80. 05. 13

(1)

80. 05. 13

BESTÄMNING AV SKJUVHÄLLFASTEET MED FÄLTVI~GBORR

av

Carl-Eric Wiesel

Statens geotekniska institut Linköping

Denna rapport avser anslag

c444

från Statens räd för byggnadsforskning t i l l Statens geotekniska institut.

(2)

FÖRORD

BETECKNINGAR . . . 6

1 INLEDNING 8 2 FÖRSÖKSPLATSER . . . • . . . 9

2.1 Skå Edeby . . . 10

2.2 Kalix . . . 24

2.

3

Upplands Väsby . . . 29

2. 4 Ve st en . . . ·. . . 42 2.

5

Lilla Edet . . .

43

2.6 Morjärv . . . • . . . 44

2.7 Säveån

45

3 NAGRA FAKTORERS INVERKAN PA FÄLTVINGBORRESULTAT

46 3.1

Allmänt . . . .

46

3.2

Utskj utningslängd . . . .

49

3.3

Nedpressningshastighet . . . .

53

3. 3^.1 Allmänt . . . . _..

53

3.3.2

Försök i Upplands Väsby . . . .

53 3. 3. 3

Slutsatser . . . • . . . .

56

3. 4 Försökstyp ~å föregående nivå . . . • . . . 57

3.4.1

Allmänt . . . . 57

3.4.2 Försök i Skå Edeby . . . . 57

3.4.3

Försök i Upplands Väsby . . . .

60

3. 4. 4 Slutsatser . . . . 62

3,5

Vingdonsstorlek (H/D = 2) . . . .

63

3.5.1

Allmänt . . . . ^C)^r~

3.5.2

Försök i Skå Edeby . . . .

64

3.5,3 Försök i Upplands Väsby . . . .

68

3. 5. 4 Försök i Vesten . . . . ^t)8 3. 5. 5 Slutsatser . . . .

69

(3)

3.6 Vingdonshöjd (D = konstant) . . . . . . . . . . . . . . 70

3,6.l Allmänt . . . 70

3.6.2 Försök med rutinvingborr

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

⁷¹

3.6.3 Försök med specialvingborr i Skå Edeby

. . .

^" ⁷¹ 3.6.4 Försök med specialvingborr l Kalix

. ^. . . . . . .

75

3,6.5 Försök med special vingborr i Upplands Väsby 75 3.6.6 Slutsatser 75 3,7 Bladantal hos vingdon . . . , 76 3. 7 .1 Allmänt . . . . 76

3,7,2 Förberedande försök . . . ; . . . 76

3,7.3 Försök i Skå Edeby . . . 77

3. 7. 4 Försök i Upplands Väs by . . . . . . . 79

3. 7. 5 Försök i Vesten . . . . . . . . . . . . . . . 80

3,7,6 Slutsatser . . . 80

3.8 Areakvot och perimeterkvot hos vingdan med samma bladantal . . . 81

3.8.l Allmänt . . . · . . . 81

3.8.2 Försök i Skå Edeby . . . .~ .. 83

3.8.3 Slutsatser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.9 Torsionsstyvhet hos vingdan med konstant bladantal och ytkvot . . . 91

3 . 9 . 1 Allmänt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3,9.2 Försök i Skå Edeby . . . .~ . . . 91

3. 9. 3 Försök i Upplands Väsby . . . . . . . . . . . 93

3. 9. 4 Försök i Vesten . . . . . . 93

3,9.5 Slutsatser . . . 95

3.10 Väntetid . . . 96

3 . 1 O . 1 Al lmänt . . . . . . . 96

3.10.2 Försök i Skå Edeby, provyta I . . . 100

3,10.3 Försök i Skå Edeby, provyta I I . . . 104

3.10.4 Försök i Kalix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ll~L 3.10.5 Försök i Upplands Väsby . . . 115

3.10.6 Slutsatser . . . 120

(4)

3. 11. 1 Allmänt . . . . 121

3. 11. 2 Försök i Skå Edeby, provyta I . . . . 127

3. 11. 3 Försök i Skå Edeby, provyta II . . . . 143

3. 11. 4 Försök i Kalix . . . . 168

3. 11. 5 Försök i Upplands Väsby . . . . 218

3.11. 6 Slutsatser . . . . 232

4 BESTÄMNING AV LERORS ANISOTROPI MED FÄLTVINGBORR 234 4.1 Allmänt . . . 234

4. 2 Förs ök med rut invingborr . . . . • . . . 2 38 4.3 Inverkande faktorer . . . 240

4.4 Ny utvärderingsmetodik . . . 246

4.5 Försök med specialvingborr . . . 252

4. 6 Slutsatser . . . . . . . 256

5 SLUTSATSER . . . . . . . . 257

6 LITTERATUR . . . . . . . 262

(5)

---~---, ^...^~---.

.:..' ,._,: :··,t_,-=-~--

' cen~a rapport redo s dels för en stud~e av olika faktorers inverkan vit best ~q avs uv~lllfast- heten ~ed fältvingborr, dels ffr bestämnin~ av lerors anisotropi ~ed avseende på s uvhlllfastheten ned fältvingborrförsök med vingdon av olika for~at. ?lera av de undersökta faktorerna har aktualiserats i sam- band ~ed anisotropiundersökninFen,

Arbetet har t i l l större delen finansierats ~enom an- s:ag frän ~tatens råd för byggnadsforsknin~.

Projektet har genomförts vid Statens geotekniska insti-

t l l t.

En mindre del av arbetet, försöken med rutinvingborr för bestämning av anisotropin, se avsnitt 4.2, har under författarens ledning utförts som examensarbete

L Eerg~ren, G Gahm, 0 Leander, H Blom, L-E Cel~n oct C JustaDson från Kungl~ga tekniska h5~skolan (XT~).

Se i avsnitt

4.2

omnämnda försfken

i

Sk~ Edeby oc~ vid st~veån r:-ied i'JGI:s s_ 1-:: j2.tteskjuva:Jp2rat för in-·sit1..1 fö-~- sök utfördes under ledning av dr F DTRIAGIO frän ~GI.

V~d försöken~ Sk! Edeby medverkade examensarbetarna L Bjerin och L Hill fr~n KTH.

Flertalet fältförsök utfördes under ledning av

Börje Färestad, delvis i samarbete rr.ed Be Lennber8; som ocks~ konstruerade den nya specialvingborren. Bådas med- verkan v2r av r:1ycket stort

I sa• band med redigeringen och utskriften av denna raprort lämnade speciellt Jan ~indgren och Ann-~ari lygren värde- ful:'... hjälp.

Till alla nämnda och onämnda se~ medverkat vid arbetets genomförande vill jag fr2~~ara ett var~t tack.

nkfping i dece~ber

esel

(6)

3etec1:ningar definier2.s

i

allr:12nhet första gången de förekommer i texten. Beteckningar som anv~nds flera gåri.ger framgår a¹¹ följ ande sarnuanställning.

a faktor

D diameter tas vingdon

e tjocklek hos vingdonsblad

G skjuvmodul

H höjd hos vingdon

plasticitetstal kvoten a lo:h

V L

kvoten T IT vr vf m V kvot en ~-1_{. V}IH..

ooment

:,1 ( 2D) brottmoment för vingdon, H = 2D

I1(Dl3) brottmoment för vingdan, H = D13

moment för vingdon, H =2D, vid rotations- vinkelna

~![ ( D 13, a) moment för vingdon, H = D13, vid rotations-

vinkelna

T,I, f' brottmoment

moment p g a skjuvspänningar utmed en av brottcylinderns två horisontella ändytor f:1 V moment p g a skjuvspännin~ar utmed brott-

cylinderns vertikala mantelyta

n antal vingdonsblad

korrelationskoefficient R kvoten T +>ITh,,..

V J. ,I

R Ct, lcrnten T IT va ho:

t tid

t V i referenstid

tid t i l l brott vid ordinärt fältvingborr- försök

(7)

i;.J -

L

a V

B

]J

p T

T f(l30x65)

T. n Tt1f

T ha

T 0

T ~

0

T va

T X

w

(Jj

tu 0

sr,/2 t t er\lcvot l:on f l·:1 t ~1~tt11 s

flytgräns, st5tflytgräns plasticitetsgr~ns -

rotationsvinkel för vingdan, koefficient rotationsvinkel hos vingdan när Th~ tir

!. .. .!.

:mobiliserad

rotationsvinkel hos vingdan mobiliserad

rotationsvinkel för vingdan, koefficient korrektions faktor

densitet

skjuvspänning, (skjuvhållfasthet) skjuvhållfasthet

skjuvhållfasthet vid försök med vingdan H x D = 130 x 65 mm

skjuvspänning utmed horisontell ändyta skjuvhållfasthet utmed horisontell ändyta skjuvspänning utEed horisontell ändyta vid rotationsvinkeln a

skjuvhållfasthet vid ordinärt fältving- borrförsök

skjuvhållfasthet vi~ fältvingborrförs6k med lång väntetid och normal rotations hastighet, 6°/min

skjuvspänning utmed vertikal mantelyta skjuvhållfasthet utmed vertikal mantelyta restskjuvhållfasthet utmed vertikal mantelyta skjuvspänning utmed vertikal mantelyta

vid rotationsvinkeln a

skjuvhällfasthet vid försök med normal rotationshastighet och en väntetid som är lika med tiden till brott vid försök

utin

väntetid

rota'~ i ens vinkel rotationshasti~het

rotationshasti~~et virt ordinärt fältving- bor:,:,försölc:

(8)

Efter de grundläggande _försök som utfördes av CADLING o ODE~'JSr;:'AD ( 19 50) fick metoden att bestäimna den odränerade skjuvhällfastheten hos kohesionsjord in situ med fält- vingborr mycket stor spridning, s&väl i Sverige som inter- nationellt och är i dag, bl a i Sverige, helt dominerande.

Det är därför av stort värde att känna vilka faktorer so•

inverkar pä det resultat so~ erhålls vid dylika försök,

·,

såsom vingborrutrustningens egenskaper, försöksmetodiken, jordens egenskaper samt antaganden vid utvärderingen.

denna rapport behandlas en del faktorer mycket sur.,mariskt, andra mer utförligt. Flera faktorer aktualiserades vid försöken att bestämma lerors anisotropi med avseende pä skjuvhällfastheten med fältvingborr, med vingdon av olika forsat. En stor del av arbetet har gällt att bestämma tidens inverkan vid bestämning av hållfastheten.

I

(9)

2. FÖRSöKS?LATSER

De fältförsök, som utförts av SGI och som beskrivs i denna rapport, har utförts på olika platser

i

landet, se FIG 2:1. Pf några av dessa har antalet försök varit få sedan på andra försöksserien varit • er omfattande.

Sålunda har

i

Skä Edeby och Kalix relativt omfattande försök utförts wedan omfattningen varit mer bef,ränsad i Upplands Väsby, Vesten, Lilla Edet, Morjärv och vid Säveån. En kortfattad beskrivning av försöksplatserna lämnas

i

följande avsnitt.

FIG 2:1 Försöksolatser. Skå Edeby, l; Kalix, 2;

Upplands Väsby,

3;

^Vesten,

4;

Lilla Edet,

(10)

Försöken utfördes d institutets provfält i Stä Edeby~

som ligger på Svartsjölandet ca 25 km väster om Stocktolm.

En närmare beskrivning av provfältets läge och topografi har givits av EANSBO (1960). Sedimenten avlagrades under kvartärtidens såväl glaciala som postglaciala period. Se- dimentens tjocklek vid försöksplatserna uppgår t i l l

13-1¼

m.

Den postglaciala leran närmast markytan är ca

5

m tjock.

Den glaciala varviga leran inneh!ller tunna siltskikt och närmast fast ~otten sandlager. -Leran innehåller något järn- sulfid i hela profilen. Grundvattenytan är belägen på ca 0.5-1.0 m djup. Under en ca l m tjock torrskorpa är leran lös och normalkonsoliderad.

Försöken med fältvingborr har i huvudsak utförts på två

olika ytor, benämnda provyta I och provyta II, se FIG 2.1:1.

I FIG

2.1:2-3 visas borrpunkternas placering inom varje för- söksyta. I anslutning t i l l f6rsöksytorna har bl a provtag- ning med standardiser2d kolvprovtagare utförts.

I

provyta_I utfördes normala försök (rotationshastighet 6°/min) med institutets vanl ffiltvingborr och vingdan, E x D = 130 x 65 arn, i 6 olika borrhål på varje halvmeters- nivå, se TAB 2.1:1. Medeltalet av erhållna hållfasthetsvär- den, T , framgär av FIG 2.1:4. Största och minsta värdet på

0

kvot en T _I~IT _O för varJ~ e ni ve.. visas i FIG 2 .1:

5.

"':Ied undan ta_r:_, av några nivåer är avvikelsen frän medelvärdet T mindre än

0

10%. Som framgår av TAB 2.1:l och FIG 2.1:6 föreligger in~en tendens t i l l att något resultat väsentligt avviker från de ö~riga. För samtliga borrhål gäller att hållfasthetskvotens inedelvärde avviker mindre än

3%

från provytans medelvärde.

(11)

?!G 2.l:l

:s Pro,,.t t i

Ytor I Och II. ^e

(12)

2.1:2 Borrhål i provyt ^-'-.^T

(13)

----~-,j.

/~6

:~(.,.

i

F'IG 2.1:3 Borr i provyta II.

(14)

~ _l _f'; _T _{, . .}rr,,,_{.}c_} olil-~a

- 0

Borrhål l'rnt2.l försök 1.5-12.0 m

11 22

14 22

51 20

54 21

202 22

203 22

borr112.l.

Medel

0.986 0.85 1.13 0.994 o.84 1. 18 1. 024 0.96 1.12 1. 006 o.87 1. 35 1. 014 o.83 1. 21 0.980 0.79 1.11

FIG 2.1:4 het enligt Provyta I.

6 hål.

Skjuvhållfast- fältvingborr.

Medeltal av

l1: I :

(15)

'\:f••::::\

j '

~ ~ ~ - - ~ i _ . - - ! " - · - -

f'IG 2.1:5 Extreovärcten pa 0 t1åll fast s lcvot en

,IT

0

Provyt2 ^T^{.L •}

(16)

j:.

i .. '~

---; ^..··--).-_---·

·.!. . ·. I

i::jjf:ii:d:<i:i/.•. ·h

•• 1 : .

f ::<-

¹> - } · :~

L .. :,--o/-- ...

kv~7~/4-~~,~;;~:r:(,r.,~ ~'.

~~(~(~ ✓-

^{. •}

¾t__..

F~G 2.1:6 Skå Edeby. Provyta I. Avvikelsen hos ~åll- fasthetskvotens medelvtirde rar olika borr- hll fr~n medelvärdet för pvovytan.

Kl2ssindelning: -2.0

-1.0 -0.l 0.0

0.9

1.0

1.9

2.0 2.9

(17)

På sarr1E1a sätt best2_r!ldes hållf2.stt1eter1 i pro·vyt2. I I med.

fältvingborr i 19 olika borrhål, se TAE 2.1:2. I nå~ra av dessa borrhål utfördes endast normala försök, medan i de övriga andra typer av fältvingborrf5rsök utfördes pä vissa nivåer. Medeltalet av erhållna hållfasthetsvär- den, T , vid normala försök framgår av FIG 2.1:7.

0

FIG 2.1:8 visar största, n~st största, näst minsta och minsta värdet på kvoten TflT för varje nivå. För de

0

flesta nivåer avviker extermvärdena 10-20% från ~edel- värdet, ^T ^, medan näst största och näst minsta värdet

0

avviker med ca 10%. Som framgår 2.v TAB 2.1:2 och FIG 2.1:9 avviker för de flesta borrhål hällfasthetskvotens medelvärde mindre än

4%

från provytans medelvärde. Avvikel- sen för borrhål 51, 56 och 106 är emellertid 8-10%.

Medelskjuvhållfastheten för provyta II överensstämmer för de flesta nivåer synnerligen väl med motsvarande för provyta

I (FIG

2.1:~ och

7).

Detta fram~år även av

FIG

2.1:10 som visar kvoten mellan T -värdena för provyta II och I.

0

Avvikelsen i skjuvhållfasthet mellan provyta

I~

och

I

fr

0 7 0 0

,

r··

1⁷_J ^• av t ^L ^lt ')3 . •r.:>r) ^1· ^{, ~} ^g sa~unaa or nivaer ⁽ o~a ^L n1va~- m_naLe an

+

5%

och

rar

18 nivåer mindre ä~ + 10%. Endast i eller omedelbart under torrskorpan, samt omkring 8 m nivån är avvikelsen större än 10%. F6r båda provytorna gäller att hållfastheten först minskar med 5kat djup och uppnår ett minimivärde vid

4

m djup, därefter ökar något och uppnår ett maximivärde vid

5

m djup, därpå äter minskar och når ett nytt minimivärde vid

6

m djup fhr att sedan öka med ökat djup.

För prover tagna med standardkolvborr

i

provyta II visas i

FIG 2.1:11 medeltal för va~tenkvot respektive konflytgräns som funktion av djupet.

(18)

+'"

T ,:,! ^IT -1.or olika b l.

.L 0

c f' / T

~ 0

Borr·r Antal sök Medel Min

Max

nr

1.5-12.5

^m

41 13 0.966 0.839 l.127

42 10 0.986 o.849 1.132

45 23 0.989 o.649 1.067

46 19

^1.

008 0.917

1.

238 51 18 0.900 0.720

1.

096 52 12 0.977 0.900 1.099

53

13 0.968 0.810

1.

096 12 0.961 0.814 1.185

56 19 1. 088 0.988 1.254

60 23

^1.

026 0.907 1.189

63 12 0.990 0.889 1.164

64 12 0.979 0.871

1.

075 65 13 1.057 0.975

^1.

18!.!

66 20 0.982 0.822

1.

203 75 19

1.

027 0.891 1.197

81 23 0.980 0.875

1.

086

85

23

O. 965

O.-8 7 5

1.

253 101 22 1. 016 0.829 1. 408

106 22

1.

096 0.918

^1.

261

(19)

:;;~'.:J::=!~~~~~:~-,-l. ^··~-I ^,-L,--j

^·:1~-^{.r,-, _} ·•···· ··· ; i

···' ··-··1 ·· If'c,v~ 21/J""'~U:t>'i L ··

! ·: ~: ;--

·- ... - . ·_I ___: -- -_-i,... 1· .. i

-T · ro::. · i

^!

- - i . - - - -

i· ...

PIG 2.1:7 Skjuvhållfasthet enligt fältvingborr.

Provyta II. Medeltal ^{( T} ⁾ ^-3.^V 19 hål :

0

medeltal+ standardavvikelse

o max- och min.värde

X

(20)

FIG 2.1: ta ^TT^J..^{..L •} en av lfast~etskvoten TIT St sta oc:1

0 p ' - •

- l, • t största och

st ta värdet:

(21)

c;j

~~

•,i rl 0

:o H

('+--i

(])

'D

~i

::7 :>

r l Q)

'D CJ E

[j)

~ (1)

.µ 0

,>

--~~

f.;] t;'c

_J.) 0 0 0

Q)

..i::: ,·-! ^C\J ^t•"\

.µ I I

rJJ >

crj ^[j)

4--1 0

r-i ,-j r l r l ,·I

ocd 0 r l C\J

~ I I I

Ul C

0 c'5

~C: .µ

>, C:..

C ^~> ^[j)

Q) 0 ^Q)

L'J H ~-,

r l 0..

Q) ,.,2:.~ )..;

·rl :o ^B~

C;-, G, m G\

>

>·

<~ .µ 0 ,-; C\J

Q) >

'{_J ^[j)

H H 0

H :·:j 0 0 0

>

crJ r-l 0 r l C\J .µ Q)

,/C> 'd

> ^Q)

0 G ^t•1

~~ C

~L, C ^•rl

' O(\j::., r l ^C

:>, 4--1 ^Q)

.D 'D

Q) , i C

·d ^c(j ·ri r..-G .r~ ^[j)

;:.., [j)

o(d H ^crj

,.':,:; 0 r l

[j) .D ~

.. -·--r:-"

^O,^{r l}

. · _ __I

½

^C\j

C')

~--i /_":---,

(22)

PIG 2.1:10 . Jämf6relse ~ellan skj 11 t- heten ¹ provyta I och II.

(23)

2.1:11 I. ,.at ten1rvot:

0 - - - 0

resp kon~lytgräns:

bh B7C, 880, 76 oc~

(24)

Provytan ligger vid Gammelge.rden, vid väg

390,

^mellan

'.T _:\2..LJ.X-, _., ocn l l'l;T ¹¹,orJarv. " "• J. oraen 1.)estår, under en ca l rn tjock -' torrskorpa, av svartmocka ned t i l l ca 18 m djup. Geotek- niska data visas

i

FIG 2.2:1, so~ är hä• tad ur HOLTZ o HOLV (1973). Avståndet mellan varje borrhål var minst 2 m.

Normala fältvingborrförsök (6°/min) har utförts enligt TAB 2.2:1. PIG 2.2:2 visar skjuvhållfastheten, såväl medelvärde (i: ) som :r:1aximi- och minimivärde samt näst

0

största och näst minsta värdet. Spridningen blir relativt liten om största och minsta värdet slopas pe. varje niv~. }lågan större hållfasthetsvariation föreligger inte inon provytan. Detta framgår även av TAB 2.2:2 som visar största och minsta värdet samt medelvärdet på kvoten

1:~/1: för varje borrhål där standardförsök utförts. He.11-

_,. 0

fast~eten i borrhål 91 är i allmänhet något st5rre än

i

5vriga borrhål. Det överv~gande antalet av de i FIG 2.2:2 visade maximivärdena kommer fråc borrhål 91. Orsaken t i l l detta är ej känd. En viss använd kombination av förläng- ningsstänger och rör kan ha givit upp_hov t i l l onormalt höga värden på friktionen mellan stänger och rör. En minskad vattenkvot invid borrhål 91, genom inverkan av något växtrotsystem eller genom rekonsolidering, efter någon tidigare, okänd, borrning kan även t~nkas vara orsaken.

(25)

Djup rn

Jordarts- benämning 20

Vattenhatt'/, 60 100 140 180

I{

t/m

G!ödgn förlust

.,.

Odränerad Skjuvhåll!aslhel kN/m2 (ored)

5 10 15 20 25 30

St (kon)

Vertikal spanning kN/ m2 10 30 50

····--·1 Cc/(l+eo)

0,2 0,1, 0,6 1

2

Torrskorpa 6

~ I, 24

1,31 8,6

-~-~

17

.,

i

3 4 5 6 7 8 9

Svart Organisk Sulfid hal tig Lerig Sill

(MH-OH) _,1

~ 6 1 06 ,:,

'c,n

ll ·t;

•

t::s •ll,:, lI:Pl l l " ' •

1,27 1,28 1,30 1,33 1,32 1,37 1,37

9,3 10,2 9, 2 8,2

a. ¹

..

_•,_,{

. .

'_•.~,

.

t

15 11 10

7 10 11 11

I \ ...\;>

I

\ I

~ ⁽ ^I

\/'Pc <rvrnl

\

1

I I ~

I

.•

I

10 11 1 2 1 3

Svart Organisk Sullidhallig

Lera(CH)

-

6 . . . ^{,a, •}^111"1

1,37 1,39 1,42 1,43

7,4

6,7

z .

_k

'

.

_'x

\,,

.

11 12 11 1 2 1 4

1 5 1 6 1 7 18 1 9 20 21 22

Sand

- - -

Wp WL

( 2 hd I)

ll Wn Naturlig vallenhalt (3hol) I wl Flytgräns w p Plasticitelsgräns eWF Finlekstal

.

SGI Vingborr. Försök utförda av SGI (medelvärde av 10 borrh) o SGI Vingborr. Försök utförda av

' Statens Vägverk (medelvärde

· av 3 borrh61)

• Kon för.sök

(medelvärde av 2 borr ho I)

Ödorneler

• 24 h, 50 mm$

0 3h, 50mm?

• ^{3h, 80mm}^C:,

(Staplar avger spridning ) 23 Morän

PIG 2.2:1 Geotelmisk beskrivning

(26)

Djup Borrhål nr

m 51 52 53 54 55 61 62 63 64 65 71 72 75 81 91 95 101 102

1. 5 ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^I ^X ^X

2. ^X ^X ^X ^X

5 X X X X X X X X

3, ^X ^X ^X ^X ^X

5 ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X ^X

4. X X X X X X X