Pile Design Against Frost-heave for Lightly Weighted Structures in Northern Regions

Greg Qu

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: Pour les pieux supportant des structures légèrement lestées dans les régions du nord, la charge de soulèvement due au gel régit souvent la conception du pieu là où un dépôt sensible au gel est rencontré. Avec la croissance rapide des parcs solaires et d'autres structures de faible poids au Canada, des pannes de relevage par le gel des pieux ont été rencontrées et signalées récemment. D'autre part, en tant qu'examinateur indépendant, l'auteur a constaté que certaines conceptions de pieux contre le soulèvement par le gel semblent trop conservatrices et augmentent inutilement le coût des pieux. Les facteurs contribuant à ces problèmes comprennent (1) le manque de compréhension approfondie du mécanisme de soulèvement par le gel, (2) l'incohérence dans les lignes directrices actuelles concernant le stress dû au soulèvement par le gel de différentes autorités, (3) des facteurs de résistance géotechniques choisis de manière inappropriée. L'objectif de cet article est de présenter la pratique de conception de pointe pour les pieux contre le soulèvement du gel afin de parvenir à une solution d'ingénierie rentable et sûre. Les éléments clés de la conception comprennent l'ampleur de la contrainte due au gel, la profondeur du gel, la combinaison de charges et les facteurs de résistance géotechnique associés. La première section de cet article a passé en revue la littérature concernant le mécanisme de soulèvement par le gel ainsi que les données des essais sur le terrain précédents. Un tableau de conception a été proposé pour caractériser le stress de soulèvement dû au gel propre au site, conformément aux résultats des travaux de recherche et des études en cours. La section suivante a examiné l'approche d'évaluation de la profondeur de gel et a illustré l'impact de la période de retour choisie de l'indice de gel hivernal sur la profondeur de gel calculée. Suite à cela, le document a fourni des recommandations pour une combinaison de charges appropriée pour vérifier la charge de gel et les facteurs de résistance géotechnique associés à utiliser selon les conditions spécifiques au projet, y compris le programme d'enquête sur le terrain, le type de pieu, le type de gréement pour pieux et QA / QC programme.

ABSTRACT: For the piles supporting lightly weighted structures in northern regions, the frost heave load often governs the pile design where frost susceptible deposit is encountered. With the fast growth of solar farms in Canada, pile frost jack-up failures were encountered and reported more frequently in recent years. On the other hand, as an independent reviewer, the author found that some pile design against frost heave appeared overly conservative and unnecessarily increased the cost of piling. The factors contributing to these issues include (1) lack of in-depth understanding of frost heave mechanism, (2) inconsistency in the current guidelines regarding frost-heave stress from different authorities, (3) inappropriately selected geotechnical resistance factors. The objective of this paper is to evaluate the state-of-the-art design practice for piles against frost heave in order to achieve a cost-effective and safe engineering solution. The key components in the design include frost stress magnitude, frost depth, load combination selection and associated geotechnical resistance factors. The first section of this paper presents a literature review of the frost heave mechanism and the historical field test data. A design table is proposed to characterize the site-specific frost-heave stress as per the available research work and studies. The next section reviews the approach to determine frost depth and illustrates the impact of the chosen return period of winter freeze index to the calculated frost depth. Following this, the paper recommends a suitable load combination for the frost heaving case and the geotechnical resistance factors for helical piles and driven piles as per the project-specific conditions.

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