Hållfasthet i torv. Skjuvförsök på torvprover

462

Hållfasthet i torv

Skjuvförsök på torvprover

P ETER CARLSTEN

Statens geotekniska institut

Swedish Geotechnical Institute

ISSN 1100-6692

Skjuvförsök på torvprover

Datum: 1997-01-09

Objekt: 1-9507-323

Kontaktpersoner: Peter Carlsten

Innehållsförteckning

Text

1. ALLMÄNT

2. UTRUSTNING OCH GENOMFÖRANDE

3. FÖRSÖKSSERIE MALMBANAN,

FÖRSÖKSSERIE ÄSKYA

3. RESULTAT

4. DISKUSSION

5. SLUTSATSER, REKOMMENDATIONER

6 REFERENSER

Bilagor

Försöksserie Malmbanan

Sammanställning för normallast 20 k.Pa Sammanställning för normallast 40 k.Pa Sammanställning för normallast 80 k.Pa Sektion 1277+940 H8,0, djup 1,1-1,3 m Sektion 1280+360 V9,0, djup 1,5-1,7 m Sektion 1280+360 V9,0, djup 2,5-2,7 m Sektion 1368+280 HSLF+2, djup 2,2-2,4 m Sektion 1383+200 H7,4, djup 2, 1-2,3 m Försöksserie Äskya

Skjuvförsök 050 mm

Sida 3 3

4 6 12 16 17

Diagram 1-14 Diagram 15 Diagram 16 Diagram 17 Diagram 18 Diagram 19 Diagram 20 Diagram 21 Diagram22 Diagram 23-29 Diagram 30-37

Hållfasthet i torv

Skjuvförsök på torvprover

1. ALLMÄNT

Skjuvhållfastheten i torv varierar kraftigt, bl a med humifieringsgrad. I högförmultnad torv kan hållfastheten bestämmas med metoder liknande dem som används kohesionsjord och gyttja.

Hållfastheten i lågförmultnad torv beror bl a av draghållfastheten hos ingående fibrer och av mängden fibrer. På grund av de stora deformationer som uppträder i torv anser pro­

fessor Landva i Kanada att ringskjuvförsök är den lämpligaste metoden för hållfasthets­

bestämning i torv.

En förstudie påbörjades vid SGI under hösten 1995. Direkta dränerade och odränerade skjuvförsök har utförts för olika spänningsnivåer i skjuvapparat, 0100 mm. Även denna utrustning medger stora deformationer och resultaten påminner om dem Landva fick i sin ringskjuvapparat.

På uppdrag av Banverket har parallellt genomförts ett projekt avseende torvs hållfast­

hetsegenskaper. SGI har leverat fyra rapporter rörande detta projekt under diarienummer 1-9509-442. Rapporterna finns med i referenslistan.

2. UTRUSTNING OCH GENOMFÖRANDE

Konsoliderade dränerade och odränerade skjuvförsök har utförts på inkomna torvprover.

Proverna är tagna med SGI torvprovtagare och har diametern 100 mm. Försöksserien omfattar dels prover från fyra lokaler längs Malmbanan och dels prover från Äskya (i närheten av Älmhult). Totalt har 14 dränerade och 6 odränerade skjuvförsök utförts på

100 mm-prover från Malmbanan. Undersökningen av prover från Äskya omfattade 4 dränerade skjuvförsök. Banverket har vidare tagit upp prover på torven som finns under befintlig banvall. Dessa prover har haft diametern 50 mm och på dessa prover har två dränerade och sex odränerade skjuvförsök genomförts.

Försöken har utförts i direkt skjuvapparat, typ SGI, med diameter 100 mm. Provernas höjd har varierat mellan 40 och 45 mm. Proverna är inneslutna i ett gummimembran och stödringar monteras kring provet. Proverna har därefter konsoliderats till huvudsakligen tre olika normalspänningar; 20, 40 resp. 80 kPa. Konsolideringen har skett stegvis med en fördubbling av lasten och där den lägsta lasten varit 2,5 kPa. Tiden för resp. lasts varaktighet har varierat men avsikten har varit att nå primär konsolidering för resp. last­

steg innan det kommande påförts. Det sista laststeget har alltid haft minst 12 timmars varaktighet. När provet är konsoliderat för avsedd last monteras en anordning för appli­

cering av skjuvkraft.

Stödringar

----

Gummimembran

O O O O 0

Klämrin

Fig. I Konsolidering och skjuvning av prov inom stödringar

Försöken har utförts enligt Svensk Standard SS 027127, dock med den skillnaden att provens diameter varit 100 mm och deras höjd 40-45 mm. Skjuvkraften läggs på stegvis så att 1/40 av normallasten påförs i varje laststeg. Avläsning av vertikal och horisontell deformation görs efter 15 minuter. I diagram plottas därefter skjuvspänning mot hori­

sontell deformation samt även vertikal deformation mot horisontell deformation.

Proceduren med konsolideringen har tagit minst 36 timmar i anspråk, varefter skjuv­

försöket utförts under ca 6 timmar.

Proverna som har tagits på torv under befintlig järnvägsbank har tagits upp med kolv­

provtagare och har därmed diametern 50 mm. Dessa prover har undersökts i SGis skjuvapparat för 50 mm diameter och försöken har utförts enligt Svensk Standard

ss

027127.

3. FÖRSÖKSSERIE MALMBANAN, FÖRSÖKSSERIE ÄSKYA

Försöksserien för Malmbanan omfattar totalt 28 försök. 20 försök har genomförts i skjuvapparat för 100 mm-prover och 8 försök i skjuvapparat för 50-mm prover.

Proverna har utvalts i samråd med Banverket för att representera olika torvtyper. Av tabellerna 1 och 2 framgår data från samtliga försök.

Tabell 1. Skjuvförsök, Malmbanan, prover tagna vid sidan av banvallen, dränerade

Sektion/ Konsolide- Monterings- Start Densitet Vatten- Provhöjd Skjuvhöjd

Nivå ringsspän- datum skjuvning t/m³ kvot mm mm

ning (kPa) %

1277+940 1,1-1,3 20 960118 960119 0,96 460 40,5 30,0

1277+940 1,1-1,3 40 960115 960117 0,96 506 40,0 27,0

1277+940 1,1-1,3 80 960122 960126 0,94 517 41,0 21,8

1280+360 1,5-1,7 20 960131 960202 1,01 570 43,0 32,0

1280+360 1,5-1,7 40 960205 960207 1,03 466 44,2 25,5

1280+360 1,5-1,7 80 960202 960205 1,04 559 42,6 21,5

1280+360 2,5-2,7 20 960212 960214 0,98 956 42,2 26,1

1280+360 2,5-2,7 40 960207 960209 0,99 878 43,3 21,0

1280+360 2,5-2,7 80 920209 960212 0,99 855 4),9 16,3

1368+280 2,2-2,4 20 960214 960216 1,00 758 42,0 27,5

1368+280 2,2-2,4 40 960220 960222 1,01 815 40,7 23,3

1368+280 2,2-2,4 80 960216 960220 1,02 827 45,4 17,4

1383+200 2,1-2,3 20 960129 960131 1,02 843 40,0 25,4

1383+200 2,1-2,3 40 960126 960129 1,00 930 40,0 19,9

Tabell 2. Skjuvförsök, Malmbanan, prover tagna vid sidan av banvallen, odränerade

Sektion/ Konsolide- Monterings- Start Densitet Vatten- Provhöjd Skjuvhöjd

Nivå ringsspän- datum skjuvning t/m³ kvot mm mm

ning (kPa) %

1280+360 2,2-2,4 20 960416 960418 0,98 897 43,0 29,5

1280+360 2,2-2,4 40 960419 960423 0,99 830 43,0 24,9

1280+360 2,2-2,4 80 960404 960409 0,98 935 45,1 17,3

1368+280 2,2-2,4 40 960401 960403 1,04 672 43,6 24,6

1383+200 1,1-1,3 20 960506 960509 0,96 1085 44,9 24,1

1383+200 1,1-1,3 40 960510 960514 0,98 1089 45,1 17,8

Tabell 3. Slquvförsök, Malm banan, prover från torv under banvallen, dränerade och odränerade

Sektion/ Konsolide- Monterings- Start Densitet Vatten- Provhöjd Skjuvhöjd

Nivå ringsspän- datum skjuv- t/m³ kvot mm mm

ning (kPa) ning %

Dränerade

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 960307 960311 1,10 338 20 14,5

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 960307 960311 1,10 293 20 13,8

Odränerade

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 960307 960311 1,08 318 20 14,2

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 960307 960311 1,09 341 20 14,5

1280+360 SPM 4,3-5,0 20 961029 961030 0,96 404 20 15,0

1280+360 SPM 4,3-5,0 40 961029 961030 1,03 428 20 15,9

1280+360 SPM 4,3-5,0 60 961029 961030 1,03 424 20 14,5

1280+360 SPM 4,3-5,0 80 961029 961030 0,96 404 20 14,5

I den andra försöksserie som genomfördes inom ramen för förstudien ingick prover från Äskya, en lokal i södra Småland. Av tabell 5 framgår data från de försök som genom­

fördes på prover från denna lokal.

---

Tabell 4. Skjuvförsök, Askya

Sektion/ Konsolide- Monterings- Start Densitet Vatten- Provhöjd Skjuvhöjd

Nivå ringsspän- datum skjuvning t/m³ kvot mm mm

ning (kPa) %

Borrhål 1 2,5-2,7 10 950918 950919 1,01 1202 39,0 29,0

Borrhål 1 1,9-2,1 20 950824 950828 1,01 1335 41,7 22,0

Borrhål 1 1,9-2,1 30 950920 950922 1,02 1176 38,1 17,2

Borrhål 1 2,5-2,7 40 950904 950908 1,00 1162 38,0 15,0

3. RESULTAT

Resultat från skjuvförsök redovisas i bifogade diagram. I diagram 1-14 redovisas varje enskilt försök som genomförts på prover tagna längs Malmbanan. Diagrammen 15-17 redovisar sammanställningar för samtliga försök för normallasterna 20, 40 resp. 80 kPa. I diagrammen 18-22 har resultaten sammanställts för resp. lokal. I diagrammen 23-29 redovisas resultaten från skjuvförsöken som gjorts på torv från Äskya. Skjuvförsök på 50 mm-prover redovisas i diagrammen 30-37.

Dränerade försök

Brott i torven inträffar först efter mycket stora deformationer. För försöket på prov 1286+360, nivå 1,5-1,7 m, med vertikal belastning 80 kPa (se fig. 2) inträffade brott vid ca 13 mm horisontell deformation (motsvarande 62 % av provets ursprungshöjd).

Brottet gick snett genom torvprovet och längs brottytan hade torvfibrerna dragits av.

100 0

r--

:---..

-

90

-

^-;::-

--

⁵

80 10

I

Vertikaldeformationi

- - ^r---

70 15

le a.

:::'!: ₆₀ ^0.

C, 203 ~

C: Skjuvspänningl §. 3

·c _:ro C: 50

..._..

25-[ ~-

0.

-

^{- : i 0}

:,> ^1/) 40 3of2:

2

:;;;? ~ (/)

(/) ~

:, 30

/

,,V

³⁵ <e..

20 Densitet före 1,04 t/m3 40 <Ö.

Vattenkvot före 559 %

10

I

Vattenkvot efter 325 % 45

0 ^{I I} 50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Horisontell deformation/Ursprunglig provhöjd (%)

Fig. 2 Direkt dränerat skjuvförsök- sektion 1280+ 360 V9, 0, djup 1,5-1, 7 m.

Normalspänning 80 kPa.

Vinkeländringar av storleksordningen 45° tycks vara alltför stora. Svensk standard (för kohesionsjord) anger att hållfastheten skall utvärderas som maximal skjuvspänning i varje försök. Om vinkeländringen uppnår värdet O, 15 radianer utan att brott inträffar bestäms hållfastheten som skjuvspänningen vid 0, 15 radianers vinkeländring. Det är naturligtvis inte givet att hållfastheten skall utvärderas på samma sätt i torv, men man kan anta att

vinkeländringen bör begränsas och att man i stabilitetsberäkningar inte skall använda brottvärden.

Tabell 5. Resultat av dränerade skjuvförsök

Sektion/ Konsolide- Densitet Vatten- Hum Skjuv- Skjuv- Skjuv- Nivå ringsspän- tJm3 kvot grad spänning spänning spänning

ning (kPa) % vid 0,15 vid 0,25 vid 0,35

rad. rad. rad.

Malmbanan 0100

1277+940 1,1-1,3 20 0,96 460 H4 8,5 10,6 11,7

1277+940 1,1-1,3 40 0,96 506 H4 15,4 19,7 22,2

1277+940 1,1-1,3 80 0,94 517 H4 34,3 41,2 45,7

1280+360 1,5-1,7 20 1,01 570 H4 8,1 9,6 10,4

1280+360 1,5-1,7 40 1,03 466 H4 14,5 17,0 18,9

1280+360 1,5-1,7 80 1,04 559 H4 33,5 41,7 47,2

1280+360 2,5-2,7 20 0,98 956 H4 9,4 11,6 13,2

1280+360 2,5-2,7 40 0,99 878 H4 20,4 23,3 24,6

1280+360 2,5-2,7 80 0,99 955 H4 36,2 45,3 51,4

1368+280 2,2-2,4 20 1,00 758 H4 7,3 8,9 9,8

1368+280 2,2-2,4 40 1,01 815 H4 15,6 18,0 20,0

1368+280 2,2-2,4 80 1,02 827 H4 30,6 37,1 42,0

1383+200 2,1-2,3 20 1,02 843 H4 7,9 9,8 11, 1

1383+200 2,1-2,3 40 1,00 930 H4 15,8 19,2 21,4

Äskva 0100

Borrhål 1 2,5-2,7 10 1,01 1202 H4 4,3 5,1 5,8

Borrhål 1 1,9-2,1 20 1,01 1335 H3 7,9 9,3 10,4

Borrhål 1 1,9-2,1 30 1,02 1176 H3 12,6 15,1 16,6

Borrhål 1 2,5-2,7 40 1,00 1162 H4 17,7 20,8 21,6

Malmbanan 050

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 1,10 338 H4 14,6 18,1 20,9

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 1,10 293 H4 19,1 22,1 25,0

Tabell 6. Resultat av dränerade skjuvförsök g 100 mm - Normaliserade

Sektion/ Konsolide- Densitet Vatten- Hum _{c/CTN c/crN c/CTN} Nivå ringsspän- tJm3 kvot grad 0,15 rad. 0,25 rad. 0,35 rad.

ning (kPa) %

Borrhål 1 2,5-2,7 10 1,01 1202 H4 0,43 0,51 0,58

1277+940 1,1-1,3 20 0,96 460 H4 0,43 0,53 0,59

1280+360 1,5-1,7 20 1,01 570 H4 0,41 0,48 0,52

1280+360 2,5-2,7 20 0,98 956 H4 0,47 0,58 0,66

1368+280 2,2-2,4 20 1,00 758 H4 0,37 0,45 0,49

1383+200 2,1-2,3 20 1,02 843 H4 0,40 0,49 0,56

Borrhål 1 1,9-2,1 20 1,01 1335 H3 0,40 0,47 0,52

Borrhål 1 1,9-2,1 30 1,02 1176 H3 0,42 0,50 0,55

1277+940 1,1-1,3 40 0,96 506 H4 0,39 0,49 0,56

1280+360 1,5-1,7 40 1,03 466 H4 0,36 0,43 0,47

1280+360 2,5-2,7 40 0,99 878 H4 0,51 0,58 0,62

1368+280 2,2-2,4 40 1,01 815 H4 0,39 0,45 0,50

1383+200 2,1-2,3 40 1,00 930 H4 0,40 0,48 0,54

Borrhål 1 2,5-2,7 40 1,00 1162 H4 0,44 0,52 0,54

1277+940 1,1-1,3 80 0,94 517 H4 0,43 0,52 0,57

1280+360 1,5-1,7 80 1,04 559 H4 0,42 0,52 0,59

1280+360 2,5-2,7 80 0,99 955 H4 0,45 0,57 0,64

1368+280 2,2-2,4 80 1,02 827 H3 0,38 0,46 0,53

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 1,10 338 H4 0,37 0,45 0,52

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 1,10 293 H4 0,32 0,37 0,42

Skjuv- spänning vid 0,50 rad.

12,7 24,7 49,4 11,3 20,2 52,8 14,6 26,2 56,2 10,4 21,4 46,1 12,2 23,1 6,6 11,5

18 22,6

c/CTN 0,50 rad.

0,66 0,64 0,57 0,73 0,52 0,61 0,58 0,60 0,62 0,51 0,66 0,54 0,58 0,57 0,62 0,66 0,70 0,58

5

'n

0·s

IS 'i l'io i

½

·,

55

j't-i

I'\

l'i

le

Typiska värden på förhållandet mellan skjuvspänning och konsolideringsspänning ( -c/crN) är kring 0,4 vid en deformation av 0, I 5 radianer (8,6°) resp. 0,55 vid en deformation av 0,35 radianer (20°). Även de försök som utförts på torvprover tagna genomjärnvägs­

banken visar liknande värden.

0,6

111 10 kPa, 100 mm

0,5 ^m

D ⁾  20 kPa, 100 mm

   ^{~ Il, 111}

C: 0,4 _Ell !J ^{r ,} E;Jl u l:l 30 kPa, 100 mm

ro 0' 

E _•

s>

~ ^Cl 0,3 40 kPa, 50 mm

::, ro

I- ^Ell 40 kPa, 100 mm

0,2

• 60 kPa, 50 mm 0, 1

 80 kPa, 100 mm 0

0 5 10 15

Portal före skjuvning

Fig. 3 Direkt dränerade skjuvförsök - rlCJN som funktion av portalföre skjuvning, utvärderat vid 0, 15 radianers deformation

0,7

Q 111

p

rn 10 kPa, 100 mm

0,6 _l:::J  111

0 l:l illD 0 20 kPa, 100 mm

,;,  otll ^{~ 0} 

c: 0,5 - u

l<J lill 30 kPa, 100 mm

ro

E

u5^Cl 0,4 ^• ~ 40 kPa, 50 mm

:3 _ro

1- tll 40 kPa, 100 mm

0, 3

• 60 kPa, 50 mm 0,2

0 80 kPa, 100 mm 0, 1

0 5 10 15

Portal före skjuvning

Fig. 4 Direkt dränerade skjuvförsök - ,ICJN som funktion av portalföre skjuvning, utvärderat vid 0, 35 radianers deformation

I fig. 3 och 4 har kvoten mellan skjuvspänning och konsolideringsspänning ('rJcrN) plot­

tats mot portalet vid skjuvförsökets början. Portalet har då framräknats med antagande att provet är helt vattenmättat och att kompaktdensiteten, Ps, hos torven är 1,4 t/m³

Gfr

Axelsson, Stenman 1996). Vid konsolideringen avgår vatten och vid beräkning av por-

talet har antagits att deformationen i provet motsvarar att samma volym vatten pressats ut ur provet och att därmed portalet minskat i motsvarande grad.

Odränerade försök

Brott i torven inträffar först efter relativt stora deformationer i torven. För försöket på prov 1286+360, nivå 2,2-2,4 m, med vertikal belastning 40 kPa (se fig. 5) inträffade brott vid ca 7 mm horisontell deformation (motsvarande 28 % av provets ursprungs­

höj d). Brottet gick diagonalt genom torvprovet och längs brottytan hade torvfibrerna dragits av.

50

45

40

m ³⁵

0..

=-

_Cl ³⁰

·c C

C 25

:ro 0. (I)

>::, 20 _~

:.;;;-

<I)

15

10

5

I /

I

~

Densitet före 0,99 t/m3 Vattenkvot före 830 % Vattenkvot efter 577 %

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Horisontell deformation/Ursprunglig provhöjd (%)

Fig. 5 Direkt odränerat skjuvförsök - sektion 1280+ 3 60 V9, 0, djup 2, 2-2, 4 m.

Normalspänning 40 kPa.

Svensk standard (för kohesionsjord) anger att hållfastheten skall utvärderas som maximal skjuvspänning i varje försök. Om vinkeländringen uppnår värdet 0, 15 radianer utan att brott inträffar bestäms hållfastheten som skjuvspänningen vid 0, 15 radianers vinkel­

ändring.

I tabellerna 7 och 8 sammanfattas resultaten från totalt 6 (0100 mm) och 6 (050 mm) konsoliderade odränerade skjuvförsök som utförts på torv. Skjuvförsöken med

diametern 50 mm har utförts på prover tagna på torven under befintlig banvall. Två av försöken som utfördes på 50 mm-prover visade ett tydligare brott, vilket inträffade vid 0, 19 (0N=40 kPa) resp. 0, 12 (0N=60 kPa) radianers deformation Gfr fig. 6).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50 0 45

40 I ⁵

10

~

[

i

en

·c C

:g ~

>

:, 2 (/)

35 30 25 20 1 5

10 5

/

I.,,.-

~

y

(

V

...

-

^{20 2 5} 30 ¹⁵

3 5 40 45

~ ~ - - - ­ Q - - 4 0 kPa

~

o· ^{- - s o kPa}

, c - - 4 0 kPa

,g2 - - s o kPa g- ' - - - ' :,

~ i

0 50

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Horisontell deformation/Ursprunglig höjd {'¼)

Fig. 6 Direkt odränerade skjuvförsök, Sektion 1280+360 SPM, djup 5,0-5,5 m Tabell 7. Resultat av odränerade skjuvförsök

Sektion/ Konsolide- Densitet Vatten- Hum Skjuv- Skjuv- Skjuv- Skjuv- Nivå ringsspän- tJm3 kvot grad spälllling spänning spänning spänning

ning (kPa) % vid 0,15 vid 0,73-·· vid 0,35 vid 0,50

rad. rad. rad. rad.

Malmbanan 0100

1280+360 2,2-2,4 20 0,98 897 H4 8,9 10,0 10,5 10,8

1280+360 2,2-2,4 40 0,99 830 H4 17 19,2 20,0 20,5

1280+360 2,2-2,4 80 0,98 935 H4 35,2 40,9 44,4 47,5

1368+280 2,2-2,4 40 1,04 672 H4 15,4 17,7 18,6 19,3

1383+200 1,1-1,3 20 0,96 1085 H4 8,2 9,4 10,0 10,5

1383+200 1,1-1,3 40 0,98 1089 H4 14,4 17,2 18,9 20,6

Malmbanan 050

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 1,08 318 H4 23,8*

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 1,09 341 H4 29,8*

1280+360 SPM 4,3-5,0 20 0,96 404 H4 23,8 1280+360 SPM 4,3-5,0 40 1,03 428 H4 24,4 1280+360 SPM 4,3-5,0 60 1,03 424 H4 31,9 1280+360 SPM 4,3-5,0 80 0,96 404 H4 38,8

*Utvärderat vid brott

Tabell 8. Resultat av odränerade skjuvförsök 0100 mm -Normaliserade

Sektion/ Konsolide- Densitet Vatten- Hum _{-r;/crN -r;/crN -r;/crN -r;/crN} Nivå ringsspän- tJm3 kvot grad 0,15 rad. 0,25 rad. 0,35 rad. 0,50 rad.

ning (kPa) %

Malmbanan 0100

1280+360 2,2-2,4 20 0,98 897 H4 0,45 0,50 0,53 0,54

1383+200 1,1-1,3 20 0,96 1085 H4 0,41 0,47 0,50 0,53

1280+360 2,2-2,4 40 0,99 830 H4 0,43 0,48 0,50 0,51

1368+280 2,2-2,4 40 1,04 672 H4 0,39 0,44 0,47 0,48

1383+200 1,1-1,3 40 0,98 1089 H4 0,36 0,43 0,47 0,52

1280+360 2,2-2,4 80 0,98 935 H4 0,44 0,51 0,56 0,59

Malmbanan 050

1280+360 SPM 5,0-5,7 40 1,08 318 H4 0,60*

1280+360 SPM 5,0-5,7 60 1,09 341 H4 0,50*

1280+360 SPM 4,3-5,0 20 0,96 404 H4 1,19 1280+360 SPM 4,3-5,0 40 1,03 428 H4 0,61 1280+360 SPM 4,3-5,0 60 1,03 424 H4 0,53 1280+360 SPM 4,3-5,0 80 0,96 404 H4 0,49

*Utvärderat vid brott

För prover tagna bredvid banvallen är typiska värden på förhållandet mellan

skjuvspänning och konsolideringsspänning ( 1:/CTN) kring 0,4 vid en deformation av 0, 15 radianer (8,6°) resp. 0,55 vid en deformation av 0,35 radianer (20°). Kvoten mellan skjuvspänning och konsolideringsspänning ( 1:/crN) är alltså ungefär densamma vid de dränerade och odränerade försöken. Denna iakttagelse är i god överensstämmelse med vad Landva fann i sina undersökningar med ringskjuvförsöken Gfr fig. 9). Skjuvförsöken som utförts på prover tagna på torven under befintlig banvall visar betydligt högre värden på odränerad skjuvhållfasthet. Dessa prover skiljer sig också mycket från proverna tagna utanför järnvägsbanken. Vattenkvoten är avsevärt lägre (se tabellerna 7 och 8) och därmed även portalet. Det. tycks viktigt att ta upp prover på torven under järnvägsbanken för att få reda på skjuvhållfastheten. Vid konsolidering i skjuvapparater under ett dygn når man 100 % primär konsolidering, men man erhåller inte den effekt man får under 50-100 års konsolidering in situ. Krypdeformationer i torven medför att portalet minskar trots att effektivspänningen i torven inte ökar.

På fig. 7 och 8 har kvoten mellan skjuvspänning och konsolideringsspänning (1:/crN) plottats mot portalet vid skjuvförsökets början. Portalet har framräknats på sätt som beskrivs ovan för dränerade försök.

1,2 V

 20 kPa, 100 mm

0,8 ⁰ 40 kPa, 100 mm

C "' • 80 kPa, 100 mm

-&

E

:, ^0,6

A

~

0 20 kPa, 50 mm

"'

1- 0 ,4

~ •

•

"" ^:ll

l':l D

n

~

~

40 kPa, 50 mm 60 kPa, 50 mm

+ 80 kPa, 50 mm 0,2

0

0 2 4 6 8 10 12 14

Portal före skjuvning

Fig. 7 Direkt odränerade skju.försök - r/o-N som funktion av portal före skjuvning, utvärderat vid brott eller vid 0, 15 radianers deformation

0,6

0

0,5 .9

te l'3

.,^C 0,4 D 20 kPa, 100 mm

E

0) 0,3 "' 40 kPa, 100 mm

ui "3.,

I- o 80 kPa, 100 mm

0,2

0, 1

0

0 2 4 6 8 10 1 2 ^{1 4}

Portal före skjuvning

Fig, 8 Direkt odränerade skjuvförsök- r!CJNsomfunkäon av porta/före skjuvning, utvärderat vid brott eller vid 0,35 radianers deformation

4. DISKUSSION

Hållfastheten i lågförmultnad torv beror bl a av draghållfastheten hos ingående fibrer och av mängden fibrer. På grund av de stora deformationer som uppträder i torv anser professor Landva i Kanada att ringskjuvförsök är den lämpligaste metoden för hållfast­

hetsbestämning i torv. Landvas prover har haft 124 mm inre diameter, 240 mm yttre diameter och ca 150 mm höjd. Proverna har trimmats ut ur större prover, tagna med blockprovtagare. Såväl last- som deformationsstyrda försök har utförts. Vidare har försök vid konstant volym (höjd) kunnat utföras genom justering av vertikallasten.

Cyklisk belastning genom variation av såväl skjuvspänning som vertikalspänning har också prövats. Fig. 9 visar uppnådda skjuvspänningar t (pikvärden) som funktion av normaltrycket CTN för de utförda försöken. Försöken har med få undantag utförts på låghumifierad torv (SH3).

../

"""C( C' \ l .. (o<;t" ~ ALL

-.0""'~~~• .::o .. SOt.-10..rto s,..,,,.cs

./~ ;:::::!.

.. .,.,

...

/4 ..

^~

(411'(:• M(CQ,,IWl,.10,.,.l[O C(:V• CQfcSOUO.lf(O (:O,,CSt,...f? ~uwc

.,

Y(otl,(J.L \U.($S t - . ( l .... l

Fig. 9 Resultat från ringskjuvförsökpå sphagnumtorv från Escumanic (Landva, 1980)

Land va redovisar sina ringskjuvförsök enligt fig. I O nedan. as utgör vinkelförändring som åstadkoms när den undre plattan vrids relativt den övre, medan

c\

är förskjutningen längs provets medelradie. Deformationerna vid brott har ofta varit relativt stora eller uppemot as=50° resp. 'f\=70 mm.

1.2

CTc , 21.6 ,Pa CTN, 21.6 kPa h₀ = 153 mm hc = 105 mm

THROUGH0UT .E C '-E E

"'

"'

e C

'-E E

r l '

<1"N 1.0

0.8

0.6

FR, FRICTI0N RELEASE (UPP ER RINGS l T , RATE OF SHEAR

DISPLACEMENT ,mm/min a: a:u.

a: u.

"-

.,. 'i?

yj~•

a: u.

0 w

V) a:

a:o

~§

~

,,

.,.

2

6u

kPo 0.4

0.2 .-.~.

,.--

... ^6.u ' ·-·- ^.-·-.

·-.' ^{-~ I} '·-_{·-·---·-, i}

0 :;o 40 50 60 70 80 90

J, ^mm

5

: f h

J, ^K)

mm 15

20 0 10 20 :;o 40 50 60

t ( .

'

Fig. JO. Deformationskontrollerat ringskjuvförsök, Landva (1980)

Landva anger att skjuvhållfastheten hos normalkonsoliderad torv som skjuvas första gången beskrivs med c=2 k.Pa och 27<cp<32,5°. Vid normaltryck under 13 k.Pa medför dock fiberverkan (fibrernas drag- och förankringsstyrka) att den skenbara kohesionen ökar till 5-6 k.Pa, medan friktionsvinkeln sjunker mot noll. Dessa värden överensstämmer väl med vad vi i Sverige normalt anger vara den dränerade skjuvhållfastheten i lera.

Landva drar slutsatsen att ringskjuvförsök är rättvisande och meningsfulla vid bestäm­

ning av skjuvhållfasthet hos låghumifierad torv. Han menar att skjuvhållfastheten

bestämd på detta sätt kan representera förhållanden vid uppbyggnad av en fördämning på torv, med hänsyn till horisontell glidning.

Landva gör en genomgång av de försöksprocedurer som används för mineraljordar och bedömer i vad mån de är användbara på torv. Han konstaterar att enaxliga tryckförsök, triaxialförsök och direkta skjuvförsök är tveksamma på fibrig torv. Landva konstaterar vidare att strukturen hos fibertorv påminner mer om textiler än silt och lera. Han menar därför att dessa torvtyper i regel inte passar för normala laboratoriemetoder, speciellt inte vad avser skjuvhållfasthet.

I ett fåtal fall har vingförsök utförts för att bestämma hållfastheten under bankfyllningar.

Resultaten indikerar att hållfastheten bestämd med vingborr är en faktor två gånger den som erhålls med ringskjuvapparat vid samma normalspänning.

SGis försök i direkt skjuvapparat visar vissa likheter med Landvas resultat från ring­

skjuvförsöken. Brott i torven inträffar först efter mycket stora deformationer i torven Gfr figurerna 2 och 5).

Utöver det erfarenhetssamband för skjuvhållfasthet i torv som beskrivs av Landva (fig. 9) finns även ett empiriskt samband föreslaget av Amaryan där skjuvhållfastheten beskrivs som en funktion av vattenkvot och förmultningsgrad. Enligt detta samband skall den odränerade skjuvhållfastheten, --cfu, i torv kunna beskrivas av sambandet

-r^ji, = -(100-1,lR) 140

1Y

70

60

X 790405 - Vingförsök - Mossen obelastad

<i

0..

-"'

; 50

0

-

^)! 790712 - Vingförsök - 2,6 m

fyllning - 0, 75 m sättning

~ .,

"

;;;;; ~ .c > _:,

~ 40

30

~

•

;,:

00

-

--

l:'l

0

810413 - Vingförsök - 2,0 m fyllning - 1, 2 m sättning Odränerade fi 100 mm

"O

"

<i g 20

"O

"

a:

Il!;,: _~

.. ~ I

\.

""

^{' , ~ ~ IX-}

I t - , ¾ ~ ) !

' - ,.., , __ c-

~ Odränerade fi 50 mm Enligt Amaryan H =2

10 * X x-.x __ - -

~ x

---x-

_--- Enligt Amaryan H =4

0 1 ·1

0 500 1000 1500 2000

Vattenkvot{%)

Fig. Il SKJUVHALLF ASTHET; Sammanställning av värden från vingförsök (Dalarövägen) och direkta odränerade skjuvförsök (Malmbanan) I fig. 11 har reducerad odränerad skjuvhållfasthet, bestämd med vingförsök vid Dalarö­

vägen jämförts med resultaten från direkta odränerade skjuvförsök från Malmbanan.

Reduktionsfaktorn, µ, för vingförsöken har valts till 0,5. Den reducerade skjuvhållfast­

heten har plottats mot vattenkvoten. Den odränerade skjuvhållfastheten från de direkta skjuvförsöken har utvärderats vid brott eller vid 0, 15 radianers deformation. Som jäm­

förelse finns Amaryans samband för hurnifieringsgraderna H2 och H4 (enligt von Post).

Torven vid Dalarövägen var i huvudsak lågförmultnad (H2-H4) liksom torven vid Malmbanan (H4).

Fig. 11 visar att skjuvhållfastheten varierar kraftigt, men att bestämningarna med ving­

försök och direkt skjuvförsök relativt väl följer Amaryans samband. Amaryans erfaren­

hetssamband kan dock enbart användas för överslagsberäkningar. Vid slutliga bedöm­

ningar skall skjuvhållfasthetsbestämningar utföras för det aktuella objektet

- -

Skjuvhållfasthet vs portal - Malmbanan/Dalarövägen

120

Il Vingförsök Malmbanan - my=0,5

100

"' Vingförsök Dalarövägen -

"

0.. my=0,5

=

.., ⁸⁰

.s

^{" "} Direkta skjuvförsök -

" ⁶⁰ Malmbanan -fi 100 mm

:.; ~

.,::

> .: Direkta skjuvförsök

::, 40 Malmbanan -fi 50 mm

32

tf)

- - Tau = 82,4/e (Amaryan/H2) 20

- - - T a u = 120/e 0

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Portal

Fig. 12 SKJUVHALLF ASTHET; Sammanställning av värden från vingförsök (Dalarövägen, Malmbanan) och direkta odränerade skjznförsök (Malm banan) plottade mot portal

I fig. 13 beskrivs en jämförelse mellan dränerade skjuvförsök, vingförsök och Landvas erfarenhetssamband enligt fig. 9. Skjuvförsöken har utvärderats vid deformationen 0,50 radianer (gäller dränerade försök) och vingförsöken har reducerats med reduktions­

faktorn, µ=0,5. Relativt god överensstämmelse erhålles mellan värden från dränerade skjuvförsök och Landvas samband. Om skjuvhållfastheten utvärderats vid 0, 15 radianers deformation hade sambandet blivit betydligt sämre. Sambandet med vingförsöken är

sämre. Skjuvhållfastheten bestämd med vinge varierar kraftigt med portalet, vilket gör att skjuvhållfastheten kan variera mycket för samma effektivspänning Qfr ovan).

60

(

..

(

0..

50

=- -

^.,

.,:: 40 "'

~ X 790405 - Vingförsök -

:;; ~

.,::

> 30 ::,

~

i:, e 20

(.) "

::, i:,

"

a: 10 ^X

/4

~

V

~

~v /

l«//ö

)/4_..,..----

y..-K ~<

~'11

~-

"'

Il

0

Mossen obelastad

790712 -Vingförsök - 2,6 m fyllning - 0, 75 m sättning

810413 -Vingförsök -2,0 m fyllning - 1 ,2 m sättning Dränerade fi 1 00 mm

~

^{" " Dränerade fi 50 mm}

0 Undre gräns enligt Landva

0 20 40 60 80

- - Övre gräns enligt Landva Beräknad effektivspänning (kPa)

Fig. 13 SKJUVHALLF ASTHET; Sammanställning av värden från vingförsök (Dalarövägen) och direkta dränerade skjuvförsök (Malmbanan)

60 I

I

50

~ 40 "'

=

^Il! X 790405 • Mossen obelastad

/

V

790712 · 2,6 m fyllning -

~

0, 75 m sättning

°"fil 20 ^{/ ~} 810413 · 2,0 m fyllning -

a: V"" a

1,2 m sättning

~<

^{~ ~}

10 ^X

/4

^,, 0 Odränerade fi 1 00 mm

[.../ 1"

~~

_"' Odränerade fi 50 mm

0 Undre gräns enligt Landva

0 20 40 60 80

- - Övre gräns enligt Landva Beräknad effektivspänning (kPa)

Fig. 14 SKJUVHALLF ASTHET; Sammanställning av värden från vingförsök (Dalarövägen) och direkta odränerade skjuvförsök (Malmbanan) I fig. 14 beskrivs en jämförelse mellan odränerade skjuvfö;sök, vingförsök och Landvas erfarenhets samband enligt fig. 9. Skjuvhållfastheten har/1'.itvärderats som maximal skjuv­

spänning eller skjuvspänningen vid deformationen

6;(S:

radianer och vingförsöken har reducerats med reduktionsfaktorn, µ=0,5. Eftersom skjuvhållfastheten för odränerade och dränerade försök är ungefär lika stor för torv som varit obelastad blir överens­

stämmelse mot Landvas samband relativt gott även här. Om skjuvhållfastheten utvär­

derats vid 0, 15 radianers deformation hade sambandet blivit betydligt sämre

Gfr

figurerna 7 och 8). Stor avvikelse erhålles för det skjuvförsök som gjorts vid 20 kPa normal­

spänning. Enligt utförda kompressionsförsök är torven konsoliderad för en last mot­

svarande 40-50 kPa. Torven är vid normalspänningen 20 kPa därmed överkonsoliderad.

Överensstämmelsen är således god mot Landvas erfarenhetssamband. Emellertid gäller detsamma avseende Landvas samband som för Amaryans samband. De skall endast användas för överslagsberäkningar. Vid slutliga bedömningar skall skjuvhållfasthets­

bestämningar utföras för det aktuella objektet. Speciellt viktigt är att bestämma

skjuvhållfastheten hos torv som varit belastad. De utförda undersökningarna visar att det inte finns ett enkelt samband mellan effektivspänning och odränerad skjuvhållfasthet.

Skjuvhållfastheten varierar inte bara med effektivspänningen utan även med portalet (vattenkvoten) i torven.

5. SLUTSATSER, REKOMMENDATIONER

När man som i fallet Malmbanan skall utreda hur en ökad tåglast påverkar säkerheten för uppbyggd järnvägsbank, krävs att prover tas upp på torven under järnvägsbanken. Labo­

ratorieundersökningar visar att den odränerade skjuvhållfastheten hos torv som legat 100 år under enjärnvägsbank är relativt hög. Att ta upp prover bredvid banken och därefter konsolidera dem till in-situspänningen synes inte ge lika höga värden på odräne­

rad skjuvhållfasthet. Troligen orienteras fibrerna i torven om under årens lopp och beroende av den last som ligger på torven.

6

Vingförsök som utförts på torv under järnvägs- och vägbankar visar att hållfastheten ökar med belastning och tid, förutsatt att torven konsoliderat för lasten. Torvens håll­

fasthetsökning vid belastning blir normalt högst närmast bankens underkant, medan håll­

fasthetsökningen på större djup blir lägre. Eftersom brottet vid vingförsök i torv inte sker vid vingens periferi utan en bit utanför, måste skjuvhållfastheten bestämd med vinge i torv korrigeras kraftigt. Undersökningar av Landva (Landva, 1980), m fl tyder på att korrektionsfaktorn, µ, bör vara av storleksordningen 0,4-0,5.

Erfarenhet av bestämning av odränerade skjuvhållfasthet på en torv som varit belastad lång tid i fält är ringa. I ett fortsatt forskningsarbete avseende torvs hållfasthet bör därför fler lokaler testas (t.v. enbart en undersökt lokal). Undersökningarna bör omfatta upp­

tagning av ostörda prover för att kunna bestämma odränerad skjuvhållfasthet i direkta skjuvförsök. Likaså bör skjuvhållfasthetsbestämning med vingförsök utföras för samma lokaler. En erfarenhetsbank kan ge underlag för säkrare bedömning av korrektions­

faktorn för vingförsöket.

Dränerad skjuvhållfasthet för torv verkar mindre beroende av spänningshistorien. Labo­

ratorieförsöken visar att den dränerade skjuvhållfastheten blir av samma storleksordning för prover tagna utanför järnvägsbanken som på prover tagna genomjärnvägsbanken.

Hittills utförda försök visar på god överensstämmelse med Landvas erfarenheter i Kanada.

REFERENSER

Axelsson, K., (1996), Litteraturstudie: Dynamiska moduler i torv, Banverket Axelsson, K., Stenman, U., (1996), Rutinprovning på torv, Banverket

Carlsten, P., (1985), Förbelastning av torvmosse i samband med byggnation av Dalarövägen, Stockholm. Statens geotekniska institut. Varia No. 151., Linköping Carlsten, P., (1988), Torv - geotekniska egenskaper och byggmetoder, Statens geotekniska institut, Information 6, Linköping

Carlsten, P., (1991), Vägbyggnad på torv, Statens geotekniska institut, Vägledning 2, Linköping, 35 pp

Carlsten, P., (1996), Skjuvförsök på torvprover, Banverket

Carlsten, P., (1996), FoU-projekt: Torv under järnvägsbankar - Hållfasthetsegenskaper och undersökningsmetodik, Banverket

Flaate, K., (1968), Setningar i torvjordarter, Statens vegvesen, Veglaboratoriet, Intern rapport nr 93, Oslo

Johansson, L., (1996), Förbelastning av torvmosse (Dalarövägen, Stockholm), Beräkningar med FLAC, Banverket

Johansson, L., (1996), Beräkning av vertikal- och horisontalförsk:jutningar i sektion 1280+360, Beräkningar med FLAC, Banverket

Landva, A.O., (1980), Geotechnical Behaviour and Testing of Peat, Ph. D. thesis, Laval University, Quebec

Landva, A.O., (1980), Vane testing in peat, Canadian Geotechnical Journal, Vol.

17, No. l,pp.1-19

Landva, A.O., Pheeney, P.E., La Rochelle, P., Briaud, J.-L., (1986), Structures on peatland - Geotechnical investigations, Advances of Peatland engineering,

Proceedings, Ottawa, pp 31-52

Samson, L. & La Rochelle, P., (1972), Design and performance of an expressway built on peat by precompression, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 9., No. 4, pp 447-466

Svenska geotekniska föreningen, (1996), Geoteknisk fälthandbok, allmänna råd och beskrivningar

Dnr 1-9509-442 Datum 96-01-19 Sign. I K 'VC_

DIREKT DRÄNERAT SKJUVFÖRSÖK - BANVERKET SEKTION 1277

+

940 H8,0 DJUP 1, 1-1,3 M - VERTIKAL LAST 20 kPa

20 18

r - - • -111 -•-111-111

- 111 - 11 -11-11-11 -11....,..._._.

-

^{-- -Il} _- Il

---

^{5 0}

16 ¹⁰ _ro

<

ro

0..

:.

Ol C:

'i:C

1(1)

14 12 10

..

~---

___...o--

~

- -

[_...-U ,n---

r t

- ^---

~ ^{15 r+ ;;;-:}_e!.. ^....

a.

20 ~ ~

0 0

< ....

::; 3 25 2: ~

a. -· ₀

c.. - : i

U)

::, >

:E;2'

(/')

8 6

4 2

f t

T T ~ --·--~-·-·

JJ/~-

I

--·--·

Densitet före 0,96 t/m3 Vattenkvot före 460 % Vattenkvot efter 419 %

- 30

35 40

45

~

---

~ C.,

u, 'O ....

C ::, lQ (Q

0 ^{T I I 50}

0 ^{10 20 30 40 50 60} 70 80

u

::i,...,

Horisontell deformation/Ursprunglig provhöjd (%) ...

I

\[) u,

u _...

0 ---:i

w I

w N

~ ,...,

p, ,_. 8

Sida 1

Dnr 1-9509-442 Datum 960117 Sign.

l rv~

DIREKT DRÄNERAT SKJUVFÖRSÖK - BANVERKET SEKTION 1277

+

940 H8,0 DJUP 1, 1-1,3 M - VERTIKAL LAST 40 kPa

50

45

40

·---•·• •-

1111-111

J

1111

·•-·-·-· ^t-~---- _·111--

·---. ^- - ----

0

5

10 (1) <

35

,. 15 2-. _~

ro

^QJ

0.. a.

:::.

Cl

·c

C _C

IC'O,

C. ~

...

:::, ..:.:

(./)

30

2s

20

15 ~ -

~ ~

~

~

- --- ^-

^-

^-

~

~ -

-

^{20 "g} 0 ^~ 0

< .., ::r 3 25 ~:;:;.

a. -· 0

- :i

30 ~

c

-,

(I)

"O

35 2

:i

10

5

?

§ ~

Densitet före 0,96 t/m3 Vattenkvot före 506 % Vattenkvotefter417 %.

40 45

(Q

tä'

0 ., ^---~ I I 50

0 10 20 30 40 50 60 70 80

v

Horisontell deformation/Ursprunglig provhöjd (%) ^:::i ""I

-

^I

\0 V1

v

,-.

0 ~

---:i

w I

N

""I

w

8

_N

Sida 1