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ADSC RESEARCH PROJECT UPDATE: ROCK SOCKETS IN THE SOUTHEASTERN U.S.

W. Robert Thompson, III, P.E., D.GEDan Brown and Associates, PC

Montgomery, Alabama

Introduction

• Research project sponsored by ADSC SE Chapter

• Rock‐socketed drilled shafts

• Aim to improve:

• Design methods

• Cost‐efficiency 

• Involve designers, contractors, owners (DOTs)

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Current Practice in Southeast

• Allowable Unit Base Resistance of 60 to 120ksf (maybe up to 200ksf)

• Design for base resistance only 

• Inspected by probe hole drilled in base of socket

• If seams found, excavation continues until inspector satisfied “sound rock” is below shaft

• Lawrenceville – Rock defined as Rock Auger Refusal = 2in/5min with LLDH rig

Test Program

• Two sites tested to date

• Nashville, Tennessee

• Hard Limestone (sometimes solutioned)

• Birmingham, Knoxville, Chattanooga

• Lawrenceville, Georgia (Metro Atlanta)

• Metamorphic rock (Gneiss, Schist, etc.)

• Piedmont Formation – Georgia to Virginia

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Test Program

• Thorough Subsurface Explorations

• Two test shafts at each site

• O‐Cell testing device

• Inspected by local geotechs

• Conducted field day with local ASCE/G‐I Technical Group

Nashville Site

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-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90

RQD, %

Dep

th B

elo

w T

op

of

So

cket

Test Shaft 2 RQD

Test Shaft 1 RQD

Rock Core RQD ‐

Nashville

qu = 5,000 to 20,000 psi

• 48in core barrel to excavate limestone sockets (16ft)

• Mechanical cleaning only

• Inspectors consensus:

• TS 1 had 3in to 4in soil seam 19in below base

• Shaft should have been extended

• TS 2 no significant seams

• Typical conditions sought

• Both shafts needed additional cleaning

• Significant concrete overrun in TS 2

Construction ‐ Nashville

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• Test Shaft 1 best for side resistance

• Fully mobilized side resistance vs Test Shaft 2

• No overrun on concrete to complicate interpretation

• Fully mobilized at small displacement: 1 % of dia. (~0.2in)

Unit Side Resistance ‐ Nashville

Unit Side Resistance ‐ Nashville

0

5

10

15

20

25

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2%

Un

it S

ide R

esis

tan

ce, ksf

Displacement/Diameter, %

Unit Side Resistance vs Normalized Upward O-Cell Displacement

Nominal Dia = 48" Nominal Dia = 52.5"

~ 0.2in

Test Shaft 1

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Unit Base Resistance ‐ Nashville

• Displacements about 1% of loaded area

(B = 39in for TS 1; B = 29in for TS 2)

• Inspections indicated soil seam 19in below TS 1

(10% of B approx. 0.5B below shaft base )

• Maximum unit base resistance

• TS 1 = 500 ksf

• TS 2 = 1250 ksf

Unit Base Resistance ‐ Nashville

-2

-1.75

-1.5

-1.25

-1

-0.75

-0.5

-0.25

00 250 500 750 1000 1250

Dis

pl/D

ia, %

Bearing Pressure, ksf

Unit Base Resistance vs Normalized Downward O-Cell Displacement

Test Shaft 1

Test Shaft 2

E=536ksi (1%)

E=235ksi (1%)

E=630ksi (0.5%)E=335ksi (0.5%)

~ 0.5in (D =39in)~ 0.3in (D =29in)

Soil seam beneath TS 1?

E

qBs

2179.0

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Implications ‐ Nashville

• “Sound Rock”: conditions similar to Test Shaft 2

• 1 or 2 small seams <  ½ inch thick

• Allowable unit base resistance = 500ksf

• “Fair Rock”: conditions similar to Test Shaft 1

• soil‐filled seams up to 10%B, at depths > ½ B

• Allowable unit base resistance = 200 ksf

• Displacement approx. 0.5%B

(1/4 to 3/8 inch for B = 4 to 6 ft)

Implications ‐ Nashville

• Side resistance not factor in “Sound Rock” for typical designs (when socket not needed for lateral)

• Utilizing side resistance in “Fair Rock” conditions may be prudent 

• When socket > 10ft to “find” base resistance

• Use lower base resistance + side resistance

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Lawrenceville Site

Construction ‐ Lawrenceville

• TS 1 – Test side and base resistance of 40.5in rock socket

• Started with core barrel, completed with rock auger

• Penetration = 4 to 6.5in/min – not “Rock Auger Refusal”

• TS 2 – Test base resistance at “Rock Auger Refusal” with 66in socket and 19in O‐cell

• Drilled with rock auger

• Two distinct zones of PWR

• Penetration = 3in/5min – not “Rock Auger Refusal”

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Rock Core RQD ‐ Lawrenceville

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dep

th B

elo

w T

op

of

So

cket

(S

haf

t 1)

or

PW

R (

Sh

aft

2),

(ft)

RQD, %

Test Shaft 1 Test Shaft 2

qu = 7,000 to 11,000 psi

Test Shaft 1 ‐ Lawrenceville

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Test Shaft 2 ‐ Lawrenceville

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Un

it S

ide

Re

sis

tan

ce

, k

sf

Displacement/Diameter, %

Unit Side Resistance vs Normalized Upward O-Cell Displacement

PWR - Shaft 1 - Nominal Dia = 42"

ROCK - Shaf t 1 - Nominal Dia = 40.5"

PWR - Shaft 2 (19-35ft) - Nominal Dia = 66"

PWR - Shaft 2 (35-42.5) - Nominal Dia = 66"

Unit Side Resistance ‐ Lawrenceville

Shaft 1 ~0.2in

Shaft 1 ~0.6in

Shaft 2 ~0.3in

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0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Un

it S

ide

Re

sis

tan

ce

, k

sf

Displacement/Diameter, %

Unit Side Resistance vs Normalized Upward O-Cell Displacement

PWR - Shaft 1 - Nominal Dia = 42"

ROCK - Shaf t 1 - Nominal Dia = 40.5"

PWR - Shaft 2 (19-35ft) - Nominal Dia = 66"

PWR - Shaft 2 (35-42.5) - Nominal Dia = 66"

Unit Side Resistance ‐ Lawrenceville

0.3in

Unit Base Resistance ‐ Lawrenceville

~ 2in

~ 1.6in

E

qBs

2179.0

TS 2 in softer rock

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Implications ‐ Lawrenceville

• Terminated in material that did not meet local criteria for rock: “rock auger refusal”.

• Nominal/ultimate unit base resistance significantly greater than current design limits.

• High nominal/ultimate unit side resistance can be achieved.

Implications ‐ Lawrenceville

• Formed committee

• Atlanta area practitioners, ADSC Southeast Chapter, and the researchers

• Reviewed results, local practice

• Identified key considerations for applying results

• Developed recommended design values

• Developed specific criteria to be met

• RQD, penetration rate, inspection criteria

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Conclusion

• Tests demonstrated:

• High nominal base and side resistance

• Higher design values than have historically been used can easily be achieved

• Less than “perfect” conditions exceed current design values

• Design guidelines are suggested to provide more economical use of drilled shaft foundations in the two markets.  

Conclusion

• Site‐specific criteria are provided to apply test results.

• ALWAYS have a thorough site investigation

• Inspection program to confirm the findings of the site investigation. 

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Conclusion

• Reports available:

• Expo Proceedings

• http://danbrownandassociates.com/publications

• Many thanks go out to:

• ADSC Member Firms and Suppliers

• Participating Geotechnical Firms

• Loadtest, Inc.

• Individuals

Questions?