Case history of a highway bridge – problems with pile supported abutments due to lateral loading and downdrag forces

Z.S. Ozden, D. Staseff

In the proceedings of: GeoOttawa 2017: 70th Canadian Geotechnical Conference; 12th joint with IAH-CNC

Session: Piles I

ABSTRACT: This paper presents the case history of a highway bridge supported on steel H-piles driven to bedrock about 25 m below the ground surface. The bridge was built in 2002 to carry a municipal road over a proposed major highway, prior to the construction of the new highway underneath. The bridge site is located southwest of Hamilton, Ontario within the Haldimand Clay Plain. The site is underlain by an extensive deposit of clayey silt with some silty clay layers. The bridge is a two-span concrete structure designed and constructed as an integral abutment bridge with Retained Soil System (RSS) false abutments. The height of the approach embankments above the original grade was about 8.2 to 8.8 m when first constructed. The approach embankment fills were placed after the driving of the piles. Settlement caused downdrag forces on the piles and evidence of lateral yielding of the piles was noted. The bridge and the municipal road carried by the bridge started showing signs of distress less than a year after construction and the designers became concerned about a possible failure of the structure due to a combination of lateral loading and downdrag forces on the piles. A detailed subsurface investigation and analysis of the stresses on the piles supporting the bridge abutments were subsequently conducted. This paper describes the project background, site and subsurface descriptions, construction sequence of abutment fills and piles, and observed distress of the bridge. This paper also describes the post-construction subsurface investigation, method of analysis of the piles subjected to lateral loading and downdrag forces, solutions offered and lessons learned.

RÉSUMÉ: Cet article présente l'historique des cas d'un pont routier soutenu sur des poteaux H en acier entraînés au socle à environ 25 m sous la surface du sol. Le pont a été construit en 2002 pour transporter une route municipale sur une autoroute principale proposée, avant la construction de la nouvelle autoroute en dessous. Le site du pont est situé au sud-ouest de Hamilton, en Ontario, dans la plaine d'argile de Haldimand. Le site est sous-tendu par un dépôt étendu de limon argileux avec des couches d'argile siltée. Le pont est une structure en béton à deux travées conçue et construite comme un pont de pilier intégral avec de fausses piliers du système de sol retenu (RSS). La hauteur des talus d'approche au-dessus de la note originale était d'environ 8,2 à 8,8 m lors de la première construction. Les embouts d'attelage ont été placés après la conduite des piles. L'établissement a causé des forces de choc sur les pieux et la preuve du rendement latéral des pieux a été notée. Le pont et la route municipale transportée par le pont ont commencé à montrer des signes de détresse moins d'un an après la construction et les concepteurs se sont inquiétés d'une éventuelle défaillance de la structure en raison d'une combinaison de charges latérales et de forces descendantes sur les piles. Une étude approfondie de la sous-surface et une analyse des contraintes sur les pieux supportant les piliers du pont ont ensuite été menées. Cet article décrit les antécédents du projet, les descriptions du site et de la sous-surface, la séquence de construction des remplissages de butée et des pieux et la détresse observée du pont. Cet article décrit également l'étude subsurface post-construction, la méthode d'analyse des piles soumises aux forces latérales de chargement et de détresse, aux solutions offertes et aux leçons apprises.

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