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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014 VGS Presentation 1 Instrumented Becker Penetration Test for Liquefaction Assessment in Gravelly Soils Mason Ghafghazi 1 , PhD, PEng. Jason DeJong 2 , Professor Department of Civil and Environmental Engineering University of California Davis Vancouver Geotechnical Society November 12, 2014 1 [email protected] 2 [email protected] Outline Motivation Gravel and infrastructure Existing site investigation tools Becker Penetration Testing Instrumented BPT System Concept Equipment Results Correlation with SPT Field variability Review of Earlier Methods Harder and Seed (1986) Sy and Campanella (1994) Foundex mudinjection Becker Application in LADWP System Projects Ongoing and Future Work

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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014

VGS Presentation 1

Instrumented Becker Penetration Test for Liquefaction Assessment in Gravelly Soils

Mason Ghafghazi1, PhD, PEng.

Jason DeJong2, Professor

Department of Civil and Environmental Engineering

University of California Davis

Vancouver Geotechnical Society

November 12, 2014

1 [email protected] 2 [email protected]

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014

VGS Presentation 2

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

Engineering Infrastructure around Rivers

• Need for water, hydro‐electricity, and transportation brings us close to rivers

• River deposits often contain gravel

• Characterisation of gravelly soils has remained a challenge

• Liquefaction, dam foundations, bridge pier and pile design

Courtesy of LADWP

Cao et al. 2013

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VGS Presentation 3

Existing Site Investigation Tools

Medium Sand Coarse Sand Fine Gravel

CPT (10 cm2) CPT (15 cm2) SPT

35 mm 43 mm 35 mm 168 mm

Characterisation of Gravelly Soils

Medium Sand Coarse Sand Fine Gravel

CPT (10 cm2) CPT (15 cm2) SPT

35 mm 43 mm 35 mm

Courtesy of BC Hydro

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VGS Presentation 4

Characterisation of Gravelly Soils

Medium Sand Coarse Sand Fine Gravel Coarse Gravel

CPT (10 cm2) CPT (15 cm2) SPT Becker (closed ended)

35 mm 43 mm 35 mm 168 mm

Becker Penetration Test

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VGS Presentation 5

Interpretation of the Becker Penetration Test

Blow counts per foot

Account for effect of hammer energy

Correlate to more common penetration resistance

Account for shaft resistance

NBC , NB30

NB

SPT N60

Harder, 1997

Harder and Seed (1986)

• Manual counting and measurement of Bounce Chamber Pressure (BCP)

• Measured blow counts (NB) correction based on BCP to a reference line for “constant combustion condition”, providing NBC

• NBC values conversion to equivalent N60 values using empirical correlation

Harder, 1997

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VGS Presentation 6

Sy and Campanella (1994)

• Energy measurement by instrumenting the Becker pile below hammer

• Blow counts (NB) correction based on maximum energy delivered by the hammer to “constant hammer energy”, providing NB30

• Performing wave‐matching (CAPWAP) analysis on representative blows to estimate static shaft resistance (RS)

• NB30 conversion to equivalent N60

dependent on RS

Sy and Campanella, 1994

Current Practice

• Comparison of SPT and Becker Results at Stevens Creek Dam

CLAYEY SAND WITH GRAVEL

POORLY GRADED GRAVEL WITH SILT AND SAND

POORLY GRADED GRAVEL WITH SAND

WELL-GRADED GRAVEL WITH CLAY AND SAND

SILTY, CLAYEY SAND WITH GRAVEL

Dep

th (

ft)

(N1)60

S & C

H & S

SPT

Courtesy of Geopentech

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VGS Presentation 7

Current Practice

• Comparison of CPT, SPT, and Becker Results at Stevens Creek Dam

CLAYEY SAND WITH GRAVEL

POORLY GRADED GRAVEL WITH SILT AND SAND

POORLY GRADED GRAVEL WITH SAND

WELL-GRADED GRAVEL WITH CLAY AND SAND

SILTY, CLAYEY SAND WITH GRAVEL

Dep

th (

ft)

(N1)60

(N1)60 = 15 to 60

Courtesy of Geopentech

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

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VGS Presentation 8

instrumented Becker Penetration Test (iBPT) Concept

Energy absorbed by shaft resistance

Energy applied by hammer

Energy transferred to soil at the tip

instrumented Becker Penetration Test (iBPT) Concept

• Energy measurement performed at the tip, in addition to the above ground measurements

• BPT blow counts normalized based on measured energy delivered to the tip

Energy absorbed by shaft resistance

Energy applied by hammer

Energy transferred to soil at the tip

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VGS Presentation 9

instrumented Becker Penetration Test (iBPT) Concept

• Energy measurement performed at the tip, in addition to the above ground measurements

• BPT blow counts normalized based on measured energy delivered to the tip

• The effect of shaft resistance is automatically eliminated

Energy transferred to soil at the tip

iBPT Sections

• 2 ft (60 cm) long instrumented sections

• Sensors and DAQ modules housed inside• Four strain gages

• Two accelerometers

• Thermistor

• Shock absorption system included to protect electronics in the DAQ

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VGS Presentation 10

iBPT Control System

• Field control unit

• Records forces and accelerations above ground

• Records depth/displacement and BCP

• Detects impacts and times downhole DAQ module

• Collects and processes data to produce real‐time penetration resistance (NB , NB30 , N60 )

iBPT Field Process

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VGS Presentation 11

iBPT Field Performance

• The equipment has reached a commercial level performance with replaceable parts and minor maintenance

• No alteration to drilling equipment needed

• Using iBPT slows down normal closed ended Becker operation by ~ 10 %, slightly more than PDA

• More than 100 ft of testing with multiple pull‐backs possible per day

• Sounding logs produced daily and full reporting completed in weeks

• Reasonable cost thanks to students!

iBPT Data ‐Measurements

• Measurements of acceleration and force at head and tip

• Baseline correction done on acceleration and force

• Locked‐in residual force a unique aspect of measurements at the tip

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VGS Presentation 12

iBPT Data – Acceleration, Velocity, Displacement

-400

-200

0

200

400

600

-2

0

2

4

0 20 40 60 80 100Time (ms)

0

3

6

9

12

15

0 20 40 60 80 100Time (ms)

Head Section Tip Section

iBPT Data ‐ Energy

• Calculation of energy delivered by the hammer, and to the soil

• Energy normalized as percentage of nominal hammer energy (11.0 kJ)

0 20 40 60 80 100Time (ms)

0 20 40 60 80 100Time (ms)

0

20

40

60

-400

0

400

800

1200

Head Section Tip Section

FR

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VGS Presentation 13

iBPT Data Processing at Tip

• Elastic rebound in the soil

• Blow counts associated with average Dres per foot

• Elastic rebound reflected in energy as well

• Maximum energy (Emax) traditionally used for normalization

• Residual energy (Eres) is the correct measure for normalization

iBPT Data Analyser

• 2,000 to 20,000 files produced each day

• Recreate events and assign depth, displacement, and BCP

• Individual blow data processed and combined into per foot averages

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VGS Presentation 14

0 40 80 120 160 200NB

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 10 20 30 40 50 60Eres,Tip , Eres,Head (%)

0 20 40 60 80 100Eres,Tip / Eres,Head (%)

iBPT Output

iBPT Output

0 40 80 120 160 200NB

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 10 20 30 40 50 60Eres,Tip (%)

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VGS Presentation 15

iBPT Output

0 40 80 120 160 200NB

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 10 20 30 40 50 60Eres,Tip (%)

0 20 40 60 80 100 120 140NB30

Repeatability of iBPT Results

0 10 20 30 40 50Eres,Tip (%)

0 50 100 150 200 250NB

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 20 40 60 80 100NB30

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VGS Presentation 16

Hammer Energy Normalization

Shaft Resistance Effect

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VGS Presentation 17

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation

• Current focus on developing correlation with SPT N60

• Side by side boreholes to develop empirical correlation

• Gravel influence on SPT and field variability are main challenges

SPTiBPT

Sonic

3 - 6 mN60NB30

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VGS Presentation 18

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation ‐ Gravel Influence

• Evaluation of each SPT includes :

• Plotting of SPT blows per inch of penetration

• Evaluation of field/lab description of sample obtained in SPT

• Evaluation of field/lab description  of Sonic core from matching depth

• Consideration of percentage of gravel and maximum gravel size

• Consideration of SPT sample recovery

High Quality

Low Quality

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation ‐ Field Variability 

Depositional Architecture of a Braided River

Nichols, 2009

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VGS Presentation 19

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation ‐ Field Variability 

Courtesy of AMEC

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation : Field Variability 

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VGS Presentation 20

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation : Field Variability 

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation

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VGS Presentation 21

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100

SPT N60

iBPT NB30

Headworks West Reservoir

North Haiwee Dam

iBPT NB30 – SPT N60 Correlation

• Median values of high quality SPT N60  and associated median iBPT NB30 values used to develop correlation 

1.8 : 1+40%

‐40%

N60 = 1.8 NB30

iBPT Estimated N60

0 40 80 120 160 200NB , NB30

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 40 80 120 160 200N60

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VGS Presentation 22

iBPT Predicted N60

iBPT Summary

• Summary of steps in iBPT method to obtain equivalent N60 values

• Retrieve (automatically recorded) blow counts and compute the residual energy arriving at the tip (Eres)

• Use average Eres over 1 ft of driving to compute NB30

• Use correlation N60 = 1.8 NB30 to obtain equivalent N60

• Additional Measurements

• Dynamic force and acceleration above ground

• Bounce chamber pressure

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VGS Presentation 23

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

Harder and Seed (1986)

• Standardized equipment and procedures

• Bounce Chamber Pressure (BCP) used as proxy for maximum hammer energy

• Manual blow counting and measurement of BCP

• Measured blow counts (NB) corrected based on 

maximum BCP to a reference line for    

“constant combustion condition”, providing NBC

• NBC conversion to equivalent N60 values 

using empirical correlation

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VGS Presentation 24

Harder and Seed (1986)

• Manual blow counting and measurement of Bounce Chamber Pressure (BCP)

• Measured blow counts (NB) corrected based on maximum BCP to a reference line for “constant combustion condition”, providing NBC

1

10

100

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

NB

C

Bounce chamber pressure (psi)

NB

A

A

Harder and Seed (1986)

• Manual blow counting and measurement of Bounce Chamber Pressure (BCP)

• Measured blow counts (NB) corrected based on maximum BCP to a reference line for “constant combustion condition”, providing NBC

1

10

100

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

NB

C

Bounce chamber pressure (psi)

NB

NBC

A

A

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VGS Presentation 25

Harder and Seed (1986)

• NBC values then converted to equivalent N60 values using non‐linear relationship

Harder and Seed (1986)• Underlying mechanism

– Energy instead of BCP

– NB30 instead of NBC

• “Constant combustion condition” line is not a constant/reference energy, 

but reference to hammer operation at full throttle 

• 30% energy ≈ 17.5 psi BCP

• Can convert NBC to NB30

• Underlying tip/head energy transfer

built into the empirical correlation

1

10

100

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

NB

C

Bounce chamber pressure (psi)

A

A

Con

stan

t en

ergy

(~

30%

)

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VGS Presentation 26

0 20 40 60 80 100Delivered Energy Ratio ERT/H (%)

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Harder and Seed (1986)• The estimated Delivered Energy Ratio 

can be qualitatively plotted vs. depth

• Method works well, when actual DER is close to the implied DER

Under‐estimate N60

Over‐estimate N60

Harder and Seed (1986)• The estimated Delivered Energy Ratio 

can be qualitatively plotted vs. depth

• Method works well, when actual DER is close to the implied DER

0 20 40 60 80 100Delivered Energy Ratio ERT/H (%)

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

De

pth

(ft

)

Headworks West ReservoirNorth Haiwee DamStone Canyon Dam

Estimated (qualitative)Harder and Seed (1986)delivered energy ratio

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VGS Presentation 27

Harder and Seed (1986)

0 10 20 30 40BCP (psi)

0 40 80 120 160 200NB

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 20 40 60 80 100 120NBC

Harder and Seed (1986) ‐ Shaft Resistance Effect

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VGS Presentation 28

Harder and Seed (1986)

• Examples of the method working fairly well

Harder and Seed (1986)

De

pth

(ft)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180N60

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

• Examples of the method under or over‐estimating N60

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VGS Presentation 29

Sy and Campanella (1994)

• Theoretically rigorous method 

• Directly address shaft resistance

• Implementation of the method utilizes 

– Energy transferred to the top of the drill casing during driving as measured with a PDA system to compute an energy normalized blow count (NB30)

– Total static shaft resistance (Rs) along the drill string estimated by CAPWAP analysis or measured by a drill casing pull‐back test

static shaft resistance (RS)

Sy and Campanella (1994)

• Five pairs of representative BPT and SPT blow counts, both tests with energy measurements, were selected

• CAPWAP analyses were performed

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VGS Presentation 30

Sy and Campanella (1994)

• GRLWEAP models calibrated to match CAPWAP, including adjusting hammer efficiency to reproduce similar hammer energies to those observed in the field

• GRLWEAP analyses performed by removing the shaft resistances, and the displacements computed were converted to NB30 values to generate a zero shaft resistance curve (Rs = 0) 

Sy and Campanella (1994)

• Additional GRLWEAP analyses by assigning different levels of static shaft resistance Rs to generate a range of curves

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VGS Presentation 31

Sy and Campanella (1994)• The Rs = 0 is in concept comparable to the iBPT Correlation

• The slope of the Rs = 0 line is 2.5:1.0 while the iBPT correlation in 1.8:1.0

• Note: iBPT uses residual energy, while Sy and Campanella use maximum energy 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100

SPT N60

iBPT NB30

Headworks West Reservoir

North Haiwee Dam

Rs = 0

1.8 : 1

+40%

‐40%

Sy and Campanella (1994)

Dep

th (

ft)

• Comparison between CAPWAP analyses by different companies

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VGS Presentation 32

Sy and Campanella (1994)

0 40 80 120 160 200N60

0 100 200 300 400 500Rs (kN)

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Sy and Campanella (1994)

• Comparison between CAPWAP analyses by different companies

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VGS Presentation 33

Sy and Campanella (1994)

Sy and Campanella (1994)

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VGS Presentation 34

Foundex Mud‐injection Becker

Sy and Lum, 1997

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100

SPT N60

iBPT NB30

Headworks West Reservoir

North Haiwee Dam

Sy and Lum, 1997

Foundex Mud‐injection Becker

• Note: iBPT correlation is obtained with residual energy, while Sy and Lum (1997) data use maximum energy (ENTHRU)

1.8 : 1+40%

‐40%

N60 = 1.8 NB30

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VGS Presentation 35

Note: Maximum and Residual Energies above Ground

0 20 40 60 80 100Time (ms)

0

20

40

60

En

erg

y (%

)

-400

0

400

800

1200

F, V

Z (

kN

)

Head Section

Emax ,ENTHRU

Eres

• Difference between Emax and Eres due to:

– Soil rebound

– Pile rebound

• Increasing trend with

– Penetration resistance (e.g. NB30)

– Depth

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

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VGS Presentation 36

LA Department of Water and Power System

• LADWP largest municipal utility in USA

• Serves 4.0 million people

• 465 square mile service area

• 215 billion gallons annual water supply

Courtesy of LADWP

Courtesy of LADWP

• Post liquefaction differential settlements are main design concern

• 12 iBPTs (907 linear ft, 12 days) performed in clusters with rotary wash w/SPT, and sonic soundings

• Field variability and gravel influence on SPTs were main challenges

Field TestingHeadworks West Reservoir

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VGS Presentation 37

Courtesy of LADWP

Field TestingNorth Haiwee Dam

• Liquefaction susceptibility of foundation alluvium is the main design concern

• 10 iBPTs (813 linear ft, 9 days) performed in clusters with rotary wash w/SPT, CPT, and sonic soundings

• Relative horizontal uniformity and minor gravel influence on SPTs

Field TestingLower Stone Canyon Dam

• Cyclic softening / liquefaction of foundation alluvium main concern

• 8 iBPTs (546 linear ft, 1102 drilling ft, 12 days) performed in clusters with rotary wash w/SPT, CPT, and sonic soundings

• Highly interlayered alluvial deposit with clays and gravel‐sized particles of slate origin

UCLA

Los Angeles

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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014

VGS Presentation 38

Outline

• Motivation 

– Gravel and infrastructure

– Existing site investigation tools

– Becker Penetration Testing

• Instrumented BPT System

– Concept

– Equipment

– Results

• Correlation with SPT

– Field variability

• Review of Earlier Methods

– Harder and Seed (1986)

– Sy and Campanella (1994)

– Foundex mud‐injection Becker

• Application in LADWP System

– Projects

• Ongoing and Future Work

Ongoing and Future Work

• More projects planned: Bouquet Canyon Dam, 250 ft Channel Dam

• Correlation between iBPT and CPT

• Investigation into behaviour of gravelly materials

• Application as Retrievable Test Pile (RTP)

– Multiple modules along the pile

– Four sites with pile load tests

• Wave equation analyses and development of new models

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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014

VGS Presentation 39

Project Summary

• iBPT completes the geotechnical engineering site investigation toolbox by extending reliable measurements to gravelly soils

• The equipment has reached commercial level performance with replaceable parts and automated data processing

• The energy normalization framework for dynamic penetration tests has been improved by replacing the maximum energy (Emax) with the residual energy (Eres)

• A linear correlation exists between iBPT NB30 and SPT N60 values; N60 = 1.8 NB30

• iBPT implementation continues with 2250 ft of testing completed over 30 soundings to date, and more planned

ReferencesExisting Publications

• Ghafghazi M., DeJong J.T., Sturm A.P., Wilson D.W., Davis C., Perez A., and Armstrong R. 2014. Characterization of gravelly soils for liquefaction potential assessment at dam sites using the iBPT. United States Society on Dams, Annual Meeting and Conference, San Francisco, California. 

• Ghafghazi M., Thurairajah A., DeJong J.T., Wilson D.W., and Armstrong R. 2014. Instrumented Becker Penetration Test for improved characterization of gravelly deposits. Geo‐Characterization and Modeling for Sustainability, ASCE G‐I Geo‐Congress, Atlanta, Georgia.

• DeJong J.T., Ghafghazi M., Sturm A.P., Armstrong R., Perez A., Davis C. 2014. A new instrumented Becker Penetration Test (iBPT) for improved characterization of gravelly deposits within and underlying dams. The Journal of Dam Safety, Association of State Dam Safety Officials, 12(2).

Upcoming Publications

• DeJong J.T., Ghafghazi M., Sturm A.P., Wilson D.W, denDulk J., Perez A., and Davis C. 2014. Instrumented Becker Penetration Test: Equipment, operation, and performance. In preparation for Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE.

• Ghafghazi M., and DeJong J.T. 2014. Application of SPT and instrumented Becker Penetration Test for liquefaction assessment in gravelly soils. In preparation for Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE.

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Mason Ghafghazi & Jason DeJong 11/12/2014

VGS Presentation 40

Acknowledgements

• Academic Advisor: 

– Professor Jason DeJong

• Funding provided by:

– Los Angeles Department of Water and Power

– California Division of Safety of Dams

– California Department of Transportation

• Collaborators: 

– AMEC, URS, GeoPentech

• UC Davis graduate students: 

– Dr. Aran Thurairajah

– Kevin Kuei

– Jon Pearson

– Alex Sturm

– Chase Temple 

Thank you!