An appropriate method for constructing deep foundations that must penetrate artesian aquifers

Jim Bruce, Naresh Gurpersaud, Zhong Han, Mark Montgomery, Hiu Lee

In the proceedings of: GeoEdmonton 2018: 71st Canadian Geotechnical Conference; 13th joint with IAH-CNC

Session: Soil Mechanics and Foundations (Deep Foundations II)

ABSTRACT: Deep foundations embedded in artesian aquifers can be the cause of serious problems during, and more importantly, after their installation, due to a disproportionately high risk of washout during construction in the case of drilled shafts, or post-construction soil loss in the case of driven displacement and helical piles inadvertently acting as wicks, which can in turn lead to settlement due to upward migration and eventual loss of eroded soil particles. Both of these problems can be addressed using a unique method described herein. Properly managed, the use of small diameter drilling methods (i.e. micropiles) can significantly reduce these risks associated with penetration of artesian aquifers. A case study is presented, detailing a recent application of this appropriate approach at an urban transportation infrastructure construction project requiring deep foundations in Richmond Hill, Ontario. Deep foundations, in the form of soil-bonded micropiles, constructed with extra reinforcement in order to be suitably stiff to satisfy the Structural an artesian aquifer locally notorious for causing problems. The artesian aquifer that underlies this site exhibits a head pressure of 2 metres above ground elevation. Keller, operating at the time as Geo-Foundations Contractors, designed and installed high-capacity, soil-bonded micropiles to support the new bridge abutments. Micropiles were successfully embedded in the artesian aquifer, without any negative impacts during or after their construction. Each of the 14 no. micropiles was designed for factored axial compression loading of 1070 kN and factored axial tension loading of 325 kN. Verification pre-production load testing proved maximum grout-to-soil adhesion values of 364 kPa and 421 kPa at the north and south abutments, respectively. A uniquely suitable installation process known as continuous-grout-flush, employing cement grout (specific gravity 1.85 g/cm3) as the flushing medium was effective in counteracting the potentiometric artesian head at this site during and after micropile installation. All production piles were advanced to their respective target depths at both abutments without any washout and without any compromise to grout-to-ground bond stress. This paper provides a detailed description of the continuous-grout-flush micropile construction method that is suitably safe and appropriate for installation of deep foundations that require breaching of the confining layer of an artesian aquifer.

RÉSUMÉ: Les fondations profondes enfouies dans les aquifères artésiens peuvent être la cause de sérieux problèmes pendant et surtout après leur installation, en raison d'un risque disproportionné de lessivage pendant la construction dans le cas de puits forés ou de pertes de sol après la construction dans le cas de déplacement piloté et pieux hélicoïdaux agissant par inadvertance comme des mèches, ce qui peut à son tour conduire à un tassement dû à la migration vers le haut et à la perte éventuelle de particules de sol érodées. Ces deux problèmes peuvent être résolus en utilisant une méthode unique décrite ici. Correctement gérée, l'utilisation de méthodes de forage de petit diamètre (c'est-à-dire des micropieux) peut considérablement réduire ces risques associés à la pénétration des aquifères artésiens. Une étude de cas est présentée, détaillant une application récente de cette approche appropriée à un projet de construction d'infrastructures de transport urbain nécessitant des fondations profondes à Richmond Hill, en Ontario. Des fondations profondes, sous la forme de micropieux liés au sol, construits avec un renfort supplémentaire pour être suffisamment rigides pour satisfaire aux exigences de l'ingénieur en structures, ont été avancées dans un aquifère artésien connu pour causer des problèmes. L'aquifère artésien qui sous-tend ce site présente une pression de tête de 2 mètres au-dessus du niveau du sol. Keller, qui travaillait à l'époque sous le nom de Geo-Foundations Contractors, a conçu et installé des micropieux à haute capacité, liés au sol, pour soutenir les nouvelles culées de pont. Les micropieux ont été intégrés avec succès dans l'aquifère artésien, sans aucun impact négatif pendant ou après leur construction. Chacun des 14 non. les micropieux ont été conçus pour une charge de compression axiale pondérée de 1070 kN et une charge de traction axiale pondérée de 325 kN. Les essais de vérification de la pré-production ont révélé des valeurs maximales d'adhérence entre le coulis et le sol de 364 kPa et de 421 kPa respectivement dans les culées nord et sud. Un procédé d'installation unique, connu sous le nom de coulis à 3) comme agent de rinçage, a été efficace pour contrer la tête artésienne potentiométrique sur ce site pendant et après l'installation des micropieux. Tous les pieux de production ont été avancés à leurs profondeurs cibles respectives dans les deux culées sans aucun lavage et sans aucun compromis sur la contrainte de liaison entre le coulis et le sol. Cet article fournit une description détaillée de la méthode de construction de micropieux à coulis continu et à coulis continu qui est convenablement sûre et appropriée pour l'installation de fondations profondes qui nécessitent la rupture de la couche de confinement d'un aquifère artésien. 1. INTRODUCTION An aquifer is typically defined as an underground layer of porous and permeable material such as fractured rock, gravel, sand, or silt within which water flows and is stored. An artesian aquifer is an aquifer confined by an impermeable confining cover and contains groundwater under positive pressure, as illustrated schematically in Figure 1.

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