Novel toe driving for thin-walled piles and performance of fiberglass-reinforced polymer (FRP) pile segments


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Abstract

Despite the rapidly growing use of pile foundations, it is presently difficult to assure the integrity and uniformity of the cross-sectional area of cast-in-place piles when using normal concrete. Cavities and soil encroachments leading to soil pockets can jeopardize their load-bearing capacity. Moreover, corrosion in reinforced concrete and steel shell piles has been very costly, exceeding US$2 billion in annual repair costs in the United States alone. To address these two challenges, extensive research has been underway at the University of Western Ontario to develop novel technology for the construction of piles. Self-consolidating concrete (SCC), a material that flows under gravity and assures the integrity of piles, is cast into fiberglass-reinforced polymer (FRP) tubes that provide corrosion-resistant reinforcement. A toe driving technique was developed to install the empty FRP shells into the soil, and SCC is subsequently cast into the shells. Driving tests using this new technique were carried out on large-scale model FRP and steel pipe piles installed in dense dry sand enclosed in a pressure chamber. FRP–SCC and steel closed-end piles were also driven using conventional piling at the pile head. Static load tests were conducted on the various pile specimens under different vertical and horizontal confining pressures. The pile specimens were instrumented to investigate their dynamic behaviour under driving and their response to static compressive, uplift, and lateral loading. It is shown that the toe driving technique is very suitable for installing FRP piles in dense soils. Results from the driving tests and static load test indicate that FRP–SCC hybrid piles are a very competitive and attractive option for the deep foundations industry.RésuméEn dépit de l'utilisation croissante des fondations de pieux, il est présentement difficile de s'assurer de l'intégrité et de l'uniformité de la section en travers des pieux coulés en place lorsqu'on utilise le béton normal. Des cavités et des empiétements du sol conduisant à des poches de sol peuvent compromettre la capacité portante de ces pieux. De plus, la corrosion des armatures du béton armé et des enveloppes d'acier des pieux a causé des coûts très importants excédant 2 milliards de dollars en coûts de réparation annuelle aux États-Unis seulement. Pour s'attaquer à ces deux défis, une recherche intense a été entreprise à la University of Western Ontario pour développer une nouvelle technologie pour la construction de pieux. Un béton auto-consolidant (SCC), matériau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et assure l'intégrité des pieux, est coulé dans des tubes de polymère renforcé de fibre de verre (FRP) qui fournit une armature résistante à la corrosion. Une technique de fonçage par le pied a été développée pour installer dans le sol les tubes vides de FRP, et par la suite, le SCC est coulé dans ces tubes. Des essais de fonçage au moyen de cette nouvelle technique ont été réalisés sur des modèles à grande échelle de pieux avec tubes FRP et tubes d'acier mis en place dans un sable dense sec à l'intérieur d'une chambre à pression. Des pieux de FRP–SCC et d'acier à bout fermé ont aussi été foncés au moyen de fonçage conventionnel sur la tête du pieu. On a fait des essais de chargement statique sur les divers spécimens de pieux sous différentes pressions de confinement verticales et horizontales. Les spécimens de pieux ont été instrumentés pour étudier leur comportement dynamique durant le fonçage et leur réaction à des chargements statiques en compression, en soulèvement et latéraux. On montre que la technique de fonçage en pied est très adéquate pour la mise en place des pieux FRP dans les sols denses. Les résultats des essais de fonçage et de l'essai de chargement statique indiquent que les pieux hybrides FRP–SCC sont une option très attrayante et compétitive pour l'industrie de fondations profondes.

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