The rotational stiffness and watertightness of RD pile walls in the bedrock and pile interface

Abstract

There is a need to increase knowledge about support of the base of the wall when piles are drilled into bedrock. Due to the drilling and installation method, there is a small gap between the piles and the bedrock. This gap is generally filled with drill cuttings or soil. The gap can also be grouted with an RM/RF interlock, another injection channel or from inside the pile. The objective of this study is to determine the rotational stiffness of the base of the pile wall both theoretically and in practice at a test site. The second objective is to determine the effect of grouting on the watertightness of the bedrock drilling hole. The material in the gap must be established when the gap is not grouted to have data for watertightness and rotational stiffness calculations. In this study, different grouting methods are tested to determine optimal grouting practices. The study creates data to develop the RD pile wall design and installation manual and make it more specific. The manual will help designers choose optimal pile size, guide in calculations of stresses on the wall and anchors by taking into account the rigidity of the lower end of the wall and give guidance for estimating the watertightness of the wall. To verify watertightness, single piles were tested, with two pieces of pile with different grouting methods. The water pressure on each pile was increased in a step-by-step fashion. Between each step, tap was shut down and pressure kept in place. Both water consumption and the drop in pressure were documented. To calibrate leakage and pressure loss, the same test was executed for bedrock hole and also for the plain hose and other equipment. The water leakage across the gap was calculated. The test was performed after all soil was excavated above the bedrock to prevent soil from affecting the watertightness measurements. Samples of grout, bedrock, and drill cuttings were collected to determine their material properties. To determine rotational stiffness, a horizontal load test was implemented on single piles excavated up to the bedrock. The other way rotational stiffness was verified was through FEM calculations. The calculations and site tests shed light on when the joint has to assumed to be nominally pinned and when rigid or semi-rigid in the structural calculations of an RD pile wall. The calculations also showed the dependency on bedrock drilling depth and rigidity. Main conclusion concerning rigidity was that piles with grouted gaps were quite rigid. The other result was that both stiffly grouted connections and also less stiff clay in the gap connection did reduce displacement of the wall and therefore smaller pile sizes may be used or rock anchor quantity or size may be reduced. Dense drill cuttings improved watertightness significantly. Where there were not dense drill cuttings in the gap, water consumption was roughly 50 times greater than when dense drill cuttings were present. According to the measurements, piles with grouting had slightly better watertightness than piles that had dense drill cuttings in the gap. Both material types did not fail at a pressure of 10 bar.

Porapaalujen tukeutuminen kallioon poratessa kaipaa lisätietämystä. Poraamismenetelmästä johtuen paalujen ja kallion väliin jää pieni rako. Yleensä rako täyttyy porasoijalla tai maa-aineksella. Rako voidaan myös injektoida käyttäen RM/RF lukkoa, erillistä injektointi kanavaa tai injektoida paalun sisältä käsin. Tässä tutkimuksessa tavoite on määrittää paaluseinän juuren kiertojäykkyys sekä teoreettisesti tarkastellen että käytännössä koetyömaalla. Toinen tavoite on määrittää porareiän injektoinnin vaikutus seinän vesitiiveyteen. Porareiän raon materiaali injektoimattomissa seinissä täytyy määrittää, että saadaan tarvittavaa tietoa vesitiiveyden ja kiertojäykkyyden laskentaan. Työssä testataan erilaisia injektointimenetelmiä jotta löydetään optimaalisin injektointi käytäntö. Tutkimus luo yksityiskohtaisempaa tietoa RD porapaalu seinän suunnittelu ja asennus ohjeeseen. Ohje auttaa suunnittelijaa valitsemaan optimaalisen paalukoon, ohjeistaa miten seinän alapään vaikutus otetaan huomioon seinän ja ankkureiden mitoituksessa ja ohjeistaa seinän vedentiiveyden arvioinnissa. Veden tiiveyden määrittämiseksi kaksi jokaista eritavoin injektoitua paalua testattiin. Paalut testattiin portaittain kasvavalla vedenpaineella. Portaiden välissä veden tulo katkaistiin ja paine jätettiin paaluun. Vesimenekki ja painehäviö mitattiin paaluista. Todellisen vesimenekin ja painehäviön arvioimiseksi mitattiin kallio reikä ja pelkän letkujen, mittareiden ja liitosten vastaavat arvot. Hävikkien perusteella saadaan kallioraon kautta kulkeutuvan vesimenekin määrä. Testi suoritettiin kallion päällä olevien maiden kaivuun jälkeen, jotta maaperä ei vaikuttaisi vesitiiviysmittauksiin. Injektoinnin, kallion ja porasoijan näytteiden avulla tutkittiin materiaali ominaisuuksia. Kiertojäykkyyden määrittämiseksi vaakavoima kuormituskoe tehtiin yksittäisille kallioon poratuille paaluille. Maat poistettiin ennen koetta. Kiertojäykkyys määritettiin toisaalta FEM-laskennan avulla. Testit ja laskelmat antoivat tietoa liitoksen määrittämiseen milloin liitos määritetään jäykäksi niveleksi tai osittain jäykäksi RD paalu seinän rakenteellisessa mitoituksessa. Laskelmat esittävät myös kallioporaus syvyyden vaikutuksen kiertojäykkyyteen. Tärkein päätelmä jäykkyydestä oli että injektoitu rako kallioreiässä teki paaluista melko jäykkiä. Toinen tulos oli, että sekä jäykkä injektoitu liitos että vähemmän jäykkä savea raossa liitos vähensivät siirtymää seinässä ja siten mahdollisesti pienempää paalukokoa voidaan käyttää tai kallioankkureiden määrää tai kokoa voi vähentää. Tiivis porasoija paransi vesitiiveyttä merkittävästi. Tapauksessa jossa kallioreiän raossa ei ollut tiivis porasoija, vesimenekki oli noin 50-kertaa suurempi kuin tiiviin porasoijan tapaus. Injektoidut paalut olivat mittausten mukaan hieman vesitiiviimpiä kuin tiiviin porasoijan tapaukset. Kumpikaan materiaalityyppi ei rikkoutunut edes testatussa 10 baarin paineessa.