t i o n ) must be s u b t r a c t e d f r o m t h e t e s t v a l u e s . The A d i p r e n e r u b b e r membrane u s e d on t h e HPM h a s an e s s e n t i a l l y c o n s t a n t c a l i b r a t i o n f a c t o r . An i n i t i a l p r e s s u r e o f 30 t o 40 kPa ( d e p e n d i n g on t h e p a r t i c u l a r membrane) i s r e q u i r e d t o b e g i n t h e i n f l a t i o n w h i c h t h e n c o n t i n u e s w i t h o u t a f u r t h e r p r e s s u r e i n c r e a s e . F i g u r e 4-2 i l l u s t r a t e s t y p i c a l f r e e a i r c a l i b r a t i o n c u r v e s f o r s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t s . Some p r e s s u r e m e t e r s h a v e n o n - l i n e a r , t i m e - d e p e n d e n t , h y s t e r e t i c f r e e a i r c a l i b r a t i o n c u r v e s w h i c h makes c o r r e c t i o n o f t h e raw d a t a e x t r e m e l y d i f f i c u l t ( O ' N e i l l , 1 9 8 5 ) . The membrane c a l i b r a t i o n o f t h e HPM was r e p e a t a b l e , 13 RADIAL STRAIN CX) FIGURE 4-2: E x a m p l e S t r e s s a n d S t r a i n C o n t r o l l e d F r e e A i r C a l i b r a t i o n C u r v e s 1 4 a l m o s t i n d e p e n d e n t o f t i m e , and h a d a v e r y s m a l l h y s t e r e s i s . The Hughes p r e s s u r e m e t e r was i n i t i a l l y d e s i g n e d t o be i n s e r t e d i n t o t h e g r o u n d u s i n g t h e s e l f - b o r i n g m e chanism shown i n t h e i n s e t of F i g u r e 4-1. I n o p e r a t i o n , d r i l l i n g mud i s f l u s h e d p a s t t h e c u t t e r and c a r r i e s t h e s o i l p a r t i c l e s t o t h e s u r f a c e . W i t h c a r e f u l c o n t r o l o f t h e mud f l u s h p r e s s u r e , c u t t e r s p e e d and g e o m e t r y , i t i s p o s s i b l e t o s l o w l y p u s h t h e p r e s s u r e m e t e r i n t o b o t h c o h e s i v e and c o h e s i o n l e s s d e p o s i t s w i t h v e r y l i t t l e d i s t u r b a n c e t o t h e o r i g i n a l c o n d i t i o n s . T h i s i s g e n e r a l l y a s l o w a n d d i f f i c u l t o p e r a t i o n r e q u i r i n g h i g h l y s k i l l e d o p e r a t o r s . I n o r d e r t o s i m p l i f y t h e i n s e r t i o n o f t h e HPM, a s o l i d s t e e l 60° cone t i p was f i t t e d t o t h e f r o n t o f t h e p r e s s u r e m e t e r . T h i s c r e a t e d a f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t (FDPMT) by p e r m i t t i n g t h e HPM t o be p u s h e d i n t o t h e g r o u n d much l i k e a t y p i c a l c o n e p e n e t r a t i o n t e s t . The s o i l a d j a c e n t t o t h e p r e s s u r e m e t e r i s h i g h l y d i s t u r b e d by t h i s p r o c e d u r e , b u t r e c e n t r e s e a r c h a t UBC h a s shown t h a t i n many c a s e s t h i s may n o t be a s i g n i f i c a n t f a c t o r . Hughes a n d R o b e r t s o n (1984) p r o v i d e an a s s e s s m e n t o f t h e r e l a t i v e m e r i t s and w e a k n e s s e s o f t h e s e l f - b o r e d a n d f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t s i n s a n d . 4.1.1 S t r e s s C o n t r o l l e d O p e r a t i o n Two s e p a r a t e c o n t r o l s y s t e m s were a v a i l a b l e f o r t h e Hughes p r e s s u r e m e t e r u s i n g e i t h e r s t r e s s o r s t r a i n c o n t r o l l e d 15 membrane i n f l a t i o n . I n t h e s t r e s s c o n t r o l l e d s y s t e m , t h e membrane was i n f l a t e d u s i n g p r e s s u r i z e d n i t r o g e n g a s . The p r e s s u r e a p p l i e d t o t h e membrane was a d j u s t e d by u s i n g a gas r e g u l a t o r w h i c h g ave a d i s c r e t e number of p r e s s u r e i n c r e m e n t s d u r i n g t h e t e s t . The n o r m a l t e s t i n g s e q u e n c e was: i ) P u s h t h e p r e s s u r e m e t e r t o t h e new d e p t h , i i ) A p p l y t h e f i r s t p r e s s u r e i n c r e m e n t . G e n e r a l l y 50 t o 100 kPa i n c r e m e n t s a r e u s e d d e p e n d i n g on t h e s o i l s t i f f n e s s , i i i ) W a i t 30 s e c o n d s , i v ) Read t h e v a l u e s f o r t h e membrane p r e s s u r e a n d s t r a i n a r m s , v) A p p l y t h e n e x t p r e s s u r e i n c r e m e n t . Keep a p p l y i n g i n c r e m e n t s u n t i l t h e s t r a i n l i m i t o f t h e HPM i s r e a c h e d , v i ) A f t e r t h e s t r a i n l i m i t i s r e a c h e d , d e c r e a s e t h e p r e s s u r e i n t h e same p a t t e r n u n t i l t h e membrane i s d e f l a t e d . D u r i n g t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t , t h e o u t p u t f r o m t h e s t r a i n arms and t h e t o t a l p r e s s u r e c e l l was r o u t e d t o a p a i r o f two pen XYY p l o t t e r s . The p l o t t e r s p r o d u c e d a n a l o g h a r d - c o p y r e c o r d s o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e s on s t r i p c h a r t p a p e r . L a t e r t h e s e p l o t s were d i g i t i z e d a n d t h e i n f o r m a t i o n was s t o r e d on f l o p p y d i s k s f o r f u t u r e a n a l y s i s a n d r e p l o t t i n g . The c a l i b r a t i o n o f t h e HPM e l e c t r o n i c s was q u i t e s i m p l e 16 t o p e r f o r m . F i r s t t h e s t r a i n arms were h e l d i n t o t h e f u l l y c l o s e d ( z e r o s t r a i n ) p o s i t i o n w i t h no p r e s s u r e a p p l i e d t o t h e membrane. Then t h e p r o b e was s l i p p e d i n t o a s e c t i o n of s t e e l p i p e of known i n s i d e d i a m e t e r . The membrane was i n f l a t e d u n t i l i t r i g i d l y c o n t a c t e d t h e i n n e r w a l l o f t h e p i p e . T h i s a l l o w e d a s e c o n d p o i n t o f known s t r a i n t o be c a l c u l a t e d . F i n a l l y t h e membrane was i n f l a t e d f r e e l y i n a i r u n t i l t h e s t r a i n arms had r e a c h e d t h e i r known maximum e x t e n s i o n . T hus a t h r e e - p o i n t c h e c k c a l i b r a t i o n c o u l d be p e r f o r m e d w i t h o u t h a v i n g t o remove t h e membrane f r o m t h e p r o b e . T h i s p r o c e d u r e was u t i l i z e d p r i o r t o e a c h f i e l d d a y . A f u l l a n d c o m p l e t e r e c o r d o f t h e s t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c h s t r a i n arm was i n i t i a l l y c o m p l e t e d by a t t a c h i n g a m i c r o m e t e r t o e a c h s t r a i n arm. T h i s p e r m i t t e d an e x a c t m e a s u r e o f t h e e l e c t r i c a l r e s p o n s e c o r r e s p o n d i n g t o a p r e c i s e i n c r e m e n t o f s t r a i n . I n o r d e r t o e n s u r e t h e c a l i b r a t i o n o f t h e t o t a l p r e s s u r e c e l l , b o t h a d e a d w e i g h t t e s t e r a n d an a c c u r a t e t e s t gauge was a t t a c h e d i n t o t h e n i t r o g e n s u p p l y t u b i n g d u r i n g one o f t h e d a i l y s t r a i n arm c a l i b r a t i o n s . 4.1.2 S t r a i n C o n t r o l l e d O p e r a t i o n One o f t h e most t r o u b l e s o m e a s p e c t s o f t h e s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t i n g m e t hod i s t h e c r e e p t h a t o c c u r s i n t h e s o i l mass d u r i n g t h e t e s t . The membrane i s p r e s s u r i z e d w i t h n i t r o g e n and c o n t i n u e s t o e x p a n d o u t w a r d b e t w e e n p r e s s u r e i n c r e m e n t s . T h i s i s t h e r e a s o n f o r w a i t i n g 30 s e c o n d s b e t w e e n 17 e a c h p r e s s u r e i n c r e m e n t . I n some s o i l t y p e s t h e c r e e p may be s i g n i f i c a n t and may n o t have s t o p p e d a t t h e end o f 30 s e c o n d s . To o v ercome t h i s p r o b l e m , a s t r a i n c o n t r o l l e d s y s t e m was d e v e l o p e d by t h e w r i t e r . F i g u r e 4-3 shows a p a r t i a l l y c u t away s c h e m a t i c of t h e s t r a i n c o n t r o l a p p a r a t u s . A m a n u a l l y c r a n k e d s c r e w j a c k moves a p i s t o n i n a c y l i n d r i c a l t u b e f o r c i n g a l i g h t o i l (WD-40) o u t i n t o t h e p r e s s u r e m e t e r membrane. The v o l u m e o f o i l p u s h e d i n t o t h e p r o b e was m o n i t o r e d by a c a l i b r a t e d l i n e a r v o l t a g e d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r (LVDT) a t t a c h e d t o t h e p i s t o n r o d . The o i l p r e s s u r e i n s i d e t h e p r e s s u r e m e t e r membrane was m e a s u r e d by t h e i n t e r n a l t o t a l p r e s s u r e c e l l . A d d i t i o n a l l y t h e p r e s s u r e a t t h e s u r f a c e c o u l d be m o n i t o r e d by u s i n g a p r e s s u r e t r a n s d u c e r l o c a t e d n e a r t h e o i l s t o r a g e r e s e r v o i r . The n o r m a l t e s t i n g s e q u e n c e f o r a s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t was: i ) P u s h t h e p r e s s u r e m e t e r t o t h e new d e p t h , i i ) B e g i n t h e t e s t by c r a n k i n g t h e s c r e w j a c k h a n d l e ( n o r m a l t e s t r a t e = 0.5% r a d i a l s t r a i n p e r m i n u t e = 1 r e v o l u t i o n p e r 5 s e c o n d s ) . i i i ) C o n t i n u e c r a n k i n g u n t i l t h e p r e s s u r e m e t e r n e a r s i t s s t r a i n l i m i t ( 2 0 % r a d i a l s t r a i n f o r t h e HPM). i v ) A f t e r t h e s t r a i n l i m i t i s r e a c h e d , d e f l a t e t h e membrane a t t h e same r a t e . 18 F I G U R E 4-3: S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r I n f l a t i o n A p p a r a t u s 19 The r e c o r d i n g o f t h e o u t p u t i n t h e f i e l d and t h e l a t e r d i g i t i z i n g o f t h e r e c o r d s were p e r f o r m e d i n t h e same manner a s d e s c r i b e d f o r t h e s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t i n S e c t i o n 4.1.1. A f r e e a i r c a l i b r a t i o n o f t h e membrane u s i n g t h e s t r a i n c o n t r o l l e d a p p a r a t u s was shown i n F i g u r e 4-2. An a s s e m b l y f o r d r i v i n g t h e s c r e w j a c k w i t h a v a r i a b l e s p e e d e l e c t r i c m o t o r has been p r o p o s e d b u t was n o t a v a i l a b l e i n t i m e f o r t h i s r e s e a r c h . S u c h an a t t a c h m e n t w o u l d c o m p l e t e l y a u t o m a t e t h e t e s t i n g p r o c e d u r e . 4.2 Summary o f F i e l d T e s t i n g The f u l l d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r i s a r e l a t i v e l y new s o i l e x p l o r a t i o n d e v i c e . Hence a g r e a t d e a l o f d e v e l o p m e n t a n d s t a n d a r d i z a t i o n r e m a i n t o be done b e f o r e t h e p r e s s u r e m e t e r i n i t s f u l l - d i s p l a c e m e n t f o r m w i l l become a common s o i l i n v e s t i g a t i o n i n s t r u m e n t . Many v a r i a b l e s a r e i n v o l v e d i n p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g , f o r e x a m p l e : i ) M e c h a n i c a l D e s i g n ( l e n g t h t o d i a m e t e r r a t i o o f t h e membrane, d e s i g n o f p r o t e c t i v e m e t a l s h e a t h , end c o n s t r a i n t o f membrane, membrane m a t e r i a l , maximum a v a i l a b l e s t r a i n ) i i ) I n s t a l l a t i o n M e t h o d ( p r e d r i l l e d h o l e , s e l f -b o r i n g , f u l l - d i s p l a c e m e n t , p u s h e d p i l o t h o l e ) 20 i i i ) O p e r a t i o n ( s t r e s s o r s t r a i n c o n t r o l l e d , r a t e o f i n f l a t i o n , e f f e c t s o f c y c l i c t e s t i n g , p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n t i m e ) I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e some o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d f a c t o r s , a s e r i e s o f f i e l d t e s t s were c a r r i e d o u t b e t w e e n J u n e 1984 and J a n u a r y 1985 a t f o u r r e s e a r c h s i t e s l o c a t e d n e a r t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a . A summary t a b l e i s p r o v i d e d i n F i g u r e 4-4. A t t h e f o u r s i t e s t h e w r i t e r p e r f o r m e d f u l l -d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t s u s i n g t h e HPM. A t a f i f t h s i t e i n C a l g a r y s e l f - b o r i n g p r e s s u r e m e t e r t e s t s were c o n d u c t e d by a s p e c i a l i s t c o n s u l t a n t . The v a r i a b l e s c h o s e n f o r e x a m i n a t i o n i n t h i s s t u d y w e r e : m ethod o f membrane i n f l a t i o n , e f f e c t o f a p r e - p u s h e d p i l o t h o l e , e f f e c t o f c y c l i c t e s t i n g , and t h e e f f e c t o f d i s s i p a t i o n o f p o r e p r e s s u r e . I n a d d i t i o n t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s c o u l d be m e a s u r e d : t h e v a r i a t i o n i n s t r a i n b e t w e e n t h e t h r e e s t r a i n a r m s , t h e e f f e c t o f c h a n g i n g t h e s t r a i n r a t e , t h e e f f e c t o f r e p e a t i n g a t e s t a t t h e same d e p t h , a n d t h e v o l u m e o f o i l i n j e c t e d t o p r o d u c e a c e r t a i n r a d i a l s t r a i n . E a c h o f t h e s e f a c t o r s w i l l be e x a m i n e d i n d e t a i l i n C h a p t e r 5. 4.3 D e s c r i p t i o n o f t h e T e s t S i t e s F i g u r e 4-5 shows t h e l o c a t i o n s o f t h e f o u r i n - s i t u t e s t i n g r e s e a r c h s i t e s i n t h e V a n c o u v e r , B.C. a r e a . The F r a s e r R i v e r f o r m s a m a j o r a l l u v i a l f l o o d p l a i n w i t h a v e r y t h i c k ( e s t i m a t e d 300 m e t e r s t o b e d r o c k , B l u n d e n , 1973) u n c e m e n t e d 21 DATE TEST S ITE TEST NAME PERFORMED BY INFLATION METHOD INSTALLATION METHOD PILOT HOLE CYCLIC TEST DISSIPATION MAX DEPTH (m) # OF TESTS JUNE 19/84 JAN 14/85 JAN 25/85 JAN 25/85 MCDONALDS FARM Ml M2 M3 M4 AUTHOR AUTHOR AUTHOR AUTHOR STRESS STRAIN STRAIN STRAIN FD FD FD FD NO NO NO 20cm2 NO NO YES YES NO NO NO NO 8.0 7.0 7.0 6.8 7 6 5 4 JULY 10/84 JULY 18/84 JAN 22/85 ANNACIS TEST P ILE Al A2 A3 AUTHOR AUTHOR AUTHOR STRESS STRESS STRAIN FD FD FD NO NO NO NO NO NO YES YES 1 NO 15.0 15.0 11.0 7 6 11 JULY 18/84 JULY 19/84 JAN 20/85 LANGLEY @ 232nd ST. L I L2 L3 AUTHOR AUTHOR AUTHOR STRESS STRESS STRAIN FD FD FD NO NO NO NO NO NO YES NO NO 11.5 11.5 6.0 5 5 6 JAN 15/85 JAN 19/85 ANNACIS N. PIER Nl N2 AUTHOR AUTHOR STRAIN STRESS FD FD 10cm2 NO NO NO NO NO 8.0 8.0 7 7 AUG 31/84 CALGARY Gl GOLDERS STRESS SB NO NO NO 13.0 4 TOTALS 5 S ITES 127.8 m 80 LEGEND: FD - Full-displacement SB - Self-bored o cn F I G U R E 4 - 5 : P l a n S h o w i n g t h e L o c a t i o n o f I n - s i t u R e s e a r c h S i t e s n e a r V a n c o u v e r , B . C . 23 s e d i m e n t a r y l a y e r . B o t h c o n e p e n e t r a t i o n t e s t s and p r e s s u r e m e t e r t e s t s were p e r f o r m e d a t e a c h s i t e . The s t r a t i g r a p h y o f t h e f i v e s i t e s i s p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . The raw p r e s s u r e m e t e r t e s t c u r v e s f o r a l l t h e t e s t s i t e s a r e shown i n A p p e n d i c e s A t o E. 4.3.1 M c D o n a l d ' s Farm, R i c h m o n d , B.C. M c D o n a l d ' s Farm i s a w e l l - d o c u m e n t e d g e o t e c h n i c a l s i t e t h a t h a s had much i n - s i t u t e s t i n g p e r f o r m e d . The g e o t e c h n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s i t e h a v e a p p e a r e d i n many UBC r e s e a r c h p u b l i c a t i o n s ( C a m p a n e l l a a n d R o b e r t s o n , 1 9 8 1 ) . A s i t e p l a n s h o w i n g t h e l o c a t i o n o f t h e t h r e e c o n e h o l e s and t h e f o u r p r e s s u r e m e t e r t e s t s p e r f o r m e d f o r t h i s s t u d y i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-6. M c D o n a l d ' s B e a c h (on t h e N o r t h Arm o f t h e F r a s e r R i v e r ) i s a p p r o x i m a t e l y 100 m e t e r s n o r t h o f M c D o n a l d ' s Farm. A c o n e p e n e t r a t i o n p r o f i l e a t M c D o n a l d ' s Farm i s g i v e n i n F i g u r e 4-7. From 0 t o 2.5 m e t e r s d e p t h i s a s o f t c l a y a n d s i l t l a y e r . B e t w e e n 2.5 a n d 13 m e t e r s i s a l o o s e t o d e n s e c l e a n s a n d l a y e r . From 13 t o 15 m e t e r s i s a f i n e s a n d t r a n s i t i o n l a y e r . B e l o w 15 m e t e r s i s a n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d u n i f o r m c l a y e y s i l t w h i c h e x t e n d s t o g r e a t e r t h a n 30 m e t e r s d e p t h . 4.3.2 L a n g l e y a t 2 32nd S t r e e t , L a n g l e y , B.C. A t one s t a g e d u r i n g t h e most r e c e n t g l a c i a l e p i s o d e t h e F r a s e r R i v e r became i c e dammed. As a r e s u l t , a l a r g e b a s i n o f g l a c i o - m a r i n e c l a y was d e p o s i t e d i n t h e L a n g l e y - C l o v e r d a l e 24 GRAVEL ROAD SB2 © Steel Reference Peg —+Q OM1 OM2 C2 CI OM3 O M4 BCH1 F T X o f-Q or LU < < o oz to a < z o Q o 2 E C3 SCALE 4 m • Cl-3 CONE PENETRATION TESTS 0 Ml-4 FULL DISPLACEMENT PRESSUREMETER TESTS © SB2 SELF BORING PRESSUREMETER TEST • BCH1 MULTIPLE POINT PIEZOMETER LOCATION^) REFERENCE LOCATIONS F I G U R E 4-6: S i t e P l a n o f M c D o n a l d ' s F a r m , R i c h m o n d , B . 25 a r e a . More r e c e n t l y t h i s a r e a has become f r e s h w a t e r l e a c h e d g i v i n g r i s e t o v e r y s e n s i t i v e c l a y s ( s e n s i t i v i t i e s o f f r o m 6 t o 18 b a s e d on N i l c o n f i e l d vane t e s t i n g , G r e i g , 1 9 8 5 ) . A s i t e p l a n o f t h e two cone h o l e s and t h r e e p r e s s u r e m e t e r s o u n d i n g s p e r f o r m e d f o r t h i s s t u d y a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-8. The s t r a t i g r a p h y i n t e r p r e t e d f r o m t h e c o n e p r o f i l e i s g i v e n i n F i g u r e 4-9. The t h r e e s o i l l a y e r s p r e s e n t a t t h i s s i t e a r e c l e a r l y d i s t i n g u i s h a b l e . From 0 t o 2.5 m e t e r s d e p t h i s a c o m p a c t e d c l a y f i l l u s e d t o b u i l d up t h e edge o f t h e H i g h w a y 1 o v e r p a s s t h a t t h i s s i t e i s l o c a t e d b e s i d e . B e tween 2.5 and 5 m e t e r s i s an o v e r c o n s o l i d a t e d c l a y l a y e r l i k e l y c a u s e d by t h e d e s s i c a t i o n o f t h e o r i g i n a l g r o u n d s u r f a c e . B e l o w 5 m e t e r s i s a u n i f o r m , n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d c l a y . N o t e t h a t s e v e r a l t h i n s a n d l e n s e s s t a n d o u t b e t w e e n 13 a n d 15 m e t e r s d e p t h . 4.3.3 A n n a c i s T e s t P i l e S i t e New W e s t m i n s t e r , B.C. The A n n a c i s T e s t P i l e s i t e i s l o c a t e d a b o u t 30 m e t e r s f r o m t h e A n n a c i s C h a n n e l o f t h e F r a s e r R i v e r . A s i t e p l a n s h o w i n g t h e l o c a t i o n o f t h e t e s t p i l e a r r a n g e m e n t , s a n d t r e n c h e s , c o n e p e n e t r a t i o n t e s t , a n d p r e s s u r e m e t e r t e s t s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-10. The c o n e p r o f i l e t o a d e p t h o f 78 m e t e r s i s shown i n F i g u r e 4-11. The r e a s o n f o r t h e l a t e r a l l o a d t e s t b e i n g p e r f o r m e d was t o m o d e l t h e b e h a v i o u r o f p i l e s f o r a p i e r t o be i n s t a l l e d i n t h e n e a r b y r i v e r . S i n c e 4 m e t e r s 27 • L l - 3 FULL DISPLACEMENT PRESSUREMETER TESTS O Cl-2 CONE PENETRATION TESTS FIGURE 4-8: S i t e P l a n o f L a n g l e y a t 232nd S t r e e t , L a n g l e y , B.C. 28 o o or D " O c 3 O 00 Sand Trench (4m deep) Test Pile Reaction Piles Cone Penetration Test Pressuremeter Tests Sand Trench ( 4 m deep ) Approximate Scale-20m Dike Road •FRASER RIVER FIGURE 4-10: S i t e P l a n o f A n n a c i s T e s t P i l e S i t e , New W e s t m i n s t e r , B.C. 30 CONE BEARING Ot (bur) SLEEVE FRICTION PORE PRESSURE (bar) U On. of wator) FRICTION RATIO DIFFERENTIAL P.P. Rf U) RATIO AU/Ot INTERPRETED PROFILE O a so i O o (— D fD fD in *T3 >-•• fTJ rr D fD fD rr >-« Q) n-M • o D TJ i-t O ro o > 3 3 QJ O W -3 fD in rf Rubble FILL Soft organic silty C L A Y Medium dense SAND Normally consolidated clayey SILT with thin sand layers Soft, n o r m a l l y consolidated clayey SILT with SAND layers o f r u b b l e f i l l was p r e s e n t a t t h e t e s t p i l e s i t e a nd n o t i n t h e r i v e r , t h e r u b b l e a r o u n d t h e l a t e r a l l y l o a d e d t e s t p i l e a n d t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t a r e a was e x c a v a t e d and r e p l a c e d w i t h l o o s e c l e a n s a n d . I n a d d i t i o n , t o p r o t e c t t h e c o n e f r o m b e i n g damaged d u r i n g p e n e t r a t i o n , a b l a n k s t e e l dummy c o n e was p u s h e d t h r o u g h t h e r u b b l e t o p r o v i d e a p r e b o r e d h o l e . The s o i l b etween 4 and 17 m e t e r s d e p t h i s a n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d o r g a n i c c l a y e y s i l t . From 17 t o 30 m e t e r s i s a medium d e n s e sand l a y e r . B e l o w 30 m e t e r s i s an i n t e r b e d d e d s e q u e n c e o f c l a y e y s i l t and s a n d t h a t d r i l l h o l e d a t a h a s shown t o e x t e n d b e l o w 100 m e t e r s . The s t r a t i f i e d n a t u r e o f t h e d e p o s i t i n d i c a t e s a m a r g i n a l bank o r a l l u v i a l f l o o d p l a i n d e p o s i t i o n e n v i r o n m e n t . 4.3.4 A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e , R i c h m o n d , B.C. The A n n a c i s N o r t h P i e r s i t e i s l o c a t e d a p p r o x i m a t e l y 100 m e t e r s n o r t h o f one o f t h e m a i n s u p p o r t t o w e r s f o r a m a j o r new b r i d g e p r o j e c t i n t h e V a n c o u v e r a r e a . A s i t e p l a n s h o w i n g t h e l o c a t i o n o f t h e c o n e a n d p r e s s u r e m e t e r t e s t s r e l a t i v e t o t h e b r i d g e p i e r s and c o n s t r u c t i o n t i e - d o w n s i t e s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-12. The c o n e p r o f i l e t o 15 m e t e r s d e p t h i s g i v e n i n F i g u r e 4-13. From 0 t o 2.5 m e t e r s i s a d e n s e s a n d f i l l t h a t was u s e d a s a w o r k i n g p l a t f o r m f o r t h e c o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t . The s a n d was p l a c e d h y d r a u l i c a l l y a p p r o x i m a t e l y two y e a r s p r i o r t o t h e s t a r t o f t h e p r o j e c t . Between 2.5 a n d 3.5 m e t e r s i s an o r g a n i c 32 F I G U R E 4 - 1 2 : S i t e P l a n o f A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e , R i c h m o n d , B . C . 33 s i l t y l a y e r b e l i e v e d t o be t h e o r i g i n a l g r o u n d s u r f a c e . B e l o w 3.5 m e t e r s i s a l a y e r e d s e q u e n c e o f s a n d w i t h some s i l t l e n s e s t y p i c a l o f a r i v e r b a n k a l l u v i a l d e p o s i t . 4.3.5 C a l g a r y O l y m p i c O v a l , C a l g a r y , A l b e r t a A t t h e O l y m p i c O v a l s i t e i n C a l g a r y , t h e g r o u n d was t o be e x c a v a t e d a p p r o x i m a t e l y 3.7 m e t e r s f o r c o n s t r u c t i o n o f t h e f o u n d a t i o n s . I n o r d e r t o t a k e t h i s i n t o a c c o u n t , a 3.7 m e t e r d e e p t e s t p i t was d u g , and t h e l a t e r a l l o a d t e s t i n g was p e r f o r m e d i n s i d e t h e p i t . F i g u r e 4-14 shows t h e e x c a v a t e d p i t d e s i g n , l o c a t i o n o f t h e c o n e a nd p r e s s u r e m e t e r t e s t s , a n d t h e s e q u e n c e i n w h i c h t h e l a t e r a l l o a d t e s t i n g was p e r f o r m e d . S t r a t i g r a p h y b a s e d on t h e c o n e p r o f i l e i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-15. From 0 t o 8 m e t e r s a medium d e n s e s a n d w i t h some l o o s e l a y e r s i s p r e s e n t . From 8 t o 16 m e t e r s i s a s t i f f g l a c i o - l a c u s t r i n e c l a y . B o r e h o l e s i n d i c a t e t h a t a d e n s e s a n d i s p r e s e n t b e l o w 16 m e t e r s . 35 Golder Associates FIGURE 4-14: S i t e P l a n a n d L a t e r a l L o a d T e s t S e q u e n c e f o r O l y m p i c O v a l T e s t S i t e , C a l g a r y , A l b e r t a ( A f t e r McKeown a n d C l a r k , 1984) 36 co E rH cn 3 0) U 0> -ri cn x: d) • H Q) 0) -r-t (0 fa 2 Q S rH <4H UH • H •p > 1 >lEH U 03 > u m % a L 3 a B a L a c o a. DAT« <D § 3 01 •H (0 ^ CD f U •H a. 3 h y a a a CM El EH E-i EH (Vi (0 (M (O OD O N FIGURE 4-15: c»o Hidsa Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e o f C a l g a r y O l y m p i c O v a l T e s t S i t e ( A f t e r McKeown a n d C l a r k , 1984) 37 C h a p t e r 5 R e s u l t s o f F i e l d T e s t i n g 5.1 I n t r o d u c t i o n The s o i l p a r a m e t e r s d e r i v e d f r o m t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e a r e key v a r i a b l e s u s e d i n t h e p r e d i c t i o n o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e b e h a v i o u r . Thus i n o r d e r t o c o n f i d e n t l y p r e d i c t t h e l o a d -d e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a l a t e r a l l y l o a d e d p i l e , t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t must be b o t h r e p r o d u c i b l e a n d r e l i a b l e . O ' N e i l l ( 1 9 8 5) s t u d i e d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n two t y p e s o f f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r s . T h i s c h a p t e r i n v e s t i g a t e s t h e e f f e c t o f s e v e r a l v a r i a t i o n s i n t h e i n s t a l l a t i o n m e t h o d , o p e r a t i n g p r o c e d u r e , and c o m p o n e n t s o f t h e p r e s s u r e m e t e r s y s t e m . 5.2 E x a m p l e P r e s s u r e m e t e r C u r v e s A t y p i c a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e c o n s i s t s o f t h e m e a s u r e d p r e s s u r e a p p l i e d i n s i d e t h e membrane ( r a d i a l s t r e s s , o r ) v e r s u s t h e m e a s u r e d o u t w a r d d e f l e c t i o n o f t h e c e n t r a l p o r t i o n o f t h e membrane ( r a d i a l s t r a i n , A R / R ) . The i n i t i a l p r e s s u r e on t h e membrane a f t e r i n s t a l l a t i o n , b u t b e f o r e t h e t e s t b e g i n s , i s t h e t o t a l ( s o i l + w a t e r ) l a t e r a l i n - s i t u s t r e s s . The p r e s s u r e t h a t i s r e q u i r e d a t t h e s t a r t o f t h e t e s t t o overcome t h e i n - s i t u s t r e s s a n d b e g i n t h e r a d i a l movement o f t h e membrane i s t h e l i f t - o f f p r e s s u r e ( P o ) . As t h e t e s t p r o g r e s s e s , t h e p r e s s u r e r e q u i r e d t o f a i l t h e s o i l i n c r e a s e s 38 a n d t a n g e n t i a l l y a p p r o a c h e s t h e l i m i t p r e s s u r e ( P i ) . I n c l a y s t h e l i m i t p r e s s u r e i s u s u a l l y w e l l - d e f i n e d . I n s a n d s a l i m i t p r e s s u r e i s n o t u s u a l l y r e a c h e d . T h e l i m i t p r e s s u r e f o r s a n d i n t h i s t h e s i s i s t a k e n a r b i t r a r i l y t o b e t h e p r e s s u r e a t 15% r a d i a l s t r a i n . F o r p r e s s u r e m e t e r t e s t s i n w h i c h t h e a r m s d i d n o t r e a c h 15% r a d i a l s t r a i n , t h e l i m i t p r e s s u r e w a s o b t a i n e d b y p r o j e c t i o n . I n a r a d i a l l y i s o t r o p i c s o i l , i t i s e x p e c t e d t h a t w h e n t h e m e m b r a n e o f t h e p r e s s u r e m e t e r i s i n f l a t e d , i t w i l l e x p a n d e v e n l y a r o u n d i t s c i r c u m f e r e n c e . T h e u p p e r h a l f o f F i g u r e 5 -1 s h o w s a t y p i c a l g o o d p r e s s u r e m e t e r t e s t i n w h i c h t h e t w o m e a s u r e d a r m s f o l l o w e d a n a l m o s t i d e n t i c a l p a t h d u r i n g e x p a n s i o n . T h e l o w e r h a l f o f F i g u r e 5 - 1 s h o w s a r e l a t i v e l y p o o r q u a l i t y t e s t . A r m B e x p a n d e d m u c h f u r t h e r t h a n A r m A d i d f o r t h e s a m e a p p l i e d m e m b r a n e p r e s s u r e . T h e r e a r e s e v e r a l p o s s i b l e r e a s o n s w h y A r m B e x p a n d e d f u r t h e r t h a n A r m A . M e c h a n i c a l b i n d i n g c o u l d h a v e c a u s e d A r m A t o b e c o m e s t u c k , a n d n o t k e e p i n c o n t a c t w i t h t h e r u b b e r m e m b r a n e ( n o t l i k e l y i n t h i s t e s t s i n c e A r m A e x h i b i t s a r e l a t i v e l y s m o o t h c u r v e ) . A s w e l l , t h e e l e c t r i c a l s i g n a l f o r e i t h e r A r m A o r B c o u l d h a v e b e c o m e d i s t o r t e d ( n o t e x p e c t e d i n t h i s t e s t s i n c e a c c u r a t e c a l i b r a t i o n s w e r e t a k e n b e f o r e a n d a f t e r t h e t e s t h o l e ) . T h e m o s t l i k e l y c a u s e f o r t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o a r m s i s a v a r i a t i o n i n t h e s o i l i t s e l f . R a p i d c h a n g e s i n t h e d e n s i t y o f a s a n d c o u l d c a u s e u n e q u a l i n f l a t i o n . C o b b l e s i n a s o f t e r m a t r i x c o u l d p r e v e n t o n e o r m o r e a r m s f r o m f u l l y 39 2000-isooH a. a k 10004 500-GOOD TEST: Site: Annacis North Pier Date: Jan 19 / 1985 Depth: 7.0 meters Test: N2-7 I 10 RADIAL STRAIN CX> - r -IS ABM A 20 ISOOH o 1000H 5004 BAD TEST: Site: McDonalds Farm Date: June 19 / 1984 Depth: 6.0 meters Test: Ml-6 y ARM A AFM B-I I I I I I / —r~ is 10 RADIAL STRAIN CX> 20 F I G U R E 5 - 1 : E x a m p l e s o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s W h e r e M e m b r a n e D i d a n d D i d N o t I n f l a t e E v e n l y 40 i n f l a t i n g . Thus t h e HPM c a n p r o v i d e a q u a l i t a t i v e m easure o f s o i l h o m o g e n e i t y , w h e r e a s a M e n a r d p r e s s u r e m e t e r c a n n o t . The p r e s s u r e m e t e r i s a u s e f u l t o o l f o r e v a l u a t i n g t h e s h e a r m o d u l u s of a s o i l . (See R o b e r t s o n , 1982, Hughes and R o b e r t s o n , 1984, B r i a u d e t . a l . , 1983a.) I f t h e u n l o a d i n g and s u b s e q u e n t r e l o a d i n g o f a s o i l i s p e r f e c t l y e l a s t i c , t h e n t h e s l o p e o f a s m a l l u n l o a d - r e l o a d l o o p ( a s s e e n i n F i g u r e 5-1) w i l l be t w i c e t h e e l a s t i c s h e a r m o d u l u s . The i n i t i a l l o a d i n g p h a s e o f t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t c a n a l s o be u s e d t o g i v e an i n d i c a t i o n o f t h e s h e a r m o d u l u s . D u r i n g u n l o a d - r e l o a d c y c l e s v e r y s m a l l s t r a i n s a r e m e a s u r e d , t h e r e f o r e a h i g h d e g r e e o f a c c u r a c y i s r e q u i r e d i n o r d e r t o m e a s u r e t h e s h e a r m o d u l u s a c c u r a t e l y . O ' N e i l l (1985) p r o v i d e s a t a b u l a t i o n o f s h e a r m o d u l u s v a l u e s o b t a i n e d f r o m p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g i n c o n j u n c t i o n w i t h t h i s s t u d y . 5.3 S e l f - B o r e d a n d F u l l - D i s p l a c e m e n t P r e s s u r e m e t e r C u r v e s The method by w h i c h a p r e s s u r e m e t e r i s i n s t a l l e d c a n be e x p e c t e d t o h a v e a s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e on t h e r e s u l t i n g p r e s s u r e e x p a n s i o n c u r v e s . F o r t h e M e n a r d p r e s s u r e m e t e r , a v e r y s t a n d a r d i s e d method o f d r i l l i n g t h e h o l e and p e r f o r m i n g t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t i s r e q u i r e d t o a l l o w any r e p r o d u c i b i l i t y o f r e s u l t s . To a v o i d t h e i n e v i t a b l e d i s t u r b a n c e r e s u l t i n g f r o m d r i l l i n g a h o l e , t h e s e l f - b o r i n g p r e s s u r e m e t e r was d e v e l o p e d . D i f f i c u l t a n d t i m e c o n s u m i n g 41 i n s t a l l a t i o n s , c o m b i n e d w i t h an u n c e r t a i n l e v e l o f d i s t u r b a n c e , have l e a d t o t h e use o f t h e f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r a s a much s i m p l e r t o i n s t a l l a p p a r a t u s . F i g u r e 5-2 shows two t y p i c a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e s f r o m M c D o n a l d ' s Farm. The u p p e r f i g u r e shows a f u l l - d i s p l a c e m e n t t e s t , w h i l e t h e t e s t shown i n t h e l o w e r f i g u r e was s e l f - b o r e d . N o t e t h e s i m i l a r i t y i n c u r v e s h a p e s a n d l i f t - o f f p r e s s u r e s . D a t a f r o m Hughes and R o b e r t s o n , ( 1 9 8 4 ) t o g e t h e r w i t h t h e t e s t i n g p e r f o r m e d f o r t h i s s t u d y , i n d i c a t e t h a t f o r s a n d s s u c h a s f o u n d a t M c D o n a l d ' s Farm, b o t h t h e l i f t - o f f a n d l i m i t p r e s s u r e s a r e s i m i l a r f o r t h e s e l f - b o r e d a n d f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t s . P r e l i m i n a r y r e s u l t s show t h a t s i n c e t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t i n v o l v e s a r e l a t i v e l y l a r g e v o l u m e o f s o i l e x t e n d i n g r a d i a l l y away f r o m t h e p r o b e , d i s t u r b a n c e due t o i n s t a l l a t i o n d o e s n o t a p p e a r t o s i g n i f i c a n t l y a f f e c t t h e l i m i t p r e s s u r e r e a c h e d i n t h e t e s t . I t i s e x p e c t e d t h a t t h e same w o u l d h o l d t r u e i n a c o h e s i v e s o i l , b u t g o o d c o m p a r a t i v e d a t a a r e n o t a v a i l a b l e y e t . 5.4 R e p e a t i n g a P r e s s u r e m e t e r T e s t a t t h e Same D e p t h The n o r m a l p r o c e d u r e f o r p e r f o r m i n g f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t s i s t o p e r f o r m a t e s t , p u s h down t o t h e n e x t d e p t h , a n d p e r f o r m a n o t h e r t e s t . F i g u r e 5-3 shows t h e e f f e c t o f p e r f o r m i n g one t e s t a n d t h e n r e p e a t i n g t h e t e s t a t t h e same d e p t h . D u r i n g t h e f i r s t t e s t , t h e s a n d a d j a c e n t t o 42 R a d i o l Displacement (%) 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 R a d i a l Displacement (%) -=^-FIGURE 5-2: C o m p a r i s o n o f T y p i c a l F u l l - D i s p l a c e m e n t a n d S e l f - B o r e d P r e s s u r e m e t e r T e s t R e s u l t s i n Sand a t M c D o n a l d ' s Farm 43 F I G U R E 5-3: E f f e c t o f I n f l a t i n g P r e s s u r e m e t e r T w i c e a t t h e S a m e D e p t h t h e membrane was f o r c e d r a d i a l l y o u t w a r d s a s t h e membrane e x p a n d e d . D u r i n g t h e s e c o n d t e s t , up t o t h e 5% l e v e l o f r a d i a l s t r a i n , t h e s a n d e x e r t e d no p r e s s u r e a g a i n s t t h e membrane. I t i s l i k e l y t h a t t h e s a n d has a r c h e d a f t e r t h e f i r s t t e s t a n d t h e s i z e o f t h e open c a v i t y i s e q u a l t o 5% r a d i a l s t r a i n . From 5 t o 15% s t r a i n i n t h e s e c o n d t e s t t h e s t r e s s i s r i s i n g a s t h e membrane i s e x p a n d e d . I t i s e x p e c t e d t h a t i f t h e s e c o n d t e s t c o u l d have been c o n t i n u e d on t o 20 o r 2 5 % s t r a i n , t h a t i t w o u l d r e a c h t h e l i m i t p r e s s u r e o f t h e f i r s t t e s t a n d i n e f f e c t be a c o n t i n u a t i o n o f t h e f i r s t t e s t . U n f o r t u n a t e l y t h e same p r o c e d u r e was n o t c a r r i e d o u t a t e i t h e r t h e c l a y o r s i l t s i t e s . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t i n a s t i f f c l a y t h e same r e s p o n s e w o u l d be f o u n d a s f o r t h e s a n d . A v e r y s o f t c l a y c o u l d be e x p e c t e d t o n o t h a v e s u f f i c i e n t s t r e n g t h t o m a i n t a i n an open c a v i t y , a n d w o u l d t h u s p l a s t i c a l l y d e f o r m a n d c l o s e up a g a i n s t t h e membrane a f t e r t h e f i r s t t e s t . I f a s e c o n d t e s t was p e r f o r m e d a t t h e same d e p t h i n a s o f t c l a y t h e n t h e s h a p e o f t h e r e s u l t a n t p r e s s u r e m e t e r c u r v e w o u l d l i k e l y d e p e n d on t h e s e n s i t i v i t y o f t h e c l a y . 5.5 E f f e c t o f S t r a i n R a t e on P r e s s u r e m e t e r T e s t s I n o r d e r t o a s s e s s t h e e f f e c t t h a t t h e r a t e o f s t r a i n m i g h t have on t h e s h a p e o f a p r e s s u r e m e t e r c u r v e , a s i t e w i t h a u n i f o r m s o i l l a y e r was c h o s e n . The A n n a c i s T e s t P i l e s i t e h a s a u n i f o r m o r g a n i c s i l t y c l a y l a y e r b e t w e e n 4 a n d 12 m e t e r s d e p t h ( s e e F i g u r e s 4-11 o r 7-2 f o r t h e c o n e p r o f i l e ) . 45 The r a t e o f s t r a i n i s an i m p o r t a n t p a r a m e t e r i n p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g s i n c e i t i n f l u e n c e s t h e b u i l d u p o f p o r e p r e s s u r e i n t h e s o i l . S i n c e t h e HPM v e r s i o n u s e d i n t h i s s t u d y was a t o t a l p r e s s u r e i n s t r u m e n t ( t h e e x t e r n a l p o r e p r e s s u r e a p p a r a t u s was n o t u t i l i z e d ) , t h e p o r e p r e s s u r e t h a t a c t s on t h e membrane w i l l g r e a t l y a f f e c t t h e r e s u l t s . The s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e was c h o s e n t o m a x i m i z e t h e p o s s i b l e e f f e c t o f v a r y i n g t h e s t r a i n r a t e . The M c D o n a l d ' s Farm s i t e i s p r i m a r i l y s a n d , w h i c h i s a l w a y s d r a i n e d d u r i n g p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g , and L a n g l e y a t 232nd i s a l o w p e r m e a b i l i t y c l a y w h i c h i s a l w a y s u n d r a i n e d d u r i n g t e s t i n g . Thus t h e s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e p r o v i d e d t h e i d e a l t r a n s i t i o n m a t e r i a l t o i n v e s t i g a t e w h e t h e r t h e l i m i t e d r a n g e o f s t r a i n r a t e s u s e d i n p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g w o u l d i n f l u e n c e t h e shape o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e . A t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e , s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t s were p e r f o r m e d a t 7.0, 8.0, 9.0, a n d 10.0 m e t e r s d e p t h . The t e s t a t 9.0 m e t e r s e n c o u n t e r e d an o b s t r u c t i o n on one o f t h e arms a n d was deemed i n v a l i d . The t e s t s a t 7.0 and 10.0 m e t e r s w e r e r u n a t t h e n o r m a l s t r a i n r a t e o f 0.5% r a d i a l s t r a i n p e r m i n u t e . The t e s t a t 8.0 m e t e r s was r u n 5 t i m e s f a s t e r t o p r o d u c e a s t r a i n r a t e o f 2.5% p e r m i n u t e . F i g u r e 5-4 shows t h e r e s u l t o f t h e t h r e e t e s t s a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e . Due t o t h e i n c r e a s i n g o v e r b u r d e n s t r e s s , t h e s i l t y c l a y becomes s t i f f e r w i t h d e p t h . T h i s c a n a l s o be s e e n i n t h e cone p r o f i l e s o f t h e s i t e . Thus i t i s 46 400-Site: Annacis Test Pile Date: January 22 / 1985 Depths: 7,8, S. 10 meters Tests: A3-7.8, & 10 RADIAL STRAIN «> F I G U R E 5-4: E f f e c t o f I n c r e a s i n g S t r a i n R a t e o n S h a p e o f P r e s s u r e m e t e r C u r v e 47 e x p e c t e d t h a t t h e l i f t - o f f and l i m i t p r e s s u r e s w i l l i n c r e a s e w i t h d e p t h . The r e s u l t a n t p r e s s u r e m e t e r c u r v e f r o m 8.0 m e t e r s i s s a n d w i c h e d d i r e c t l y between t h e 7.0 a n d 10.0 m e t e r c u r v e s . I t a p p e a r s t h a t f o r t h e s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e , w i t h i n t h e r a n g e of s t r a i n r a t e s i n v o l v e d i n t h i s t e s t i n g , t h e r a t e o f s t r a i n h a s no s i g n i f i c a n t e f f e c t on t h e shape of t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e . 5.6 E f f e c t o f P o r e P r e s s u r e D i s s i p a t i o n I n S e c t i o n 5.5 i t was shown t h a t t h e s t r a i n r a t e a p p e a r e d t o h ave no n o t i c e a b l e e f f e c t on t h e s h a p e o f t h e r e s u l t i n g p r e s s u r e m e t e r c u r v e f o r t h e s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e . I n o r d e r t o a s s e s s t h e e f f e c t o f p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n i n a low p e r m e a b i l i t y , s e n s i t i v e c l a y , a s e r i e s o f t e s t s were p e r f o r m e d a t t h e L a n g l e y a t 232nd s i t e . The i n s t a l l a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r i n a f u l l -d i s p l a c e m e n t manner c a u s e s s i g n i f i c a n t d i s t u r b a n c e t o t h e s o i l a d j a c e n t t o t h e p r o b e . T h i s r e s u l t s i n t h e b u i l d up o f e x c e s s d y n a m i c p o r e p r e s s u r e i n a s a t u r a t e d , f i n e g r a i n e d s o i l . The e x t e n t o f t h e zone i n w h i c h e x c e s s p o r e p r e s s u r e w i l l o c c u r c a n be e s t i m a t e d b a s e d on t h e s t i f f n e s s t o s h e a r s t r e n g t h r a t i o ( G/Su, R o b e r t s o n , 1 9 8 2 ) . The t i m e t a k e n f o r t h e p o r e p r e s s u r e t o d i s s i p a t e t o a c e r t a i n l e v e l c a n a l s o be e s t i m a t e d f r o m r a d i a l c o n s o l i d a t i o n t h e o r y ( G i l l e s p i e , 1 9 8 1 ) . U s i n g t h e f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r o p e r a t e d i n t h e s t r e s s c o n t r o l l e d mode, two t e s t s o u n d i n g s w e r e c o m p l e t e d 48 a p p r o x i m a t e l y 5 m e t e r s a p a r t a t t h e L a n g l e y s i t e . T e s t s were p e r f o r m e d a t 2.75, 6.0, 8.0, 10.0, and 12.0 m e t e r s d e p t h i n e a c h h o l e . F i g u r e 4-9 p r e s e n t e d t h e c o n e p r o f i l e a t t h e L a n g l e y s i t e . I n one of t h e h o l e s , ( L 2 ) e a c h p r e s s u r e -e x p a n s i o n t e s t was p e r f o r m e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e p r e s s u r e m e t e r had been p u s h e d t o t h e d e s i r e d d e p t h ( q u i c k t e s t s ) . I n t h e o t h e r h o l e , ( L 1 ) a f t e r t h e p r e s s u r e m e t e r had been p u s h e d t o t h e new d e p t h , t h e e q u i p m e n t was a l l o w e d t o s t a n d f o r a c e r t a i n p e r i o d o f t i m e t o a l l o w d i s s i p a t i o n o f t h e p o r e p r e s s u r e . The t i m e p e r m i t t e d a n d t h e e s t i m a t e d p e r c e n t a g e d i s s i p a t i o n o f peak p o r e p r e s s u r e f o r e a c h o f t h e s o u n d i n g s a r e : L1 : (DISSIPATED L 2 : (QUICK TEST) BEFORE TEST) DEPTH TIME % D I S S I P A T I O N TIME % D I S S I P A T I O N (m) (min) ( m i n ) 2.75 87 40 0 0 6.0 97 40 0 0 8.0 325 60 0 0 10.0 40 30 0 0 12.0 97 40 0 0 The e s t i m a t e d p e r c e n t a g e o f d i s s i p a t i o n i n t h e t a b l e a b o v e i s b a s e d on a c o e f f i c i e n t o f c o n s o l i d a t i o n (Cv) o f 1 0 " 3 c m 2 / s e c f r o m a t r i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t , a n d u t i l i z e s T o r s t e n s s e n ' s (1977) c y l i n d r i c a l s o l u t i o n f r o m G i l l e s p i e a n d C a m p a n e l l a ( 1 9 8 1 ) . The u p p e r p o r t i o n o f F i g u r e 5-5 shows two s e t s o f t y p i c a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e s f r o m t h e two t e s t h o l e s a t L a n g l e y . F o r 49 1000 i I Site: Langley at 232nd Date: July 18 & 19 / 1984 Depth: 2.75 & 6.0 meters Tests: Ll-2.75 & 6.0 and L2-2.75 & 6.0 r-sooH / 1 i ip^Dissipated Before Test i V ' 2.75 meters 6.0 meters RADIAL STRAIN (X) 5H a. u a 10 H 15 -2 T . T P T OFF T . T V T T PRESSURE PRESSURE O L I (DISSIPATED BEFORE TEST) » L2 (QUICK TEST) io H 15 10 APPLIED PRESSURE (BAR) I 1 LIMIT -L I (DISSIPATED BEFORE TEST) L2 (QUICK TEST) T -z LIFTOFF 3 4 RE (BAR) F I G U R E 5 - 5 : E f f e c t o f P o r e P r e s s u r e D i s s i p a t i o n o n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t L a n g l e y T e s t S i t e 50 t h e t e s t a t 2.75 m e t e r s , w h i c h i s i n o v e r c o n s o l i d a t e d c l a y , t h e t e s t t h a t was a l l o w e d t o d i s s i p a t e c l e a r l y h a s a h i g h e r l i f t - o f f and l i m i t p r e s s u r e . F o r t h e t e s t a t 6.0 m e t e r s t h e d i f f e r e n c e i s n o t a s s i g n i f i c a n t . The l o w e r l e f t c o r n e r of F i g u r e 5-5 d i a g r a m a t i c a l l y i l l u s t r a t e s t h e l i f t - o f f a n d l i m i t p r e s s u r e s f o r b o t h t h e t e s t h o l e s p e r f o r m e d . The o v e r c o n s o l i d a t e d c l a y a t 2.75 m e t e r s i s c l e a r l y much s t i f f e r t h a n t h e n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d c l a y b e l o w 6.0 m e t e r s . The l o w e r r i g h t c o r n e r o f F i g u r e 5-5 shows t h e l i m i t p r e s s u r e m i n u s t h e l i f t - o f f p r e s s u r e f o r t h e two s o u n d i n g s . The l i m i t m i n u s l i f t - o f f p r e s s u r e i s c o n s i d e r e d , t o be an i n d i c a t o r o f t h e s h e a r s t r e n g t h o f t h e s o i l . A l l o f t h e d i s s i p a t e d t e s t s show a h i g h e r l i m i t m i n u s l i f t - o f f p r e s s u r e t h a n t h e q u i c k t e s t s d o . Thus i t a p p e a r s t h a t t h e d i s s i p a t i o n o f p o r e w a t e r p r e s s u r e h a s a f f e c t e d t h e shape o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e s i n t h e t e s t s a t t h e L a n g l e y s i t e by c a u s i n g c o n s o l i d a t i o n o f t h e c l a y a r o u n d t h e p r e s s u r e m e t e r a n d p r o d u c i n g a somewhat s t i f f e r s o i l . 5.7 E f f e c t o f S t r e s s v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s C h a p t e r 4 d e s c r i b e d b o t h t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t o p e r a t i n g s y s t e m s . I n o r d e r t o a s s e s s a n y d i f f e r e n c e i n r e s u l t s b e t ween t h e two s y s t e m s , t h r e e s i t e s h a d t e s t s o u n d i n g s p e r f o r m e d u s i n g b o t h s t r e s s a nd s t r a i n c o n t r o l l e d . t e s t s w i t h i n a few m e t e r s o f e a c h o t h e r . 51 The u p p e r h a l f of F i g u r e 5-6 shows t y p i c a l s t r e s s and s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t s a t 5.0 m e t e r s d e p t h a t M c D o n a l d ' s Farm. The d i s t i n c t s t a i r c a s e - l i k e s t e p s i n t h e p l o t o f t h e s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t a r e due t o t h e d i s c r e t e i n c r e m e n t s o f p r e s s u r e w h i c h a r e a d d e d a t 30 s e c o n d i n t e r v a l s . I n c o n t r a s t , t h e s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t i s o p e r a t e d s m o o t h l y and c o n t i n u o u s l y . The l o w e r p o r t i o n o f F i g u r e 5-6 shows a summary o f t h e l i f t - o f f a n d l i m i t p r e s s u r e s f o r t h e M c D o n a l d ' s Farm t e s t s . The l i f t - o f f a n d l i m i t p r e s s u r e s f o r t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t s c o r r e s p o n d r e a s o n a b l y w e l l , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e v a r i a b l e d e n s i t y o f t h e s a n d l a y e r a n d t h e l i m i t e d number o f t e s t s p e r f o r m e d . F i g u r e 5-7 p r e s e n t s s i m i l a r i n f o r m a t i o n on s t r e s s and s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t s f o r t h e L a n g l e y a t 2 32nd s i t e . A g a i n , d e s p i t e t h e l i m i t e d number o f d i r e c t l y c o m p a r a b l e s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t s , t h e l i f t - o f f and l i m i t p r e s s u r e s show r e a s o n a b l y good a g r e e m e n t . A t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e , b o t h s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d s o u n d i n g s were p e r f o r m e d . I n F i g u r e 5-8 i t i s a p p a r e n t t h a t b o t h t h e l i f t - o f f a n d l i m i t p r e s s u r e s a r e much h i g h e r f o r t h e two s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t s . T h i s i s due t o an e l e c t r i c a l m a l f u n c t i o n i n t h e s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t . The m a l f u n c t i o n r e d u c e d t h e r e c o r d e d v a l u e s o f t h e membrane p r e s s u r e by a f a c t o r o f a p p r o x i m a t e l y tw o . S i n c e t h e m a l f u n c t i o n was n o t d i s c o v e r e d u n t i l a f t e r t h e f i e l d t e s t i n g was c o m p l e t e , and s i n c e t h e m a g n i t u d e of t h e e r r o r c a n o n l y be 52 Site: McDonalds Farm Date: June 19 / 1984 & Jan 14 / 1985 Depth: 5.0 meters APPLIED PRESSURE CBAR3 FIGURE 5-6: S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t M c D o n a l d ' s Farm S i t e 53 r 2 4 8 APPLIED PRESSURE CBAR) 10 F I G U R E 5-7: S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t L a n g l e y T e s t S i t e 54 1000 BOO-1 I BOO' B 400-200-Site: Annacis Test Pile Dates: July 18 /1984 and January 22 / 1984 Depth: 7.0 meters Tests: A2-7 and A3-7 NOTE: S t r a i n c o n t r o l l e d pressure values reduced by approximately 50% due to e l e c t r i c a l malfunction. Stress Controlled N Strain Controlled 20 RADIAL STRAIN 5 -IS LIFT OFF T.TVTT WESSURE PRESSURE O O A2 STRESS COs'TROLLE) • • A3 rrrrrurrrrr. / / / / / i A. A P P L I E D P R E S S U R E ( B A R ) FIGURE 5 - 8 : S t r e s s C o n t r o l l e d v e r s u s S t r a i n C o n t r o l l e d P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 55 e s t i m a t e d , t h e d a t a has been p r e s e n t e d i n t h e u n c o r r e c t e d f o r m . N o t e h o w e v e r t h a t t h e t r e n d o f b o t h t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t s a r e s i m i l a r . A t 9.0 m e t e r s b o t h t e s t h o l e s e n c o u n t e r e d a s t i f f ( p o s s i b l y s a n d y ) l a y e r . ' I n t h e c a s e o f t h e s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t o n l y one arm was r e s t r i c t e d f r o m e x p a n d i n g w h i l e t h e o t h e r arm was i n a somewhat s o f t e r m a t e r i a l . The s t i f f n e s s o f t h e l a y e r a t 9.0 m e t e r s was i n d i c a t e d on t h e s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t by t h e h i g h l i m i t p r e s s u r e s on b o t h r e c o r d e d a r m s . The s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t was p e r f o r m e d a f t e r a s i g n i f i c a n t amount of c o n s t r u c t i o n t r a f f i c h ad p a s s e d o v e r t h e c l e a n , l o o s e , s a n d i n t h e e x c a v a t e d t r e n c h . The p r o f i l e p r o v i d e d by t h e s t r a i n c o n t r o l l e d l i m i t p r e s s u r e s i n t h e u p p e r 4 m e t e r s o f F i g u r e 5-8 shows t h a t some d e n s i f i c a t i o n o f t h e s a n d h a s o c c u r e d n e a r t h e s u r f a c e . I n summary, t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d methods o f o p e r a t i o n a p p e a r t o p r o d u c e s i m i l a r r e s u l t s . A l t h o u g h c u r r e n t l y more e x p e r i e n c e h a s been o b t a i n e d w i t h t h e s t r e s s c o n t r o l l e d s y s t e m , t h e s t r a i n c o n t r o l l e d s y s t e m may h a v e a d v a n t a g e s i n t h e p r e c i s i o n o f t h e t e s t , a n d t h e e a s e w i t h w h i c h t h e s y s t e m c o u l d be a u t o m a t e d . I n o r d e r t o c o n f i d e n t l y s t a t e t h a t t h e two m ethods c a n be u s e d i n t e r c h a n g e a b l y , s i g n i f i c a n t l y more c o m p a r a t i v e t e s t i n g w i l l h a v e t o be p e r f o r m e d . 5.8 C o m p a r i s o n B e t w e e n R a d i a l S t r a i n a n d V o l u m e t r i c S t r a i n 56 U s i n g t h e s t r a i n c o n t r o l l e d s y s t e m t o o p e r a t e t h e p r e s s u r e m e t e r p r o v i d e d a n o p p o r t u n i t y t o a s s e s s h o w c l o s e l y t h e p r e s s u r e m e t e r m e m b r a n e o p e n e d a s a t r u e r i g h t c y l i n d e r . A v e r y s i m p l e m e t h o d w a s e m p l o y e d . T h e L V D T o n t h e s t r a i n c o n t r o l a p p a r a t u s a t t h e s u r f a c e p r o v i d e d a n a c c u r a t e m e a s u r e o f t h e v o l u m e o f o i l i n j e c t e d i n t o t h e m e m b r a n e w h i l e t h e d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s ( f e e l e r a r m s ) i n t h e p r e s s u r e m e t e r g a v e t h e p r e c i s e m o v e m e n t o f t h e c e n t r a l p o r t i o n o f t h e m e m b r a n e . I f t h e m e m b r a n e o p e n e d a s a t r u e r i g h t c y l i n d e r a l o n g i t s e n t i r e l e n g t h , t h e n t h e r e w o u l d b e a s i m p l e l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n j e c t e d v o l u m e o f o i l a n d t h e m e a s u r e d r a d i a l d i s p l a c e m e n t . I f t h e m e m b r a n e e x p a n d e d m o r e i n a ' f o o t b a l l ' s h a p e , t h e n t h e s i m p l e t h e o r e t i c a l r e l a t i o n s h i p w o u l d n o t h o l d . F i g u r e 5-9 s h o w s t h e r e s u l t s o f m e a s u r i n g b o t h t h e i n j e c t e d v o l u m e o f o i l a n d t h e r a d i a l d i s p l a c e m e n t o f t h e m e m b r a n e f o r t w o t e s t s a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e . F o r s m a l l s t r a i n s t h e r e i s a n a p p r o x i m a t e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r a d i a l ( A R / R ) a n d v o l u m e t r i c ( A V / V ) s t r a i n s o f A V / V * 2AR / R ( s e e A p p e n d i x F f o r a d e r i v a t i o n ) . B o t h o f t h e t e s t s d i s p l a y e d i n F i g u r e 5-9 w e r e p e r f o r m e d i n t h e o r g a n i c s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e . N o t e t h a t t h e r a d i a l s t r a i n ( a s m e a s u r e d b y t h e d i s p l a c e m e n t o f t h e m e m b r a n e ) i n d i c a t e s a l a r g e r s t r a i n a t t h e l i m i t p r e s s u r e t h a n d o e s t h e v o l u m e t r i c s t r a i n ( a s m e a s u r e d b y t h e i n j e c t e d v o l u m e o f o i l , a n d a l l o w i n g f o r t h e 2:1 d i f f e r e n c e b e t w e e n v o l u m e t r i c a n d r a d i a l s t r a i n ) . I f t h e m e m b r a n e w a s o p e n i n g u p a s a 57 400-300-200-3 i 100-Site: Annacis Test Pile Date: January 22 / 1985 Depth: 2.0 meters Test: A3-2 Volumetric Strain (flV/V) Radial Strain (AR/R) 400-RADIAL STRAIN « > —r— 15 20 10 ! VOLUMETRIC STRAIN tt) - r -30 - 1 40 300-"3 200-100-Site: Annacis Test Pile Date: January 22 / 1985 Depth: 7.0 meters Test: A3-7 Volumetric Strain (AV/V)' Radial Strain (flR/R) 1 10 RADIAL STRAIN (X) 15 20 - r -10 , 20 VOLUMETRIC STRAIN (X) —r-30 -1 40 FIGURE 5-9: R a d i a l a n d V o l u m e t r i c S t r a i n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 58 p e r f e c t r i g h t c y l i n d e r , t h e n t h e two c u r v e s s h o u l d be i d e n t i c a l . H a v i n g a l a r g e r r a d i a l s t r a i n t h a n v o l u m e t r i c s t r a i n a t t h e end of t h e t e s t i n d i c a t e s t h a t t h e c e n t e r o f t h e membrane h a s d i s p l a c e d f u r t h e r t h a n a r i g h t c y l i n d e r e x p a n s i o n w o u l d p r e d i c t . Thus i n t h e o r g a n i c s i l t y c l a y t h e membrane i s o p e n i n g up somewhat i n t h e shape o f a f o o t b a l l . F i g u r e 5-10 a g a i n shows b o t h t h e r a d i a l and v o l u m e t r i c methods o f c a l c u l a t i n g s t r a i n f o r two t e s t s i n sand a t M c D o n a l d ' s Farm. The u p p e r h a l f o f t h e f i g u r e i l l u s t r a t e s c l o s e c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n t h e r a d i a l a n d v o l u m e t r i c methods o f s t r a i n c a l c u l a t i o n . Thus t h e membrane i s o p e n i n g n e a r l y p e r f e c t l y a s a r i g h t c y l i n d e r i n t h i s t e s t i n d e n s e s a n d . B o t h d u r i n g i n f l a t i o n a n d d e f l a t i o n , t h e v o l u m e t r i c s t r a i n i s s l i g h t l y l a r g e r t h a n t h e r a d i a l s t r a i n . T h i s c a n i n d i c a t e one of two t h i n g s . F i r s t , t h e membrane may be o p e n i n g i n a s l i g h t ' h o u r g l a s s ' s h a p e , due p e r h a p s t o a s l i g h t l y d e n s e r l a y e r e x i s t i n g a r o u n d t h e c e n t e r o f t h e membrane. The o t h e r p o s s i b i l i t y i s a p r o b l e m w i t h t h e way i n w h i c h t h e s t r a i n i s m e a s u r e d . Due t o e q u i p m e n t l i m i t a t i o n s , o n l y two o f t h e t h r e e s t r a i n arms c o u l d be m o n i t o r e d , a n d t h e i r a v e r a g e s t r a i n v a l u e was u s e d t o c a l c u l a t e t h e t h e o r e t i c a l i n j e c t e d v o lume o f o i l . I f t h e arm t h a t was n o t m e a s u r e d b e h a v e d d i f f e r e n t l y f rom t h e o t h e r two, t h e n a s l i g h t i n a c c u r a c y i n c a l c u l a t i n g t h e t h e o r e t i c a l v o l u m e o f o i l i n j e c t e d i n t o t h e p r o b e c o u l d o c c u r . The l o w e r h a l f o f F i g u r e 5-10 shows a r e l a t i o n s h i p t h a t i s s l i g h t l y f o o t b a l l s h a p e d , b u t t o a much l e s s e r e x t e n t t h a n t h e t e s t s t h a t were p e r f o r m e d a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e . 59 S i t e : McDonalds Farm Date: January 14 / 1985 Depth: 5.0 meters Test: M2-5 Volumetric Strain (flV/V) —r-15 10 RADIAL STRAIN <X> 1 20 VOLUMETRIC STRAIN CX) ~r —r-30 RADIAL STRAIN (X) 1 2D VOLUMETRIC STRAIN (X) —r— 30 20 —I 40 - 1 40 FIGURE 5-10: R a d i a l a n d V o l u m e t r i c S t r a i n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s a t M c D o n a l d ' s Farm T e s t S i t e 60 A summary o f t h e r e s u l t s o f some of t h e t e s t s i n w h i c h b o t h t h e r a d i a l a n d v o l u m e t r i c s t r a i n s were m e a s u r e d i s p r o v i d e d i n F i g u r e 5-11. The m e a s u r e d i n j e c t e d v o l u m e i s t h e amount o f o i l a c t u a l l y pumped i n t o t h e membrane a s r e c o r d e d by t h e LVDT. The m e a s u r e d r a d i a l s t r a i n i s c a l c u l a t e d f r o m t h e a v e r a g e d i s p l a c e m e n t o f two of t h e HPM's t h r e e f e e l e r a r m s . The t h e o r e t i c a l v o l u m e c u r v e i s s i m p l y t h e volume r e q u i r e d f o r a p e r f e c t r i g h t c y l i n d e r e x p a n s i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r membrane ( l e n g t h 46 cm, i n i t i a l r a d i u s 37.5 mm). The l e g e n d i n F i g u r e 5-11 d i s p l a y s t h e s o i l t y p e , c o n e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e , t e s t name, and d e p t h f o r e a c h o f t h e t e s t s r e p r e s e n t e d . The t r e n d i s c l e a r l y shown t h a t t h e p r e s s u r e m e t e r o p e n s n e a r l y a s a r i g h t c y l i n d e r i n d e n s e s a n d s o r s t i f f c l a y s , a n d becomes more f o o t b a l l s h a p e d i n s o f t , o r g a n i c c l a y s . T h i s i s s u p p o r t e d by t h e work o f Suyama e t . a l . (1983) who c o n d u c t e d s t u d i e s u s i n g x - r a y images o f i m p l a n t e d l e a d b a l l s t o show t h a t t h e p r e s s u r e m e t e r membrane e x p a n d e d much l i k e a r i g h t c y l i n d e r i n c l e a n s a n d s . I t h a s a l s o been o b s e r v e d t h a t when t h e p r e s s u r e m e t e r i s i n f l a t e d i n a i r , t h a t t h e membrane h a s t h e shape o f a f o o t b a l l . T h e r e f o r e , t h e s t i f f e r t h e s o i l , t h e more l i k e l y t h a t t h e membrane w i l l e x p a n d a s a r i g h t c y l i n d e r . 5.9 E f f e c t o f S l o w C y c l i c T e s t i n g and P i l o t H o l e s Hughes a n d R o b e r t s o n , ( 1 9 84) and R o b e r t s o n (1982) have 61 MEASURED RADIAL STRAIN CZ> F I G U R E 5-11: R a d i a l S t r a i n v e r s u s M e a s u r e d I n j e c t e d V o l u m e f o r P r e s s u r e m e t e r T e s t s a t S e v e r a l T e s t S i t e s 62 c o n d u c t e d s l o w c y c l i c p r e s s u r e m e t e r t e s t s i n s a n d s i n an e f f o r t t o d e t e r m i n e t h e r e s i s t a n c e t o l i q u e f a c t i o n d u r i n g e a r t h q u a k e s . T h e i r m e thod e m p l o y e d a s t r e s s c o n t r o l l e d HPM. D u r i n g a t e s t , upon r e a c h i n g a p p r o x i m a t e l y 2% r a d i a l s t r a i n , 10 u n l o a d - r e l o a d t e s t s were p e r f o r m e d i n s u c c e s s i o n . The p r e s s u r e was i n c r e m e n t a l l y r a i s e d a n d l o w e r e d t o t h e same end p o i n t s 10 t i m e s . The c u m u l a t i v e s t r a i n d u r i n g t h e 10 c y c l e s was s u g g e s t e d a s a m e a s u r e o f t h e l i q u e f a c t i o n p o t e n t i a l o f t h e s a n d . E s s e n t i a l l y , t h e h i g h e r t h e c u m u l a t i v e s t r a i n a f t e r t h e 10 c y c l e s , t h e more l i k e l y t h a t l i q u e f a c t i o n w o u l d o c c u r d u r i n g an e a r t h q u a k e . One o f t h e p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i n r u n n i n g a s t r e s s c o n t r o l l e d t e s t was t h a t t h e amount o f s h e a r s t r a i n w h i c h o c c u r s i n e a c h c y c l e was n o t c o n t r o l l a b l e . T h i s makes t h e amount o f c u m u l a t i v e s h e a r s t r a i n s t r o n g l y d e p e n d e n t on t h e s t r e s s a m p l i t u d e o f t h e 10 c y c l e s . R o b e r t s o n ( 1 9 82) c o n c l u d e d t h a t r u n n i n g t h e same t y p e o f c y c l i c t e s t i n g may p r o v i d e more r e l i a b l e d a t a i f i t c o u l d be p e r f o r m e d i n a s t r a i n c o n t r o l l e d manner. U s i n g t h e s t r a i n c o n t r o l l e d f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r , s l o w c y c l i c t e s t s were p e r f o r m e d i n s a n d a t M c D o n a l d ' s Farm. The u p p e r h a l f o f F i g u r e 5-12 shows a t y p i c a l c y c l i c t e s t . The t e s t i s c a r r i e d o u t i n t h e f o l l o w i n g manner: i ) B e g i n a n o r m a l p r e s s u r e m e t e r t e s t a n d p r o c e e d t o b e t w e e n 2 a n d 3% r a d i a l s t r a i n a t t h e n o r m a l r a t e o f 0.5% p e r m i n u t e , i i ) S t o p and r e v e r s e a t 0.5% s t r a i n p e r m i n u t e f o r 63 Site: McDonalds Farm Date: January 25 / 1985 Depth: 5 meters Test: M3-5 First Cycle Third Cycle Fifth Cycle Ninth Cycle t Cumulative Pressure Reduction i V) 0 tn 0. UJ -T 5 u Site: McDonalds Farm Date: January 25 / 1985 Depth: 3,5,i 7 meters Tests: M3-3,5,l 7 and M4-3,5,l 7 NUMBER OF CYCLES FIGURE 5-12: E f f e c t o f 10 Slow S t r a i n - C o n t r o l l e d U n l o a d -R e l o a d C y c l e s i n Sand a t M c D o n a l d ' s Farm S i t e 64 0.2% r a d i a l s t r a i n (5 h a n d c r a n k r e v o l u t i o n s ) , i i i ) S t o p a n d r e t u r n f o r w a r d f o r 0.2% s t r a i n , i v ) R e p e a t f o r t h e d e s i r e d number o f c y c l e s , v ) P r o c e e d w i t h t h e r e m a i n d e r o f t h e t e s t a t t h e n o r m a l r a t e . N o t e t h a t s i n c e t h e t e s t i s c a r r i e d o u t i n a s t r a i n c o n t r o l l e d manner t h a t t h e r e i s no c u m u l a t i v e s t r a i n d u r i n g t h e c y c l i c t e s t . What d o e s o c c u r i s a p r o g r e s s i v e d r o p i n t h e p r e s s u r e d u r i n g t h e 10 c y c l e s . T h i s i s due t o t h e t e s t b e i n g s t r a i n c o n t r o l l e d whereby a h i g h e r m o d u l u s s o i l w i l l p r o d u c e a l a r g e r p r e s s u r e f l u c t u a t i o n f o r a g i v e n s t r a i n i n c r e m e n t . S e c t i o n 5.3 c o m p a r e d t e s t s i n s a n d f o r a s e l f - b o r e d and a f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r . The l i m i t e d e v i d e n c e a v a i l a b l e showed t h a t t h e i n s t a l l a t i o n t e c h n i q u e d i d n o t a d v e r s e l y a f f e c t t h e r e s u l t s . To p r o v i d e a n o t h e r c h e c k a s t o w h e t h e r i n s t a l l a t i o n d i s t u r b a n c e c o u l d a f f e c t p r e s s u r e m e t e r t e s t d a t a , two t e s t s o u n d i n g s were c o m p l e t e d a t M c D o n a l d ' s F a r m . One s o u n d i n g (M3) was t h e n o r m a l i n s t a l l a t i o n of t h e f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r and i n c l u d e d p e r f o r m i n g s l o w c y c l i c t e s t s a t 3.0, 5.0, a n d 7.0 m e t e r s d e p t h . The o t h e r t e s t h o l e (M4) was i d e n t i c a l t o M3 e x c e p t t h a t p r i o r t o t h e i n s t a l l a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r , a b l a n k s t e e l dummy co n e (20 cm 2) was p u s h e d t h e e n t i r e d e p t h o f t h e h o l e a n d w i t h d r a w n . The p r e s s u r e m e t e r (44 cm 2) was t h e n p u s h e d down t h e same h o l e . The l o w e r h a l f o f F i g u r e 5-12 shows t h e c u m u l a t i v e 65 p r e s s u r e r e d u c t i o n v e r s u s t h e number o f c y c l e s f o r t h e two h o l e s a t M c D o n a l d ' s F a r m . Two t r e n d s c a n be s e e n f r o m t h i s f i g u r e . F i r s t i t i s c l e a r t h a t b o t h t h e n o r m a l t e s t (no p i l o t h o l e ) a n d t h e t e s t i n w h i c h t h e dummy c o n e was p u s h e d f i r s t (20 cm 2 p i l o t h o l e ) i n d i c a t e t h a t t h e s a n d i s b e c o m i n g d e n s e r w i t h d e p t h . ( F i g u r e 4-7 p r o v i d e s a cone p r o f i l e o f M c D o n a l d ' s Farm.) I n a d d i t i o n , i t i s a p p a r e n t t h a t t h e p r i o r i n s e r t i o n o f t h e 20 cm 2 dummy con e h a s c a u s e d a cha n g e i n t h e p r o p e r t i e s o f t h e s a n d . A t e a c h d e p t h , t h e c y c l i c t e s t t h a t was p e r f o r m e d w i t h a 20 cm 2 p i l o t h o l e shows a l a r g e r c u m u l a t i v e p r e s s u r e d r o p t h a n t h e t e s t p e r f o r m e d w i t h o u t a p i l o t h o l e . T y p i c a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e s a t 5.0 m e t e r s d e p t h f r o m e a c h o f t h e h o l e s a t M c D o n a l d ' s Farm w h i c h i n v o l v e d p i l o t h o l e s a n d s l o w c y c l i c t e s t s a r e p r e s e n t e d i n t h e u p p e r h a l f o f F i g u r e 5-13. The r e d u c t i o n i n l i m i t p r e s s u r e f o r t h e t e s t w i t h 10 c y c l e s a n d a d d i t i o n a l l y f o r t h e t e s t w i t h a p i l o t h o l e , a s co m p a r e d t o t h e t e s t w h i c h had n e i t h e r , i s c l e a r l y i l l u s t r a t e d . The summary p l o t i n t h e l o w e r p o r t i o n o f F i g u r e 5-13 shows t h a t f o r t h e t h r e e t e s t s p e r f o r m e d b e l o w 3.0 m e t e r s d e p t h , t h e o r d e r o f l i m i t p r e s s u r e s i s c o n s i s t e n t . Above 3.0 m e t e r s i s a s i l t a nd c l a y zone i n w h i c h t h e s l o w c y c l i c t e s t r e s u l t s were n o t c o n s i d e r e d . S i n c e e a c h o f t h e t h r e e t y p e s o f t e s t s d e s c r i b e d above was p e r f o r m e d i n a s e p a r a t e h o l e a n d t h u s a d i f f e r e n t l o c a t i o n a t M c D o n a l d ' s Farm, a n d s i n c e t h e v a r i a t i o n i n l i m i t p r e s s u r e s b e t w e e n t h e t h r e e t y p e s o f t e s t i s so c o n s i s t e n t , t h e p o s s i b i l i t y o f t h e s o i l c o n d i t i o n s c h a n g i n g w i t h l o c a t i o n was 66 1000 RADIAL STRAIN (X) F I G U R E 5 - 1 3 10 i r LIFT OPT UKTT PRESSURE PRESSURE ND CYCLIC TESTING " NO PHOT HOLE 10 CYCLES NO PHOT HOLE 10 CYCLES 20 SQ.CM. PILOT HOLE 0 S 1( APPLIED PRESSURE CBATO 15 E f f e c t o f C y c l i c T e s t i n g a n d A P r e - P u s h e d P i l o t H o l e o n P r e s s u r e m e t e r C u r v e s i n S a n d a t M c D o n a l d ' s F a r m 67 i n v e s t i g a t e d . F i g u r e 4-6 p r e s e n t e d a s i t e p l a n s h o w i n g t h e l o c a t i o n o f t h e r e l e v a n t i n - s i t u t e s t i n g . The c o n e b e a r i n g p r o f i l e s f o r t h e t h r e e c o n e t e s t s p e r f o r m e d a t M c D o n a l d ' s Farm a r e p r e s e n t e d a s an o v e r l a y i n F i g u r e 5-14. A l t h o u g h t h e r e i s some d e g r e e o f v a r i a t i o n b e t w e e n t h e c o n e p r o f i l e s , no d i s t i n c t i v e t r e n d e m e r g e s t h a t w o u l d a c c o u n t f o r t h e d i f f e r e n c e i n l i m i t p r e s s u r e s s e e n i n t h e t h r e e s e r i e s o f p r e s s u r e m e t e r t e s t s . Thus i t a p p e a r s t h a t p e r f o r m i n g 10 s l o w c y c l i c u n l o a d - r e l o a d l o o p s o r p u s h i n g a s m a l l p i l o t h o l e i n f r o n t o f t h e p r e s s u r e m e t e r w i l l a f f e c t t h e shape o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e . 68 F I G U R E 5 - 1 4 : V a r i a t i o n i n C o n e B e a r i n g F o r T h r e e C o n e P r o f i l e s a t M c D o n a l d ' s F a r m 69 C h a p t e r 6 P r e d i c t i o n o f L a t e r a l P i l e C a p a c i t y 6.1 I n t r o d u c t i o n I n C h a p t e r 2 t h e v a r i o u s commonly u s e d methods o f d e s i g n i n g l a t e r a l l y l o a d e d p i l e i n s t a l l a t i o n s were b r i e f l y m e n t i o n e d . T h i s c h a p t e r p r o v i d e s d e t a i l s on how t o use t h e p r e s s u r e m e t e r t o d e r i v e P-y c u r v e s , a n d how t o u s e t h e p r o g r a m L A T P I L E . 6.2 C o n v e r t i n g P r e s s u r e m e t e r C u r v e s t o P-y C u r v e s The t h r e e f u n d a m e n t a l m e t h o d s of i n s t a l l i n g a p r e s s u r e m e t e r c o r r e s p o n d w i t h t h e t h r e e b a s i c i n s t a l l a t i o n t e c h n i q u e s f o r p i l e s : P r e s s u r e m e t e r P i l e i ) F u l l - D i s p l a c e m e n t D r i v e n D i s p l a c e m e n t i i ) S e l f - B o r e d D r i v e n N o n - D i s p l a c e m e n t i i i ) P r e - b o r e d H o l e C a s t - i n - P l a c e E a c h o f t h e a b o v e p r e s s u r e m e t e r t e c h n i q u e s c l o s e l y m o d e l s t h e i n - s i t u s o i l d i s t u r b a n c e w i t h t h a t o f t h e i n s t a l l a t i o n of t h e a p p r o p r i a t e p i l e t y p e . The s o i l d e f o r m a t i o n d u r i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t i s r a d i a l l y away f r o m t h e p r o b e . When l a t e r a l l y l o a d i n g a p i l e , t h e s o i l d i s p l a c e m e n t s a r e somewhat more c o m p l e x . F i g u r e 6-1 70 C o m p a r i s o n o f D i s p l a c e m e n t P a t t e r n s f o r L a t e r a l l y L o a d e d P i l e a n d a n I n f l a t e d P r e s s u r e m e t e r 71 i l l u s t r a t e s how t h e s o i l a t t h e f r o n t f a c e o f t h e p i l e w o u l d m o v e i n a m a n n e r s i m i l a r t o t h a t a r o u n d a p r e s s u r e m e t e r m e m b r a n e . T h e s i d e s o f t h e p i l e p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l a t e r a l l o a d i n g s h e a r a c r o s s t h e s o i l . T h e s o i l a t t h e r e a r o f t h e p i l e t e n d s t o m o v e r a d i a l l y i n t o w a r d s t h e c a v i t y b e h i n d t h e p i l e . T h u s a t e s t s u c h a s t h e p r e s s u r e m e t e r w h i c h e x p a n d s r a d i a l l y i n a l l d i r e c t i o n s c a n n o t e x a c t l y m o d e l t h e s o i l r e s p o n s e t o a l a t e r a l l y l o a d e d p i l e . S e v e r a l s c a l i n g a d j u s t m e n t s a r e r e q u i r e d t o c o n v e r t t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e t o t h e a p p r o p r i a t e P - y c u r v e . F i g u r e 6 - 2 s h o w s t h e d e v e l o p m e n t o f a P - y c u r v e f r o m a t y p i c a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e . N o t e t h a t o r i s t h e a p p l i e d m e m b r a n e p r e s s u r e , A R / R i s t h e r a d i a l s t r a i n , P i s t h e l a t e r a l l o a d p e r u n i t l e n g t h o f t h e p i l e , a n d y i s t h e a c t u a l d i s p l a c e m e n t o f t h e p i l e . T h e s t e p s i n v o l v e d i n c o n v e r t i n g a p r e s s u r e m e t e r c u r v e t o a P - y c u r v e a r e : i ) S h i f t t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e d o w n s o t h a t t h e l i f t o f f p o i n t i s a t t h e o r i g i n . W h e n a p i l e i s i n s t a l l e d p r i o r t o a l a t e r a l l o a d t e s t t h e v e c t o r s u m o f t h e l a t e r a l s o i l p r e s s u r e i s z e r o . B e f o r e t h e p i l e i s l a t e r a l l y l o a d e d , t h e i n i t i a l s o i l p r e s s u r e a c t s e q u a l l y o n t h e f r o n t a n d b a c k o f t h e p i l e . T h e s a m e i n i t i a l c o n d i t i o n s e x i s t o n a p r e s s u r e m e t e r a f t e r i n s t a l l a t i o n , p r o v i d e d t h a t t h e i n s t a l l a t i o n t e c h n i q u e i s s i m i l a r t o t h a t o f t h e p i l e . D u r i n g a t e s t , t h e m e m b r a n e o f t h e 7 2 D = Diameter of Pile P = Oj. x D FIGURE 6-2: D e v e l o p m e n t o f P i l e P-y C u r v e s From P r e s s u r e m e t e r C u r v e s ( A d a p t e d f r o m R o b e r t s o n e t . a l . , 1983) 73 p r e s s u r e m e t e r must e x p a n d r a d i a l l y a n d overcome t h e l a t e r a l s o i l p r e s s u r e . Thus t o a c c u r a t e l y m o d e l a p i l e , t h e l i f t - o f f p r e s s u r e must be s u b t r a c t e d f r o m t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e . The s h i f t e d p r e s s u r e m e t e r c u r v e must be a d j u s t e d by a s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r , a, t o r e f l e c t t h e d i f f e r e n c e i n f o r c e r e q u i r e d t o e x p a n d a p r e s s u r e m e t e r membrane o r t o d e f l e c t a p i l e l a t e r a l l y . As m e n t i o n e d i n S e c t i o n 5.6, t h e s h e a r s t r e n g t h o f a s o i l c a n be m e a s u r e d by t h e l i m i t - l i f t o f f p r e s s u r e . The l i m i t -l i f t o f f p r e s s u r e i s a p p r o x i m a t e l y 5 Cu, w h e r e a s t h e l a t e r a l c a p a c i t y o f a p i l e i n c o h e s i v e s o i l ( a t a d e e p e n o u g h d e p t h ) i s 9 Cu. Thus t h e s c a l i n g f a c t o r t o c o n v e r t a p r e s s u r e m e t e r c u r v e t o a P-y c u r v e i s 9/5 ( a p p r o x i m a t e l y 2) f o r c o h e s i v e s o i l s . B a s e d on t h e use o f p r e s s u r e m e t e r t e s t s , Hughes e t . a l . ( 1979) and R o b e r t s o n e t . a l . ( 1 9 8 3 ) s u g g e s t e d t h a t a s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r o f 2 f o r c l a y s and 1.5 f o r s a n d s was a p p r o p r i a t e . A t u k o r a l a and B y r n e ( 1 9 8 4 ) u s e d f i n i t e e l e m e n t s t o m o del a p r e s s u r e m e t e r e x p a n s i o n t e s t , a nd o b t a i n e d s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r s o f b e t w e e n 1.9 and 2.6 f o r c l a y , a n d f r o m 1.4 t o 1.7 f o r s a n d s . The v a l u e c h o s e n f r o m t h e r a n g e s g i v e n a b o v e , • 74 d e p e n d s on t h e l e v e l o f r a d i a l s t r a i n a t w h i c h t h e t e s t was p e r f o r m e d , i i i ) The l a s t s t e p i n c o n v e r t i n g a p r e s s u r e m e t e r c u r v e ( w h i c h h a s r a d i a l s t r e s s and r a d i a l s t r a i n a s a x e s ) i s t o s c a l e t h e u n i t s t o t h o s e of a P-y c u r v e ( w h i c h h a s a x e s o f f o r c e p e r u n i t l e n g t h of p i l e and p i l e d i s p l a c e m e n t ) . The v e r t i c a l a x i s i s a d j u s t e d s i m p l y by m u l t i p l y i n g by t h e p i l e d i a m e t e r , D (or x D = P) w h i l e t h e h o r i z o n t a l a x i s i s s i m p l y m u l t i p l i e d by t h e p i l e r a d i u s , Rp, (AR/R x Rp = y ) . Thus F i g u r e 6-2 shows how a c o m p l e t e p i l e P-y c u r v e h a s been o b t a i n e d f r o m one p r e s s u r e m e t e r t e s t . 6.3 E f f e c t o f F r e e S u r f a c e The d i s c u s s i o n i n S e c t i o n 6.2 r e g a r d i n g t h e a d j u s t m e n t s r e q u i r e d t o c o n v e r t a p r e s s u r e m e t e r c u r v e t o a P-y c u r v e a p p l i e s o n l y t o s o i l t h a t i s d e e p enough so a s n o t t o be i n f l u e n c e d by t h e e f f e c t o f a f r e e ( g r o u n d ) s u r f a c e . The f r e e s u r f a c e w i l l a l l o w v e r t i c a l movement o f t h e s o i l b o t h i n f r o n t a n d b e h i n d t h e f a c e s o f t h e p i l e . T h us p l a n e s t r a i n c o n d i t i o n s do n o t a p p l y . The f r e e s u r f a c e c a u s e s a r e d u c t i o n i n t h e l a t e r a l r e s i s t a n c e o f t h e s o i l . I n g e n e r a l , t h e l a t e r a l c a p a c i t y o f a homogenous s o i l w i l l i n c r e a s e w i t h d e p t h f r o m a f r e e s u r f a c e , r e a c h i n g i t s u l t i m a t e c a p a c i t y a t a p p r o x i m a t e l y 4 p i l e d i a m e t e r s d e p t h . 75 F i g u r e 6-3 shows t h e v a r i a t i o n o f t h e s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r , a, w i t h r e l a t i v e d e p t h ( d e p t h , z, a n d p i l e d i a m e t e r , B ) . The s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r i n c r e a s e s f r o m 0 a t t h e s u r f a c e t o 1.5 a t a d e p t h o f 4 p i l e d i a m e t e r s f o r c o h e s i o n l e s s s o i l , a n d i n c r e a s e s f r o m 0.67 t o 2.0 a t 4 p i l e d i a m e t e r s f o r c o h e s i v e s o i l s . The v a r i a t i o n i n s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r c h a r t p r e s e n t e d i n F i g u r e 6-3 i s a s y n t h e s i s o f t h e v a r i o u s c r i t i c a l d e p t h p l o t s f r o m many a u t h o r s c o m p i l e d by B r i a u d e t . a l . ( 1 9 8 3 a ) . Thus when a p r e s s u r e m e t e r c u r v e i s a b o v e t h e c r i t i c a l d e p t h o f f o u r p i l e d i a m e t e r s , t h e s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r t o c o n v e r t i t i n t o a P-y c u r v e w i l l be l e s s t h a n i t s u l t i m a t e v a l u e . When t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e i s b e l o w 4 p i l e d i a m e t e r s , t h e u l t i m a t e v a l u e s f o r t h e s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r s a r e u s e d . A s i m i l a r c r i t i c a l d e p t h f a c t o r must be c o n s i d e r e d when p e r f o r m i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t . B a g u e l i n e t . a l . ( 1 9 7 9 ) recommend r e d u c i n g t h e m o b i l i z e d r e s i s t a n c e o f t h e s o i l when t h e t e s t i s r u n w i t h t h e c e n t e r o f t h e membrane a t d e p t h s s h a l l o w e r t h a n 15 d i a m e t e r s f o r c o h e s i v e s o i l s , a n d 30 d i a m e t e r s f o r c o h e s i o n l e s s s o i l s . W i t h a 75 mm d i a m e t e r p r e s s u r e m e t e r t h e c r i t i c a l d e p t h s a r e 1.1 and 2.3 m e t e r s r e s p e c t i v e l y . I n t h i s s t u d y , t h e e f f e c t o f c o r r e c t i n g t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t s f o r a f r e e s u r f a c e was f o u n d t o be i n s i g n i f i c a n t and was n o t p e r f o r m e d . 76 77 6.4 P r o g r a m L A T P I L E The P-y c u r v e s d e v e l o p e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n s a r e u s e d a s i n p u t d a t a t o t h e c o m p u t e r p r o g r a m L A T P I L E . The o r i g i n a l p r o g r a m ( c a l l e d COM622) was d e v e l o p e d by Lymon Reese a t t h e U n i v e r s i t y o f T e x a s ( R e e s e , 1 9 7 7 ) . The p r o g r a m has been m o d i f i e d a t t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a t o be i n t e r a c t i v e , t o p l o t r e s u l t s g r a p h i c a l l y , a n d t o a c c e p t a x i a l l o a d i n g s d u r i n g l a t e r a l d e f l e c t i o n . L A T P I L E i s a f i n i t e - d i f f e r e n c e p r o g r a m u s i n g a d i s c r e t e number o f n o n - l i n e a r W i n k l e r s p r i n g s t o m o d e l t h e l a t e r a l r e s i s t a n c e o f t h e s o i l mass. The s t i f f n e s s o f e a c h s p r i n g i s d e p e n d e n t on w h i c h P-y c u r v e i s a s s i g n e d t o i t a n d i s a l s o p r o p o r t i o n a l t o d e f l e c t i o n . The p r o g r a m i s q u i t e f l e x i b l e i n t h a t i t a l l o w s c h a n g e s t o a number o f b o u n d a r y c o n d i t i o n s : l a t e r a l l o a d a t t h e t o p o f t h e p i l e , moment a p p l i e d t o p i l e , s l o p e o f t o p o f p i l e due t o end f i x i t y , p i l e d i a m e t e r , p i l e s t i f f n e s s , s p a c i n g o f s o i l s p r i n g s , a x i a l l o a d , a n d t h e v a l u e o f t h e P-y c u r v e s t h a t make up t h e s o i l mass. ( R e e s e a nd S u l l i v a n , 1980, p r o v i d e f u l l d e t a i l s on t h e n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n s i n L A T P I L E . ) The p r o c e d u r e f o r u s i n g L A T P I L E i s s t r a i g h t f o r w a r d . F i r s t m a t e r i a l p r o p e r t i e s must be d e c i d e d upon f o r t h e p i l e ( l e n g t h , d i a m e t e r , s t i f f n e s s , e t c . ) a nd f o r t h e s o i l ( P - y c u r v e s ) . Then t h e P-y c u r v e s a r e d i g i t i z e d a n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s s e t . L A T P I L E t h e n c a l c u l a t e s h o r i z o n t a l d e f l e c t i o n w i t h d e p t h f o r e a c h l o a d i n c r e m e n t d e s i r e d . I n a d d i t i o n , p l o t s f o r s o i l 78 m o d u l u s , b e n d i n g m o m e n t i n t h e p i l e , a n d o t h e r v a r i a b l e s c a n b e c h o s e n i f d e s i r e d . 79 C h a p t e r 7 L a t e r a l l y L o a d e d P i l e C a s e H i s t o r i e s 7.1 I n t r o d u c t i o n L a t e r a l l o a d t e s t i n g o f a l a r g e d i a m e t e r p i l e i s n o t a c o m m o n e n g i n e e r i n g t e s t . T h u s t h e n u m b e r o f m o n i t o r e d , l a t e r a l l o a d t e s t s i n w h i c h d e t a i l e d i n - s i t u t e s t i n g h a s a l s o b e e n p e r f o r m e d i s r e l a t i v e l y l i m i t e d . R o b e r t s o n e t . a l . (1983) a n a l y s e d t h e l a t e r a l l o a d d e f l e c t i o n r e s p o n s e o f f o u r s m a l l , s q u a r e , p r e c a s t c o n c r e t e p i l e s u s i n g a f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r . T h e r e s u l t s w e r e v e r y e n c o u r a g i n g , a n d p r e c i p i t a t e d t h i s s t u d y . T h e t h r e e c a s e h i s t o r i e s p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r h a v e a l l b e e n a n a l y s e d i n t h e s a m e m a n n e r : i ) C o n e p e n e t r o m e t e r t e s t i n g w a s p e r f o r m e d t o d e l i n e a t e t h e l o c a l s t r a t i g r a p h y , i i ) P r e s s u r e m e t e r t e s t s w e r e p e r f o r m e d i n t h e l a y e r s t h a t a p p e a r e d m o s t s i g n i f i c a n t , i i i ) P i l e p r o p e r t i e s a n d p r e s s u r e m e t e r c u r v e d a t a w a s f e d i n t o t h e p r o g r a m L A T P I L E a n d t h e l o a d - d e f o r m a t i o n r e s p o n s e w a s p r e d i c t e d . i v ) T h e p r e d i c t e d r e s p o n s e f r o m L A T P I L E w a s c o m p a r e d w i t h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e f r o m t h e f i e l d t e s t i n g . I t i s o f i n t e r e s t t o n o t e t h a t a l l o f t h e p r e d i c t i o n s o f 80 l a t e r a l l o a d b e h a v i o u r were made b e f o r e t h e m e a s u r e d b e h a v i o u r was o b t a i n e d . I n some c a s e s t h e a c t u a l f i e l d t e s t i n g may h a v e been p e r f o r m e d p r i o r t o t h e p r e d i c t i o n s b e i n g made, b u t t h e w r i t e r was n o t p r i v y t o t h e r e s u l t s u n t i l a l l of t h e p r e d i c t i o n s f r o m L A T P I L E h ad been made. No a l t e r a t i o n o r r e f i n e m e n t t o t h e i n i t i a l p r e d i c t i o n was made a f t e r c o m p a r i s o n t o t h e m e a s u r e d r e s u l t . 7.2 A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 7.2.1 I n t r o d u c t i o n The A n n a c i s Highway p r o j e c t n e a r V a n c o u v e r , B.C. i n v o l v e s t h e c o n s t r u c t i o n o f two b r i d g e s a c r o s s t h e F r a s e r R i v e r . The m a i n c a b l e - s t a y e d b r i d g e w i l l s p a n 465 m e t e r s a c r o s s t h e m a j o r r i v e r c h a n n e l . The l o w - l e v e l E a s t R i v e r b r i d g e w i l l r e s t on two p i e r s i n t h e A n n a c i s C h a n n e l o f t h e F r a s e r R i v e r . The f o u n d a t i o n s o i l s i n t h e a r e a a r e c o m p l e x m a r i n e d e l t a i c d e p o s i t s . S e c t i o n 4.4.3 d e s c r i b e d t h e s a n d , s e n s i t i v e o r g a n i c s i l t s , a n d s u r f i c i a l p e a t t h a t i s p r e s e n t a t t h e s i t e . S i n c e t h e b r i d g e p i e r s may be i m p a c t e d by b a r g e s o r o t h e r m a r i n e t r a f f i c , a s w e l l a s b e i n g r e q u i r e d t o w i t h s t a n d f u l l f l o o d w a t e r s , a f u l l - s c a l e l a t e r a l l o a d t e s t was deemed n e c e s s a r y . The B. C. M i n i s t r y o f T r a n s p o r t a t i o n a n d H i g h w a y s d r o v e a n d t e s t e d a 915 mm d i a m e t e r s t e e l p i p e p i l e w i t h a 19mm t h i c k w a l l . The p i l e was d r i v e n o p e n - e n d e d t o a t o t a l d e p t h o f 94 m e t e r s . The t e s t i n g s e q u e n c e was a s f o l l o w s : 81 762mm \ Reaction Piles V* 915mm T E S T P I L E Dial Gauges Reference Plate FIGURE 7-1: L a t e r a l L o a d T e s t i n g A p p a r a t u s a t A n n a c i s P i l e T e s t S i t e 82 i ) D r i v e p i l e t o 67 m e t e r s . i i ) W a i t t h r e e weeks. i i i ) A x i a l l o a d t e s t t o f a i l u r e . i v) D r i v e p i l e t o 78 m e t e r s . v) W a i t t h r e e weeks. v i ) A x i a l l o a d t e s t t o f a i l u r e . v i i ) D r i v e p i l e t o 94 m e t e r s . v i i i ) W a i t t h r e e weeks. i x ) A x i a l l o a d t e s t t o f a i l u r e . x) W a i t one week. x i ) L a t e r a l l y l o a d t e s t t o 150 mm d e f l e c t i o n . The r e s p o n s e o f t h e p i l e t o a x i a l l o a d i n g h a s been a n a l y s e d by R o b e r t s o n e t . a l . ( 1 9 8 5 ) . The r e s u l t s o f t h e l a t e r a l l o a d t e s t i n g a r e e x a m i n e d i n t h i s s e c t i o n . 7.2.2 T e s t P r o c e d u r e A s c h e m a t i c d r a w i n g o f t h e l a t e r a l l o a d t e s t i s p r o v i d e d i n F i g u r e 7-1. S t r u t s were b r a c e d a g a i n s t f i v e o f t h e a x i a l l o a d t e s t r e a c t i o n p i l e s , and t h e l a t e r a l l o a d was p r o v i d e d by a c a l i b r a t e d h y d r a u l i c j a c k o p e r a t i n g a t t h e g r o u n d s u r f a c e . The p i l e h e a d d e f l e c t i o n was m e a s u r e d by a p a i r o f d i a l g a u g e s a t t a c h e d t o a 300 mm s t e e l r e f e r e n c e beam. An i n t e r n a l I-beam s t i f f e n e r was u s e d t o p r e v e n t d e f o r m a t i o n o f t h e l o a d e d p i l e h e a d . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e n t i r e d e f l e c t e d s h a p e o f t h e p i l e , a s l o p e i n d i c a t o r c a s i n g was a t t a c h e d v i a w e l d e d s t e e l 83 — CM ro * to 10 N I- 1- 1- 1- 1- t -in » u> C/> {/> u> co Ul u hi liJ UJ Ul Ul r- t - t- t - I- i - t-i » i — i «=* 1=3 •—• (S-IB^OUI) Hid30 FIGURE 7-2: L o c a t i o n o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o Cone P e n e t r a t i o n P r o f i l e , a n d S o i l S p r i n g S t i f f n e s s a t A n n a c i s T e s t P i l e S i t e 84 U - b o l t s t o t h e i n s i d e o f t h e u p p e r 20 m e t e r s o f t h e p i l e . The l a t e r a l l o a d was a p p l i e d t o t h e p i l e i n i n c r e m e n t s o f a p p r o x i m a t e l y 100 kN. D u r i n g t h e l a t e r a l t e s t , e a c h l o a d i n c r e m e n t was h e l d l o n g e n o u g h t o r e a d t h e p i l e h e a d d e f l e c t i o n ( a s m e a s u r e d by t h e d i a l g a u g e s ) a n d t o r u n t h e s l o p e i n d i c a t o r down t h e c a s i n g t w i c e ( n o r m a l a n d r e v e r s e d d i r e c t i o n s ) . T h i s p r o c e d u r e t o o k a p p r o x i m a t e l y 15 t o 20 m i n u t e s f o r e a c h i n c r e m e n t . No c y c l e s o f u n l o a d i n g were p e r f o r m e d d u r i n g t h e l a t e r a l l o a d t e s t . The t e s t p i l e was i n t e n d e d t o model a p i l e t h a t w o u l d be i n s t a l l e d i n t h e n e a r b y A n n a c i s C h a n n e l . B o r i n g s i n t h e r i v e r c h a n n e l i n d i c a t e d t h a t t h e u p p e r 3 t o 5 m e t e r s c o n s i s t e d o f l o o s e s a n d . To a c c o u n t f o r t h i s i n t h e t e s t p i l e , t h e u p p e r 4 me t e r l a y e r o f r u b b l e a t t h e t e s t s i t e was e x c a v a t e d a n d r e p l a c e d w i t h a c l e a n , l o o s e s a n d . T h i s was done i n a t r e n c h 3 m e t e r s w i d e a n d 12 m e t e r s l o n g a r o u n d t h e t e s t p i l e , a n d a l s o a s i m i l a r t r e n c h was c o n s t r u c t e d f o r t h e a r e a i n w h i c h p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g was t o be p e r f o r m e d . The l o c a t i o n o f t h e s t r e s s c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t s w i t h r e s p e c t t o t h e c o n e b e a r i n g p r o f i l e f o r t h e u p p e r 20 m e t e r s i s shown i n F i g u r e 7-2. N o t e t h a t t h e c o n e t e s t was n o t p e r f o r m e d i n s i d e one o f t h e s a n d t r e n c h e s , a n d t h a t t h e f i r s t 4 m e t e r s were p r e - p u s h e d u s i n g a b l a n k s t e e l dummy c o n e . E x a m i n i n g t h e a c t u a l p r e s s u r e m e t e r c u r v e s f o r h o l e A2 ( i n A p p e n d i x C) shows t h a t T e s t s 4 a n d 8 a r e much s t i f f e r t h a n t h e o t h e r s due t o t h e p r e s e n c e o f s a n d l a y e r s . T e s t s 6 a n d 7 a r e somewhat s t i f f e r t h a n T e s t s 2, 3, a n d 5. T h i s c o r r e s p o n d s w e l l 85 l 5 E 0 1 1 1 r FIGURE 7-3: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.915 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s T e s t P i l e 86 FIGURE 7-4: M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1100 kN f o r 0.915 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s T e s t P i l e 87 w i t h t h e cone p r o f i l e i n F i g u r e 7-2 and p r o v i d e s c o n f i d e n c e i n t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t r e s u l t s . F i g u r e 7-2 a l s o shows a s c h e m a t i c v i e w o f t h e s t i f f n e s s and l o c a t i o n of t h e s o i l s p r i n g s u s e d a s d a t a i n p u t t o t h e p r o g r a m L A T P I L E . The s p r i n g s u s e d t o r e p r e s e n t t h e s o i l mass were s p a c e d a t one m e t e r i n t e r v a l s a l o n g t h e l e n g t h o f t h e p i l e . N o t e t h a t o n l y one p r e s s u r e m e t e r t e s t was p e r f o r m e d i n t h e l o o s e s a n d l a y e r a t t h r e e m e t e r s d e p t h . To more c o r r e c t l y m o d e l t h e sand b e h a v i o u r ( i n w h i c h l a t e r a l r e s i s t a n c e i n c r e a s e s w i t h d e p t h a s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 6.3) t h e u p p e r f o u r m e t e r s o f l o o s e s a n d were d i v i d e d i n t o f o u r one m e t e r l a y e r s , a n d ' t h e r e s u l t f r o m t h e one t e s t was s c a l e d l i n e a r l y f r o m 0 t o 4 m e t e r s . Thus t h e s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r s v a r i e d f r o m 1.5 f o r t h e s a n d b e l o w 16 m e t e r s d e p t h , t o 2.0 f o r t h e o r g a n i c s i l t y c l a y f r o m 4 t o 16 m e t e r s , a n d was s c a l e d down f r o m 1.0 a t f o u r m e t e r s d e p t h due t o t h e e f f e c t o f t h e f r e e s u r f a c e . 7.2.3 R e s u l t s The l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n c u r v e f o r t h e A n n a c i s T e s t P i l e u s i n g t h e s t r e s s c o n t r o l l e d f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t (A2) i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 7-3. The p r e d i c t e d d e f l e c t i o n i s 10 t o 20% l a r g e r t h a n t h e m e a s u r e d d e f l e c t i o n a t a l l l o a d l e v e l s . The d e f l e c t e d s h a p e o f t h e p i l e a t a l a t e r a l l o a d o f 1100 kN i s shown i n F i g u r e 7-4. The c r o s s o v e r p o i n t ( p o i n t o f z e r o p i l e d e f l e c t i o n ) i s p r e d i c t e d 88 t o be a t 9 m e t e r s , w h e r e a s i t a c t u a l l y o c c u r s a t 10 m e t e r s d e p t h . O v e r a l l , t h e p r e d i c t i o n s p r o v i d e d by L A T P I L E a g r e e w e l l w i t h t h e m e a s u r e d b e h a v i o u r . F i g u r e 7-4 shows t h a t t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n i s o v e r e s t i m a t e d n e a r t h e s u r f a c e and s l i g h t l y u n d e r e s t i m a t e d a t 8 m e t e r s d e p t h . B o t h of t h e s e a r e a s d e s e r v e f u r t h e r c o n s i d e r a t i o n . The p r e s s u r e m e t e r t e s t s t h a t were t h e b a s i s f o r t h e p r e d i c t i o n by L A T P I L E i n s o u n d i n g A2 were c o n d u c t e d e v e r y 2 m e t e r s , s t a r t i n g a t 3 m e t e r s d e p t h . The t e s t a t 9 m e t e r s was i n a s u b s t a n t i a l l y s t i f f e r , t h i n s a n d y l a y e r . D r i l l l o g s i n d i c a t e t h a t t h i s l a y e r i s n o t c o n t i n u o u s . I f i t was n o t p r e s e n t a r o u n d t h e t e s t p i l e , t h e n t h e u s e of t h e s t i f f 9 m e t e r s o i l s p r i n g w o u l d c a u s e a s l i g h t u n d e r p r e d i c t i o n i n t h e p i l e d e f l e c t i o n i n t h e a r e a n e a r 9 m e t e r s d e p t h . S i n c e t h e u p p e r 4 m e t e r s o f s a n d was l o o s e l y p l a c e d , i t was assumed t h a t t h e s t i f f n e s s w o u l d be p r o p o r t i o n a l t o d e p t h . Thus a l i n e a r s c a l i n g o f t h e s o i l s t i f f n e s s was u s e d . E x a m i n a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t A3 ( e i t h e r t h e raw d a t a i n A p p e n d i x C o r t h e summary p l o t o f F i g u r e 5-8) p r o v i d e s a more c o m p l e t e r e c o r d o f s o i l c o n d i t i o n s n e a r t h e s u r f a c e . I t i s c l e a r t h a t t h e u p p e r 2 m e t e r s o f l o o s e s a n d had become somewhat c o m p a c t e d due t o t h e p r e s e n c e of c o n s t r u c t i o n t r a f f i c . I t i s l i k e l y t h a t a s i m i l a r f o r m o f d e n s i f i c a t i o n o c c u r e d a r o u n d t h e t e s t p i l e . I f s t i f f e r s o i l s p r i n g s c o r r e s p o n d i n g t o t h e d e n s i f i e d s a n d b e t w e e n 0 and 2 m e t e r s had been u s e d , t h e n t h e d e f l e c t i o n p r e d i c t e d a t t h e t o p o f t h e p i l e w o u l d h a v e been r e d u c e d . Thus i f b o t h t h e s t i f f sandy 89 l a y e r had been e l i m i n a t e d , and t h e s t i f f e r s p r i n g s a t t h e s u r f a c e i n s e r t e d , t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n c o u l d be e x p e c t e d t o more c l o s e l y r e s e m b l e t h e m e a s u r e d shape o f t h e p i l e . 7.3 A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 7.3.1 I n t r o d u c t i o n The m a i n span o f t h e A n n a c i s Throughway p r o j e c t a t 465 m e t e r s w i l l be t h e l o n g e s t c a b l e - s t a y e d b r i d g e i n t h e w o r l d . C o n s t r u c t i o n o f t h e m a i n s p a n w i l l p r o c e e d i n c r e m e n t a l l y o u t w a r d s f r o m t h e two m a i n t o w e r s . U n t i l t h e deckway i s j o i n e d t o t h e a p p r o a c h s t r u c t u r e and t o t h e o t h e r d e c k s e c t i o n i n t h e c e n t e r of t h e s p a n , l a t e r a l s u p p o r t t o p r e v e n t t o r s i o n on t h e m ain p i e r s i n t h e e v e n t o f a s t o r m w i l l be p r o v i d e d by two p a i r s of t i e - d o w n c a b l e s . The c a b l e s w i l l e x t e n d f r o m t h e b r i d g e d e c k t o p i l e d a n c h o r b l o c k s on e i t h e r s i d e o f t h e b r i d g e c e n t e r l i n e ( s e e F i g u r e 4 - 1 2 ) . The w o r k i n g c a p a c i t y of e a c h p i l e d a n c h o r b l o c k i s t o be 3025 kN a n g l e d upwards t o w a r d s t h e b r i d g e d e c k ( t e n s i o n l o a d i n g ) a t 57° t o t h e h o r i z o n t a l . I n o r d e r t o p r o v e t h e c a p a c i t y o f t h e p r o p o s e d p i l e a n c h o r s , b o t h an a x i a l t e n s i o n and a l a t e r a l l o a d t e s t were p e r f o r m e d . The c o n t r a c t o r , F r a n k i ( C anada) L t d . c o m p l e t e d t h e t e s t i n g u n d e r t h e s u p e r v i s i o n o f g e o t e c h n i c a l c o n s u l t a n t s , M a c l e o d G e o t e c h n i c a l L t d . 90 7.3.2 T e s t P r o c e d u r e A s c h e m a t i c v i e w o f t h e l a t e r a l l o a d t e s t c o n f i g u r a t i o n was p r o v i d e d i n t h e i n s e t o f F i g u r e 4-12. The p i l e s u s e d a r e 18 m e t e r l o n g s t e e l p i p e p i l e s 0.324 m e t e r s i n d i a m e t e r . The up p e r 3 m e t e r s have a w a l l t h i c k n e s s o f 7.9 mm, and t h e r e m a i n d e r i s 6.9 mm t h i c k . They were d r i v e n o p e n - e n d e d . T h r e e of t h e f o u r t e s t p i l e s h a d a r i g i d s t e e l beam w e l d e d a c r o s s t h e i r t o p s . A c a l i b r a t e d h y d r a u l i c j a c k was p l a c e d b e t w e e n t h e f l a t end o f t h e s t e e l beam a n d a w e l d e d p l a t e on t h e o t h e r f r e e - h e a d e d t e s t p i l e a p p r o x i m a t e l y 600 mm a b o v e t h e g r o u n d s u r f a c e . Thus t h e t e s t c o n s i s t e d o f j a c k i n g an i n - l i n e g r o u p o f t h r e e f i x e d - h e a d p i l e s a g a i n s t a s i n g l e f r e e - h e a d p i l e . The l a t e r a l d e f l e c t i o n s o f b o t h t h e r e a c t i o n p i l e s and t h e t e s t p i l e were m e a s u r e d w i t h d i a l g a u g e s a t t a c h e d t o two r e f e r e n c e beams a n c h o r e d c l e a r o f t h e t e s t a r e a . N o t e t h a t one u n u s u a l a s p e c t o f t h i s t e s t i s t h a t a l l f o u r o f t h e p i l e s were d r i v e n a t an a n g l e o f 1 h o r i z o n t a l t o 3 v e r t i c a l . The l o a d i n c r e m e n t s a p p l i e d were a p p r o x i m a t e l y 50 kN. No c y c l e s o f u n l o a d i n g were p e r f o r m e d ( e x c e p t a f t e r t h e i n i t i a l l o a d t e s t was c o m p l e t e d ) . The d e f l e c t e d shape o f t h e p i l e w i t h d e p t h was n o t m e a s u r e d i n t h i s t e s t . A p p r o x i m a t e l y 5 m e t e r s f r o m t h e l a t e r a l t e s t a r e a a f r i c t i o n p i e z o m e t e r c o n e s o u n d i n g a n d two f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t h o l e s were c o m p l e t e d u s i n g t h e U.B.C. G e o t e c h n i c a l R e s e a r c h V e h i c l e . The l o c a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t s w i t h r e s p e c t t o t h e c o n e b e a r i n g p r o f i l e 91 X o ^ ( S j a ^ B u i ) Hld3Q F I G U R E 7-5: L o c a t i o n o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o C o n e P e n e t r a t i o n P r o f i l e , a n d S o i l S p r i n g S t i f f n e s s a t A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 92 i n t h e u p p e r 10 m e t e r s i s shown i n F i g u r e 7-5. E x a m i n i n g t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e s i n A p p e n d i x D shows t h a t T e s t s 2 and 3 i n t h e d e n s e s a n d a r e s i g n i f i c a n t l y s t i f f e r t h a n t h e o t h e r t e s t s , and t h a t T e s t 4 i s i n v e r y s o f t m a t e r i a l . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h t h e c o n e b e a r i n g p r o f i l e , a n d a g a i n a d d s c o n f i d e n c e t o t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t r e s u l t s . F i g u r e 7-5 a l s o p r e s e n t s a s c h e m a t i c v i e w o f t h e s o i l s p r i n g s u s e d a s d a t a i n p u t t o L A T P I L E . The s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r i s r e d u c e d t o a c c o u n t f o r f r e e s u r f a c e e f f e c t s t o a d e p t h o f 1.5 m e t e r s ( a p p r o x i m a t e l y 4 p i l e d i a m e t e r s ) . T e s t 4 a t 3.0 m e t e r s was i n an o r g a n i c s i l t a n d t h u s had a s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r o f 2.0. I n h i n d s i g h t , s i n c e T e s t 5 was i n a s a n d , a s o i l m u l t i p l i c a t i o n f a c t o r o f 1.5 s h o u l d h a v e been u s e d . By m i s t a k e a f a c t o r o f 2.0 was e n t e r e d . S i n c e i t i s a r e l a t i v e l y s m a l l c h a n g e , a nd o c c u r s a t a s i g n i f i c a n t d e p t h , i t i s e x p e c t e d t h a t c h a n g i n g t h i s v a l u e w o u l d h a v e a v e r y m i n i m a l e f f e c t on t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n o f t h e p i l e . B o t h s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r t e s t s , a s w e l l a s one c o n e p e n e t r a t i o n t e s t , were p e r f o r m e d a t t h e A n n a c i s N o r t h P i e r s i t e . Due t o t h e h i g h b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e d e n s e s a n d b e t w e e n 0 and 2.5 m e t e r s d e p t h , f o r t h e s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t ( N l ) , t h e p r e s s u r e m e t e r was p u s h e d down t h e same (10 cm 2) h o l e u s e d f o r t h e c o n e s o u n d i n g . The s t r e s s c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r h o l e was f o r c e d t h r o u g h t h e d e n s e s a n d l a y e r w i t h some d i f f i c u l t y w i t h o u t p u s h i n g a p i l o t h o l e . E x a m i n a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e s i n A p p e n d i x D shows t h a t t h e two s e r i e s o f t e s t s p r o v i d e v e r y s i m i l a r r e s u l t s . 93 300-250-200-z o < o < K Ul t-< -I 150-100-50-Theoretical onset of yielding of steel pipe pile LEGEND Measured Pile Deflection Predicted Deflection (Stress Controlled Tests) Predicted Deflection (Strain Controlled Tests) —r-10 —r-20 —T-30 50 -r— 60 —T~ 70 — r -eo - r-90 40 100 LATERAL DISPLACEMENT CmnO FIGURE 7-6: M e a s u r e d a nd P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.324 m D i a m e t e r F r e e - H e a d A n n a c i s N o r t h P i e r P i l e 94 3QO_ 1 1 r 0 5 10 15 20 LATERAL DISPLACEMENT Oam) FIGURE 7-7: M e a s u r e d a nd P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r an I n - L i n e G r o u p o f T h r e e 0.324 m D i a m e t e r F r e e - H e a d P i l e s a t A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e 95 7.3.3 R e s u l t s The m e a s u r e d a nd p r e d i c t e d l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n c u r v e s f o r t h e 0.324 m e t e r d i a m e t e r f r e e - h e a d p i l e a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 7-6. The d e f l e c t i o n s c o r r e s p o n d i n g t o b o t h t h e s t r e s s and s t r a i n c o n t r o l l e d p r e s s u r e m e t e r c u r v e s a r e shown. The p r e d i c t e d d e f l e c t i o n s a r e somewhat c o n s e r v a t i v e b u t w o u l d p r o v i d e a r e a s o n a b l e w o r k i n g p r e d i c t i o n o f t h e p i l e d e f l e c t i o n up t o t h e p o i n t where t h e s t e e l o f t h e p i l e y i e l d s . A p p e n d i x G c o n t a i n s t h e c a l c u l a t i o n s f o r t h e y i e l d p o i n t o f t h e s t e e l p i l e i n b e n d i n g . To a c c o u n t f o r t h e t e s t p i l e h a v i n g been d r i v e n a t a 3:1 a n g l e , a c o r r e c t i o n w h i c h r e d u c e s t h e l o a d a p p l i e d t o t h e p i l e h a s been u t i l i z e d f o l l o w i n g t h e method o f S c h m i d t ( 1 9 7 7 ) . The c a l c u l a t i o n o f t h i s r e q u i r e d a d j u s t m e n t i s p r e s e n t e d i n A p p e n d i x H. The c o r r e c t i o n has been i n c o r p o r a t e d i n t o F i g u r e 7-6, a s w e l l a s t h e a p p r o p r i a t e o t h e r l o a d d e f l e c t i o n d i a g r a m s i n t h i s s e c t i o n . F i g u r e 7-7 shows t h e m e a s u r e d a n d p r e d i c t e d l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n c u r v e s f o r t h e f i x e d - h e a d i n - l i n e g r o u p o f 0.324 m e t e r d i a m e t e r r e a c t i o n p i l e s . I n a d d i t i o n t o S c h m i d t ' s ( 1 9 77) c o r r e c t i o n f o r t h e p i l e s b e i n g d r i v e n a t an a n g l e , t h e g r o u p e f f e c t due t o t h e t h r e e p i l e s b e i n g i n - l i n e must be a c c o u n t e d f o r . A p p e n d i x I d e t a i l s P o u l o s a n d D a v i s ' ( 1 9 8 0 ) method f o r p r e d i c t i n g t h e g r o u p e f f e c t f r o m l a t e r a l l y l o a d i n g t h r e e i n -l i n e p i l e s . The r e s u l t i s t h a t t h e d e f l e c t i o n o f t h e g r o u p w i l l be 50% l a r g e r due t o t h e g r o u p e f f e c t , t h a n w o u l d o c c u r 96 f o r t h r e e i n d e p e n d e n t p i l e s . Thus t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n s f r o m L A T P I L E have been m u l t i p l i e d by a f a c t o r of 1.5. The p r e d i c t e d r e s u l t s a r e somewhat c o n s e r v a t i v e a g a i n , b u t w o u l d p r o v i d e a r e a s o n a b l e w o r k i n g p r e d i c t i o n f o r t h e l o a d -d e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p i l e . 7.4 C a l g a r y O l y m p i c O v a l S i t e 7.4.1 I n t r o d u c t i o n The C a l g a r y O l y m p i c O v a l i s l o c a t e d on t h e g r o u n d s o f t h e U n i v e r s i t y o f C a l g a r y . I t w i l l h o u s e t h e s p e e d s k a t i n g e v e n t s d u r i n g t h e 1988 W i n t e r O l y m p i c s , a n d be u s e d a s a m u l t i p u r p o s e s p o r t s f a c i l i t y s u b s e q u e n t l y . The r o o f i s s u p p o r t e d by l o n g s h a l l o w a r c h e s w h i c h i n t e r s e c t t h e g r o u n d a t a 45° a n g l e . The e n d s o f t h e a r c h e s a r e t o be r e s t r a i n e d f r o m l a t e r a l movement by v e r t i c a l c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e p i l e g r o u p s . A l a r g e c omponent o f l a t e r a l l o a d (up t o 7500 kN) must be r e s i s t e d by e a c h p i l e g r o u p . G o l d e r A s s o c i a t e s o f C a l g a r y were r e t a i n e d a s t h e g e o t e c h n i c a l c o n s u l t a n t s f o r t h e p r o j e c t . They p r o p o s e d a c o m p r e h e n s i v e l a t e r a l l o a d t e s t i n g p r o g r a m t o v e r i f y t h e c a p a c i t y o f t h e p r o p o s e d p i l e g r o u p s , a s w e l l a s t o p r o v i d e s e v e r a l a l t e r n a t i v e s f o r p i l e d e s i g n . The i n v e s t i g a t i o n p r o g r a m c o n s i s t e d o f i n s t a l l i n g 5 c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e p i l e s (2 a t 0.9 m e t e r s d i a m e t e r , 1 a t 1.2 m e t e r s , and 2 a t 1.5 m e t e r s ) a n d p e r f o r m i n g a t o t a l o f 5 l a t e r a l l o a d t e s t s . T h i s 97 a l l o w e d measurement o f . b o t h t h e f r e e a n d f i x e d - h e a d l o a d d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f a l l 5 p i l e s . F i g u r e 4-14 p r o v i d e d a p l a n o f t h e t e s t a r r a n g e m e n t , p i l e c a p c o n s t r u c t i o n o r d e r , a n d s e q u e n c e o f l a t e r a l l o a d t e s t i n g . The p i l e c o n s t r u c t i o n a n d t e s t i n g p r o c e d u r e was c a r r i e d o u t w i t h i n a t e s t p i t 3.7 m e t e r s d e e p . T h i s p u t t h e t e s t p i l e s a t t h e same e l e v a t i o n a s t h e f o u n d a t i o n s f o r t h e O l y m p i c O v a l were i n t e n d e d t o be. The p i l e s were a l l 15 m e t e r s l o n g , h a d a b e l l e d b e a r i n g e n d , and had s t e e l e q u a l t o 1.25% o f c r o s s -s e c t i o n a l a r e a . S l o p e i n d i c a t o r c a s i n g was c a s t up t h e c e n t e r t o t h e f u l l d e p t h o f e a c h o f t h e t e s t e d p i l e s . The c a l c u l a t i o n f o r p i l e s t i f f n e s s f o r b o t h c r a c k e d a n d u n c r a c k e d s e c t i o n s ( f o l l o w i n g Code f o r t h e D e s i g n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s o f B u i l d i n g s CAN3-A22.3-M77) i s p r e s e n t e d i n A p p e n d i x J . 7.4.2 T e s t P r o c e d u r e s The p i l e s were a l l l a t e r a l l y l o a d e d u s i n g a 90 MN c a p a c i t y c a l i b r a t e d h y d r a u l i c j a c k . The b e a r i n g s u r f a c e s were 25 mm t h i c k s t e e l p l a t e s c a s t i n t o a s m a l l j a c k i n g c a p 600 mm a b o v e g r o u n d l e v e l f o r e a c h o f t h e f r e e - h e a d p i l e s . A s i m i l a r a r r a n g e m e n t was u s e d f o r t h e f i x e d - h e a d p i l e s u s i n g a s t e e l p l a t e c a s t i n t o t h e edge o f t h e 2.5 m e t e r t h i c k , h e a v i l y r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e c a p s . M e a s u r e m e n t o f t h e d e f l e c t i o n was p r o v i d e d by f o u r d i a l g a u ges f o r e a c h p i l e o r g r o u p . The p i l e t e s t i n g was p e r f o r m e d u s i n g t h e f o l l o w i n g p r o c e d u r e : 98 i ) L o a d t o 50% of l a t e r a l d e s i g n l o a d i n i n c r e m e n t s o f 10%. i i ) R e d u c e t h e l o a d t o z e r o , i i i ) L o a d t o 100% d e s i g n l o a d i n 10 - 20% i n c r e m e n t s . i v ) R e d u c e t h e l o a d t o z e r o , v) L o a d p a s t t h e d e s i g n l a t e r a l l o a d i n i n c r e m e n t s o f 20 - 30% u n t i l 20 - 30 mm d e f l e c t i o n . v i ) R e d u c e t h e l o a d t o z e r o . End of t e s t . On a number o f t e s t s , t h e l a t e r a l l o a d was h e l d c o n s t a n t a t a c e r t a i n v a l u e f o r a s p e c i f i e d t i m e p e r i o d . T h i s was d e s i g n e d t o a s s e s s t h e c r e e p t h a t w o u l d t a k e p l a c e i n t h e s o i l d u r i n g p r o l o n g e d l a t e r a l l o a d i n g . S i n c e t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t i s o f s h o r t d u r a t i o n , t h e c r e e p w h i c h o c c u r r e d d u r i n g t h e h o l d i n g p o r t i o n s o f t h e s e t e s t s has been s u b t r a c t e d o u t f r o m t h e m e a s u r e d d a t a p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n . The g e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o n t o p r e d i c t t h e l a t e r a l d e f l e c t i o n o f t h e p i l e s c o n s i s t e d o f one f r i c t i o n p i e z o m e t e r c o n e p e n e t r a t i o n t e s t , and one s t r e s s c o n t r o l l e d s e l f - b o r e d p r e s s u r e m e t e r s o u n d i n g . The c o n e and p r e s s u r e m e t e r t e s t s were b o t h p e r f o r m e d by W e s t e r n G e o s y s t e m s of V a n c o u v e r . B o t h t e s t s were p e r f o r m e d w i t h i n t h e 3.7 m e t e r d e e p t e s t e x c a v a t i o n . The r e s u l t s o f t h e c o n e p e n e t r a t i o n t e s t were p r e s e n t e d i n F i g u r e 4-15, and t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e s a r e i n A p p e n d i x E. The i n s t a l l a t i o n o f t h e c o n c r e t e p i l e s i n v o l v e d t h e b o r i n g o f a 99 1 8 m CO FIGURE 7-8: L o c a t i o n o f P r e s s u r e m e t e r T e s t s R e l a t i v e t o Cone P e n e t r o m e t e r P r o f i l e , a n d S o i l S p r i n g S t i f f n e s s f o r 0.9 m D i a m e t e r C a l g a r y P i l e 100 1000-800-600-z x a < o _ i - i < OC UJ 400-200- LEGEND -Measured Pile Deflection -Predicted Deflection (Uncracked Pile Section) -Predicted Deflection (Cracked Pile Section) - T " 10 —r-15 —r-20 — i — 25 30 LATERAL DISPLACEMENT Cmm) FIGURE 7-9: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 0.9 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 101 h o l e 2 t o 4 m e t e r s b e l o w t h e w a t e r t a b l e and v i b r a t i n g a c a s i n g t o 14 m e t e r s d e p t h . The s o i l was t h e n e x c a v a t e d and t h e b a s e o f t h e p i l e was b e l l e d t o 15 m e t e r s d e p t h . The r e i n f o r c i n g c a g e w i t h s l o p e i n d i c a t o r a t t a c h e d was l o w e r e d i n t o t h e c a s i n g . C o n c r e t e was p o u r e d i n t o t h e c a s i n g a s i t was e x t r a c t e d t o f o r m t h e p i l e . N o t e t h a t t h i s i s v e r y s i m i l a r t o t h e i n s t a l l a t i o n method o f t h e s e l f - b o r e d p r e s s u r e m e t e r . Thus t h e s e l f - b o r i n g p r e s s u r e m e t e r was s e l e c t e d a s t h e most r e p r e s e n t a t i v e o f t h i s m ethod o f p i l e f o r m i n g . F i g u r e 7-8 shows a s c h e m a t i c v i e w o f t h e s t i f f n e s s a nd s o i l s p r i n g d a t a u s e d a s i n p u t t o L A T P I L E . O n l y t h e d a t a f o r t h e 0.9 m e t e r d i a m e t e r p i l e i s shown i n F i g u r e 7-8. The i n p u t d a t a f o r t h e l a r g e r d i a m e t e r p i l e s i s i d e n t i c a l t o t h a t i n F i g u r e 7-8 e x c e p t t h e i n f l u e n c e o f t h e f r e e s u r f a c e e x t e n d s t o a s l i g h t l y g r e a t e r d e p t h . 7.4.3 R e s u l t s The m e a s u r e d and p r e d i c t e d l a t e r a l l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n c u r v e s f o r t h e f r e e - h e a d 0.9 m e t e r d i a m e t e r p i l e t e s t i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 7-9. F o r t h e t e s t s i n w h i c h two i d e n t i c a l p i l e s a r e j a c k e d a p a r t , t h e a v e r a g e d e f l e c t i o n o f t h e two p i l e s h a s b e e n p l o t t e d . The p r e d i c t e d d e f l e c t i o n s a r e a g a i n somewhat c o n s e r v a t i v e . N o t e t h a t s i n c e t h e p i l e s t i f f n e s s c a l c u l a t e d u s i n g t h e c r a c k e d s e c t i o n i s l o w e r t h a n t h e u n c r a c k e d s t i f f n e s s , t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n u s i n g t h e c r a c k e d s e c t i o n w i l l a l w a y s be l a r g e r t h a n t h a t o f t h e 102 LATERAL DEFLECTION CmnO 15-LEGEND — M e a s u r e d P i l e D e f l e c t i o n — P r e d i c t e d D e f l e c t i o n ( U n c r a c k e d P i l e S e c t i o n ) — P r e d i c t e d D e f l e c t i o n ( C r a c k e d P i l e S e c t i o n ) 20-« 1 1 1 1 L FIGURE 7-10: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 848 kN f o r 0.9 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 1 03 2000 / / r ' / / LEGEND Measured Pile Deflection Predicted Deflection (Uncracked Pile Section) Predicted Deflection (Cracked Pile Section) -1 30 LATERAL DISPLACEMENT Cmm> I 40 50 F I G U R E 7 - 1 1 : M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 1 . 2 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 1 04 LATERAL DEFLECTION C mm > a. • LEGEND M e a s u r e d P i l e D e f l e c t i o n P r e d i c t e d D e f l e c t i o n ( U n c r a c k e d P i l e S e c t i o n ) P r e d i c t e d D e f l e c t i o n ( C r a c k e d P i l e S e c t i o n ) FIGURE 7-12: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1430 kN f o r 1.2 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 105 2500 LATERAL DISPLACEMENT Cmmi FIGURE 7-13: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r 1.5 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 1 06 LATERAL DEFLECTION (mm) 0. hi a LEGEND Measured Pile Deflection Predicted Deflection (Uncracked Pile Section) Predicted Deflection (Cracked Pile Section) FIGURE 7-14: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d of 1696 kN f o r 1.5 m D i a m e t e r F r e e - H e a d C a l g a r y P i l e 1 07 u n c r a c k e d s e c t i o n . The d e f l e c t e d s h a p e v e r s u s d e p t h f o r t h e 0.9 m e t e r p i l e a t a l a t e r a l l o a d o f 848 kN i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 7-10. A g a i n , i n c a s e s w h e r e two i d e n t i c a l p i l e s h a v e b e e n j a c k e d a p a r t , t h e s l o p e i n d i c a t o r r e a d i n g s h a v e been a v e r a g e d f o r t h e two p i l e s . The c r a c k e d p i l e s e c t i o n p r o d u c e s a p i l e d e f l e c t i o n w i t h d e p t h s h a p e t h a t i s s l i g h t l y more s h a r p l y d e f l e c t e d t h a n t h a t o f t h e u n c r a c k e d p i l e s e c t i o n . B o t h o f t h e p r e d i c t e d s h a p e s c o r r e s p o n d v e r y c l o s e l y w i t h t h e m e a s u r e d r e s u l t . T h i s i n d i c a t e s t h a t L A T P I L E w i t h t h e a p p r o p r i a t e P-y c u r v e s i s c o r r e c t l y c a l c u l a t i n g t h e d i s p l a c e m e n t s o v e r t h e e n t i r e d e p t h o f t h e p i l e a n d n o t j u s t a t t h e s u r f a c e . The m e a s u r e d a n d p r e d i c t e d l a t e r a l l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n a t t h e g r o u n d s u r f a c e , a s w e l l a s t h e m e a s u r e d and p r e d i c t e d l a t e r a l p i l e d e f l e c t i o n w i t h d e p t h c u r v e s f o r t h e 1.2 m e t e r d i a m e t e r p i l e a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 7-11 and 7-12. The same i n f o r m a t i o n f o r t h e 1.5 m e t e r d i a m e t e r p i l e s i s shown i n F i g u r e s 7-13 a n d 7-14. A l l o f t h e p r e d i c t e d l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n b e h a v i o u r i s somewhat c o n s e r v a t i v e e x c e p t t h e 1.5 m e t e r p i l e s a t t h e h i g h e r l o a d l e v e l s . The G o l d e r A s s o c i a t e s r e p o r t on t h e p i l e t e s t p r o g r a m n o t e d t h a t c o n s t r u c t i o n p r o b l e m s o c c u r r e d d u r i n g i n s t a l l a t i o n o f one o f t h e 1.5 m e t e r d i a m e t e r p i l e s . T h i s n e c e s s i t a t e d r e m o v a l o f t h e p a r t i a l l y i n s t a l l e d p i l e , b a c k f i l l i n g o f t h e i n c o m p l e t e h o l e , a n d r e b o r i n g a new h o l e . C o n s i d e r a b l e s o i l d i s t u r b a n c e was u n a v o i d a b l e . Thus t h e m e a s u r e d l a t e r a l d e f l e c t i o n o f t h e 1.5 m e t e r p i l e c a n be 108 1000 0 5 10 15 20 25 30 LATERAL DISPLACEMENT CnrnO FIGURE 7-15: M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r I n - L i n e G r o u p o f Two 0 . 9 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e s 109 LATERAL DEFLECTION < mm ) 0. Ul a FIGURE 7-16; M e a s u r e d a nd P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 848 kN f o r 0.9 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e 1 10 F I G U R E 7 - 1 7 : M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L a t e r a l L o a d v e r s u s D e f l e c t i o n a t G r o u n d S u r f a c e f o r I n - L i n e G r o u p o f T w o 1 . 5 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e s 1 1 1 LATERAL DEFLECTION < mm > 0. UJ a FIGURE 7-18: M e a s u r e d and P r e d i c t e d L a t e r a l P i l e D e f l e c t i o n v e r s u s D e p t h a t a L a t e r a l L o a d o f 1696 kN f o r 1.5 m D i a m e t e r F i x e d - H e a d C a l g a r y P i l e 1 1 2 a n t i c i p a t e d t o be somewhat g r e a t e r t h a n w o u l d o t h e r w i s e be e x p e c t e d . Hence t h e s l i g h t u n d e r p r e d i c t i o n o f p i l e d e f l e c t i o n by L A T P I L E i n F i g u r e 7-13 may be a r e s u l t o f t h e c o n s t r u c t i o n d i f f i c u l t i e s . A s e r i e s o f f i x e d - h e a d t e s t s were a l s o p e r f o r m e d a t t h e C a l g a r y s i t e . E i t h e r two o r t h r e e p i l e s were c a s t i n a c o n c r e t e p i l e c a p w h i c h r e s t r a i n e d t h e s l o p e o f t h e p i l e h e a d s a t t h e g r o u n d s u r f a c e . The e f f e c t o f an i n - l i n e g r o u p of p i l e s must be c o n s i d e r e d . F o l l o w i n g t h e method of P o u l o s and D a v i s , ( 1 9 8 0 , A p p e n d i x I ) a l l o f t h e f i x e d - h e a d p i l e g r o u p d e f l e c t i o n s h a v e been m u l t i p l i e d by 1.5 t o a c c o u n t f o r t h e g r o u p e f f e c t . The d e f l e c t e d s h a p e of t h e p i l e s v e r s u s d e p t h h a s a l s o been m u l t i p l i e d by 1.5. F i g u r e 7-15 shows t h e m e a s u r e d and p r e d i c t e d l a t e r a l l o a d v e r s u s d e f l e c t i o n a t t h e g r o u n d s u r f a c e f o r t h e 0.9 m e t e r d i a m e t e r f i x e d - h e a d p i l e s . N o t e t h a t t h e p r e d i c t e d d e f l e c t i o n u s i n g t h e c r a c k e d s e c t i o n i s g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e u n c r a c k e d s e c t i o n . The p r e d i c t e d d e f l e c t i o n i s c o n s e r v a t i v e c o m p a r e d t o t h e m e a s u r e d d e f l e c t i o n e x c e p t a t t h e h i g h e s t l o a d l e v e l s . The m e a s u r e d a n d p r e d i c t e d l a t e r a l d e f l e c t i o n w i t h d e p t h f o r t h e 0.9 m e t e r f i x e d - h e a d p i l e s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 7-16. The a g r e e m e n t between t h e m e a s u r e d a n d p r e d i c t e d s h a p e s i s q u i t e g o o d . T h i s a g a i n i n d i c a t e s t h a t L A T P I L E i s p r e d i c t i n g r e a s o n a b l e d e f l e c t i o n s a l o n g t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e p i l e . F i g u r e s 7-17 a n d 7-18 show t h e same i n f o r m a t i o n f o r t h e 1.5 m e t e r d i a m e t e r f i x e d - h e a d p i l e s . The l a t e r a l d i s p l a c e m e n t 113 o f t h e 1 . 5 m e t e r p i l e s i s m o r e t h a n w o u l d o t h e r w i s e b e a n t i c i p a t e d , p r o b a b l y d u e t o t h e c o n s t r u c t i o n d i f f i c u l t i e s w h i c h w e r e e n c o u n t e r e d d u r i n g i n s t a l l a t i o n . 1 14 C h a p t e r 8 Summary and C o n c l u s i o n s 8.1 Summary The m a j o r o b j e c t i v e o f t h i s r e s e a r c h h a s been t o s t u d y t h e u s e o f t h e c o n e p e n e t r o m e t e r i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e f u l l -d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r a s a method o f o b t a i n i n g t h e s o i l p r o p e r t i e s r e q u i r e d t o p r e d i c t t h e l o a d d e f l e c t i o n b e h a v i o u r o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e s . The v a r i a b l e s i n v e s t i g a t e d h a v e f o c u s s e d on t h e o p e r a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r . F a c t o r s w h i c h were e x a m i n e d f o r t h e i r i n f l u e n c e on t h e d a t a o b t a i n e d i n c l u d e d : t h e method o f i n s t a l l a t i o n o f t h e p r e s s u r e m e t e r p r o b e ( s e l f - b o r i n g o r f u l l -d i s p l a c e m e n t ) , t h e e f f e c t o f r e p e a t i n g a p r e s s u r e m e t e r t e s t a t t h e same d e p t h , t h e e f f e c t o f t h e r a t e o f membrane i n f l a t i o n , t h e e f f e c t o f p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n i n f i n e g r a i n e d s o i l s , e f f e c t o f s t r e s s v e r s u s s t r a i n c o n t r o l l e d t e s t o p e r a t i o n , t h e e f f e c t o f p e r f o r m i n g 10 s l o w c y c l i c u n l o a d - r e l o a d l o o p s , and t h e e f f e c t o f a s m a l l d i a m e t e r , p r e - p u s h e d p i l o t h o l e . F o u r d i f f e r e n t l o c a t i o n s were u s e d a s i n - s i t u t e s t i n g r e s e a r c h s i t e s . E i g h t y p r e s s u r e m e t e r t e s t s were c o n d u c t e d , a n d t h e p r e s s u r e m e t e r was p u s h e d o v e r 125 l i n e a l m e t e r s i n t o t h e g r o u n d . S o i l s t e s t e d r a n g e d f r o m d e n s e , c o a r s e s a n d a t M c D o n a l d ' s Farm, t o o r g a n i c s i l t y c l a y a t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e , a n d i n c l u d e d b o t h a s t i f f , o v e r c o n s o l i d a t e d a n d a h i g h l y p l a s t i c , n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d s o f t c l a y a t t h e L a n g l e y s i t e . 115 8.2 C a s e H i s t o r i e s T h r e e l a t e r a l l y l o a d e d p i l e c a s e h i s t o r i e s have been p r e s e n t e d . The c a s e h i s t o r i e s p r o v i d e d a number of v a r i a b l e s t o s t u d y . The t e s t p i l e s r a n g e d f r o m 0.324 m e t e r s t o 1.5 m e t e r s i n d i a m e t e r . F i v e were c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e and f i v e were d r i v e n s t e e l p i p e p i l e s . F o u r o f t h e s t e e l p i p e p i l e s were d r i v e n a t an a n g l e . T h r e e e x a m p l e s of i n - l i n e g r o u p s o f f i x e d - h e a d p i l e s were e n c o u n t e r e d . Maximum l o a d s r a n g e d f r o m 245 t o 1978 kN p e r p i l e . Maximum l a t e r a l d e f l e c t i o n s were f r o m 13 t o 150 mm. I n a l l , 10 p i l e s were l a t e r a l l y t e s t e d i n 6 s e p a r a t e t e s t s on t h r e e s i t e s . 8.3 C o n c l u s i o n s C o n c l u s i o n s r e s u l t i n g f r o m t h i s s t u d y f a l l i n t o two c a t a g o r i e s : v a r i a b l e s a f f e c t i n g t h e manner i n w h i c h t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t i s p e r f o r m e d , o r f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e t h e p r e d i c t i o n o f l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r of p i l e s . The m a j o r c o n c l u s i o n s r e s u l t i n g f r o m t h e p r e s s u r e m e t e r r e s e a r c h a r e p r e s e n t e d b e l o w . A p r e s s u r e m e t e r t e s t was p e r f o r m e d a t a c e r t a i n d e p t h , and w i t h o u t a d v a n c i n g t h e p r o b e , t h e t e s t was r e p e a t e d . The r e s u l t o f p e r f o r m i n g two p r e s s u r e m e t e r t e s t s a t t h e same d e p t h was t o show t h a t i f t h e s e c o n d t e s t had c o n t i n u e d on t o a s t r a i n l e v e l somewhat p a s t t h a t o f t h e f i r s t t e s t , i t w o u l d have been a c o n t i n u a t i o n o f t h e f i r s t t e s t . The s t r a i n r a t e a t w h i c h t h e membrane e x p a n d s was r u n a t 116 b o t h t h e n o r m a l i n f l a t i o n r a t e a n d a t r a t e 5 t i m e s f a s t e r i n t h e s a m e o r g a n i c s i l t . F o r t h i s l i m i t e d s t r a i n r a t e v a r i a t i o n , n o e f f e c t w a s o b s e r v a b l e o n t h e s h a p e o f t h e p r e s s u r e m e t e r c u r v e . F o r s e v e r a l o f t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t s p e r f o r m e d i n L a n g l e y c l a y , t h e p o r e p r e s s u r e w h i c h h a d b u i l t u p d u r i n g i n s t a l l a t i o n w a s a l l o w e d t i m e t o d i s s i p a t e . P r e l i m i n a r y r e s u l t s s h o w t h a t t h e l i f t o f f m i n u s t h e l i m i t p r e s s u r e ( a m e a s u r e o f s h e a r s t r e n g t h ) w a s h i g h e r f o r t h e c l a y i n w h i c h d i s s i p a t i o n w a s a l l o w e d t o o c c u r . T h e p r e s s u r e m e t e r w a s o p e r a t e d i n b o t h a s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d m a n n e r a t f o u r s i t e s . N o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n t h e r e s u l t s o f t h e t w o m e t h o d s w a s f o u n d , b u t m o r e c o m p a r a t i v e t e s t i n g i s n e e d e d t o c o n f i r m t h i s . U s i n g t h e s t r a i n c o n t r o l l e d i n f l a t i o n a p p a r a t u s , p r e s s u r e m e t e r t e s t s w e r e p e r f o r m e d i n w h i c h b o t h t h e r a d i a l s t r a i n o f t h e m e m b r a n e a n d t h e i n j e c t e d v o l u m e o f o i l w e r e a c c u r a t e l y m e a s u r e d . I n d e n s e s a n d s o r s t i f f c l a y s t h e m e m b r a n e o p e n e d v e r y m u c h l i k e a r i g h t c y l i n d e r , b u t i n s o f t s i l t o r c l a y t h e m e m b r a n e t e n d e d t o a s s u m e t h e s h a p e o f a f o o t b a l l d u r i n g t h e t e s t . A s e r i e s o f s l o w , c y c l i c u n l o a d - r e l o a d l o o p s w e r e p e r f o r m e d d u r i n g p r e s s u r e m e t e r t e s t s i n s a n d . T h e t e s t s w e r e r u n i n a s t r a i n c o n t r o l l e d m a n n e r . T h e c u m u l a t i v e p r e s s u r e r e d u c t i o n m e a s u r e d d u r i n g t h e t e s t v a r i e d d e p e n d i n g o n t h e r e l a t i v e d e n s i t y o f t h e s a n d . M o r e t e s t i n g a n d c o m p a r i s o n w i t h s t a n d a r d p e n e t r a t i o n t e s t s i t e s i s r e q u i r e d i n o r d e r t o u s e 1 17 t h i s m e t hod t o p r e d i c t t h e e a r t h q u a k e l i q u e f a c t i o n p o t e n t i a l o f s a n d . The e f f e c t o f h a v i n g a s m a l l d i a m e t e r p i l o t h o l e p r e -p u s h e d i n t o t h e g r o u n d p r i o r t o f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g was i n v e s t i g a t e d . P r e l i m i n a r y r e s u l t s i n d i c a t e a p o s s i b l y s i g n i f i c a n t d e g r e e o f d i s t u r b a n c e a s c o m p a r e d t o a t e s t i n w h i c h no p i l o t h o l e was p r e s e n t . The p r e s s u r e m e t e r a p p e a r s t o p r o v i d e an e x c e l l e n t s o u r c e o f l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n d a t a f o r t h e p r o g r a m L A T P I L E . A t t h e A n n a c i s T e s t P i l e s i t e a 915 mm d i a m e t e r d r i v e n s t e e l p i p e p i l e was l a t e r a l l y l o a d t e s t e d . The p r e d i c t e d l a t e r a l d e f l e c t i o n was w i t h i n 2 0% o f t h e m e a s u r e d v a l u e a t l a t e r a l l o a d s o f up t o 1100 kN. A t t h e A n n a c i s N o r t h P i e r s i t e an i n - l i n e g r o u p of f o u r 324 mm d i a m e t e r s t e e l p i p e p i l e s were d r i v e n a t an a n g l e o f 1 h o r i z o n t a l t o 3 v e r t i c a l . The p r e d i c t e d l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e a t g r o u n d s u r f a c e f o r b o t h t h e s i n g l e t e s t p i l e a n d t h e t h r e e r e a c t i o n p i l e s p r o v i d e d a r e a s o n a b l e d e s i g n r e l a t i o n s h i p up t o t h e p o i n t o f t h e s t e e l y i e l d i n g i n t h e p i l e s . S e l f - b o r i n g p r e s s u r e m e t e r t e s t s were u s e d t o p r e d i c t t h e l a t e r a l l o a d i n g b e h a v i o u r o f f i v e c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e p i l e s . F o r b o t h f r e e - h e a d ( s i n g l e p i l e s ) and f i x e d - h e a d ( i n -l i n e g r o u p s o f p i l e s ) t h e p r e d i c t e d l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r was w i t h i n 2 0 - 3 0 % o f t h e m e a s u r e d l a t e r a l d e f l e c t i o n s a t a l l l o a d l e v e l s . The p r e s s u r e m e t e r b a s e d c o m p u t e r p r e d i c t i o n o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e b e h a v i o u r p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s a p p e a r s t o 1 18 p r o v i d e a v e r y g o o d a s s e s s m e n t o f t h e a c t u a l l o a d - d e f l e c t i o n r e s p o n s e o f p i l e s . 1 19 C h a p t e r 9 S u g g e s t i o n s f o r F u t u r e R e s e a r c h T h e a r e a s o f r e s e a r c h l i s t e d b e l o w a r e t h o s e t h a t t h e a u t h o r b e l i e v e s may h e l p a d v a n c e t h e f i e l d o f i n - s i t u s o i l t e s t i n g . i ) D e v e l o p m e n t o f a c o m b i n e d c o n e a n d p r e s s u r e m e t e r w o u l d a l l o w t h e t w o t e s t s t o b e c o m b i n e d f o r s p e e d a n d w o u l d p r o v i d e a b s o l u t e c e r t a i n t y a s t o t h e s t r a t i g r a p h i c s e q u e n c e i n w h i c h t h e p r e s s u r e m e t e r t e s t w a s p e r f o r m e d , i i ) M o r e c o m p a r a t i v e t e s t s i n w h i c h t h e M e n a r d , s e l f -b o r e d , a n d f u l l - d i s p l a c e m e n t p r e s s u r e m e t e r t e s t s a r e a l l p e r f o r m e d a t t h e s a m e s i t e w o u l d b e v a l u a b l e . I n c l u d e d s h o u l d b e a s t u d y o f t h e v a r i a b l e s t h a t a f f e c t e a c h t y p e o f i n s t r u m e n t a s d e s c r i b e d i n C h a p t e r 5. i i i ) A s i m p l e m e t h o d o f d e t e r m i n i n g l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r f o r p i l e s u s i n g t h e c o n e p e n e t r o m e t e r r e s u l t s s h o u l d b e p o s s i b l e . T h i s w o u l d b e o f u s e w h e r e p r e s s u r e m e t e r t e s t i n g w o u l d n o t b e e c o n o m i c a l l y j u s t i f i a b l e . i v ) E a r t h q u a k e l i q u e f a c t i o n a s s e s s m e n t u s i n g s l o w c y c l i c u n l o a d - r e l o a d l o o p s b o t h s t r e s s a n d s t r a i n c o n t r o l l e d m a y y i e l d u s e f u l i n f o r m a t i o n , v ) U s i n g t h e p r e s s u r e m e t e r a n d t h e p r o g r a m L A T P I L E t o p r e d i c t t h e l a t e r a l l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o u r f o r p i l e t y p e s n o t c o n s i d e r e d i n t h i s t h e s i s i s e n c o u r a g e d . 1 20 REFERENCES A t u k o r a l a , U. f and B y r n e , P.M., 1984, " P r e d i c t i o n o f P-y C u r v e s f r o m P r e s s u r e m e t e r T e s t s and F i n i t e E l e m e n t A n a l y s e s " , U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , S o i l M e c h a n i c s S e r i e s No. 66. 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M C D O N A L D S F A R M ( S T R E S S C O N T R O L L E D ) T E S T : Ml D E P T H : 5M J U N E 18/1984 1 2 7 2000 1500 1000-500-LEGEND ARM A ARM B 20 RADIAL STRAIN C« F I G U R E A - 3 s M C D O N A L D S F A R M ( S T R E S S C O N T R O L L E D ) T E S T : Ml D E P T H : 6M J U N E 18/1984 2000 T 1 1 1 LEGEND ARM A RADIAL STRAIN «) F I G U R E A - 4 . M C D O N A L D S F A R M ( S T R E S S C O N T R O L L E D ) T E S T : Ml D E P T H : 6.0m J U N E 18/1984 1 2 8 2000 1500-1000-500-RAOIAL STRAIN CX> F I G U R E A - J : M C D O N A L D S F A R M ( S T R E S S C O N T R O L L E D ) T E S T : Ml D E P T H : ZcWUNE 18/1984 2000-1500-LEGEND ARM A ARM B 5 JjJ 1000 Ul tt. tt. < 500-0 + 0 10 RADIAL STRAIN (X) - r -15 20 FIGURE A - 6 : McDONALDS FARM (STRESS CONTROLLED) TEST: Ml DEPTH: 3.0m JUNE 18/1984 1 29 1000 BOO 600 400 200 10 RADIAL STRAIN <X) ~r-15 20 F I G U R E A - 7 : M C D O N A L D S F A R M T E S T : M 2 D E P T H : 0.5 m ( S t r a i n Controlled) January 14 / 1985 RADIAL STRAIN (X) F I G U R E A-%t M C D O N A L D S F A R M T E S T : M 2 D E P T H : l.o m ( S t r a i n Controlled) January 14 / 1985 1 30 10 15 20 RADIAL STRAIN <X> FIGURE A'lOt McDONALDS FARM ( S t r a i n C o n t r o l l e d ) TEST: M2 DEPTH: 3.0 m J a n u a r y 14 / 1985 131 1000 BOOH 1000 800-600-400-200-" 1 1 1 1 1 0 S 10 IS 20 RADIAL STRAIN (» FIGURE A-Cs McDDNALDS FARM (S t r a i n Controlled) TEST: M3 DEPTH: O.S • m January 25 / 1985 1000-1 1 1 1 1 800-•3 0. 6 600-400-RAOIAL STRAIN CX> F I G U R E M c D O N A L D S FARM ( S t r a i n Controlled) TEST: M3 DEPTH: l.O m January 25 / 1985 133 1000 RADIAL STRAIN «> FIGURE fi-'S: McDDNALDS FARM TEST: M3 DEPTH: 3.0 m ( S t r a i n Controlled) January 25 / 1985 r RADIAL STRAIN (X) F I G U R E a-i&I M C D O N A L D S F A R M T E S T : M3 D E P T H : 5.0 m ( S t r a i n Controlled) January 25 / 1985 1 34 1 35 1000 800 H 600 H 400-RADIAL STRAIN CX> FIGURE /- i f : McDONALDS FARM TEST: M4 DEPTH: l.O m ( S t r a i n C o n t r o l l e d ) J a n u a r y 25 / 1985 I—: 1 10 15 20 RADIAL STRAIN « > FIGURE McDONALDS FARM ( S t r a i n C o n t r o l l e d ) TEST: M4 DEPTH: 3.o m J a n u a r y 25 / 1985 1 36 1000 - i — r — 1 T 800-4 $ 600-j UJ RADIAL STRAIN «> FIGURE ^ McDONALDS FARM (Strain Control Ud) TEST: M4 DEPTH: 5.0 m January 25 / 1985 looo-i r 1 1 eooH RADIAL STRAIN' « ) FIGURE/^': McDONALDS FARM (Stra i n Controlled) TEST: M4 DEPTH: 7.o m January 25 / 1985 1 37 APPENDIX B: P r e s s u r e m e t e r C u r v e s f o r L a n g l e y a t 232nd S t r e e t , L a n g l e y , B.C. ( L I , L 2 , and L 3 ) 1 38 looo-i • r 0 5 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT CX> FIGURE'S-1 : LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: LI DEPTH: 2.75 m July 10 / 1984 800 o a. 6 600 Q_ § 400 a! a. < 200-DISSIPATION BEFORE TEST: 40% 7 1 1 I 5 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT «> FIGURE ?~2: LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: LI DEPTH: 6.0m July 10 / 1984 139 •-1000 DISSIPATION BEFORE TEST: 60% 800-J 600-U! a. § 400-B! f l V —1 1 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT CO FIGURE 3-3: LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: LI DEPTH: 8.0m J u l y 10 / 1984 1000-800-600-DISSIPATION BEFORE TEST: 30% 200-1^' 1/ 1 1 1 5 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT «) FIGURE l-M: LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: LI DEPTH: 10.0m July 10 / 1984 140 DISSIPATION BEFORE TEST: 40% T 1 — 1 , 0 5 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT OR FIGURE 7-5; LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: LI DEPTH: 12.o m July 10 / 1984 1 4 1 1000 800H 3 I BOO s S 4ooH 200-QUICK TEST (NO DISSIPATION) ' JJi J 1 I r Jj jf // I / — i 1 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT « ) FIGURE 3-6: LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: L2 DEPTH: 2.75 m Ju l y 19 / 1984 1000' BOOH 600' a. § 400-200-r QUICK TEST (NO DISSIPATION) rr 1 1 1 5 10 15 20 RADIAL DISPLACEMENT <%> FIGURE 3 -7 : LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: L2 DEPTH: 6.o m July 19 / 1984 142 1000 800-800' 400 QUICK TEST (NO DISSIPATION) —r— 15 10 RADIAL DISPLACEMENT <X) 20 1000 FIGURE ' E - l : LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: L2 DEPTH: S . O m July 19 / 1984 800-800-400-200-QUICK TEST (NO DISSIPATION) — s v —v-10 RADIAL DISPLACEMENT « > - r -15 20 FIGURE T.'°t: LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: L2 DEPTH: iO.C m July 19 / 1984 143 1000-QOICK TEST (NO DISSIPATION) FIGURE B-10s LANGLEY AT 232nd ST. (Stress Controlled) TEST: L2 DEPTH: 12.Om July 19 / 1984 1 44 1000 750-RAOIAL STRAIN «> FIGURE'S-'/: LANGLEY AT 232nd (Strain Controlled) TEST: L3 January 20 / 1985 DEPTH: 0 . 5 m 750-1 500-RADIAL STRAIN <X> FIGURE TM7: LANGLEY AT 232nd (Str a i n Controlled) TEST: L3 January 20 / 1985 DEPTH: lx>m 145 1000' 750 H 0 5 10 15 20 RADIAL STRAIN CX> FIGURE ?-«/! LANGLEY AT 232nd (Str a i n Controlled) TEST: L3 January 20 / 1985 DEPTH: 2.75m 1 46 1000 750 £ 500 8 250-f' RADIAL STRAIN CW FIGURE x-5: LANGLEY AT 232nd ( S t r a i n C o n t r o l l e d ) TEST: L3 J a n u a r y 20 / 1985 DEPTH: 5. 1000 800H •3 a. 6 600 RADIAL STRAIN « ) FIGURE!'-it .: LANGLEY AT 232nd ( S t r a i n C o n t r o l l e d ) TEST: L3 J a n u a r y 20 / 1985 DEPTH-. m 147 A P P E N D I X C : P r e s s u r e m e t e r C u r v e s f o r A n n a c i s T e s t P i l e S i t e , New W e s t m i n s t e r , B . C . ( A 1 , A 2 , a n d A 3 ) 1 48 1000 T T T BOOH "3 I 600 RADIAL STRAIN « > FIGUREC - l : ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: 3.0 m Ju l y ID / 1984 1000-1 1 1 1 800-4 g $ 600-RAD1AL STRAIN (X) FIGURE C-2: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: 5.0 m July 10 / 1984 149 RADIAL STRAIN CX> FIGURE C-3: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: 7.o m July 10 / 1984 1000-1—; 1 1 r RAOIAL STRAIN CX) FIGURE C-m ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: 9.0 m July 10 / 1984 1 50 1000 RADIAL STRAIN tt) FIGURE C-5: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: ll.o m July 10 / 1984 looo-i 1 1 r RADIAL STRAIN <X> FIGURE C-t: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: Al DEPTH: 13.0 m July 10 / 1984 151 1000-1 1 : 1 r 800-j 3 6 600-0 5 10 15 20 RADIAL STRAIN <X> FIGURE C-?.: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: A2 DEPTH: 5.o m July 18 / 1984 152 •••i'v^S. 0 S 10 15 20 RADIAL STRAIN (X) FIGURE C-l: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: A2 DEPTH: 7.0 m July 18 / 1984 1000-1 1 1 1 1 800-J FIGURE IO, ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: A2 DEPTH: 9.0 m July 18 / 1984 153 1000 800H 2 S 600-m a. a. § 400H 200-—r-is 10 RADIAL STRAIN CO 20 FIGURECH: ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: A2 DEPTH: 13.0 m July 18 / 1984 1000 0 0. 6 » 400H RADIAL STRAIN <X> FIGUREC-lli ANNACIS TEST PILE (Stress Controlled) TEST: A2 DEPTH: 15.0 m July 18 / 1984 1 54 FIGURE C-'Z: ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TEST: A3 DEPTH: l.O m January 22 / 1985 800-600-§ 400-s! 200-RADIAL STRAIN « ) FIGURE ciq: ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TEST: A3 DEPTH: l.O m January 22 / 1985 155 10 RADIAL STRAIN (X) 15 20 FIGURE Ol£ ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TEST: A3 DEPTH: 3.0 m January 22 / 1985 1000 RADIAL STRAIN (X) FIGUREC-/S: ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TEST: A3 DEPTH: 5.5 m January 22 / 1985 1 56 1000 -r 1 r 800-0 6 600-ui RADIAL STRAIN « ) FIGURE GH: ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TESTi A3 DEPTH: 7.0 m January 22 / 1985 1000-1 1 -t 1 800-•3 % 600-ui RADIAL STRAIN tXi FIGURE C-\?.i ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TEST: A3 DEPTH. 8.0 m January 22 / 1985 1 57 1000 800-j 3 I 600-ui RADIAL STRAIN CO FIGURE C-fli ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TESTs A3 DEPTH: 9.0 m January 22 / 1985 1000-1 1 1 1 800H 158 10 RADIAL STRAIN « > —f— IS 20 FIGUREc-2\: ANNACIS TEST PILE ( S t r a i n Controlled) TESTs A3 DEPTH: 11.0 m January 22 / 1985 159 A P P E N D I X D : P r e s s u r e m e t e r C u r v e s f o r A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e , R i c h m o n d , B . C . (N1 a n d N2) 160 2 0 0 0 - , r 1 5 0 0 H I O O O H 0 5 10 I S 20 R A D I A L S T R A I N <X> FIGURE D- l: ANNACIS NORTH PIER (S t r a i n Controlled) TESTi Nl DEPTH: 0.5 m January 15 / 1985 o 5 10 I S 20 R A D I A L S T R A I N (X) FIGURE D-l: ANNACIS NORTH PIER (S t r a i n Controlled) . TEST: Nl DEPTH: l.O m January 15 / 1985 161 RADIAL STRAIN <X> FIGURE 3-31 ANNACIS NORTH PIER ( S t r a i n Controlled) TEST: Nl DEPTH: 1.5 m January 15 / 1985 2000-1 1 , , 1500-1000' Ul S. 500-RADIAL STRAIN <X> FIGURE 5-M: ANNACIS NORTH PIER ( S t r a i n Controlled) TEST: Nl DEPTH: 3.0 m January 15 / 1985 1 62 2000-1 1 1 r isooH 3 I IOOOH 0 5 10 15 20 RADIAL STRAIN CX> FIGURE u-5s ANNACIS NORTH PIER ( S t r a i n Controlled) TEST: Nl DEPTH: f.5 m January 15 / 1985 2000-1 1 1 1 1 1S00H RADIAL STRAIN (X) FIGURED-6: ANNACIS NORTH PIER ( S t r a i n Controlled) TEST: Nl DEPTH: 7.0 m January 15 / 1985 163 -J— 10 RADIAL STRAIN (X) — I — 15 20 FIGURE 0>-7: ANNACIS NORTH PIER ( S t r a i n Controlled) TEST: Nl DEPTH: 8.0 m January 15 / 1985 1 64 2000 15O0H w 1000 500H 2000 RADIAL STRAIN <X) FIGURE >?: ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: 0.5 m January 19 / 1985 T 1500 •3 I IOOOH 500H RADIAL STRAIN <X> FIGURE D-^ : ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: 1.0 m January 1 9 / 1 9 8 5 165 RADIAL STRAIN « ) FIGUREJHO: ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: 1.5 m January 19 / 1985 2 0 0 0 - 1 • 1 1 1KHH D 1 u> 1000-0-| " i 1 1 1 0 3 10 15 20 RADIAL STRAIN CX) FIGURE 1-1/1 ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: 3.0 m January 19 / 1985 166 2000 RADIAL STRAIN CX) FIGURE D-ia ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: H.5 m January 19 / 1985 2000 RADIAL STRAIN « ) FIGUREp-13: ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: ?.0 m January 1 9 / 1 9 8 5 1 67 RADIAL STRAIN « ) FIGURE JHM: ANNACIS NORTH PIER (Stress Controlled) TEST: N2 DEPTH: 8.0 m January 19 / 1985 168 A P P E N D I X E : P r e s s u r e m e t e r C u r v e s f o r O l y m p i c O v a l T e s t S i t e , C a l g a r y , A l b e r t a (G1 ) 1 6 9 o a. a L 3 CD O a L a. TJ a a a. < 2000.. 1500.. ^ 1000. o *i o 500. . . 0. Ji C o l dor- A a a o c l o t a a - O l y m p l o S t odium. C a l g a r y . S I T E i PI 8 4 0 4 2 - 5 . TESTi 1 . DATE, Aug 2 9 8 4 . DEPTH. Z B J 10. R a d i a l Displacement X. 20. a a. a L Z3 n n a L a. TJ a a. o. < 2000.. 1500.. ^ 1000. o v o 500. . . G o l d o r A a a o c l a t a a - O l y n p l o S t a d i u m . C a l g o r y . S I T E i PI 8 4 0 4 2 - 6 . TESTi 2 . DATEi Aug 2 9 8 4 . OEPTHi 3 . SH 10. R a d i a l Displacement X. 20. 170 D 0 . a L ta (0 a L a. a 2 0 0 0 . . 1500.. a. a. < _ 1 0 0 0 . a ± J o 500. 1 4 » C o l d e r A * a o o l a t a « - 0 1 y n p t o S t a d i u m . C a l g a r y . S l T E i P l 8 4 0 4 2 - 7 . T E S T i 3 . O A T E i A u g 2 9 8 4 . O E P T H i 3 . SM 10. R a d i a l Displacement X. 2 0 . o Q. !£ a L a t* a L a. •a a o. 2000.. 1500.. « ioao, a o 5 0 0 . . . C o l d e r A a a o c t a t a e - O l y m p t a S t o d l u n . C a l g a r y . S I T E ^ P l 9 4 0 4 2 - 8 . T E S T i 4. OATEi A u g 2 9 8 4 . D E P T H . 8 .5M 10. R a d i a l Displacement X. 20. 171 A P P E N D I X F : R e l a t i o n s h i p B e t w e e n R a d i a l a n d V o l u m e t r i c S t r a i n f o r a P r e s s u r e m e t e r Let Ri = R Let Rp = R + dR A V Volumetric S t r a i n = Vo TT [(R + dR) 2 - R 2] L TTR 2 L 2RdR + dR 2 R 2 I f dR i s small (small s t r a i n approximation), then dR 2 i s n e g l i g i b l e : Volumetric S t r a i n = 2 _dR = 2 x Radial S t r a i n R 1 72 APPENDIX G: C a l c u l a t i o n o f T h e o r e t i c a l Maximum L a t e r a l L o a d f o r S t e e l P i p e P i l e s a t A n n a c i s I s l a n d S y m b o l s : Rav • t c OC I M a v e r a g e p i l e r a d i u s p i l e w a l l t h i c k n e s s d i s t a n c e t o f u r t h e s t f i b r e y i e l d s t r e s s o f s t e e l moment of i n e r t i a maximum b e n d i n g moment A n n a c i s N o r t h P i e r S i t e : Rav = 0.158 m t = 0.0079 m c = 0.162 m oc = 300,000 kPa I = T r(Rav) 3 t = 9.78 x 1 0 " 5 m" M = ( a c ) I / c = 181 kNm L A T P I L E c a l c u l a t e s t h a t t h e maximum b e n d i n g moment of 181 kNm i s r e a c h e d a t a l a t e r a l l o a d o f i S O k N ( s e e F i g u r e on F o l l o w i n g p a g e ) . 173 B e n d i n g Moment D i a g r a m ( R e s u l t a n t Moment v s P i l e Depth) f o r A n n a c i s N o r t h P i e r S t e e l P i p e P i l e 174 APPENDIX H: M e t h o d t o A c c o u n t f o r t h e L a t e r a l D e f l e c t i o n ) L of P i l e s I n s t a l l e d a t an A n g l e Two f a c t o r s must be a c c o u n t e d f o r : i ) L o a d n o t a p p l i e d p e r p e n d i c u l a r t o p i l e ; a) D e t e r m i n e a n g l e o f p i l e b) R e s o l v e f o r c e s i n t o p a r a l l e l and p e r p e n d i c u l a r c o m p o n e n t s c) A p p l y p e r p e n d i c u l a r f o r c e a s l a t e r a l l o a d , a n d p a r a l l e l f o r c e a s a x i a l t e n s i o n ( o r c o m p r e s s i o n ) l o a d . i i ) P i l e n o t p e r p e n d i c u l a r t o g r o u n d s u r f a c e a) U s i n g c h a r t s f r o m S c h m i d t ( 1 977) d e t e r m i n e t h e r a t i o o f maximum l a t e r a l c a p a c i t y a v a i l a b l e a t t h e i n s t a l l e d a n g l e t o t h e maximum l a t e r a l c a p a c i t y a v a i l a b l e a s i f t h e p i l e were v e r t i c a l . b) Reduce t h e l o a d a p p l i e d t o t h e p i l e by t h i s f a c t o r . ( F o r e x a m p l e : I f a p i l e was i n s t a l l e d a t a 1:3 a n g l e , a n d a d e f l e c t i o n o f 7 mm was p r e d i c t e d a t 100 kN l o a d , t h e n t h i s d e f l e c t i o n w i l l be r e a c h e d a t t h e l e s s e r l o a d o f s a y 70 kN.) 175 Example: H(N) = load on p i l e 0 = l a t e r a l displacement of p i l e Slope =1:3 At f a i l u r e , the p i l e at a 1:3 slope can r e s i s t only 66$ of the load c a r r i e d by a v e r t i c a l p i l e i n s t a l l e d i n h o r i z o n t a l ground surface. E f f e c t of Various Slopes i n Front of the Model P i l e on i t s Horizontal Load Bearing Capacity ( A f t e r Schmidt, 1977) 176 APPENDIX I : E f f e c t o f P i l e G r o u p I n t e r a c t i o n Two P i l e I n t e r a c t i o n ( P o u l o s a nd D a v i s , 1980) D e f i n i t i o n s : s = c e n t e r t o c e n t e r p i l e s p a c i n g d = p i l e d i a m e t e r L = l e n g t h 0 = a n g l e between l o a d d i r e c t i o n a n d p i l e i n - l i n e d i r e c t i o n (0° f o r i n - l i n e l a t e r a l l o a d s ) K r = f l e x i b i l i t y f a c t o r ap = r a t i o o f a d d i t i o n a l d i s p l a c e m e n t c a u s e d by a d j a c e n t p i l e t o d i s p l a c e m e n t o f a p i l e due t o i t s own l o a d i n g aph = ap f o r f r e e - h e a d c o n d i t i o n s apf = ap f o r f i x e d - h e a d c o n d i t i o n s E x a m p l e : C a l g a r y O l y m p i c O v a l T e s t 3/4 (Two 0.9 m d i a m e t e r c o n c r e t e p i l e s i n s a n d l a t e r a l l y l o a d e d a s an i n - l i n e g r o u p . ) s = 2.25 m d = 0.9 m L = 15 m 0 = 0 K r = 7.7 x 1 0 " 3 ( l o o s e s a n d ) t o 1.9 x 1 0 ~ 3 ( d e n s e s a n d ) f r o m T a b l e 8.6 on n e x t p a g e . L/d = 16.7 s/d = 2.5 From F i g u r e s 8.63 and 8.75 on n e x t page f i n d t h a t ; aph = 0.5 a p f = 0.5 R e s u l t : E x p e c t a p p r o x i m a t e l y 50% more d e f l e c t i o n t h a n f o r a s i n g l e p i l e due t o t h e e f f e c t o f h a v i n g two p i l e s i n l i n e . T h i s a p p l i e s t o b o t h t h e f r e e a n d f i x e d - h e a d c o n d i t i o n s . h i LOAD 1 77 TABLE 8.6 TYPICAL VALUES OF FILE FLEXIBILITY FACTOR.KR FOR VARIOUS SOILS Soft Clay Medium Clay Stiff Gay Loose Sand Dense Sand Pile typo Pile Length (ft) 20 50 20 50 20 50 20 50 20 50 1-ft diam. concrete 6.2 X 10"* 1.6 X 10'* 3.1X10° 8.0 X 10"' 1.2 X 10"* 3.1X10"' 3.7 X I0"1 9.5 X 10"' 9.2X10"* 2.4X10"' 3-ft diam. concrete . 5.0 X 10"' 1.3 X 10"' 2.5X10"' 6.4 X 10"' 9.4 X 10"' 2.4X10"' 3.0 X 10"' 7.7 X 10"' 7.5x10'' 1.9X10"' I-ft(average) diam. timber 3.1 X 10"1 7.9 X 10"' 1.5 X 10'* 3.8 X 10'* 6.0 X 10^ 1.5 X 10"' 1.8 X 10'* 4.6 X 10'' 4.7 X 10"' 1.2 X 10"' 14-in. X 14-in. X 117-lb steel H-pile 2.7 X 10"1 6.9 X 10"' 1.3 X 10"* 3.4 X 10^ 5.0 X 10"' 1.3 X 10-4 1.6 X 10"' 4.1 X 10"' 4.0 X 10'* 1.0 X 10"4 NOTE: Above values of KR are derived from secant values of ES at normal working loads. P i l e F l e x i b i l i t y a n d D e f l e c t i o n C o e f f i c i e n t F a c t o r s ( A f t e r P o l o u s a n d D a v i s , 1977) 1 78 APPENDIX J : C a l c u l a t i o n o f P i l e S t i f f n e s s f o r P r e c a s t C o n c r e t e p i l e s a t O l y m p i c O v a l S i t e , C a l g a r y E x a m p l e : 1.5 C o n c r e t e m D i a m e t e r P i l e A r e a S t r e n g t h M o d u l u s Moment o f I n e r t i a S t i f f n e s s ( E I ) 1.76 m 2 30 MPa 2 x 10" MPa 0.248 m 4 4.96 x 1 0 3 MPa m 2 S t e e l : A r e a S t r e n g t h M o d u l u s Moment o f I n e r t i a S t i f f n e s s ( E I ) U n c r a c k e d S e c t i o n ; P i l e 1 .25% @ 0.65 m r a d i u s 270 MPa 2 x 1 0 s MPa 4.65 x 1 0 " 3 930 MPa m 2 m' S t i f f n e s s ( E I ) = 5890 MPa m 2 C r a c k e d S e c t i o n (CAN3-A22.3-M77): Assume an u l t i m a t e moment o f 4700 kN m and u s i n g t h e t r a n s f o r m e d s e c t i o n a t r i g h t ; P i l e S t i f f n e s s S i m i l a r l y : n B r a I c r I e ( E I ) 9 13.1 0.89 0.32 0.075 0.077 m" 2310 MPa m m' M' D i a m e t e r U n c r a c k e d S e c t i o n C r a c k e d S e c t i o n 0.9 m 746 MPa m 2 550 MPa m 2 1.2 2295 1242 1.5 5890 2310 1 79
Thesis/Dissertation
eng
Civil Engineering
Vancouver : University of British Columbia Library
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Graduate
Predicting laterally loaded pile behaviour using the Pressuremeter
Text