Kartering av kvicklera utifrån CPT- och totaltrycksondering

Kartering av kvicklera utifrån CPT- och totaltrycksondering

D. Schälin

Statens geotekniska institut, Sverige, david.schalin@swedgeo.se H. Löfroth

Statens geotekniska institut, Sverige

ABSTRACT

Statens geotekniska institut har av regeringen fått i uppdrag att utreda hur ett förändrat klimat påverkar stabiliteten i Göta Älvdalen. I uppdraget ingår det bl.a att kartlägga områden med kvicklera och hur stor skredutbredningen kan bli. Inom Göta Älv utredningen har, som ett komplement till ostörd provtagning CPT- och totaltrycksondering med registrering av totalt nerdrivningsmotstånd använts för att utvärdera förekomsten av kvicklera. Utvärderingsmetodiken testades i 2 delområden inom Göta Älvuppdraget. Resultatet visade att nästan samtliga nivåer som utifrån fallkonförsök klassats som kvicklera registrerades som kvicklera med båda sonderingsmetoderna. Dessutom registrerades ytterligare ett antal nivåer som kvicklera, vilket innebär att utvärderingen med CPT- och totaltrycksondering visade en större förekomst av kvicklera än bestämning med fallkonförsök på laboratoriet. Skillnader mellan sonderingsmetoderna kan också urskiljas, där en utvärdering med data från CPT-sondering har en bättre noggrannhet. Med utgångspunkt från de erfarenheter testområdena gav användes båda sonderingsmetoderna för att utvärdera kvicklera i de resterande delområdena inom Göta Älvuppdraget. Sonderingsmetoderna är ett komplement till ostörd provtagning och bidrar till att den geologiska modellen förbättras.

Keywords: Clays, In situ testing, Soil classification, Slopes.

1 INLEDNING

Under 2009 fick Statens geotekniska institut ett regeringsuppdrag att undersöka

skredrisken i Göta Älvdalen för aktuellt vattenflöde samt hur ett förändrat klimat påverkar området. I uppdraget ingår det bl.a att kartlägga områden med kvicklera och hur stor skredutbredningen kan bli i dessa områden.

För att verifiera om leran är kvick eller ej är man tvungen att göra ostörd provtagning, vilket är en precis metod men samtidigt kostsam. Det var därför viktigt att hitta en kompletterade metod som på ett effektivt sätt kunde användas för att kartera kvicklera inom projektet. Tidigare har sambandet mellan sonderingsmotstånd och sensitivitet studerats av Möller och Bergdahl, (1982), vilket har kommit till användning de senaste åren baserat på en studie av Rankka m.fl.

(2004). I den studien konstaterades det att ett samband finns för samtliga metoder, vilka kan förväntas vara beroende av faktorer såsom dimensionen på stängerna, formen på spetsen och diametern på spetsen i

förhållande till den på stängerna. De

sonderingsmetoder som används inom Göta Älv uppdraget är framför allt CPT- och totaltrycksondering. Därför är dessa två metoder intressanta för kartering av

kvicklera, förutom upptagning av prover för bestämning av sensitivitet på laboratoriet.

2 SONDERINGSMETODER 2.1 CPT-sondering

Sonderingsmetodens främsta användningsområde är att bedöma jordlagerföljden och jordens geotekniska egenskaper (Larsson, 2007). Under

sonderingen drivs en cylindrisk sond med en konisk spets ner med en hastighet av 20

mm/s. Mätdata skickas kontinuerligt upp till en dator som loggar mätvärden för

parametrarna spetstryck, portryck och mantelfriktion. Spetstryck är jordens tryck mot sondspetsen vid nerdrivning. Spetsen har en tvärsnittsarea av 1000 mm² och en

diameter på 36 mm. Portrycket mäts vid ett filter strax ovanför spetsen och

mantelfriktionen mot en 15000 mm²

cylindrisk yta ovanför filtret. Sondstängernas diameter kan variera, men ligger vanligen mellan 32 och 36 mm. För att grafiskt utvärdera kvicklera från en CPT-sondering krävs det att kraften som genereras uppifrån är känd. I Göta Älvuppdraget medförde detta att datainsamlingen kompletterades med ytterligare en parameter, totalt

neddrivningsmotstånd.

2.2 Totaltrycksondering

Totaltrycksondering är en sonderingsmetod som används för att utvärdera variationer i jordlagerföljden. Sondering utförs vanligen med 22 mm sondstänger och en

viktsondspets. Data för totala

neddrivningskraften registreras under

nerdrivningen men det finns ingen möjlighet att separera spetstrycket och

mantelfriktionen. Metoden används

huvudsakligen som en kontrollmetod för att snabbt och effektivt hitta fasta skikt, samt djup till fast botten.

3 GÖTA ÄLV DELOMRÅDE 5 OCH 7 När projektet startades delades älven av praktiska skäl in i 10 delområden. Två av dessa, område 5 och 7, påbörjades i ett tidigt skede och fungerade som pilotområden.

Områdena 5 ligger på västra och område 7 ligger på östra sidan av Göta Älv (se Figur 1) mellan orterna Trollhättan och Lilla Edet.

Jordprofilen i området är lera med inslag av tjocka sandskikt och överst ett svämsediment som varierar i tjocklek. Lerans mäktighet är på många ställen större än 45 m men det finns också grunda partier. Ett tecken på att

området har låg säkerhet och att det

förekommer kvicklera är de många skredärr som kan observeras längs älven.

Figur 1 Göta Älv delområde 5 (Intagan - Ström) och 7 (Intagan - Lilla Edet)

Slänterna karakteriseras av att det ovanför släntkrön är plan eller svagt sluttande markyta som sedan övergår i en brant slänt.

Höjden på slänterna varierar längs älven och de högsta är 10-12 m. Nere vid vattenbrynet på båda sidorna av älven är ett erosionsskydd av sprängsten utlagt för att hindra ytlig erosion. Portrycksmätningar gjorda i

samband med Göta Älvutredningen visar att i delområde 5 och 7 finns partier med både högre och lägre gradienter än hydrostatiskt portryck, vilket ger upphov till strömning i jorden. Strömning och närheten av permeabla skikt är två förutsättningar som bidrar till bildningen av kvicklera (Rankka m.fl. 2004).

Detta är tydligt i område 7 söder om Slumpån där laboratorieresultat visar att lerans

sensitivitet är hög i de 4-6 metrarna alldeles ovanför ett 2 m tjockt sandskikt. På andra ställen längs älven visar mätningar att det förekommer artesiska portryck och att grundvattenytan ligger några meter över markytan. Område 5 och 7 har en varierande geologi där kvicklera borde förekomma och ansågs därför vara lämpliga som testområden för metoden.

© Lantmäteriet. Ur GSD-produkter.

5

7

4 KARTERING AV KVICKLERA 4.1 Kvicklera

Kvicklera påträffas främst i områden där leran har avsatts i en marin miljö och sedan på grund av landhöjningen stigit ovanför havsnivån. Vattenströmning i leran och andra processer resulterar sedan i att leran urlakas och mängden av salt minskar. Urlakad lera som är kvick innebär att leran när den omrörs förlorar nästan hela sin hållfasthet. Kvicklera definieras i Sverige som lera med en

sensitivitet St>50 och en omrörd odränerad skjuvhållfasthet τR<0,4 kPa. Kartering av kvicklera har hittills huvudsakligen gjorts genom upptagning av ostörda prover i fält och bestämning av lerans ostörda och omrörda odränerade skjuvhållfasthet med fallkonförsök på laboratoriet.

4.2 Generell utvärderingsmetodik Samband mellan lutningen på kurvan för matningskraft mot djup för olika typer av sonderingar har tidigare undersökts av Möller och Bergdahl (1982), Rankka m.fl. (2004).

En lutning på sonderingskurvan som motsvarar en kraft mindre än 0,07 kN/m är enligt Möller och Bergdahl (1982)

gränsvärdet för kvicklera. Av praktiska skäl har kraften räknats om till mantelfriktion i kPa/m så att en grafisk utvärdering kan genomföras. Kraften 0,07 kN/m motsvarar en mantelfriktion på 1 kPa/m enligt Rankka m.fl. (2004). För att kunna bedöma

förekomsten av kvicklera behöver det totala neddrivningsmotståndet vid CPT-sondering och totaltrycksondering mätas. Det uppmätta neddrivningsmotståndet kompletterat med tyngden av stängerna och, för CPT-

sonderingen, reducerat med spetskraften, motsvarar mantelfriktionen längs stängerna i kN. Denna mantelfriktion jämförs sedan med en mantelfriktion av 1 kPa/m längs med stängerna. I de fall lutningen på kurvan för mantelfriktion längs stängerna mot djupet är mindre än lutningen på kurvan för 1 kPa/m mantelfriktion, klassas leran som kvicklera.

4.3 Utvärdering av kvicklera inom Göta Älvuppdraget

Inom Göta Älvuppdraget fanns det en vilja att använda totaltrycksondering och CPT- sondering med registrering av totalt nerdrivningsmotstånd för att kartera kvicklera. Med det som grund testades

metoden i delområde 5 och 7 för att utvärdera om metoden var tillräckligt tillförlitlig för att användas i projektet (Löfroth 2011). För att på ett rationellt sätt utföra en jämförelse för samtliga sonderingar inom Göta Älv uppdraget utvecklades ett program i Excel.

Resultatet från en trycksondering med utvärderad kvicklera redovisas i Figur 2 och resultatet från en CPT sondering med utvärderad kvicklera i samma

undersökningspunkt redovisas i Figur 3.

Linjen för 1 kPa/m mantelfriktion redovisas också i diagrammet. En skraffering till höger i diagrammet visar de delar av profilen som programmet har utvärderat som kvicklera.

Figur 2 Utvärdering kvicklera - resultat från CPT-sondering.

Figur 3 Utvärdering kvicklera – resultat från totaltrycksondering.

Även resultat från laboratorieförsök i samma undersökningspunkt kan läggas in. Dessa resultat redovisas längst till höger i

diagrammet med olika symboler för sensitivitet >50, sensitivitet >200 och

kvicklera. Symbolerna kan också kombineras med varandra, t.ex. för en kvicklera med sensitivitet >50.

I diagrammen syns ”pikar” med jämna mellanrum. Dessa beror på att, när

sonderingen stoppas för skarvning av stängerna ”växer dessa fast” i leran. För att inte dessa pikar skall innebära att leran felaktigt tolkas som kvick, har kurvan jämnats ut genom medelvärdesbildning där alla värden över eller under en halv

standardavvikelse från medelvärdet tas bort.

Syftet med programmet är att upptäcka stora generella förändringar i leran. Därför plottas varje nivå, vilket motsvarar en tredjedel av ett 2 meters borrstål, som en utjämnad linje mellan tre punkter. Det är denna utjämnade kurva som sedan jämförs med kurvan som motsvarar en mantelfriktion av 1 kPa/m längs stängerna. I Figur 4 redovisas resultatet från en CPT-sondering där kvicklera inte

förkommer.

Figur 4 Utvärdering kvicklera - resultat från CPT-sondering.

Trots denna utjämning förekommer det att programmet felaktigt kan tolka enstaka nivåer som kvicka på grund av ojämnheter och pikar i kurvan för sonderingsmotståndet.

Ojämnheter som också kan bero på skikt av grövre material i leran. Utifrån resultatet av programmet måste därför en ingenjörsmässig bedömning av omfattningen av kvicklera göras.

5 SONDERINGSMETODERNAS

NOGGRANNHET I JÄMFÖRELSE MED OSTÖRD PROVTAGNING

För att utvärdera träffsäkerheten i denna metod för utvärdering av kvicklera gjordes en jämförelse mellan kvicklera utvärderad från totaltrycksondering och CPT, och kvicklera bestämd med fallkonförsök i laboratoriet.

Samtliga undersökningspunkter inom

delområde 5 och 7 inom Göta Älv uppdraget, där provtagning och sondering utförts i samma punkt, togs med i studien.

Sammanlagt 595 nivåer utvärderades, av vilka 53 nivåer utvärderades som kvicklera enligt fallkonförsöken. Med CPT-sondering identifierades 46 av dessa 53 nivåer som kvicklera se Figur 5. Dessutom

klassificerades ytterligare 37 nivåer som kvicklera enligt CPT-sonderingen, vilka inte utvärderats som kvicklera enligt

fallkonförsöken. Med totaltrycksondering utvärderades 48 av de 53 nivåerna som kvicklera se Figur 5. Dessutom identifierades ytterligare 78 nivåer som kvicklera enligt totaltrycksonderingen, vilka inte utvärderats som kvicklera enligt fallkonförsöken.

Figur 5 Träffsäkerhet för totaltrycksondering respektive CPT-sondering vid bedömning av kvicklera. Jämförelse med fallkonförsök på samma nivå i samma undersökningspunkt.

6 DISKUSSION

Resultatet från sammanställningen visar att nästan samtliga nivåer som med

fallkonförsök klassificerats som kvicklera också identifierades med båda

sonderingsmetoderna. Såväl CPT-sondering som totaltryckssondering överskattar i viss mån förekomsten av kvicklera.

Noggrannheten visade sig vara tillräcklig för att denna metodik skulle kunna tillämpas i Göta Älvuppdraget. En jämförelse mellan

metoderna visar att CPT-sonderingen har en högre noggrannhet än totaltrycksonderingen om man jämför hur många nivåer som felaktigt utvärderats som kvicklera utan att vara det. Vid utvärdering av CPT-sondering finns möjlighet att subtrahera spetstrycket från det totala nerdrivningsmotståndet. Detta är inte möjligt med totaltrycksondering, vilket minskar noggrannheten. Många av de extra nivåer som felaktigt utvärderats som kvicklera ligger i anslutning till ett lager med kvicklera. En av anledningarna till att extra nivåer utvärderas som kvicklera är att den grafiska utvärderingen i sin utformning ger en viss fördröjning mot djupet. Det ska också tilläggas att definitionen av kvicklera är en strikt gräns och när leran har hög sensivitet utan att ha tillräckligt låg omrörd

skjuvhållfasthet för att klassificeras som kvicklera ökar möjligheten för feltolkning.

Den stora fördelen med att använda CPT- och totaltrycksonderingen för att kartera

kvicklera är möjligheten att på ett

kostnadseffektivt sätt skapa sig en helhetsbild om förhållandet i jorden. Sonderingarna ska ses som ett komplement till ostörd

provtagning och utvärdering med fallkonförsök.

7 SLUTSATS

För att på ett överskådligt sätt visa förekomsten av kvicklera längs Göta Älv redovisas i projektet nivåer för över- och underkant kvicklera i plan. Resultaten från sonderingar och provtagning har inom projektet prioriterats utifrån metodens

noggrannhet att på ett korrekt sätt klassificera kvicklera. Metoderna prioriterades enligt följande; ostörd provtagning, CPT-sondering och totaltrycksondering. Metodiken för kartering av kvicklera med CPT- och totaltrycksondering har inom Göta Älvuppdraget fungerat bra och har varit viktig för att kartlägga kvicklerans förekomst och utbredning.

8 REFERENSER

Larsson, R. (2007). CPT-sondering. Statens geotekniska institut, SGI. Information 15. Linköping.

www.swedgeo.se

Löfroth, H. (2011). Kartering av kvicklereförekomst för skredriskanalyser inom Göta Älvuppdraget – Utvärdering av föreslagen metod samt preliminära riktlinjer. Göta Älvutredningen, Delrapport No 29. Statens geotekniska institut, Linköping. www.swedgeo.se

Möller, B, och Bergdahl, U. (1982). Estimation of the sensitivity of soft clays from static and weight sounding tests. European symposium on penetration testing, 2, ESOPT2, Amsterdam. Proceedings, Vol. 1 pp 291-295.

Rankka, K, Andersson-Sköld, Y, Hultén, C, Larsson, R, Le-roux, V, och Dahlin, T. (2004). Quick clay in Sweden. Statens geotekniska institut, SGI.

Rapport 65. Linköping. www.swedgeo.se

Svenska geoteknsika föreningen, SGF. (1996).

Geoteknisk fälthandbok. Allmänna råd och metodbeskrivningar. SGF Report 1:96. Linköping