EXAMENSARBETE
Modell för lerans odränerade
skjuvhållfasthet i anslutning till Göta älv
Magnus af Petersens
2013
Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik
Luleå tekniska universitet
Modell för lerans odränerade skjuvhållfasthet i
anslutning till Göta älv
FÖRORD
Detta examensarbete avslutar min utbildning inom Väg och Vattenbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Under delar av mitt andra och framförallt mitt tredje läsår initierades ett stort intresse för ämnet geoteknik. Detta inledningsvis tack vare en oerhört engagerad och stimulerande undervisningskår vid avdelningen för geoteknologi och sedermera en extremt givande och trevlig praktikplats på geoteknikavdelningen på SWECO Infrastructure AB i Göteborg.
När jag under våren 2010 fick frågeställningen gällande hur lerans odränerade hållfasthet påverkats av erosionen i Göta älvdalen presenterad för mig blev jag genast väldigt intresserad. Jag såg en enorm möjlighet att bilda mig kunskap om allt ifrån lokalkännedom till hållfasthetsteori och släntstabilitet. Min känsla var även att möjlighet fanns till att komma fram till något konkret vilket lockade ytterligare.
Det finns en rad människor som varit till stor hjälp och stöd under arbetets gång. Jag vill framförallt rikta ett stort tack till initiativtagare, handledare och blivande arbetsgivare, Urban Högsta som gav mig möjligheten att genomföra detta arbete och som trots ständigt hög arbetsbelastning har kunnat stötta och diskutera kring problem och frågeställningar. Jag vill även tacka Ola Skepp och Dr. Malin Sundsten för allt stöd och självfallet resterande delar av gruppen i Göteborg bidragit till en konstant, hög arbetsmoral. Vidare vill jag tacka Per-Evert Bengtsson på Statens geotekniska institut som bidragit med ovärderlig information, erfarenhet och kunskap. Universitetslektor Tommy Edeskär som varit handledare och examinator på universitetet vill jag rikta ett stort tack till som hela tiden bidragit med givande synpunkter. Slutligen vill jag tacka min flickvän, Maria och alla ni fantastiska människor som gjort de här senaste åren till nära fem helt oförglömliga år. Ett rasande stort TACK!
SAMMANFATTNING
Vid stabilitetsutredningar som utförs i anslutning Göta älv och även andra vattendrag uppkommer ofta frågeställningen hur lerans odränerade skjuvhållfastheten skall modelleras i en övergångszon mellan land- och vattenområde. Denna frågeställning är relativt outforskad och få publikationer och riktlinjer finns tillgängliga. Geotekniska fältundersökningar blir ofta
kostsamma inom vattenområden vilket mestadels resulterar i ett begränsat
undersökningsunderlag. Dessa nämnda faktorer resulterar i att den odränerade skjuvhållfastheten modelleras på relativt uppskattade grunder vilket i slutändan resulterar i en missvisande totalsäkerhetsfaktor.
Syftet med examensarbetet har varit att med hjälp av resultat från geotekniska undersökningar och den geologiska historian föreslå en modell för hur den odränerade skjuvhållfastheten bör modelleras i den rubricerade övergångszon. Inom södra Göta älvdalen har geotekniska undersökningar analyserats i fem sektioner som samtliga är belägna inom Göteborgs kommungränser. Dessa undersökningar omfattar förutom uppmätta hållfasthetsvärden även konsolideringsförhållanden och materialegenskaper. Resultatet av dessa undersökningar visar att de ytligaste sedimenten i älvbotten har en markant lägre odränerad skjuvhållfasthet än på motsvarande nivå inom landområdet. Den odränerade skjuvhållfastheten inom älvområdet ökar därunder ickelinjärt för att på ett djup under älvbotten som i stort sätt motsvarar det rådande vattendjupet nå landområdets hållfasthetsnivå på motsvarande nivå. Vidare följs sedan älv- och landhållfastheten åt mot djupet.
En rad empiriska beräkningar har utförts och jämförts med de olika geotekniska undersökningarna för att undersöka hur väl det odränerade skjuvhållfasthetsförhållandet kan uppskattas och då främst det område under älven med lägre hållfasthet. Det har visat sig att
den empiriska uppskattningen kräver kunskap gällande framförallt
konsolideringsförhållandena och spänningsförändringarna som den av- respektive pålastning som skapats under Göta älvdalens geologiska historia.
Vidare har en enklare spänningsanalys utförts i FEM-programmet Plaxis för att illustrera vilka effektivspänningsförändringar och spridningseffekter en av- respektive pålastning medför i en homogen lera. Resultatet visar framförallt att spridningseffekter uppkommer i sidled vid både på- och avlastning.
Slutligen utfördes även en generaliserad stabilitetsanalys för att påvisa hur olika sätt att modellera den odränerade skjuvhållfastheten påverkar totalsäkerhetsfaktorn. Denna analys resulterade i att en markant högre totalsäkerhetsfaktor erhölls för den modell där hållfastheten modellerades enligt de uppmätta resultaten än några av de vanligt förekommande modeller som tidigare använts i utredningar.
Det kan till sist noteras att osäkerheten gällande hållfasthetsförhållandet inom älven i många fall resulterat i ett konservativt sätt att modellera den odränerade skjuvhållfastheten där konsekvensen blivit en underskattad totalsäkerhetsfaktor.
ABSTRACT
A common issue in stability analyses preformed in connection to Göta River and other watercourses is how the undrained shear strength of the clay should be modeled in transition between land and river. This issue is in Sweden relatively unexplored and only a few guidelines and publications are available regarding the subject. Furthermore, geotechnical field investigations are relatively expensive when preformed in the water areas which results in a limited surveyed data. The consequence of these aforementioned factors frequently creates underestimated, undrained shear strength. This will eventually result in a misleading overall safety factor in the analysis.
The aim of the thesis has been to suggest a model of how the undrained shear strength should be modeled in the labeled transition zone, based on a large amount of geotechnical surveys and the geological history. Geotechnical investigations have been studied in five sections in the southern region of the Göta River. These studies include measured; undrained shear strength, consolidation conditions and basic material properties of the clay. The results of these studies show that the shallow sediments in the river bed, has significantly lower undrained shear strength than the corresponding level at the shore. The clay layer which has this lower shear strength corresponds to the actual water depth. In deeper areas of the river bed the shear strength is similar from land to the river area. The undrained shear strength seems to have a parable increment in this clay layer with lower shear strength.
Several empirical calculations have been performed and compared to the geotechnical surveys to examine how well the undrained shear strength can be estimated, primarily the area of the river bed with lower strength. It has been shown that the empirical estimation requires a lot of knowledge, in particular consolidation conditions and stress distribution as a result of loading and unloading.
Furthermore, a simple stress analysis has been performed in Plaxis to illustrate the effective stress distribution as well as the stress dispersion as a result of loading and unloading in an homogeneous clay. The result shows in particular that the stress dispersion effects arising collaterally at both loading and unloading.
A generalized stability analysis was executed to reveal how the different ways to model the undrained shear strength affects overall safety factor. This analysis resulted in a significantly higher overall safety factor, when the undrained shear strength was modeled according to the measured results than how it has been modeled in many previously investigations.
It may finally be noted that the uncertainties regarding how the undrained shear strength should be modeled in many cases has resulted in a conservative way to model the undrained shear strength. in which the consequence has been an underestimated overall safety factor.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING ... 1 1.1 Syfte... 1 1.2 Mål... 1 1.3 Frågeställning ... 1 1.4 Avgränsningar ... 2
2 GEOLOGI I GÖTA ÄLVDALEN ... 4
2.1 Områdesbeskrivning ... 4
2.2 Geologi i området ... 4
2.3 Bildningsmiljöer och utveckling från isavsmältning till idag ... 6
2.4 Erosionsprocessen ... 10
3 GEOTEKNISKA PARAMETRAR ... 12
3.1 Grundläggande begrepp... 12
3.2 Kohesion och friktion ... 13
3.3 Spänningar i jord ... 13 3.4 Porvattentryck... 14 3.5 Konsolideringsgrad... 14 4 HÅLLFASTHET... 15 4.1 Brottyper ... 15 4.2 Brottkriterium ... 15 4.3 Odränerad skjuvhållfasthet ... 17 4.4 Bestämning av skjuvhållfasthet ... 19 4.5 Korrektionsfaktorer ... 19 4.6 Hållfasthetsanistropi ... 20 4.7 Empiriska relationer ... 21
5 FÄLTUNDERSÖKNINGS- OCH LABORATORIEMETODER... 23
5.1 CPT-sondering... 23 5.2 Vingförsök ... 25 5.3 Kolvprovtagning ... 26 5.4 CRS-försök ... 27 5.5 Direkt skjuvförsök ... 30 6 FÖRSÖKSLOKALER ... 33 6.1 Introduktion ... 33 6.2 Sektion A ... 35 6.3 Sektion B ... 41 6.4 Sektion C ... 48 6.5 Sektion D ... 52 6.6 Sektion E... 58 6.7 Sammanfattning av mätresultat ... 63 7 STABILITETSMODELLERING ... 65 7.1 Introduktion ... 65 7.2 Allmänt om släntstabilitet... 66 7.3 Allmänt om SLOPE/W ... 67
7.4 Beräkning... 69
7.5 Sammanfattning... 76
8 SPÄNNINGSMODELLERING MED PLAXIS... 79
8.1 Introduktion ... 79 8.2 Indata ... 81 8.3 Geometri ... 81 8.4 Beräkning... 82 9 ANALYS... 87 9.1 Introduktion ... 87 9.2 Förkonsolideringstrycket, σ´c... 87
9.3 Uppmätt odränerad skjuvhållfasthet ... 88
9.4 Empiri ... 91
9.5 Relationen mellan σ´coch cu... 93
9.6 Spänningsanalys ... 94 9.7 Stabilitetsanalys ... 94 10 SLUTSATS ... 97 10.1 Fortsatta studier... 97 REFERENSER... 98 BILAGOR ... 100
PARAMETRAR OCH BETECKNINGAR Romerska bokstäver
A Area [m2]
c Kohesion vid brottlinje i Mohr-planet [kPa]
c’ Effektivt kohesionsintercept vid brottlinje i Mohr-planet [kPa]
cu Odränerad skjuvhållfasthet [kPa]
cu,inc Odränerad skjuvhållfasthetstillväxt [kPa/m]
cv Kompressionskoefficient [m2/s]
E Youngs styvhetsmodul [kPa]
Einc Styvhetsmodultillväxt[kPa]
Eoed Ödometermodul [kPa]
F Kraft [N]
Fc Totalsäkerhetsfaktor vid odränerad analys [-]
Ff Säkerhetsfaktor för kraftjämviktsekvation [-]
Fkomb Totalsäkerhetsfaktor vid kombinerad analys [-]
Fm Säkerhetsfaktor för momentjämviktsekvation [-]
ft Total mantelfriktion vid CPT-sondering[Mpa]
g Tyngdacceleration [m/s2] G Skjuvmodul [kPa] h Höjd [m] k Permeabilitet [m/s] K0 Vilojordtryckskoefficient [-] m Massa [kg] mg Massa, porgas [kg]
ms Massa, fast material [kg]
mw Massa, porvatten [kg]
M Kompressionsmodul [kPa]
Mstång Totalt motstånd vid vingförsök [-]
Mtotal Stångfriktionens motstånd vid vingförsök [-]
N Normalkraft [N]
qt Totalt spetstryck vid CPT-sondering [MPa]
Rft Friktionskvot [-]
Δs Horisontalrörelse [m]
u Porvattentryck [kPa]
V Volym [m3]
Vg Volym, porgas [m3]
Vp Porvolym [m3]
Vs Volym, fast material [m3]
Vw Volym, vatten [m3]
w Vattenkvot [%]
wL Konflytgräns [%]
wp Plasticitetsgräns [%]
Förkortningar
CPT Cone Penetration Test
CRS Constant Rate of Strain
GH88 Göteborgs lokala höjdsystem, bildat 1988
IVA Ingenjörsvetenskapsakademin
LTU Luleå tekniska universitet
NGI Norges Geotekniske Institut
OCR Over Consolidation Ratio
SGF Sveriges geotekniska förening
SGI Sveriges geotekniska institut
SWEREF Swedish Reference Frame
Grekiska bokstäver δ delta ε Normaltöjning [%] εe Elastisk töjning [%] εp Plastisk töjning [%] γI Tunghet [kN/m3] γII Skjuvdeformation [-]
γsat Vattenmättad tunghet [kN/m3]
μI Friktionskoefficient [-]
μII Korrektionsfaktor för ving- och fallkonförsök med avseende på wL
ν Tvärkontraktionstal [-]
ρw Densitet, vatten [t/m3]
σ Totalspänning [kPa]
σ’ Effektivspänning [kPa]
σ’c Förkonsolideringstryck [kPa]
σ’h Horisontal effektivspänning [kPa]
σ’v Vertikal effektivspänning [kPa]
σ1, σ2, σ3 Huvudspänningar (största, mellersta och minsta totalspänningen) [kPa]
σ’1, σ’2, σ’3 Effektiva huvudspänningar (största, mellersta respektive minsta) [kPa]
τ Skjuvspänning [kPa]
cfu Odränerad skjuvhållfasthet [kPa]
ck Odränerad skjuvhållfasthet, utvärderad från fallkonförsök [kPa]
cv Odränerad skjuvhållfasthet, utvärderad från vingförsök [kPa]
߶ Friktionsvinkel [°]
߶’ Effektiv friktionsvinkel [°]
1 INLEDNING
1.1 Syfte
Syftet med examensarbetet är att föreslå en modell för hur lerans odränerade hållfasthet bör behandlas i övergångszonen mellan land och vatten i anslutning till älven inom södra Göta älvdalen.
1.2 Mål
Målet med examensarbetet är,
Att definiera den påverkade zon där lerans odränerade skjuvhållfasthet är lägre än omgivande lera.
Att bestämma hur den odränerade skjuvhållfastheten bör väljas och behandlas inom denna påverkade zon.
Att beskriva hur olika val av den odränerade skjuvhållastheten inom den rubricerade zonen påverkar resultatet i stabilitetsanalyser.
Att modellera hur spänningsfördelningen i leran förändras genom av- respektive pålastning.
1.3 Frågeställning
En vanligt förekommande frågeställning vid utförande av geotekniska utredningar och främst vid stabilitetsutredningar i anslutning till vattendrag är hur den odränerade skjuvhållfastheten skall modelleras i övergången mellan land och vatten. Väldigt lite finns publicerat inom denna frågeställning. I samband med att SGI år 2010 påbörjade projektet ”Göta älvutredningen” upparbetades en metodbeskrivning för bland annat hur stabilietetsmodelleringen skulle utföras vilken främst baserades på erfarenhet. Detta har medfört att branschens olika aktörer tidigare helt har fått behandla frågeställningen på egna vis.
I regel finns det rikligt med geotekniska fältundersökningar inom de delar som berör landområdena medan det oftast bara förekommer ett begränsat antal undersökningar i vattenområdet. Detta skapar en stor osäkerhet för hur hållfastheten i leran inom vattenområdet i själva verket ser ut. Eftersom fältundersökning i vatten är mycket kostsamt tvingas branschen ofta basera sin modellering på ett mycket begränsat undersökningsunderlag. Modelleringen av skjuvhållfastheten mellan land- och vattenområdena är ofta avgörande för släntens stabilitetssituation. Denna modellering utförs på många olika vis av olika aktörer i branschen (Högsta, 2010). Figur 1-1 beskriver fyra olika sätt att dra gränsen mellan en lägre och en högre odränerad skjuvhållfasthet. De tre första beskriver sätt som vanligen har använts i branschen fram till idag och den fjärde beskriver ett sätt som enligt detta examensarbete har visat sig vara relativt bra.
Figur 1-1 Olika modeller för hur den odränerade skjuvhållfastheten definieras för stabilitetsberäkningar.
Det begränsade undersökningsunderlaget i älven gör att metoden för hur hållfastheten behandlas i den rubricerade övergångszonen baseras på teorier om den odränerade skjuvhållfasthetens spänningsberoende. De tre översta metoderna att dra gränsen som beskrivs i Figur 1-1 bygger ofta på olika teorier om eventuella lastspridningseffekter vid av- respektive pålastning.
1.4 Avgränsningar
Endast fältundersökningar från södra delen av Göta älvdalen kommer att behandlas. Endast en förenklad materialmodell kommer att användas vid spänningssimulering. Stabilitets- och spänningsanalys utförs på en idealiserad sektion.
Sensitivitetens påverkan av den odränerade hållfastheten beaktas ej. Göta älv Göta älv Göta älv Göta älv högre τfu lägre τfu högre τfu lägre τfu högre τfu lägre τfu högre τfu lägre τfu
2 GEOLOGI I GÖTA ÄLVDALEN
2.1 Områdesbeskrivning
Göta älvdalen består av ett område som följer älvens lopp från Vänern i norr via Trollhättan, Lilla Edet och Kungälv till Göteborg i söder. Älven har ett samlat lopp från Vänern till Kungälv där den förgrenas till två grenar, Nordre älv som rinner ut i havet norr om ön Hisingen och Göta älv som fortsätter och mynnar ut i centrala Göteborg. Älven är Sveriges vattenrikaste älv och avvattnar ca 1/10 av Sveriges landyta. Medelvattenflödet är ca 550 m3/s och älven står som vattenreservoar för ca 700 000 människor. Längs älven finns idag många industrier och jordbruk som dels använder vattnet för kyla, bevattning mm. och dels älven som transportled. Årligen transporteras ca 3,5 miljoner ton gods på älven. Figur 2-1 visar älvens sträckning från norr till söder samt det område inom Göteborg som detta examensarbete i huvudsak fokuserar på (Klingberg, Påsse, & Levander, 2006).
Figur 2-1 Översiktskarta för Göta älvdalen och Göteborgsområdet, ©2011 Google, Map Data ©2011 Tele Atlas
2.2 Geologi i området
Enligt Klingberg m.fl. (2006) utgörs älvdalen av en skjuvningszon i granitoida bergarter som består av flera brantstående sprickor. Detta beror av förkastningar som skett på grund av tektoniska rörelser för ca 850 miljoner år sedan. Om jordlagren borträknas uppgår höjdskillnaderna inom området till som mest 250 meter men i allmänhet är nivåskillnaden cirka 100 meter mellan omgivande terräng och dalbotten. Till följd av landhöjningen har markytan främst i norr höjts långt över havsnivån. Detta har medfört att älven skurit sig djupt ner i de tidigare avsatta sedimenten och bildat en smal, djup älvfåra med branta strandbrinkar. Strandbrinkarna kan på vissa platser vara upp emot 20 meter höga men blir lägre och lägre längs älven söderut. I områdena med högst strandbrinkar finns ett flertal raviner och skredärr.
Längst i söder har dalbotten på vissa ställen inte helt höjts över havsytan vilket gör att det där fortfarande finns översvämningsområden.
Vidare är enligt Klingberg m.fl. (2006) glacial lera den dominerande jordarten inom älvdalen, Figur 2-2. Lerdjupen varierar mycket men generellt är leran djupast i söder och grundast i norr. Ovan de stora glaciala lermäktigheterna finns ofta postglacial lera eller sand vars mäktighet är relativt tunna. Ungefär vid råvattenintaget i Lärje når berget nästan upp till älvfårans botten, Figur 2-3. På norra sidan av denna bergsklack återfinns grövre isälvsavlagringar som ingår i den s.k. Göteborgsmoränen och återfinns i de ytliga lagren på båda sidor om älven. På större delen av älvdalen har älven eroderat sig ner genom de ytliga postglaciala sedimenten vilket tyder på att mäktigheten för dessa sediment generellt sett inte är djupare än största vattendjup som är runt 15 m.
Figur 2-3 Profil över jordarternas mäktighet samt bergets läge. Profilens början är i läge med Tingstadstunneln och nummer sju är i höjd med Lärje råvattenintag. Ljusgul - postglacial lera, gul – glacial lera, grön – glacial
finsand och silt, blå - isälvsavlagring eller morän (Klingberg m.fl. 2006). 2.3 Bildningsmiljöer och utveckling från isavsmältning till idag
Bildningsprocessen för Göta älvdalen kan beskrivas med tre olika bildningsmiljöer. Den äldsta av dessa bildningsmiljöer omfattar den tid då inlandsisen smälte bort och området täcktes då av ett arktiskt ishav. Då inlandsisen drog sig tillbaka avsattes stora mängder silt-och lerpartiklar, dels nära iskanten silt-och dels längre ifrån iskanten. Dessa två bildningssätt som båda benämns som glaciala skiljer sig något åt genom att sedimenten som avsattes nära iskanten ofta bildar varvig lera medan sedimenten som avsattes längre ifrån ofta bildar en mer homogen lerkropp. Isavsmältningen har sannolikt dragit sig fram över Göteborgsömrådet fram till Lärje där iskanten troligtvis har avstannat under en tidsperiod på ca 100 år. Vid Lärje stod iskanten still alternativt förflyttade sig något fram och tillbaka under ca 200 år. Detta tros vara orsaken till tidigare nämnda moränlager i Lärjetrakten (Klingberg, 2010). Landhöjningen hade vid denna tid pågått sedan isen började avtunnas.
För 12 500 år sedan, då hela Göta älvdalen var isfritt hade Göteborg redan höjts ca 40 meter upp ur havet. Förhållandet mellan land och hav i Göta älvdalen för denna tid visas i den paleografiska karta som Figur 2-4 representerar. Älvdalen var under denna tid en öppen havsvik (Klingberg m.fl. 2006).
Figur 2-4 Paleografisk karta som beskriver Göta älvdalen och förhållandet mellan hav och land för 12 500 år sedan. Göta älvs mynning och dagens Göteborg ligger i nedre vänstra hörnet (Klingberg, Påsse, & Levander,
2006).
För 11 000 år sedan kunde Vänern betraktas som ett innanhav som var anslutet till öppet hav vid dagens Uddevalla, Dalsland och Göta älvdalen som då mer kunde betraktas som en havsvik, Figur 2-5. Denna tid beskrivs som den andra bildningsmiljön. I takt med att landhöjningen fortskred eroderades tidigare avsatta sediment i de strandnära partierna och avsattes inom andra delar av havsviken. Under denna tidsperiod fanns ett dramatiskt skede, då Uddevallamynningen och Dalslandmynningen hade stängts. Hela dagens Östersjön, dåvarande Ancylussjön, avvattnades genom Göta älvdalen vilket innebär att vattenflödet borde ha varit motsvarande det som idag flödar genom Öresund (15 000 m3/s). Detta skall jämföras med dagens vattenflöde på 550 m3/s i Göta älv. Det enorma vattenflödet innebar en oerhörd erosion inom havsviken (Klingberg m.fl. 2006).
Figur 2-5 Paleografisk karta som visar fördelningen mellan hav och land för 11 000 år sedan (Klingberg m.fl. 2006).
När den nuvarande geologiska epoken Holocen startade för drygt 10 000 år sedan skedde en dramatisk temperaturökning i vattnet till följd av att isen nu var långt ifrån Göta älvdalen. Denna temperaturökning medförde att en stor produktion av organiskt material startade vilket innebar att sedimenten som avsattes under kommande ca 5 000 år innehöll stora mängder organiskt material. Dessa sediment avsattes mest troligt i havsvikens bredare delar där vattnets rörelse var liten (Klingberg m.fl. 2006).
Den sista av de tre bildningsprocesserna var då havsviken allt mer övergick till en älvfåra. Denna process startade för 7 500 år sedan och med vidare landhöjning flyttades älvmynningen längre och längre ut. För 4 500 år sedan hade älvfåran norr om Lilla Edet grävt sig ner i tidigare avsatta sediment och dessa sediment avsattes då i de bredare delarna av havsviken och främst söder om dagens Lödöse, Figur 2-6.
Figur 2-6 Paleografisk karta som visar fördelningen mellan hav och land för 4 500 år sedan (Klingberg m.fl. 2006).
Vidare tog älven sin nuvarande form för ungefär 2 000 år sedan och hade då en vattennivå som låg ca 4 meter över dagens nivå. Det var vid denna tid som älven började erodera sig ner i sedimenten i anslutning till Göteborgsområdet och nybildning av sediment skedde endast i de yttre delarna av älvmynningen (Klingberg m.fl. 2006).
Enligt Klingberg (2010) finns inga tydliga avvikelser i geologin inom Göta älvs flöde genom Göteborg, förutom bergsklacken med tillhörande moränavsättning i anslutning till råvattenintaget i Lärje. Detta beror troligtvis på de homogena och mäktiga lerlagren och dess samtidiga sedimentationshistoria. Vid Lärje har med stor sannolikhet sediment avsats över bergsklacken under samtliga bildningsmiljöer enligt Figur 2-7 a). Sedermera har havets vågor och älvens vatten eroderat sig ner genom de olika sedimentlagren, Figur 2-7 b).
Figur 2-7 Principskiss över förhållanden strax efter avsättning (a)respektive nuvarande eroderade förhållande (b).
2.4 Erosionsprocessen
Erosion i jordmaterial är beroende av viss vattenhastighet och/eller en vindhastighet samt hur erosionskänsligt jordmaterialet är. Ett erosionsbenäget jordmaterial är ofta ensgraderat med fraktioner runt finsand och mellansand. Ju mer månggraderat jordmaterialet är desto mindre erosionsbenäget är det. Kohesionsjord betraktas också som ett motståndskraftigt jordmaterial mot erosion orsakat av vattenflöde och vågor. Detta beror på de elektrokemiska bindningskrafter som verkar mellan lerpartiklarna. Kohesionsjordar eroderas därför lättare av andra faktorer så som skred, uttorkning och påverkan av tjäle. Filip Hjulström utförde på 1930-talet en empirisk studie över vilken vattenhastighet som krävs för att olika jordmaterial skall eroderas, transporteras och sedimenteras, se Figur 2-8 (Andersson, Lundström, Rankka, & Rydell, 2008).
a)
Figur 2-8 Hjulströms diagram (Andersson m.fl. 2008).
Lerans partikelstorlek är mindre än 0,002 mm vilket ger att det kan konstateras att det krävs en väldigt hög vattenhastighet för att erodera lermaterial. Däremot är det ett stort spann för hastigheten där de eroderade lerpartiklarna transporteras och sedimentation sker i regel inte om inte kontakt med saltvatten finns.
Göta älv har ett väldigt rakt lopp från Vänern i norr till Göteborg i söder. Det finns inga tydliga tendenser till att älven skulle meandra märkbart mycket. Detta beror på den långsamma erosionsprocess som råder till följd av den höga andelen lermaterial inom älvdalen. En erosionsundersökning gjord av Sundberg och Norrman 1960-talet visar att det på den tiden inte fanns någon betydande stranderosion samt att det fanns tecken på en långsam djuperosion. Denna djuperosion beror sannolikt av påverkan från suspenderat material som eroderats loss längre uppströms och transporteras i vattnet nära botten, snarare än vattnet i sig. Studien säger också att fartygstrafiken på älven inte har någon större påverkan på erosionen (Sundberg & Norrman, 1963).
3 GEOTEKNISKA PARAMETRAR
3.1 Grundläggande begrepp
Jordmaterial kan delas in i tre olika faser vilka består av fasta partiklar, porvatten och porgas. De fasta partiklarna bildar jordens skelett vilket innehåller hålrum, porer där porvattnet och porgasen uppträder. Storleken på de fasta partiklarna, andel porer samt fördelningen mellan porvatten och porgas bestämmer jordmaterialets egenskaper i olika avseenden. Nedan beskrivs hur dessa egenskaper bestäms och vilket förhållande de har till varandra enligt (Axelsson, 1998).
3.1.1 Massa och volym
Den totala massan av en jordvolym betecknas med, m, och består av fasta partiklarna, ms,
porvattnet, mw, och porgasen, mg.
݉ = ݉௦+ ݉௪ + ݉ 3-1
En jords totala volym kallas skrymvolym och betecknas med V där såväl öppna som slutna håligheter är inkluderade. Denna totala volym består av kompaktvolymen, Vs, och
porvolymen, Vp. Kompaktvolymen är endast de fasta partiklarnas volym.
ܸ = ܸ௦+ ܸ 3-2
Porvolymen består av både volymen på porgasen, Vg, och volymen på porvattnet, Vw.
ܸ= ܸ+ ܸ௪ 3-3
3.1.2 Vattenkvot
Vattenkvoten är ett förhållande mellan vattnets massa, mw, och de fasta partiklarnas massa,
ms. Vattenkvoten bestäms genom att ett prov vägs före och efter torkning i 105° under ett
dygn. Ekvation 3-4 beskriver vattenkvoten för omättade prov och ekvation 3-5 för mättade prov (Larsson, 2008). ݓ =ೢ ೞ 3-4 ݓ =ఘೢ(ఘೞିఘ) ఘೞ 3-5 3.1.3 Densitet
Densiteten är ett mått på förhållandet mellan massa och volym. Oftast benämns den inom geotekniken med enheten [t/m3]. Densiteten kan delas in i tre olika typer, skrymdensiteten, ρ, kompaktdensiteten, ρs, och torrdensiteten, ρd. Skrymdensiteten är förhållandet mellan totala
massan, m och totala volymen, V. Kompaktdensiteten är de fasta partiklarnas densitet vilket innebär förhållandet mellan fasta massan, ms, och fasta volymen, Vs. Torrdensiteten är
förhållandet mellan massan för de fasta partiklarna, ms, och skrymvolymen, V (Axelsson,
3.1.4 Konsistensgränser
En omrörd finkorning jord ändrar konsistens beroende av vattenkvoten. Om ett vattenmättat jordmaterial anses flytande övergår detta först till plastisk, sedan till halvfast och sedan till fast om vattenkvoten successivt sänks. Gränsen mellan flytande och plastisk kallas flytgräns, wL, gränsen mellan plastisk och halvfast kallas plasticitetsgräns, wP, och gränsen mellan
halvfast och fast kallas krympgräns, wS. I detta examensarbete kommer endast flytgränsen att
behandlas.
Flytgränsen kan utvärderas i en fallkonapparat där det omrörda provet placeras i en skål och en kon med massan 60 g och en spetsvinkel på 60° ställs in så att spetsen tangerar provets yta. Därefter får konen falla fritt ner i provet och inträngningen mäts. Provet görs för olika vattenkvoter vilket leder till att inträngningsdjupet kan plottas mot vattenkvoten. Vattenkvoten där koninträngningen är 10 mm representerar flytgränsen (Larsson, 2008).
3.2 Kohesion och friktion
Ur hållfasthetssynpunkt skiljer man ofta på friktionsjord, mellanjord och kohesionsjord. Detta för att nämnda jordartsgruppers hållfasthet ter sig på olika sätt. Kohesionsjordar består av den finkorniga jordarten lera och de organiska jordarterna dy och gyttja. Lerjordar består av olika lermineraler där lerjorden i Sverige främst består av lermineralet illit vilket är närbesläktat med bergarten glimmer. Liksom glimmer består illiten av oerhört tunna enhetsskikt vilka binder till varandra. Denna bindning är av så kallad kohesiv natur vilket innebär att även om normalkraften av yttre last är noll i kontaktpunkten mellan två partiklar kan denna normalkraft överföra en skjuvande kraft. Om ett lermaterial utsätts för en allsidig yttre belastning uppkommer ökade normalkrafter i kontaktpunkterna vilket leder till att bindningarna avsevärt stärks. Lerpartiklarna bildar genom bindningarna mikrostrukturer som beroende av i vilken miljö de avsatts i bildar olika strukturer. Om lerpartiklarna sedimenterat i saltvattenmiljö bildas en struktur som innehåller förhållandevis stora porer medan sötvattenavsatta lerpartiklar snarare bildar tätare strukturer med mindre porer (Axelsson, 1998).
Friktionsjordar innefattar de grovkorniga jordarterna vilka är sand-, grus-, sten- och blockjordarterna. För friktionsjordarterna består skjuvhållfastheten i huvudsak av friktionen mellan partiklarna. Friktionen beror av normalspänningen mellan partiklarna vilket gör att ju mer en friktionsjord belastas desto högre blir normalspänningen mellan partiklarna vilket leder till högre friktion och högre skjuvhållfasthet. Friktionsjordar har ingen draghållfasthet och har oftast en förhållandevis hög permeabilitet (Hansbo, 1975).
Mellanjordar omfattar i princip den finkorniga jordarten silt och liknande blandkorniga jordarter. Dessa jordarters hållfasthet består både av friktion och kohesion och behandlas därför vanligtvis som ett mellanting mellan friktionsjord och kohesionsjord ur hållfasthetssynpunkt (Hansbo, 1975).
Normalspänningen kallas inom jordmekaniken för totalspänning och är summan av normalspänningarna som verkar på kornet, vattnet och gasen. Normalspänningen som verkar på kornet kallas effektivspänning, σ´, normalspänningen som verkar på vattnet och gasen kallas porvattentryck (portryck), u. Sambandet mellan effektivspänningen och portrycket beskriver ekvation 3-6 (Hansbo, 1975).
ߪ = ߪ´ + ݑ 3-6
Figur 3-1 Tvärsnitt av jordpartikel, porvatten och porgas.
Den horisontella effektivspänningen är självfallet av namnet att döma den spänning som verkar på kornet i horisontalled. Denna spänning är komplicerad att bestämma och någon analytisk metod för att beräkna den finns inte. Den bestäms empiriskt med hjälp av vilotryckskoefficienten, K0. Vilotryckskoefficienten är förhållandet mellan den horisontella
och den vertikala effektivspänningen enligt ekvation 3-7.
ܭ=ఙ´ఙ´ 3-7
För normalkonsoliderade leror är K0 generellt mellan 0,6-0,8 och sätts ofta till 0,7
Göteborgsregionen. För överkonsoliderade leror kan vilotryckskoefficienten i vissa fall överstiga 1 och för sand antas vanligen 0,5 (Sällfors, 1995).
3.4 Porvattentryck
Porvattentrycket är den spänning som vattnet i jordmaterialets porer verkar med på jordmaterialets kornskelett. I lösa och homogena jordar är detta tryck oftast hydrostatiskt till följd av den höga permeabiliteten. I skiktade jordar med varierande permeabilitet kan i vissa fall porövertryck alternativt porundertryck uppstå.
3.5 Konsolideringsgrad
Konsolideringsgrad eller överkonsolideringsgrad som det vanligen kallas benämns med förkortningen OCR vilket härstammar från engelskans Over Consolidation Ratio.
Överkonsolideringsgraden är förhållandet mellan det högsta effektiva vertikaltrycket, förkonsolideringstrycket, σ´c som ett jordmaterial någonsin har varit utsatt för och den
rådande effektivspänningen, σ´v. Om ett jordmaterial har en överkonsolideringsgrad, OCR=1
innebär detta att den rådande effektivspänningen är det största effektiva vertikaltryck som materialet varit utsatt för.
Överkonsolideringsgraden i marina leror längs västkusten är överkonsolideringsgraden inte lägre än 1,3. Detta innebär följaktligen att leran i detta fall bedöms vara normalkonsoliderad. Gränsen mellan normalkonsoliderad och överkonsoliderad är normalt 1,5 och för OCR>10 betraktas jordmaterialet vara starkt överkonsoliderat (Larsson, 2008).
gas
vatten korn
4 HÅLLFASTHET
Hållfastheten representeras av de spänningar som krävs för att uppnå ett stadium där deformationerna, utan att lasten förändras, tids nog accelererar. Jordens hållfasthet är starkt beroende av framförallt spänningstillståndet vid brott, dräneringsförhållanden, jordens spänningshistoria, kornstorlek och kornfördelning och sedimentationsmiljön etc.
4.1 Brottyper
Brott i jordmaterial ter sig på olika sätt beroende på om det är jordmaterial med eller utan inre kohesion. Vid brott i jordmaterial utan inre kohesion (friktionsjord) representerar skjuvhållfastheten den energi som krävs för att kornen i brottytan skall förskjutas eller rulla förbi varandra. Det vill säga att om en jord är löst lagrad krävs mindre energi för att omorientera kornen än för en fast lagrad jord. För fast lagrade friktionsjordar tillkommer nämligen inverkan från dilatans vilket innebär att kornen måste klättra över varandra för att kunna omorienteras. Brottet i friktionsjord påverkas även av cementering i kontaktytorna mellan kornen samt av ytspänning i porvattnet (Hansbo, 1975).
Lera består enligt avsnitt 3.2 av en struktur där lerpartiklarna är sammanlänkade av bindningar. Enligt Hansbo (1975) bör ett skjuvbrott i en normalkonsoliderad eller något överkonsoliderad lera ske i de svagaste delarna av denna struktur där bindningskrafterna (kohesionen) är lägst. Styrkan i denna struktur beror oftast av förkonsolideringstrycket (den högsta spänning som leran någon gång i dess spänningshistoria varit utsatt för) vilket gör att även skjuvhållfastheten bör vara beroende av förkonsolideringstrycket. För en starkt överkonsoliderad lera har denna struktur beroende av spänningsstorleken i vissa fall brutits ned till följd av den kraftiga konsolideringen. De fasta partiklarna har således pressats närmare varandra och i vissa fall deformerats vilket gör att den nu bildade strukturen blir mycket motståndskraftig mot skjuvbrott till följd av att strukturen blivit dilatant. Brottytan kommer i detta fall att söka sig till svaghetszoner eller sprickor som generellt förekommer inom strukturen (Hansbo, 1975).
4.2 Brottkriterium
Skjuvspänningsteorin kan härledas genom sambandet för mekanisk friktion. Om ett föremål vilar på ett horisontellt underlag är föremålet i jämvikt om den inte utsätts för någon kraft annat än normalkraften, N. För att jämvikten skall rubbas krävs det att den horisontella kraften, F, är större än normalkraften multiplicerad med friktionskoefficienten, µ, enligt ekvation 4-1 och Figur 4-1 (Sällfors, 1995).
ܨ = ܰ ∙ ߤ 4-1
Friktionen mellan föremålet och underlaget verkar på arean, A, vilket gör att både normalkraften och kraften, F, verkar på denna area. Detta leder till sambandet i ekvation 4-2 där kraften, F, blir skjuvspänningen, τ, och normalkraften blir normalspänningen, σ (Sällfors, 1995).
ி
=
ே
∙ ߤ → ߬= ߪ ∙ ߤ 4-2
Då jämvikten är rubbad betraktas det inom jordmekaniken som brott vilket visualiseras som en brottlinje i den högra delen av Figur 4-1. Skjuvspänningen längs denna linje representerar skjuvhållfastheten (Sällfors, 1995).
Figur 4-1 Sambandet mellan mekanisk friktion och skjuvspänningsteorin.
I jordmaterial är det dock svårt att definiera det plan där brottet uppstår. För att beskriva denna brotthypotes används ofta Mohr-Coulomb’s brotteori. Denna teori ser för friktionsjord ut enligt ekvation 4-3.
߬= ߪ ∙ ݐܽ݊߶ 4-3
Där ݐܽ݊߶ är jordens inre friktionsvinkel och kan jämföras med friktionskoefficienten, µ, i ovan beskrivet samband. En friktionsjord har oftast en så pass hög permeabilitet att den kan anses som dränerad, detta medför att inget porvattentryck existerar och därför utvärderas parametrarna utifrån effektivspänningen enligt ekvation 4-4 (Sällfors, 1995).
߬= ߪ´ ∙ ݐܽ݊߶´ 4-4
För en kohesionsjord införs ett kohesionsintercept, c´, som beskriver storleken på jordens inre kohesion.
߬= ܿ´ + ߪ´ ∙ ݐܽ݊߶´ 4-5
Kohesionen bygger på att attraktionskrafterna i bindningarna mellan partiklarna ökar med ett minskat partikelavstånd. En lera med högt portal har en lägre kohesion än om samma lera har ett lågt portal. Portalet styrs av hur leran är konsoliderad och detta medför att portalet, och då även kohesionen, är direkt kopplat till förkonsolideringstrycket (Hansbo, 1975).
N F A µ 1 τ σ
Figur 4-2 Mohr-Coulomb´s brotteori för kohesionsjord (Hansbo, 1975).
Figur 4-2 beskriver Mohr-Coulomb´s teori om hur brottlinjens läge styrs av friktionsvinkeln och kohesionsinterceptet. Mohr´s cirkel representerar den största respektive den minsta spänningen i jorden, σ1 respektive σ3. Om förhållandet mellan dessa två spänningar ökas
kommer storleken på denna cirkel att ökas. Då Mohr´s cirkel tangerar brottlinjen uppstår brott och skjuvhållfastheten representeras av tangeringspunkten. Kohesionsinterceptet som är beroende av förkonsolideringstrycket är en förskjutning av brottlinjen vilket innebär att en större effektivspänning tillåts innan brott uppstår än för en jord helt utan kohesion med samma friktionsvinkel.
4.3 Odränerad skjuvhållfasthet
Den odränerade skjuvhållfastheten, cu, kan beskrivas av att skjuvdeformationen till brott sker
så snabbt att vattnet i jordmaterialet ej hinner avgå i brottytan. Denna skjuvhållfasthet blir oftast dimensionerande för korttidsstabiliteten medan den dränerade hållfastheten blir dimensionerande för den mer långsiktiga stabiliteten.
Låt det odränerade brottet betraktas utifrån det förhållande som råder vid ett axialsymmetriskt spänningsförhållande likt ett triaxialförsök med det konstanta celltrycket, σ3. Vid totalt
vattenmättade förhållanden kommer spänningsökningen som påförs provet helt att bäras upp av portrycket vilket gör att portrycksförändringen blir lika med totalspänningsförändringen (Δu=Δσ3=Δσ1). Om detta kopplas till ekvation 4-6 förblir effektivspänningen oförändrad och
även portalet. Eftersom skjuvhållfastheten endast är beroende av portalet (kohesionsdelen) och effektivspänningen (friktionsdelen) kan det konstateras att om huvudspänningarna beskrivs som Mohr´s spänningscirklar får varje cirkel samma radie oberoende av vilken spänning som påförs provet. Detta innebär att fiktionsvinkeln är noll vilket medför att skjuvbrottslinjen blir horisontell, se Figur 4-3 samt att kvarvarande del av ekvation 4-6 ser ut enligt följande (Hansbo, 1975).
Figur 4-3 Okonsoliderat odränerat triaxialförsök på vattenmättade prover uppritat som Mohr´s spänningscirklar (Hansbo, 1975).
Om provet istället inte är helt vattenmättat kommer spänningen som påförs på provet komprimera de gasblåsor som finns i porvattnet innan portrycket börjar bära spänningsförändringen. Eftersom spänningsförändringen gör att kornen trycks närmare varandra vilket därmed minskar portalet kommer effektivspänningarna, σ´1 och σ´3 att öka
vilket medför att radien på Mohr´s spänningscirklar blir allt större, se Figur 4-4. Brottgränslinjen blir i detta fall lutande vilket innebär att en friktionsvinkel existerar (Hansbo, 1975).
Figur 4-4 Okonsoliderat odränerat triaxialförsök på vattenomättade prover uppritat som Mohr´s spänningscirklar (Hansbo, 1975).
4.3.1 Normalkonsoliderade och svagt överkonsoliderade förhållanden
För odränerade förhållanden gäller att brottdeformations storlek är beroende av överkonsolideringsgraden leran innehar. Vid en långsam skjuvning på en normalkonsoliderad lera sker en förhållandevis liten deformation innan brott uppstår och skjuvspänningen sjunker inte mycket för vidare deformation. För snabba skjuvförlopp erhålls en tydlig topp av skjuvspänningen där brottet sker och skjuvspänningen sjunker därefter markant för att sedan plana ut till residualspänningen. Den tydliga toppen är den skjuvspänningsökning som skapas till följd av att ett porövertryck skapas i brottytan, se Figur 4-5 (Larsson, 2008).
Figur 4-5 Skjuvspännings-deformationskurvor vid snabbt respektive långsamt skjuvförsöksförlopp på normalkonsoliderad lera (Larsson, 2008).
4.3.2 Starkt överkonsoliderade förhållanden
För starkt överkonsoliderade leror erhålls en portrycksminskning då materialet vill öka sin volym vid brott. De skjuvdeformationer som sker under portrycksminskningen är plastiska och kan bli förhållandevis stora innan portrycksminskningen är helt utbildad. Detta gör att skjuvspännings-deformationskurvan ofta blir flackare än för det normalkonsoliderade fallet, se Figur 4-6. Spröda brott sker endast om jordens struktur kollapsar eller att portrycksminskningen blir så stor att kapillärt genombrott uppstår. Den odränerade skjuvhållfastheten blir då lägre än vad förkonsolideringstrycket har visat. Kapillära genombrott innebär att vatten sugs upp och effektivspänningen sjunker (Larsson, 2008).
Figur 4-6 Skjuvspännings-deformationskurva för skjuvning på starkt överkonsoliderad lera (Larsson, 2008).
4.4 Bestämning av skjuvhållfasthet
Bestämning av skjuvhållfasthet kan göras såväl i fält som i laboratorium. De vanligaste metoderna i fält är CPT-sondering och vingsondering. För bestämning i laboratorium är de vanligaste metoderna fallkonförsök, enaxiellt tryckförsök, direkt skjuvförsök och triaxialförsök. Inom ramen för detta examensarbete har båda fältmetoderna och laborationsmetoderna fallkonförsök och direkta skjuvförsök använts. Dessa metoder beskrivs noggrant i kapitel 5.
jämförts mellan ving-, fallkonförsök och de mer noggranna laboratorieförsöken i jordar med olika egenskaper (Larsson, 2008).
SGI:s rekommendationer säger att skjuvhållfastheten i lera eller organisk jord kan korrigeras utifrån flytgränsen enligt följande (Larsson, 2008).
߬௨= ߤ ∙ ߬௩, 4-7
Där τv,krepresenterar uppmätta skjuvhållfastheten för vingförsök respektive fallkonförsök och
µ är korrektionsfaktorn som beror av flytgränsen, wLenligt ekvation 4-8.
ߤ = ቀ,ସଷ௪
ಽቁ
,ସହ
4-8
Korrektionsfaktorn µ bör befinna sig mellan 0,5 och 1,2 enligt Figur 4-7 där korrektionsfaktorn plottats mot flytgränsen.
Figur 4-7 Korrektionsfaktorn, µ plottad mot flytgränsen (Larsson, 2008).
Rekommendationerna säger vidare att odränerade skjuvhållfastheter uppmätta med vingförsök även skall korrigeras med avseende på överkonsolideringsgraden, OCR. Detta för överkonsoliderade jordar enligt ekvation 4-9. Även denna korrigering är framtagen utifrån empiriska samband och anledningen till att denna korrigering inte appliceras på fallkonförsök är att inte tillräckligt med undersökningar fanns att tillgå.
ߤ = ቀ,ସଷ௪
ಽቁ
,ସହ
ቀைோଵ,ଷቁି,ଵହ 4-9
4.6 Hållfasthetsanistropi
Lera kan vanligtvis betraktas vara helt homogen, dock finns en ofta stor strukturell variation. Detta beror på den anistropi som existerar i leran till följd av spänningsförhållandet σ´h/ σ´
som beskrevs i avsnitt 3.3. Som Figur 4-8 visar skiljs den aktiva skjuvhållfastheten där största huvudspänningen är vertikal från den passiva skjuvhållfastheten där den största huvudspänningen är horisontell samt skjuvhållfastheten vid direkt skjuvning (Larsson, 2008).
Figur 4-8 Huvudtyper av belastningsfall längs en brottyta (IVA Skredkommissionen, 1995).
Bestämning av effekterna från denna anistropi kan simuleras med aktiva och passiva triaxialförsök samt med direkt skjuvförsök. Direkta skjuvförsök beskrivs i kapitel 5.5.
4.7 Empiriska relationer
Vid bedömning och utvärdering av skjuvhållfastheten används ofta empiriska relationer som jämförelse. Ett stort antal undersökningar från skandinaviska leror har sammanställts. Förhållandet mellan odränerad skjuvhållfasthet och förkonsolideringstrycket har plottats mot flygränsen i ett diagram som även visar hur dessa parametrar varierar utifrån belastningsfallen, Figur 4-9. Denna sammanställning gäller för normalkonsoliderade och svagt överkonsoliderade leror (IVA Skredkommissionen, 1995).
Figur 4-9 Empiriska relationer mellan den odränerade skjuvhållfastheten och förkonsolideringstrycket för normalkonsoliderad och svagt överkonsoliderad jord beroende av flytgränsen för oorganiska leror (IVA
Skredkommissionen, 1995).
Vanligtvis jämförs endast den direkta odränerade skjuvhållfastheten med empiriska relationer, den räta linjen som representerar direkt skjuvning i Figur 4-9 kan beskrivas av följande samband.
ቀఛೠ
ቀఛೠ
ఙ´ቁை= ቀ
ఛೠ
ఙ´ቁே∙ ܱܥܴ
ି,ଶହ 4-11
Eftersom den odränerade skjuvhållfastheten är starkt beroende av förkonsolideringstrycket är det viktigt att utvärdera förkonsolideringstrycket utifrån ett antal CRS-försök och koppla dessa till områdets geologiska historia. Den empiriska modellen som använts i detta examensarbete är uppbyggd enligt (Larsson, m.fl, 2007). I modellen definieras densitet, konflytgräns, och portryck utifrån rutinförsök och uppmätt eller antaget portryck. Vidare definieras förkonsolideringstrycket, σ´cför de nivåer där CRS-försök har utförts. Detta medför
att en överkonsolideringsgrad, OCR kan beräknas för hela djupet. Inom ramen för detta examensarbete har i huvudsak CRS-försök i punkter inom landområdena använts. I de sektioner där det varit möjligt har även CRS-försök i punkter inom älven använts som jämförelse.
Vidare beräknas den odränerade skjuvhållfastheten mot djupet utifrån sambandet i ekvation 4-10. Då en avlastning motsvarande den erosion som pågått i älven skall simuleras erhålls en överkonsoliderad lera i de ytliga delarna av profilen. Hur djupt leran är överkonsoliderad beror på hur effektivspänningsutjämningen mot djupet ser ut. Inom detta examensarbete baseras denna effektivspänningsutjämning på den lastspridningssimulering som redovisas i kapitel 8. Istället för att använda korrektionen med avseende på överkonsolideringsgrad enligt ekvation 4-11, korrigeras den beräknade hållfastheten på samma sätt som vingförsök enligt ekvation 4-9. På den svenska västkusten är överkonsolideringsgraden normalt 1,3 vid normalkonsoliderade förhållanden (Larsson m.fl. 2007).
Ytterligare ett empiriskt samband som är frekvent använt för validering av den odränerade skjuvhållfasthetens rimlighet är Hansbos relation. Denna relation bygger på ett stort antal undersökningar där skjuvhållfastheten uppmätts genom vingförsök och fallkonförsök på skandinaviska leror, Figur 4-10. Relationen representerar normal- och svagt överkonsoliderade leror och ser ut enligt ekvation 4-12 (Larsson m.fl. 2007).
Figur 4-10Förhållandet mellan skjuvhållfasthet och förkonsolideringstryck som funktion av flytgränsen (Larsson m.fl. 2007).
5 FÄLTUNDERSÖKNINGS- OCH LABORATORIEMETODER
5.1 CPT-sondering
CPT står för Cone Penetration Test och är en sonderingsmetod för att kontinuerligt bestämma jordlagerföljd samt preliminärt bedöma jordens egenskaper. CPT-sonderingsmetoden med kontinuerlig portrycksmätning har konstaterats passa bäst för svenska förhållanden. CPT-sondering används i lösa till fasta jordar upp till grusfraktion. Utrustningen är förhållandevis känslig vilket gör att den inte tål sondering med slag och/eller rotation som kan krävas i grövre jordarter. I detta examensarbete behandlas endast CPT-sondering i kohesionsjorden lera. I lera kan den odränerade skjuvhållfastheten uppskattas samt att en bild av förkonsolideringstryck och överkonsolideringsgrad erhålls. CPT-sonden finns i tre olika toleransnivåer; CPT1, CPT2 och CPT3 där de två sistnämnda är de som främst används i kohesionsjord medan CPT1 används i grövre jordmaterial (Larsson, 2007).
CPT-sonden är cylindrisk med tvärsnittsarean 1000 mm2 och har en spetsvinkel på 60 som drivs ned med konstanta hastigheten 20 mm/s med hjälp av en borrigg. Spetsmotstånd, mantelfriktion längs den cylindriska friktionshylsan ovan spets samt portryck mäts kontinuerligt. Mätningarna sker med elektriska givare i sonden och förs generellt i form av ljud genom materialet i sonderingsstålen upp till en insamlingsenhet på borriggen. I mottagaren registreras ljuden, sorteras och plottas i olika diagram (Larsson, 2007).
Figur 5-1 CPT-sondens yttre beståndsdelar (Larsson, 2007).
Figur 5-1 illustrerar sonden med dess koniska spets som registrerar spetsmotståndet, filtret där porvattnet tränger in och registreras av en portrycksmätare och den friktionshylsa som registrerar mantelfriktionen. Eftersom dessa delar utsetts för slitage är det viktigt att kontinuerligt kalibrera utrustningen (Larsson, 2007).
förhållandet mellan totala mantelfriktionen och totala spetstrycket enligt ekvation 5-1. För att utvärderingen ska kunna utföras bör jordart och densitet för hela profilen vara känt (Larsson, 2007).
ܴ௧= 5-1
Conrad behandlar parametrarna och generar automatiskt en översiktlig bild av jordlagerföljen, skjuvhållfastheten och konsolideringsförhållanden. Jordartsklassificeringen kan endast utföras automatiskt på lera, silt och sand vilket gör att övriga jordmaterial får matas in manuellt. Klassificeringen görs genom en jämförelse mellan spetsmotstånd, friktionskvot och portryck. För att Conrad skall ha möjlighet att generera en bild av förkonsolideringstrycket, ´c, krävs
att flytgränsen, wL, är känd och anges manuellt. Dessutom krävs att programmet beräknar det
initiellt rådande vertikaltryck, v0, som beräknas genom jordmaterialets densitet, z, och
djupet, h, enligt ekvation 5-2.
ߪ௩= ∫ ߩ௭ ௭݃݀ݖ 5-2
Beräkningen av förkonsolideringstrycket, ´c, i kohesionsjord gör Conrad enligt sambandet i
ekvation 5-3. Termen ”1,21+4,4wL” är en korrektion av spetstrycket med avseende på
flytgränsen och representerar en empiriskt utvärderad trendlinje där förkonsolideringstrycket har plottats mot flytgränsen (Larsson & Åhnberg, 2003).
ߪ′≈ଵ,ଶଵାସ,ସ௪ିఙೡబ
ಽ 5-3
Då förkonsolideringstrycket är uppskattat kan överkonsolideringsgraden, OCR beräknas genom förhållandet mellan förkonsolideringstrycket,’coch effektivvertikalspänningen,’v0.
Vidare har ett empiriskt samband tagits fram för att utvärdera den odränerade skjuvhållfastheten utifrån tidigare nämnda parametrar och samband. Detta samband visas i ekvation 5-4.
ܿ௨= ቂଵଷ,ସା,ହ௪ିఙೡబ ಽቃቂைோଵ,ଷቃ
ି,ଶ
5-4
Saknas värden på flytgränsen kan en väldigt grov uppskattning på skjuvhållfastheten göras enligt ekvation 5-5.
ܿ௨=ଵ,ଷିఙೡబ 5-5
Det är viktigt att understryka att de utvärderade värdena på förkonsolideringstryck, överkonsolideringsgrad och skjuvhållfasthet från CPT-sondering endast är uppskattade och därför noggrant bör jämföras med övriga undersökningar.
5.2 Vingförsök
Skjuvhållfastheten i en kohesionsjord kan i fält bestämmas med metoden vingsondering. Vingsonderingsutrustningen består av en mätutrustning samt ett sonderingsstål som längst ned är försett med ett vingdon. Den vanligaste vingsonderingsutrustning idag är av typen Geotech vilken är försedd med en glappkoppling som ger möjligheten att mäta mantelfriktionen längs borrstålen, se Figur 5-2 (Bergdahl, 1984).
Kravet på vingdonet är att höjden alltid skall vara 2 gånger diametern. Vingdonet skall enligt SGF:s standard kalibreras minst en gång per år (Sveriges Geotekniska Förening, 1996) vilket genererar korrektionsfaktorn, K, som kompenserar för slitaget på vingdonet.
Figur 5-2 Vingborrutrustning av typ Geotech (Bergdahl, 1984).
Mätutrusningen kan bestå av ett analogt instrument där momentet ger utslag genom att en fjäder belastas och ritar upp en kurva på ett cirkulärt papper enligt Figur 5-3. Mätning kan även registreras elektroniskt där rotationen utförs maskinellt. Registreringsinstrumentet är i detta fall monterat på borriggen och sänder data via en kabel till en dator som generar motsvarande graf som i Figur 5-3 (Bergdahl, 1984).
Figur 5-3 Resultat från analogt instrument med störd provtagning t.v. och ostörd t.h. (Bergdahl, 1984).
Utvärdering av skjuvhållfastheten görs manuellt utifrån det analoga resultatet och automatiskt vid elektronisk registrering. Sambandet enligt ekvation 5-6 är detsamma oberoende av registreringsmetod.
߬௨ൌ ൫ܯ௧௧െ ܯ௦௧¤൯ήܭ 5-6
5.3 Kolvprovtagning
För att närmare kunna undersöka hållfasthetsegenskaperna hos jordmaterial krävs ibland att materialet inte är stört. För att detta skall vara möjligt krävs ostörd provtagning. Den mest använda metoden är kolvprovtagning som främst lämpar sig för kohesionsjordar. Den vanligaste kolvprovtagaren benämns St II och har en provdiameter på 50 mm och provlängd på 700 mm vilket är enligt svensk standard (Bergdahl, 1984).
Provtagningen inleds med att tre stycken kolvhylsor monteras i kolvprovtagaren som sedan skruvas ihop till sonderingsläge. Därefter drivs provtagaren ner till önskad nivå med hjälp av en borrigg. När den önskade nivån är nådd påbörjas en rotation av sonderingsstålen vilket gör att en trapetsskruv i kolvprovtagaren driver ned provtagaren i jorden. Provtagaren dras åter upp till marknivå där kolvhylsorna som nu innehåller jordmaterial plockas ut och noggrant märks och försluts med lock. Figur 5-4 illustrerar kolvprovtagaren St II i två olika lägen, den vänstra visar det läge kolvprovtagaren har under neddrivning och den högra, det läge då själva provtagaren är fullt urskruvad (Bergdahl, 1984).
Figur 5-4 Kolvprovtagare St II (sonderingsläge t.v., provtagningsläge t.h.)(Bergdahl, 1984).
Då provtagningen betraktas som ostörd är det oerhört viktigt att handhavandet såväl under själva provtagningen som under transport och i labbet sker med stor försiktighet.
5.4 CRS-försök
Det deformationsstyrda ödometerförsöket, CRS (Constant Rate of Strain) utvecklades på
1970-talet och används för att bestämma ostörda kohesionsjordprovers
kompressionsegenskaper. Metoden går ut på att provet deformeras med en konstant vertikal hastighet. Lastökningen sker kontinuerligt. Under ett CRS-försök mäts den effektiva vertikala lasten, ´, deformationen, , och portrycket, ub, kontinuerligt. Från dessa uppmätta data kan
sedan utvärdering av en leras förkonsolideringstryck, ´c, kompressionsmodulerna, M0 och
ML, hydrauliska konduktiviteten, k, samt kompressionskoefficienten, cv, ske (SGF:s
Laboratoriekommitté, 2004). Utöver de delar som Figur 5-5 illustrerar består CRS-apparaten även av en tryckpress, kraftgivare, lägesgivare, en portrycksmätare samt den dator som registrerar all försöksdata.
Figur 5-5 CRS-apparatens beståndsdelar (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Under försöket används normalt deformationshastigheten, /t=0,0025 mm/min vilket skapar ca 18 % deformation på ett dygn (Sällfors & Andréasson, 1986). Vid mycket lösa leror kan denna hastighet behöva minskas något. Portrycket bör vara lägre än 10 % och framförallt inte överstiga 20 % av totaltrycket (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Resultatet av ett CRS-försök illustreras ofta i form av fyra kurvor. Dessa består av att töjningen, , kompressionsmodulen, M, konsolideringskoefficienten, cv, och hydrauliska
konduktiviteten, k, plottas mot den effektiva vertikala effektivspänningen i var sitt diagram. Figur 5-6 visar ett exempel på hur dessa fyra kurvor kan se ut.
Figur 5-6 Exempel på plottade resultat från CRS-försök, översta kurvan representerar töjningen, den blåa och streckade kurvan är portrycksutvecklingen, kurvan bestående av cirklar är kompressionsmodulen, kryssen är
kompressionskoefficienten och kurvan längst ner är hydrauliska konduktiviteten.
Inom detta examensarbete kommer endast förkonsolideringstrycket att utvärderas och därav beskrivs inte utvärderingen av övriga parametrar. Förkonsolideringstrycket utvärderas genom ett geometriskt samband ur ε/σ´-kurvan. Statens geotekniska institut (SGI) har tagit fram en metod för att bestämma provernas kvalitet. Genom att utvärdera den töjning som uppstått fram till att den flacka delen av ε/σ´-kurvan böjer av nedåt och genom att veta provets naturliga vattenkvot kan detta jämföras med diagrammet i Figur 5-7 och därmed kan kvaliteten bestämmas. Inom detta examensarbete har endast CRS-försök som har kvaliteten någorlunda eller bättre använts.
Figur 5-7 Diagram för bedömning av kvalitet hos en vattenmättad kohesionsjord utifrån töjningen som uppstår vid CRS-försöket (Larsson, Sällfors, Bengtsson, Alén, Bergdahl, & Eriksson, 2007).
5.5 Direkt skjuvförsök
På 1930-talet introducerades det första direkta skjuvförsöket i Sverige av Walter Kjellman (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004). Apparatens syfte var och är att simulera ett av de vanligaste belastningsfallen i jordmaterial. Den direkta skjuvapparat som idag generellt används i Sverige är en förenklad version av den Walter Kjellman konstruerade och kallas SGI IV. Denna apparat utgör en tilläggsutrustning för stegvisa ödometerförsök. Sedermera har Norges Geotekniske Institut (NGI) utvecklat en mer avancerad apparat som normalt kallas NGI- eller Geonorapparaten. Den norska versionen har vidareutvecklats och kan nu även användas för dynamiska försök. Inom ramen för detta examensarbete behandlas och används endast den enkla skjuvapparaten (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Den enkla skjuvapparaten (SGI IV) består av en provbehållare med över- och underdel, en vattenbehållare, en stämpelplatta, en kulvagn, gummimembran, klämringar och ett antal tunna stödlameller för att hålla provdiametern konstant. Vid montering och konsolidering av provmaterialet används ofta ödometerringar samt andra stödanordningar. Figur 5-8 visar en skiss med tillhörande förklaring av den enkla apparatens vitala delar. Den vertikala lasten påförs provet med hjälp av vikter på den momentarm som benämns med nr. 10 i Figur 5-8 (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Figur 5-8 Den enkla direkta skjuvapparaten (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Tidigare har skjuvspänningen lagts på stegvis med hjälp av vikter på en momentarm. Numera utförs skjuvningen med hjälp av en elmotor som skapar en konstant deformationshastighet vilken registreras av en indikatorklocka eller en elektrisk givare. Utrustningen är normalt avsedd för provdiametern 50 mm och normalt används provhöjden 20 mm (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Det direkta skjuvförsöket kan utföras både dränerat och odränerat. Försöken som utförts inom ramen för detta examensarbete är utförda odränerat. Skillnaden mellan dessa utföranden är att vid det odränerade försöket hålls dräneringsledningarna stängda och provhöjden mäts. Under
hela det odränerade försöket mäts portrycksutvecklingen kontinuerligt.
Deformationshastigheten skall enligt svensk standard sättas till konstant 2 mm/dygn. Under försöket registreras skjuvkraft, horisontalrörelse och vertikaldeformation (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
Samtliga skjuvförsök som utförts inom ramen för detta examensarbete har inledningsvis konsoliderats till 0,9 gånger förkonsolideringstrycket, σ´c. Detta görs för att en viss osäkerhet
finns i utvärderingen av förkonsolideringstrycket från CRS-försök. Om det verkliga σ´cskulle
vara lägre än det utvärderade och inte konsolideringen innan skjuvningen reducerades med ovan angiven faktor skulle risken finnas att kornskelettet i provet skulle deformeras. Efter konsolideringen startas skjuvningen från en beräknad, rådande effektivspänning.
Skjuvkraft och horisontalrörelsen är de direkta parametrar som erhålls vid odränerade försök. Skjuvkraften divideras med tvärsnittsarean på provkroppen och ger skjuvspänningen, . Skjuvdeformationen, , som är en vinkeländring vilken uppstår vid skjuvningen beräknas ur
ߛ = ܽݎܿݐܽ݊∆௦ 5-7
Den odränerade skjuvhållfastheten, cu, utvärderas normalt vid största skjuvspänningen. Om
inte ett tydligt brott uppstår skall cu enligt svensk standard utvärderas vid 0,15 radianers
vinkeländring. Inom detta examensarbete har ett tydligt brott erhållits för samtliga direkta skjuvförsök. Det finns dock fall t.ex. då försök utförs på en lera med mycket låg hållfasthet vilket medför att inget direkt brott kan tydas och istället uppstår en flytspänning utan efterföljande brott som svagt ökar mot större deformationer. I ett sådant fall utvärderas skjuvhållfastheten där flytspänningen börjar (SGF:s Laboratoriekommitté, 2004).
6 FÖRSÖKSLOKALER
6.1 Introduktion
Inom ramen för detta examensarbete har resultaten från ett stort antal geotekniska undersökningar analyserats. Syftet med undersökningarna har varit att erhålla en generell bild av hur främst den odränerade skjuvhållfastheten ser ut, i och i anslutning till de södra delarna av Göta älv. Dessa undersökningar är fördelade på fem sektioner inom Göteborgs kommungränser, se Figur 6-1. Sektionerna A, C, D och E omfattar främst tidigare utförda undersökningar tillhörande en rad projekt. Sektion B kan kallas en huvudsektion där det till detta examensarbete har utförts geotekniska fältundersökningar under hösten 2010.
Figur 6-1 Översiktskarta över Göteborg samt analyserade sektioner, ©2011 Google, Map Data ©2011 Tele Atlas.
Vid valet av huvudsektionen (B) var syftet att hitta en plats som rent praktisk är lättåtkomlig och representerar de generella geotekniska förhållandena inom södra delen av Göta älvdalen. Övriga sektioner har valts ut inom områden där omfattande tidigare geotekniska undersökningar finns tillgängliga samt i anslutning till undersökningar utförda inom SGIs stabilitetskarteringsprojekt, ”Göta älvutredningen”.
För att tydliggöra visualiseringen av den odränerade skjuvhållfastheten och förkonsolideringstrycket i diagram har sektionerna delats upp i fyra områden. Figur 6-2 illustrerar dessa områden och vilken färg respektive område representeras av.
A B C D E <
Figur 6-2 Indelning av färger i skjuvhållfasthet- och förkonsolideringstrycksdiagram med avseende på undersökningspunktens läge i sektion.
Figur 6-3 visar det tecken som representerar respektive försöksmetod samt vilken färgkod och linjeformat respektive område har vid skjuvhållfasthetsredovisningen.
Figur 6-3 Teckenförklaring för respektive försöksmetod samt färgkod och linjeformat för respektive område i skjuvhållfasthetsredovisning.
Samtliga punkter benämnda U110-löpnummer är utförda inom ramen för SGI:s ”Göta älvutredningen”. Dessa punkter är generellt utförda inom området farled enligt Figur 6-2, dock med ett fåtal undantag där dessa punkter är utförda inom avsatsen. Vidare är samtliga djup i punkterna U110-löpnummer räknade från älvens vattenyta och samtliga djup i punkterna 100602-100606 räknade från flottens däck vilken generellt ligger ca 0,5 meter över älvens vattenyta. Förborrning genom fasta ytlager med hjälp av skruvborr har utförts i samtliga punkter på land där antingen kolvprovtagning, vingförsök eller CPT-sondering utförts.
Samtliga odränerade skjuvhållfasthetsvärden med undantag för direkta skjuvförsök redovisade i diagram inom kommande avsnitt är, där det varit möjligt, korrigerade med avseende på konflytgräns och överkonsolideringsgrad enligt kapitel 4.4 och 5.1.
Portrycksmätningar har utförts i sektion B och resterande mätningar härstammar från olika projekt. Dessa uppmätta portrycksbilder har använts i den empiriska uppskattningen av den odränerade skjuvhållfastheten. Samtliga använda portrycksstationer utgörs av BAT-spetsar och ligger i nära anslutning till respektive sektion och mätningsperioderna varierar mellan mätstationerna.
Alla kolvprotokoll, CPT-utvärderingsdiagram, skjuvförsök återfinns i bilagorna med undantag för kolvprotokollen tillhörande undersökningarna i sektion D som saknas. Samtliga punkter redovisas i plan och profil i bilaga 3 enligt koordinatsystemet SWEREF 99 12 00 och höjdsystemet GH 88. Medelvattenståndet för den undersökta delen av Göta älv är med detta
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10-9-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +10 +11 +12 0 10 20 30 40 50 60 N iv å
Odränerad skjuvhållfasthet [kPa]…
CPT-sondering Vingförsök
Fallkonförsök Direkt skjuvförsök
Land (öster) Land (väster)
Älv Avsats
höjdsystem +10,2. Nivåerna redovisade i figurerna inom detta avsnitt baseras på samma höjdsystem.
6.2 Sektion A
6.2.1 Allmänt
Sektion A är belägen ca 500 m norr om Lärje råvattenintag, se Figur 6-4. Sektionen sträcker sig från den djupaste delen av älvfåran till ca 80 m upp på land. Inom området finns utöver älven en motorväg, den mindre Agnesbergsvägen samt en dubbelspårig järnväg. Markytan inom sektionen återfinns ca 1,5 m över medelvattenståndet med en nästan obefintlig lutning i öst-västlig riktning. Öster om järnvägen ökar marklutningen och ca 100 m öster om motorvägen når berget upp i dagen och syns som en bergssluttning. Bergets lutning under markytan är sannolikt mycket brant tills dalbotten nås på ca 100 m djup, Figur 2-3. Markytan är på obebyggda ytor inom området beklädd med gräs, vassväxter och mindre buskar.
Figur 6-4 Översiktskarta över sektion A och dess omgivning, ©2011 Google, Map Data ©2011 Tele Atlas.
De geotekniska fältundersökningar utförda på land härstammar från projektet ”Agnesberg-Marieholm” och utfördes i samband med projektering av om- och tillbyggnad av befintligt järnvägspår. Dessa borrpunkter är benämnda 70010, 70011 samt FB35. Totalt omfattar de geotekniska fältundersökningarna inom denna sektion:
CPT-sondering i samtliga punkter Vingsondering i samtliga punkter Skruvprovtagning i tre punkter
Kolvprovtagning i 4 punkter på totalt 34 nivåer
Portrycksmätningar kommer från en punkt som är belägen något norr om sektionen och redovisas i
Tabell 6-1. Av den ytligaste nivån att döma återfinns grundvattenytan i nivå med markytan vilket bör vara rimligt då området är sankt.
