Lagertjocklekens inverkan på packning och homogenitet
- fältundersökning i full skala av en tätkärna för dammbyggnation
Moa Rosén
Civilingenjör, Väg- och vattenbyggnad 2021
Luleå tekniska universitet
Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser
i
Förord
Som den avslutande delen av min civilingenjörsutbildning på Luleå tekniska universitet inom väg- och vattenbyggnad med inriktning jord- och bergbyggnad genomförs detta examensarbete på Björkdalsgruvan AB. Examensarbetet är på 30 hp och är utfört under perioden juni 2020 till januari 2021.
Under mitt arbete har jag fått hjälp och vägledning. Jag vill därför börja med att tacka min handledare och examinator Hans Mattsson för all vägledning och uppmuntran. Jag vill tacka Mikael Stenberg, Viktor Wiklund och Roger Knutsson för stort engagemang och givande diskussioner i stort och smått samt resten av kollegorna på TCS. Jag vill även tacka Björkdalsgruvan för förtroendet att genomföra fältundersökningen på anläggningen och PEAB för hjälpen under insamlandet av data samt Sweco för lånet av fältlaboratorium.
Vidare önskar jag lycka till i arbetslivet till mina klasskompisar och tackar för våra härliga år tillsammans. Slutligen vill jag tacka alla härliga människor jag lärt känna under studietiden och min familj och sambo som alltid finns där och stöttar mig!
Luleå i januari 2021
Moa Rosén
Sammanfattning
En dammanläggning består av ett system med olika funktioner; en dämmande, en avbördande och en kontrollerande funktion. Syftet med den dämmande funktionen i en damm är att skapa ytor för vattenansamling. Det finns flera olika typer av dammar, den vanligaste konstruktionsprincipen i Sverige är jord- och stenfyllningsdammar.
Fyllningsdammarna konstrueras med olika zoner, där varje zon har specifika materialegenskaper och funktionskrav. Syftet med den täta zonen (tätkärnan) i en damm är att kontrollera läckage genom dammen. I Sverige används främst morän som material i tätkärnan hos jordfyllningsdammar. Under konstruktionen av en damm byggs den upp i lager. Materialet breds ut maskinellt och packas därefter med packningsutrustning för att erhålla homogena egenskaper på fyllningen. Ett väl utfört packningsförfarande och packningsarbete ökar densiteten, en hög densitet leder till ökad bärighet och stabilitet. För att kontrollera om packningen är tillräcklig används olika metoder för fältbestämning av densitet, de vanligaste vid dammbyggnad är vattenvolymeter och isotopmätare.
I Sverige var den rekommenderade lagertjockleken på en tätkärna i en damm 0,5 meter från år 1988 fram till år 2020, i augusti år 2020 minskades den rekommenderad lagertjocklek till 0,3 meter. Syftet med examensarbetet var att undersöka hur lagertjockleken påverkar packning och homogenitet under uppbyggnad av en tätkärna i morän för dammbyggnation.
En fältundersökning i full skala utfördes på Björkdalsgruvans anläggning, där undersöktes lagertjocklekarna 0,3 meter och 0,5 meter genom konstruktion av två provpallar till en höjd av 1,5 meter. Densitetsbestämningen i fält utfördes med provtagningsmetoderna vattenvolymeter och isotopmätare, de två provtagningsmetoderna redovisar vattenkvot och densitet.
Jordproverna från vattenvolymetern analyserades i laboratoriet för vattenkvot och torrdensitet.
Moränen analyserades genom tung laboratoriepackning. Utifrån den insamlade informationen beräknades packningsgrad, portal och luftporhalt, parametrarna användes för analys av undersökningen.
Analysen resulterade i att en lagertjocklek 0,3m och 0,5m visade på olika fördelar vad gäller packning och homogenitet. En lagertjocklek på 0,5 meter föreslås vid konstruktion av en tätkärna i morän i en dammkonstruktion eftersom provpall 0,5m visade på en väl packad morän genomgående i hela lagertjockleken.
En jämförelse av resultatet från provtagningsmetoderna vattenvolymetern och isotopmätaren visade på att det finns ett linjärt samband vad gäller vattenkvot mellan de två metoderna samt att ett samband inte har kunnat identifieras vad gäller torrdensitet, packningsgrad, portal och luftporhalt. Däremot uppmärksammades en ökad korrelation mellan resultatet från vattenvolymetern och isotopmätaren med djupet.
Abstract
A dam consists of a system with different functions; one damming, one diverting and one controlling function. The purpose with the damming function is to create an area for water storage. There are different types of dams, the most common design principle in Sweden is an embankment dam.
Embankment dams are constructed with different zones, where each zone has specific material properties and functional requirements. The purpose with the earthfill core is to control the seepage through the dam. In Sweden it is common to use glacial till (moraine) as the core material in embankment dams. A dam is constructed in layers, where the material is spread mechanically and then compacted with special compaction equipment to create a homogenous material. When the material is well compacted the density increase and a high density increase the bearing capacity and stability. To control the compaction, different methods are used for field determination of density. The most common methods are the rubber balloon method and nuclear gauge method.
The recommended layer thickness in Sweden was 0,5 metres from 1988 to 2020, in august 2020 the layer thickness was reduced to 0,3 metres. The purpose of the master thesis was to investigate how the layer thickness affect compaction and uniformity during construction of a glacial till dam core.
A full-scale field study was conducted at the Björkdalsgruvan facility, where the layer thicknesses 0.3 metres and 0.5 metres were examined by construction of two test pallets. Field determination of density was performed with the rubber balloon method and nuclear density gauge, the two sampling methods report water content and density. The soil samples from the rubber balloon method were analysed in the laboratory for water content and dry density. The moraine was analysed by laboratory compaction. Based on the collected information, the density ration, void ratio and air-void content was calculated evaluated.
The layer thickness 0.3 metres and 0.5 metres reported different advantages in terms of compaction and uniformity. A layer thickness of 0.5 metres is recommended when constructing a glacial till dam core, since the test pallet of 0.5 metres reported a well compacted moraine through the entire layer thickness.
During the field study two methods were used to determine the in-place density, the rubber balloon method and nuclear density gauge. A comparation between the methods showed that there is a linear relation in terms of water content. No relation between the rubber balloon method and nuclear density has been identified in terms of dry density, density ratio, void ratio and air-void content. The result from the rubber balloon method and nuclear density gauge showed an increasing correlation by depth.
Teckenförklaring
e Portal [-]
Lp Luftporhalt [%]
mEfterT Massan efter torkning [g]
mFöreT Massan före torkning [g]
ms Fasta substansens massa [g]
msten Massa sten [g]
mw Porvattnets massa [g]
𝜌d Torrdensitet [t/m3] el. [g/cm3]
𝜌d, max Maximal torrdensitet [t/m3] el. [g/cm3]
𝜌s Kompaktdensitet [t/m3] el. [g/cm3]
RD Packningsgrad [%]
V Provets totala volym [ml]
Vp Porvolym [ml el. l]
VEfterP Volym efter provtagning [ml]
VFöreP Volym före provtagning [ml]
Vs Fasta substansens volym [ml el. l]
w Vattenkvot [%]
γd Torrtunghet [kN/m3]
γs Kompakttunghet [kN/m3]
γw Vattnets tunghet [10 kN/m3]
v
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INLEDNING ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Frågeställning ... 3
1.4 Förutsättningar ... 3
2 DAMMAR ... 4
2.1 Vattenkraftsdammar ... 4
2.2 Gruvdammanläggning... 5
3 KLASSIFICERING AV JORD ... 7
3.1 Vattenkvot ... 7
3.2 Kornstorlek och kornstorleksfördelning ... 7
3.3 Densitet ... 8
3.4 Luftporhalt ... 8
3.5 Portal ... 8
3.6 Packningsgrad ... 8
4 MORÄN SOM MATERIAL I EN TÄTKÄRNA ... 10
4.1 Packning och packningsförfarande av morän ... 10
4.1.1 Lagertjocklek ... 10
4.1.2 Packningsmetoder ... 12
4.2 Materialspecifikationer för morän ... 14
5 PACKNINGSKONTROLL GENOM PROVTAGNING ... 16
5.1 Vattenvolymeter ... 16
5.2 Isotopmätare ... 18
5.3 Tung laboratoriepackning ... 21
6 TIDIGARE UNDERSÖKNINGAR ... 24
7 FÄLTUNDERSÖKNING ... 25
7.1 Uppbyggnad provpallar ... 25
7.2 Provtagning i fält... 27
7.2.1 Felkällor provtagning ... 30
7.3 Analys i laboratorier ... 30
7.3.1 Analys av vattenkvot ... 30
7.3.2 Analys av kornstorleksfördelning ... 31
7.3.3 Analys av vattenvolymeterprov ... 31
7.3.4 Optimal vattenkvot och maximal torrdensitet ... 31
8 RESULTAT & ANALYS ... 33
8.1 Resultat packningskontroll... 36
8.2 Resultat av torrdensitetens förändring med djupet ... 41
8.3 Resultatjämförelse mellan vattenvolymeter och isotopmätare ... 43
9 DISKUSSION ... 49
9.1 Jordart ... 49
9.2 Vattenkvoten ... 49
9.3 Packningsmetod och tillfört packningsarbete ... 50
9.4 Underlagets fasthet... 50
9.5 Lagertjocklek 0,3 meter och 0,5 meter ... 50
9.6 Vattenvolymeter och isotopmätare ... 51
10 SLUTSATSER ... 52
10.1 Fortsatt arbete/forskning/rekommendationer ... 53
11 Referenser ... 54 Bilaga A
Bilaga B
1
1 INLEDNING
1.1 Bakgrund
Vid konstruktion av en vattenkrafts- eller gruvdammar i Sverige konstrueras den med stöd av Energiföretagens riktlinjer för dammsäkerhet, RIDAS som utkom första gången år 1997.
Riktlinjerna är gemensamt framtagna av branschföretagen inom vattenkrafts- och gruvindustrin, och ligger som grund för dammsäkerhetsarbetet. Gruvdammar följer utöver detta de specifika anvisningar och rekommendationer i GruvRIDAS. De aktuella riktlinjerna är en uppdatering från tidigare råd och anvisningar. Generellt gäller att god dammsäkerhet innebär att dimensionera och bygga dammar med en rimlig säkerhetsmarginal, på ett säkert sätt underhålla och driva dammarna samt att ha en beredskap för oväntade situationer (Energiföretagen, 2019).
RIDAS beskriver att en dammanläggning består av ett system med olika funktioner; en dämmande, en avbördande och en kontrollerande funktion. Säkerheten på en anläggning är beroende av att varje funktion är korrekt konstruerad och dimensionerad. Syftet med den dämmande funktionen i en damm är att skapa ytor för vattenansamling (magasinet). Brister i den dämmande funktionen uppvisas genom läckage, inre erosion, sprickor, rörelser, nedbrytning eller instabilitet i dammen eller dess grundläggning (Energiföretagen, 2019).
Det finns flera olika typer av jord- och stenfyllningsdammar. Fyllningsdammarna konstrueras med olika zoner, där varje zon har specifika materialegenskaper och funktionskrav. De olika zonerna verkar för att kontrollera läckage, erosion, dränering eller för att ge stabilitet till dammen. Syftet med tätkärnan i en damm är att kontrollera läckage genom dammen (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005).
I Sverige används främst morän som material i tätkärnan hos jordfyllningsdammar (Energiföretagen, 2020a); (Toromanovic, 2018). En anledning till att morän används i sådan omfattning är på grund av att den täcker ungefär 75 % av Sveriges yta. Moränjordar bildades under smältning av glaciärer eller av inlandsisen. Beroende på hur moränen har bildats skapas flera olika typer av morän. Moränen kännetecknas av att den inte har genomgått en kornstorlekssortering vilket innebär att ordet morän även används för att beskriva osorterade jordarter som innehåller partiklar från storleken sten och grus till sand, silt och lera (Nationalencyklopedin, 2020).
Under konstruktionen av en damm byggs den upp i lager (även kallat pallar). Materialet breds ut maskinellt och packas därefter med packningsutrustning för att erhålla homogena egenskaper på fyllningen. För att kontrollera om packningen är tillräcklig används olika provtagningsmetoder för bestämning av densitet i fält. De vanligaste metoderna i Sverige för densitetsbestämning vid dammbyggnad är vattenvolymeter, sandvolymeter och isotopmätare (Energiföretagen, 2020a).
I Sverige var den rekommenderade lagertjockleken på en tätkärna i en damm av morän 0,5 meter från år 1988 fram till år 2020 (Vattenfall, 1988); (Svemin, 2012). Den senaste
uppdateringen av RIDAS utkom år 2019 (Energiföretagen, 2019), där arbetet med att färdigställa tillämpningsvägledningar fortfarande pågår. I vägledningen som utkom i augusti i år är rekommenderad lagertjocklek minskad till 0,3 meter, om det inte kan påvisas att en större tjocklek uppfyller villkoren (om man inte kan visa på att homogeniteten erhålls med en högre lagertjocklek). I RIDAS framkommer ingen anledning till minskningen av rekommenderad lagertjocklek. En större lagertjocklek är mer tidseffektiv eftersom färre lager krävs, vilket medför att det är mer ekonomiskt.
Enligt AMA Anläggning (Svensk byggtjänst, 2020) ska bland- och finkornig jord av materialtyp 3B, 4 och 5 kontrolleras genom resultatkontroll. AMA presenterar att maximal lagertjocklek efter packning för en vibrerande envalsvält varierar mellan 0,2 och 1 meter beroende på materiatyp och vikt hos välten. För en statisk linjelast på 65/ 60 kN/m kan en lagertjocklek på 0,5 - 1 efter packning användas.
Att använda morän som tätkärna i en damm är vanligt i fler länder än i Sverige, exempelvis i Norge, Finland, Kanada, USA och Australien (Rönnqvist, 2015). I Australien och flera andra länder är det praxis att konstruera en tätkärna med en lagertjocklek av 0,15 meter. En grupp experter med ursprung från Australien rekommenderar en lagertjocklek på 0,2 meter till 0,25 meter (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005). Den forskning som finns tillgänglig på ämnet är från år 1961, där vattenkvotens inverkan på packningsgraden utvärderades i morän med lagertjocklek 0,8 meter, den forskningen visar på att högst packningsvärde erhålls 0,2 till 0,3 meter ned i pallen (Kjaernsli & Torblaa, 1961).
Som beskrivits ovan finns olika praxis på vilken lagertjocklek som bör användas vid konstruktion av en tätkärna i morän, vilket varierar mellan 0,15 meter och 0,5 meter. Vidare varierar rekommenderad lagertjocklek som maskiner kan packa mellan 0,5 och 1 meter.
1.2 Syfte
Undersöka vilken lagertjocklek som är lämplig vid anläggandet av en tätkärna i morän genom en fältundersökning i full skala. Kontrollera att moränen uppnå de materialegenskaper och funktionskrav som framgår av aktuella riktlinjer för dammkonstruktion. Analysera hur lagertjockleken av materialet påverkar:
- packning - hållfasthet - homogenitet.
Även utvärdera hur packningen förändras med djupet genom att flera pallar placeras ovanpå den första och ytterligare packningsarbete tillförs.
Jämföra två metoder för densitetsbestämning i fält.
3
1.3 Frågeställning
Undersöka om lagertjockleken 0,5 meter eller 0,3 meter är att föredra vid anläggandet av en tätkärna i morän i en dammkonstruktion för att uppnå de egenskaper och den funktion som framgår av aktuella riktlinjer för dammkonstruktioner?
Hur förändras packningen med djupet i en pall efter att en till fyra pallar har placerats ovanpå den första och ytterligare packningsarbete har tillförts?
Jämföra om resultatet från den traditionella mätmetoden vattenvolymeter har likheter eller skillnader med resultatet från isotopmätare vid provtagning i morän.
1.4 Förutsättningar
- Materialet i studien är morän från Björkdalsgruvans anläggning.
- Moränen konstrueras för att verka som tätkärna i damm K1 vid Björkdalsgruvans gruvdammsanläggning.
- Den packningsmetod som används är konventionell packning genom vibrerande envalsvält.
-
Examensarbetet genomförs inom ramen av en pågående dammhöjning vid Björkdalsgruvans anläggning som innebär en förstärkning och höjning av befintlig damm samt anläggandet av en ny sträckning under perioden maj till november år 2020.2 DAMMAR
Definitionen av en damm är enligt RIDAS; ”Ett byggnadsverk som dämmer upp eller utestänger vatten från ett lägre liggande markområde. En damm är omgiven av naturlig mark på båda sidor.” I juridisk mening är en damm en anläggnings vars funktion är att dämma eller utestänga vatten eller blandningar av vatten och annat material (Energiföretagen, 2020b). En dammanläggning består av ett system med olika funktioner; en dämmande, en avbördande och en kontrollerande funktion. Säkerheten på en anläggning är beroende av att varje funktion är korrekt konstruerad och dimensionerad. En damm dimensioneras för permanenta laster, variabla laster och olyckslaster. Beroende på konsekvens vid dammhaveri krävs olika hög grad av säkerhet (Energiföretagen, 2019).
Syftet med den dämmande funktionen i en damm är att skapa ytor för vattenansamling (magasinet). Brister i den dämmande funktionen uppvisas genom läckage, inre erosion, sprickor, rörelser, nedbrytning eller instabilitet i dammen eller dess grundläggning. Den avbördande funktionen leder vatten från uppströms till nedströmssidan av dammen och består vanligen av en öppning med avstängningsanordning. Den kontrollerande funktionen är uppbyggt av olika tekniska system som styr, kontrollerar och övervakar dammanläggningen (Svenska kraftnät, 2019).
Vid konstruktion av en vattenkrafts- eller gruvdammar i Sverige konstrueras den med stöd av Energiföretagens riktlinjer för dammsäkerhet, RIDAS som utkom första gången år 1997.
Riktlinjerna är gemensamt framtagna av branschföretagen inom vattenkrafts- och gruvindustrin, och ligger som grund för dammsäkerhetsarbetet. Gruvdammar följer utöver detta de specifika anvisningar och rekommendationer i GruvRIDAS. De aktuella riktlinjerna är en uppdatering från tidigare råd och anvisningar. De senaste versionerna av respektive dokument används fortsättningsvis; RIDAS från år 2019 av Energiföretagen och GruvRIDAS från år 2012 av Svemin.
2.1 Vattenkraftsdammar
Det finns två huvudtyper av dammar vilka är betongdammar och jord- och stenfyllningsdammar. Inom kategorin betongdamm återfinns underkategorierna gravitationsdamm, valvdamm och lamelldam. Inom kategorin jord- och stenfyllningsdammar finns återfinns underkategorierna (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005):
- Homogena jordfyllningsdammar
- Zonindelade jord- och stenfyllningsdammar (central eller lutande kärna) - Stenfyllningsdammar med betongyta
En fyllningsdamm består till större delen av packad fyllning. Är fyllningen av jord kallas den för jordfyllningsdamm och är den av sprängsten kallas den stenfyllningsdamm (Energiföretagen, 2019). Fyllningsdammarna konstrueras vanligen med olika zoner, där varje zon har specifika materialegenskaper och funktionskrav. De olika zonerna verkar för att kontrollera läckage, erosion, dränering eller för att ge stabilitet till dammen. Zonerna kallas för;
5 tätandezon, filterzon, stödfyllning samt erosionsskydd. Syftet med den tätande zonen, tätkärnan är att kontrollera läckage genom dammen. En tvärsektion från en typisk jord- och stenfyllningsdamm presenteras i Figur 1. Indelningen i zoner består av 1. Tätkärna, 2a. finfilter, 2b. grovfilter, 2c. uppströmsfilter, 3a. stenfyllning, 3b. grov-stenfyllning och 4. Erosionsskydd (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005).
2.2 Gruvdammanläggning
Definitionen av en gruvdammanläggning, även förkortat gruvdamm är en damm för förvaring av restprodukter från gruvbrytning. Gruvdammen består oftast av ett sand- och klarningsmagasin som begränsas av en dammkropp (Svemin, 2012). Restprodukten från gruvbrytning kallas för anrikningssand eller tailings på engelska.
Vid konstruktionen av en gruvdamm ska den optimeras för att rymma en så stor mängd anrikningssand som möjligt. Dammen ska konstrueras för att klara stabiliteten som krävs och samtidigt ta hänsyn till miljön. En gruvdamm kan konstrueras med samma principer som används för en vattenkraftsdamm men det går inte att anta att all kunskap om vattenkraftsdammar kan appliceras på gruvdammar. Däremot konstrueras majoriteten av gruvdammarna enligt liknande principer som för en vattenkraftsdamm (en konventionell damm). En gruvdamm höjs antingen kontinuerligt eller i etapper beroende av behovet på anläggningen (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005).
För gruvdammar finns det tre konstruktionsmetoder; utåthöjning, inåthöjning och uppåthöjning vilka presenteras i Figur 2. Indelningen av olika material består av 1. Tätkärna, 2. Filter, 3.
Stödfyllning och 4. Anrikningssand (Svenska kraftnät, 2019). Som redovisas i Figur 2 när metoden utåthöjning används konstrueras initialt en tätkärna.
Figur 1 Typisk tvärsektion av en zonindelad jord- och stenfyllningsdamm. Där de olika delarna består av 1.
tätkärna, 2a. finfilter, 2b. grovfilter, 2c. uppströmsfilter, 3a. stenfyllning, 3b. grov-stenfyllning och 4. erosionsskydd (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005).
Figur 2 Konstruktionsmetoderna för en gruvdamm utåthöjning, inåthöjning och uppåthöjning (Svenska kraftnät, 2019).
7
3 KLASSIFICERING AV JORD
Jordmaterial är uppbyggda av fast substans, porvatten och porgas (Axelsson & Mattsson, 2016).
3.1 Vattenkvot
Svensk Standard (2014) beskriver att för att bestämma vattenkvoten i ett jordprov mäts förlusten i vikt vid torkning. Viktförlusten antas vara vatten som avdunstar från jordprov.
Torkningen av materialet sker i en ugn med en konstant temperatur på 105 till 110 ° C. För ett finkornigt material krävs cirka 16 h torkning medan det för ett grovkornigt material krävs cirka 4 h, ett material anses torrt när den torra massan är konstant. Det är vanligt att torka jordprovet i 24 h för att vara säker på att det är helt torrt. Därefter beräknas vattenkvoten w enligt
𝑤 =𝑚𝐹ö𝑟𝑒𝑇 − 𝑚𝐸𝑓𝑡𝑒𝑟𝑇
𝑚𝐸𝑓𝑡𝑒𝑟𝑇 𝑥 100 = 𝑚𝑤
𝑚𝑠 𝑥 100 (Ekvation 1)
med storheterna massan före torkning mFöreT och massan efter torkning mEfterT (SIS 17 892 -1, 2014).
3.2 Kornstorlek och kornstorleksfördelning
Den viktigaste tekniska parametern vid klassificering av jord är dess kornstorleksfördelning enligt Axelsson och Mattsson (2016). En jord delas in i olika kornfraktioner, enligt Statens Geotekniska Institut (2008) finns det sex olika fraktioner i form av block, sten, grus, sand, silt och ler, se Tabell 1.
Tabell 1 Kornstorlek för olika fraktioner (Larsson, 2008).
Fraktion Kornstorlek [mm]
Ler >0,002 Silt 0,002–0,063 Sand 0,063–2 Grus 2–63
Sten 63–200 Block 200–600
För att få fram ett materials kornstorleksfördelning genomförs en siktning av materialet och för att få fram de finaste partiklarna genomförs därefter en sedimentationsanalys. En siktapparat består av 8 till 9 siktar med maskvidden från 0,063 mm till 16 mm. Materialets största kornstorlek påverkar hur stor provmängd som krävs för att erhålla en representativ kornstorleksfördelning. En rekommenderad minimum provmängd är 40 kg om största kornstorleken i materialet är 63 mm, vilket är fallet för morän (SIS 17 892-4, 2016).
3.3 Densitet
Torrdensiteten 𝜌d hos ett torrt jordprov beräknas fram enligt 𝜌𝑑 =𝑚𝑠
𝑉
(Ekvation 2) vilket är kvoten mellan ett jordprovs fasta massa ms och provets totala volym V.
Kompaktdensiteten, 𝜌s är för en sedimentär jordart innehållande mineraler som är typiska för Sverige ligger mellan 2,6–2,7 t/m3, ofta används däremot medelvärdet på 2,65 t/m3 (g/cm3) (Axelsson & Mattsson, 2016). Kompaktdensiteten för grovkorniga jordar ligger mellan 2,65–
2,7 t/m3 medan den för leror ligger mellan 2,7–2,8 t/m3 (Larsson, 2008).
3.4 Luftporhalt
Luftporhalt, Lp är halten luft i porerna när porvattnet är borträknat.
En luftporhalt lägre än 10 % används normalt som gränsvärde för att minska risken för sättningar i en damm i samband med första dämning, men gränsvärdet går att anpassa till risken för sättningar i en damm (Energiföretagen, 2020a). Luftporhalten Lp beräknas enligt (Energiföretagen, 2020a)
𝐿𝑃 = 100 ∗ (1 −𝛾𝑑
𝛾𝑠) − 𝑤 ∗𝛾𝑑 𝛾𝑤
(Ekvation 3) där storheterna är jordens torra tunghet 𝛾𝑑, jordens kompakttunghet 𝛾𝑠, vattenkvoten w och vattnets tunghet 𝛾𝑤.
3.5 Portal
För klassificeringen av en jords lagringstäthet används bland annat portal e som beskriver förhållandet mellan porvolymen, Vp och den fasta substansens volym, V (Axelsson & Mattsson, 2016). Portalet beräknas enligt (Larsson, 2008)
𝑒 =𝑉𝑝 𝑉𝑠 = 𝜌𝑠
𝜌𝑑− 1 (Ekvation 4)
där sambandet kan användas för att beräkna portalet med jordens kompaktdensitet 𝜌𝑠 och jordens torrdensitet 𝜌𝑑 i ekvationen.
3.6 Packningsgrad
Begreppet packningsgrad brukar användas som ett mått vid packningskontroll. Packningsgrad, RD är förhållandet mellan torrdensitet, 𝜌𝑑 och den maximala torrdensitet, 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥 vid tung laboratoriepackning som beräknas enligt (Energiföretagen, 2020a)
𝑅𝐷 = 𝜌𝑑 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥
(Ekvation 5)
9 En löst lagrad jord har en packningsgrad mellan 0,5 och 0,7 medan en hårdpackad jord har en packningsgrad vid 0,9–1,0. Packningsgraden redovisas oftast i procent vilket innebär att värdet RD multipliceras med 100 (Larsson, 2008); (Energiföretagen, 2020a).
4 MORÄN SOM MATERIAL I EN TÄTKÄRNA
Morän har en kornstorleksfördelning som är jämförelsevis jämnt fördelad med en hög finjordshalt, vilket beror på hur morän har bildats. Det finns en stor variation inom jordmaterialet morän beroende på bildningssätt, från relativt homogen till heterogen. Moränens egenskaper i geotekniska termer innebär en låg permeabilitet, hög skjuvhållfasthet samt en låg deformationsförmåga jämfört med andra finjordsmaterial. Variationen i materialet leder till att det krävs omfattande undersökningar vid konstruktion med morän för att avgöra kornstorleksfördelningen, densiteten och permeabiliteten (Dascal, Larocque, Lavallée, & Pare, 1989).
4.1 Packning och packningsförfarande av morän
Ett väl utfört packningsförfarande och packningsarbete ökar densiteten hos ett material vilket medför att vattengenomsläppligheten och risken för sättningar minskar. En hög densitet leder till ökad bärighet och stabilitet, minskade underhållskostnader och en ökad livslängd av konstruktionen. Sambandet mellan densitet och hållfasthet och bärighet är exponentiellt.
(Forssblad, 2000). Vid packning av ett material är volymen på den fasta substansen konstant medan volymen av porgas minskar (Axelsson & Mattsson, 2016).
Luftporhalten har en stor påverkan på permeabiliteten genom ett material. En jord som är packad till minst 98 % av Standard Proctor (likvärdigt med 95 % av Modifierad Proctor) jämfört med en jord som är packad till 90 % av Standard Proctor har en märkbart lägre permeabilitet, skillnaden är exponentiell (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005).
De viktigaste faktorerna för ett väl utfört packningsarbete är enligt Forssblad (2000):
- Jordart - Vattenkvot
- Packningsmetod och tillfört packningsarbete - Underlagets fasthet.
4.1.1 Lagertjocklek
De första anvisningarna för utförande och kontroll av morän som tätkärna i en damm är formulerade av Statens Vattenfallsverk från år 1954 med en uppdaterad version år 1958.
Därefter är det riktlinjerna från Vattenfall (1988) som än idag ligger som grund för packning vid jord- och stenfyllningsdammar. Det finns två olika typer av packningsförfarande;
torrpackning och våtpackning, vilket senast finns beskrivet i RIDAS 2019 (Energiföretagen, 2019).
För att klassas som torrpackning packas jorden vid optimal vattenkvot eller 2–3 % högre.
Bestämningen av optimal vattenkvot och maximal torrdensitet tas fram genom tung laboratoriepackning. I fält sker en bestämning av densitet och vattenkvot för kontroll av packningsarbetet. Lagertjockleken bör vara mindre än 0,3 meter och stenar större än en tredjedel av lagertjockleken ska sorteras ut (Energiföretagen, 2020a).
11 Vid våtpackning packas jorden när materialet har en vattenkvot nära flytgränsen.
Permeabiliteten genom ett material minskar när vattenkvoten höjs, oberoende av metod för packning. En praktisk fördel vid packning är att det endast krävs att materialet bearbetas och blir homogent vid rätt vattenkvot. En morän som packas enligt våtpackningsmetden har initialt en lägre densitet än en morän packad enligt torrpackning, allt eftersom moränen konsoliderar uppnås en högre densitet. Ett våtpackat material har hög täthet och homogenitet.
Lagertjockleken bör vara mindre än 0,25 meter. Den höga vattenkvoten ger höga portryck som ökar risken för stabilitetsproblem samt större sättningar inledningsvis (Vattenfall, 1988).
I dagsläget gäller nedanstående rekommendationer av packningsförfarande från, augusti i år 2020 (Energiföretagen, 2020a):
- Lagertjockleken bör vara 0,3 meter efter packning om det ej går att visa på att hela lagret erhåller tillräcklig packningsgrad.
Vilket är en förändring mot tidigare rekommendationer från Svemin (2012) och Vattenfall (1988) där den rekommenderade lagertjockleken är 0,5 meter, vilket var gällande vid utförande av fältundersökning. I RIDAS saknas en motiveringen till förändringen av rekommenderad lagertjockek.
Tidigare forskning från år 1961 (Kjaernsli & Torblaa, 1961) har visat att torrdensiteten för jordarten morän förändras med djupet och påverkas av vattenkvoten. Moränen i forskningen har en optimal vattenkvot på 8 procent enligt Standard Proctor (vilket motsvarar ca 6 procent enligt Modifierad Proctor), lagertjockleken före packning är 0,95 meter och den packas med en vibrerande vält på 8 ton. Forskningen visar att packningsgraden är som högst 0,2–0,3 meter ned i en pall med lagertjockleken 0,8 meter efter packning. Samma forskning har även visat att packningsvärdet 0–0,4 meter ned i pallen är högre än 0,4–0,8 meter ned vilket redovisas i Figur 3. Den horisontella axeln redovisar packningsgrad i procent och den vertikala redovisar djupet i centimeter. Slutsatserna från forskningen år 1961 var att vid en lagertjocklek på 0,95 meter före packning erhölls en tillräckligt hög packningsgrad och homogenitet i hela lagret. Där summerades även att vattenkvoten har en större påverkan på packningen än vad lagertjockleken har. En summering av forskningen återfinns även i ICOLD Bulletinen från år 1989 (Dascal, Larocque, Lavallée, & Pare, 1989).
Figur 3 Förändringen av packningsgrad i en pall av morän med djupet (Dascal, Larocque, Lavallée, & Pare, 1989).
I RIDAS finns beskrivet att en jord är väl packad om den har en packningsgrad på 90–100 % (Energiföretagen, 2020a). En packningsgrad på 98 % enligt Standar Proctor vilket motsvarar en packningsgrad på 95 % enligt Modifierad Proctor rekommenderas av expertgruppen; Fell, MacGregor, Stapeldon och Bell (2005). Vattenfall (1988) presenterar att en packningsgrad på minst 92 % och ett medel på 95 % krävs för en väl packad tätande zon. Vidare finns beskrivet att försök har genomförts för att gå ifrån begreppet packningsgrad för att istället mer konkret beskriva en jords permeabilitet, hållfasthet och kompressabilitet vilket har betydelse för en damms kvalité.
4.1.2 Packningsmetoder
För att packa material i exempelvis jord- och stenfyllningsdammar finns tre olika metoder, se Figur 4 (Forssblad, 2000):
Figur 4 Metoder för packning av jord och stenfyllningar (Forssblad, 2000).
Statiskt tryck - För att packa jordmaterial med statiskt tryck används slätvält eller gummihjulsvält. Inledningsvis när materialet är löst lagrat trycks det enkelt ihop. Under packning blir materialet mer fast och elastiskt. Packningsarbetet utgörs främst av den statiska linjelasten som valsen tillför, ytterligare en aspekt som påverkar packningsarbetet är diametern på valsen, en större diameter minskar kontakttrycket.
Stöt - För att packa jordmaterial genom stötar kan en tung fallvikt användas. Ett större packningsarbete kan utföras genom stötar än med statiskt tryck.
13 Vibrering - För att packa jordmaterial genom vibrering används en vibrationsvält eller vibratorplatta. Jordmaterialet packas genom att överytan utsätts för återkommande dynamisk belastning. Tryckvågorna från välten sätter jordmaterialet i rörelse.
Det som påverkar en vibrationsvälts packningsverkan är statisk vikt, frekvens och amplitud, antalet överfarter samt välthastigheten. Vid packningsarbete (Forssblad, 2000) utfört av en vibrationsvält kan jordmaterialet påverkas på djupet. Beroende på vilken typ av packningsmaskin som används nås olika djup , se Figur 5. Kurvorna representerar olika typer av packningsmaskiner; 1. Vibratorplatta 0,135 ton, 2. Vibratorplatta 0,4 ton, 3. Vibratorstamp 0,06 ton, 4. Vibrationsvält 1,4 ton, 5. Vibrationsvält 3,3 ton och 6. Vibrationsvält 13,0 ton.
Figur 5 Packning med vibrationsvält, olika packningsmaskiner (Forssblad, 2000).
Det slutgiltiga packningsförfarande vad gäller lagertjocklek och specifikationer för välten (typ av vält, antalet överfarter, hastighet och frekvens och amplitud) bör optimeras för att erhålla den lägsta kostnaden vad gäller packning och materialhantering (Forssblad, 2000). Forskning av den optimala frekvensen hos en vibrerade vält vid packning av grovkorniga jordar (försöket utfördes på krossat grus) visar att den optimala packningsfrekvensen ligger marginellt högre än resonansfrekvensen (Wersäll, 2016). Det analyserade materialet (krossat grus) i Wersälls studie hade en resonansfrekvens på 17 Hz och en optimal packningsfrekvens på 18 Hz, maskinens standardinställning låg på 31 Hz. Studien visade även att en lägre frekvens minskar risken för sprickor och svagheter på överytan.
Tabell 2 redovisar maximal lagertjocklek vid packning med en vibrerande envalsvält på olika material. Vilket är gällande vid konstruktion av en fyllning för väg, plan och dylikt samt järnväg (viket innefattar dammanläggningar) (Svensk byggtjänst, 2020).
Tabell 2 Största lagertjocklek i enheten meter erhållen efter packning samt minsta antalet överfarter vid packning (Svensk byggtjänst, 2020).
4.2 Materialspecifikationer för morän
När morän används som material i en tätkärna finns krav på en lägsta densitet och gränsvärden för vattenkvoten. Kraven används för att moränen ska uppnå en tillräcklig hållfasthet och för att begränsa sättningar. Utöver att uppfylla kraven på hög hållfastheten och små sättningarna ska materialet i tätkärnan även ha en låg vattengenomsläpplighet och en hög plasticitet (Energiföretagen, 2020a).
Från år 1954 fram till idag är det små förändringar vad gäller materialspecifikationer på en tätkärna av morän. Inledningsvis uppfördes specifikationer av Statens vattenfallsverk år 1954, därefter uppdateras de av Vattenfall år 1988 (Vattenfall, 1988) senare av Svemin år 2012 (Svemin, 2012). De gällande materialspecifikationerna återfinns i RIDAS tillämpningsvägledning år 2020 (Energiföretagen, 2019).
I dagsläget gäller nedanstående materialspecifikationerna för morän enligt Energiföretagen (2020):
- Vattenkvoten före packning ska vara högre än optimal vattenkvot men max 2–3 % högre.
- Finjordshalten, vilket är material mindre än 0,063 mm, ska vara minst mellan 20 % och 40 % av hela kornstorleksfördelningen.
- Dmax bör vara max 60 % av lagertjockleken efter packning.
- Utifrån kornfördelningen ska minst 85 % vara större än 2 mm och minst 70 % vara minde än 20 mm.
- Den hydrauliska konduktiviteten ska vara mindre än 3*10-7 m/s.
- Det är vanligt att även sätta ett krav på maximal luftporhalt på 10 %.
Vilket är en förändring mot tidigare rekommendationer från Svemin (2012) och Vattenfall (1988) där den finjordshalt ligger på 15 % av material mindre än 20 mm, vilket var gällande vid utförande av fältundersökning.
Vattenkvoten har förutom en inverkan vid packning även en påverkan på konsolideringsförloppet och materialets hållfasthet vid färdig konstruktion. Utöver det påverkar vattenkvoten ett materials homogenitet, flexibilitet samt valvbildningsförmåga. En damm som konstrueras med en hög vattenkvot har inledningsvis ett högt porvattentryck innan
15 konsolideringsförloppet påbörjats. Därefter minskar porvattentrycket samtidigt som effektivtrycket ökar, tiden för konsolidering är längre vid större dammanläggningar än vid mindre. Höga portryck vid byggnadsfasen ökar risken för stabilitetsproblem i samband med anläggandet och idrifttagandet, däremot bidrar en hög vattenkvot till minskad risk för sättningar vid första uppdämningen (Vattenfall, 1988).
Syftet med specifikationerna på morän är för att erhålla en liten variation på materialet, alltså att bygga med ett så homogent material som möjligt.
5 PACKNINGSKONTROLL GENOM PROVTAGNING
För att kontrollera det utförda packningsarbetet genomförs antingen resultatkontroll eller utförandekontroll. Resultatkontrollen består av punktvis provtagning i fält för att kontrollera om materialet har uppnått kraven vad gäller densitet eller bärighet framtagna genom laboratoriepackning. En nackdel med resultatkontroll på fyllningar av fin- och blandkornig jord är dess praktiska svårigheter. En fyllning som har en varierande kornkurva och hög stenhalt erhåller osäkra provresultat med en stor spridning. Utförandekontrollen innebär en kontinuerlig övervakning under utförande genom att kontrollera lagertjocklek, material och antalet överfarter. En nackdel med metoden är att inga mätvärden för värdering återfinns (Forssblad, 2000).
Resultatkontrollen av packning består av en fältbestämning av densitet som jämförs mot en densitet framtagen i laboratoriet. Fältbestämningen av densitet kan utföras med flera olika metoder enligt (SIS 27 220, 1994). Bestämningen av densitet kan antingen utföras för kontroll av jordpackning eller undersökning av jordlagerföljd. Det finns fem olika metoder för kontroll av jordpackning vilka är; cylindervolymeter, fotogenpyknometer, vattenvolymeter, sandvolymeter och isotopmätare.
För fältbestämning av torrdensitet i en damm rekommenderas metoderna vattenvolymeter, sandvolymeter eller isotopmätare (Energiföretagen, 2020a). Metoderna vatten- och sandvolymeter rekommenderas även av expertgruppen (Fell, MacGregor, Stapledon, & Bell, 2005). I kommande fältundersökning används metoderna vattenvolymeter och isotopmätare därför presenteras metoderna mer ingående i Avsnitt 5.1 respektive Avsnitt 5.2.
5.1 Vattenvolymeter
En vattenvolymeter består av en mätcylinder med en volym på 2–6 liter fylld med vatten, en gummiblåsa monterad i botten på cylindern samt en bottenplatta med samma dimensioner som mätcylindern (SIS 27 220, 1994). Utöver själva vattenvolymetern krävs utrustning för att gräva och hantera provet. Vilket innebär: spade, sked, borste, provpåsar, buntband samt provtagningsprotokoll, se Figur 6.
17
Figur 6 Vattenvolymeter med tillhörande utrustning.
Det finns vattenvolymetrar med olika dimensioner på mätcylindern och bottenplattan.
Kornstorleksfördelningen av materialet avgör vilken diameter som mätcylindern och hålet i bottenplattan behöver ha.
Mätningen med vattenvolymeter utförs enligt Svensk Standard, (SIS 27 220, 1994) likvärdig med den internationella (ASTM D2167 - 15, 2015). Följande steg används vid mätning med en vattenvolymeter:
1. Med hjälp av en spade grävs en grop ca 0,1 m ned, stor nog för bottenplattan.
2. Bottenplattan placeras på en plan horisontellt avjämnad yta.
3. Innerringen placeras i hålet i bottenplattan före vattenvolymetern lyfts på plats.
4. Handtaget på vattenvolymetern trycks ned med ett tryck på ca 0,2 bar. Därefter läses den initiala volymen av hålet i bottenplattan på mätcylindern, Vföre och dokumenteras.
5. Vattenvolymetern lyfts försiktigt bort så att bottenplattan är kvar på exakt samma plats.
6. En provgrop med ett djup på 0,1–0,2 m formad som en halv sfär grävs med bottenplattan som mall. Allt material placeras och försluts i en lufttät provpåse.
7. För att jämna till väggarna i provgropen används en pensel/ borste. Det är av stor vikt att allt material kommer med i provpåsen.
8. När provgropen är klar lyfts vattenvolymetern åter på plats.
9. Handtaget på vattenvolymetern trycks ned med samma tryck som tidigare, punkt 4.
Därefter läses provgropens volymen av på mätcylindern, Vefter och dokumenteras.
10. Provet förs därefter snarast till fältlaboratoriet för vidare analys.
I laboratoriet vägs jordprovet och torkas i ugn enligt samma princip som beskrivs i Avsnitt 3.1.
När jordprovet är torrt tas stenhalten ut genom att stenar större än 20 mm mäts och vägs separat.
För beräkning av torrdensitet enligt
𝜌𝑑 = 𝑚𝐸𝑓𝑡𝑒𝑟𝑇
𝑉𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟 − 𝑉𝑓ö𝑟𝑒 =𝑚𝑠− 𝑚𝑤 𝑉
(Ekvation 6) används resultatet från provtagningen med vattenvolymeter, Vföre och Vefter samt resultaten från laboratoriet, mföreT och mefterT. För beräkning av vattenkvot används (Ekvation 1). För beräkning av stenhalten används resultatet från laboratoriet i följande ekvation
𝑆𝑡𝑒𝑛𝑘𝑣𝑜𝑡 =𝑚𝐸𝑓𝑡𝑒𝑟𝑇 𝑚𝑠𝑡𝑒𝑛
(Ekvation 7) Utifrån resultaten av vattenvolymeterns prov kan även packningsgrad (Ekvation 5), luftporhalt (Ekvation 3) och portal (Ekvation 4) beräknas.
Vid presentation av resultatet från vattenvolymeterprover redovisas enligt standarden (ASTM D2167 - 15, 2015); provgropsvolym, våtdensitet, torrdensitet, vattenkvot, instrumentets id och tryck, kommentarer och en beskrivning av jorden. Om torrdensiteten beskriv som en procent av ett annat värde ska referensvärdets maximala torrdensitet, optimala vattenkvot, korrektion av stenhalt samt erhållen packningsgrad redovisas. Vid korrektion av stenhalt används standarden (ASTM D4718/ D4718M - 15, 2015).
5.2 Isotopmätare
En isotopmätare består av en strålkälla, en detektor samt en impulsräknare. Densiteten bestäms genom att strålning skickas ut, om densiteten är hög dämpas strålningen mer än om densiteten är låg. Isotopmätaren registrerar hastigheten på strålningen och beräknar om den till en densitet.
En nackdel med isotopmätaren är att resultatets spridning beror på mängden sten i materialet (Forssblad, 2000).
De finns två huvudtyper av isotopmätare, metoderna kallas backscattermätning och direkt transmissionsmätning. Vid backscattermätning förs strålkällan och detektorn ned i jorden genom ett foderrör. Vid direkt transmission placeras isotopmätaren på markytan, en del av dessa mätare är utrustade med en sticksond som förs ned i jorden se Figur 7. Direkt transmission lämpar sig bäst när fyllningen är packad i lager precis som under konstruktionen av en damm (SIS 27 220, 1994). Om instrumentet använder direkt transmission kan densiteten mätas till ett djup av 0,3 meter och vatteninnehållet till ett djup av 0,07–0,08 meter. Mätningen av vatteninnehåll påverkas främst av jorden i de översta 0,05–0,1 meter. Med djupet minskar påverkan på vatteninnehållet (Trafikverket, 2014). Det går även att beskriva området för mätning som en ellips från spetsen av sonden upp till detektorn på markytan. Stora partiklar som ligger i närheten av spetsen på sonden kan påverka mätningen (ASTM D8167/ 8167M, 2007).
19 Isotopmätare kalibreras dagligen genom kontroll av referensvärde. Referensvärdet består av två värden; ett densitetsstandardvärde och ett fuktighetsstandardvärde. Värdena bör ligga inom 1
% respektive 2 % av medelvärde från de fyra senaste kalibrerings-mätningarna (Myers - Construction Materials Testing Equipment, 2020).
I Figur 8 presenteras den utrustning som krävs vid mätning med isotopmätare. Utrustningen innefattar; 1. Isotopmätare, 2. Referensblock, 3. Platta, 4. ”Ta upp” instrument, 5. Spett, 6.
Förvaringsväska klass A, 7. Laddare, 8. Manual och modell-papper, 9. Lås.
Figur 8 Isotopmätare med tillhörande utrustning (Myers - Construction Materials Testing Equipment, 2020).
Figur 7 Isotopmätare som mäter genom direkt transmission med sticksond (SIS 27 220, 1994).
Provtagningen med isotopmätare utförs enligt Svenska Standard, (SIS 27 220, 1994) vilken är likvärdig med den internationella (ASTM D8167/ 8167M, 2007). Provtagningen utförs enligt följande steg vilket även illustreras i Figur 9:
1. Plattan placeras på en plan och horisontell yta. Ytan avjämnas med hjälp av plattan.
2. Spettet trycks ned i det förborrade hålet i plattan, därefter hamras hela spettet ned med en hammare till ett djup av 0,3 meter.
3. Båda fötterna placeras på plattan för att hålla emot medan spettet dras upp med hjälp av
”ta upp” instrumentet.
4. Plattan har samma dimensioner som troxlern. Sticksonden från troxlern placeras rakt över hålet och trycks försiktigt ned i hålet.
5. Mätningen utförs under en minut. Under den tiden sänds gammastrålning ut från spetsen av sticksonden, strålningen mäts av detektorer som är placerade på bottenplattan av Troxlern. Mängden strålning som absorberas använder Troxlern för densitetsberäkningarna.
6. När mätningen är slutförd dokumenteras resultatet och troxlern roteras ca 90 grader för att utföra ytterligare en mätning.
7. En tredje mätning utförs ca 180 grader från den första i samma punkt.
Figur 9 Provtagning med isotopmätare - Troxler.
Vid presentation av resultatet från isotopmätaren redovisas total densitet i fält i vald enhet Trafikverket har (2014) tagit fram egna riktlinjer där de presenterar att de värden som redovisas av isotopmätaren är:
21 - Densitet
- Torrdensitet - Vatteninnehåll - Vattenkvot.
5.3 Tung laboratoriepackning
Genom att utföra tung laboratoriepackning på ett jordprov kan den optimala vattenkvoten, wopt
bestämmas där ett material kan packas till sin maximala torrdensitet, 𝜌d, max enligt (ASTM D1557, 2007). Tung laboratoriepackning kan genomföras med en Proctor-apparat, Figur 10.
Det finns två olika typer av Proctor-packningsutrustning; Standard Proctor och Modifierad Proctor. Principen går ut på att ett jordprov packas i fem lager med en fritt fallande vikt, packningen sker 25 gånger per lager. Packningen utförs minst 5 gånger på ett jordprov med olika vattenkvot. I Sverige används främst Modifierad proctor. Redan under 1930-talet började metoden Proctor att användas, allt eftersom maskinerna blev tyngre modifierades metoden och standarden Modifierad Proctor togs fram (den äldre metoden kallas numera Standard Proctor) (Statens Vattenfallsverk, 1958).
Figur 10 Proctor-apparat vid Luleå tekniska universitet.
Ett intervall för den maximala torrdensiteten och optimala vattenkvoten för olika jordmaterial presenteras i Tabell 3 (Avdelningen för Geoteknik vid LTU, 2012).
Tabell 3 Maximal torrdensitet och optimal vattenkvot för olika jordarter (Avdelningen för Geoteknik vid LTU, 2012).
Jordart Maximal torrdensitet [t/m3] Optimal vattenkvot [%]
Grus, grusig morän 2,0 – 2,2 5 – 9
Sand 1,7 – 2,0 10 – 18
Sandig, siltig, lerig morän 1,7 – 2,2 6 – 12
Lera 1,4 – 1,7 20 – 30
Provtagningen utfördes enligt följande steg i enlighet med (ASTM D1557, 2007). Material större än 19 mm siktas bort. Varje önskad vattenkvot analyserades enligt följande princip vilken även illustreras i Figur 11. En provmängd av ungefär 2,5 kg vägs upp (mtorrt prov) i en provhink (mprovhink), mängden vatten för önskad vattenkvot beräknas genom (Ekvation 1). Vattnet tillförs (mvatten) och materialet i provhinken rörs om med en spade. Formen vägs tom utan sin förlängare (mtom form). Material med önskad vattenkvot placeras till ca. en femtedel av formens höjd.
Proctormaskinen startas och utför automatiskt packningsarbetet (2,7 MJ/m3) genom att en vikt får falla fritt 25 gånger. Materialet i provhinken rörs om innan ytterligare ca. en femtedel av formens höjd fylls med material. Totalt fem lager av material packas i formen, det sista lagret av material fyller hela formen samt delar av formens förlängare. Formen tas ur Proctor- maskinen och placeras på en plan yta, där förlängaren tas av och extra material skrapas försiktigt bort från formens överkant. Därefter vägs formen med det packade materialet (mfylld form). Det packade material placeras i en skål (mskål) och vägs (mskål+ blött material) därefter placerades skålen i en ugn för torkning. Materialet torkas i minst 24 h innan det åter vägs (mskål+ torrt material).
23
Figur 11 Illustrationer av förfarandet vid Proctorpackning.
Utfrån de olika massorna beräknas därefter erhållen vattenkvot och torrdensitet för de olika proven genom (Ekvation 1) och (Ekvation 2). Vid presentation av resultatet redovisas; metod (a, B eller C), torr- eller våtpackning, vattenkvot, maximal torrdensitet, packningsmetod, kornkurva, beskrivning av jord, kompaktdensitet, prov id, diagram över packningsprover med och vattenmättnadskurva samt om korrektion av stenhalt sker den informtionen (ASTM D1557, 2007).
6 TIDIGARE UNDERSÖKNINGAR
Björkdalsgruvan är en anläggning i drift där det årligen utförs tillbyggnader och förändringar.
Det finns ett omfattande geoarkiv med tidigare utförda undersökningar. En samlad bedömning av moränen på anläggningen analyserad genom modifierad Proctor visar på:
- Maximal torrdensitet på 2,1 t/m3. - Optimal vattenkvot på 6,0 %.
Moränen från området där provpallarna konstruerades har tidigare analyserats genom tung laboratoriepackning. Senaste var under våren 2020 genom provtagning i form av provgropar vid upplaget med följande resultat från modifierad Proctor, Tabell 4.
Tabell 4 Maximal torrdensitet och vattenkvot för morän i Björkdalsgruvans anläggning.
Plats Maximal torrdensitet [t/m3] Optimal vattenkvot [%]
Upplaget - provgrop 1 2,20 6,0
Upplaget - provgrop 2 2,09 6,5
Upplaget - provgrop 3 2,15 5,1
Upplaget - provgrop 4 2,13 6,1
Medelvärde 2,14 5,9
25
7 FÄLTUNDERSÖKNING
För att undersöka frågeställningarna i Avsnitt 1.3 utförs en omfattande provtagning i fält.
Undersökningen genomförs på Björkdalsgruvans anläggning. Inledningsvis konstruerades två provpallar med lagertjocklek 0,3 meter respektive 0,5 meter under ledning av examensarbetare, fortsättningsvis benämnda som provpall 0,3m och provpall 0,5m. Därefter genomförs bestämning av densiteten i provpallarna av examensarbetare med hjälp av provtagningsmetoderna vattenvolymeter och isotopmätare. Jordproverna insamlade i fält transporteras till laboratoriet för vidare analys.
7.1 Uppbyggnad provpallar
Uppbyggnaden av provpallarna skedde mellan den 22 och 24 juni sommaren 2020. Vädret var genomgående varmt och soligt med temperaturer mellan 21 och 30 grader. Den 23 juni passerade en lätt regnskur Björkdal på eftermiddagen. Provpallarna placeras bredvid varandra med endast två meters mellanrum för att ge stöd åt varandra, vid antagande om att jorden kommer att rasa på kanterna. De två provpallarna konstruerades simultant.
Packningsarbetet utfördes av en envalsvält av modell Dynapac CA6500D med en valsbredd på 2,13 meter och en valsdiameter på 1,546 meter med vikten 21 ton. Välten påför en statisk linjelast på 65 kg/ cm samt en hög amplituden och en låg frekvensen (24–26 Hz), vält- inställningar var samma för lagertjockleken 0,3m och 0,5m. Enligt användarmanualen kan välten packa jord- och stenfyllning till ett djup av; 2,5 meter i stenfyllning, 1 meter i välgraderat grus, 0,9 meter i välgraderad sand, 0,7 meter i silt och 0,4 meter i lera (Dynapac, 2020).
Inledningsvis packades schaktbotten med envalsvält med sex överfarter på en yta av ca 40x40 meter. Hela ytan mättes in med teleskopisk avvägningsstång. Var 10e meter placerades en stakkäpp för att märka upp ytan för provpallarna. En linjelaser placerades vid kortsidan av området för provpallarna, Figur 12. Syftet med linjelasern var att enkelt mäta in höjden på hela området, både höjden av varje pall samt djupet i varje provpunkt. Schaktbotten provtogs med vattenvolymeter före konstruktion av provpallarna.
Figur 12 Till vänster: Schaktbotten för provtagningsområdet. Till höger: Linjelaserns placering i förhållande till området samt stakkäpparnas placering.
De två provytorna bestod av tre respektive fem pallar, för varje pall skedde momenten; lastning, utbredning av material, vattning, omrörning, vältning och slutligen upprivning av överytan före påbyggnad av nästa pall. För lastning av morän användes en grävmaskin som placerade moränen på en dumper. Dumpern körde materialet till området för provpallarna där en bandtraktor bredde ut moränen, se Figur 13. För att erhålla önskad höjd efter packning markerades önskad slutgiltig höjd plus 0,1 meter ut på stakkäpparna runt provpallarna.
Figur 13 Lastning, transport, avlastning och utbredning av morän.
Höjden på pallarna mättes in med hjälp av linjelasern. Före packning av moränen vattnades pallen av en vattendumper, bandtraktorn rörde om i materialet innan välten packade varje pall med sex överfarter med överlapp i enlighet med beskrivningarna i AMA (Svensk byggtjänst, 2020). Provytan packades med minst fem vältstråk i bredd. Före nästa pall konstruerades rivs överytan av pallen upp med en bandtraktor till ca 0,1 meters djup, se Figur 14.
27
Figur 14 Vattning, omrörning, vältning och upprivning av överyta av provpallarna.
Det slutgiltiga resultatet av uppbyggnaden redovisas i Figur 15 med provpall 0,3m till vänster och provpall 0,5m till höger. Pallhöjden i provpunkt P1, P3, P5, P7 och P9 samt P12, P14 och P16 mättes in för varje pålagd pall för kontroll av palltjocklek vid provpunkt.
Figur 15 Till vänster: Slutgiltigt resultat av packade provpallar. Till höger: Presenteras provpunkterna och dess numrering. Illustration: Moa Rosén.
7.2 Provtagning i fält
Provtagning av provpallarna utfördes mellan den 30 juni och den 8 juli, v. 27 och v. 28 under sommaren 2020. Under vecka 37 var vädret mestadels mulet med några solglimtar, temperaturer låg mellan 18 och 20 grader. Dagen innan provtagning vecka 38 kom stora mängder regn. Lätta regnskurar fortsatte under veckan, ett tält användes för att skydda provtagningsytan. Temperaturen under vecka 38 låg på 15 till 16 grader. Allt resultat från densitetsbestämningen i fält redovisas i Bilaga A från både vattenvolymetern och isotopmätaren. Där vattenkvoten beräknas genom ekvation 1, torrdensitet från vattenvolymeter beräknas genom ekvation 6 och stenkvoten genom ekvation 7.
Totalt utfördes provtagning i 16 provpunkter vilka redovisas i Figur 15, i hälften av punkterna utfördes provtagning på flera djup se Figur 16. I provpunkt P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 och P8 utfördes provtagning 0,1 meter ned i pallen. I provpunkterna P11, P12, P13 och P14 utfördes provtagning på två djup, 0,1 respektive 0,3 meter ned i pallen. Initialt var tanken att utföra
provtagning i P9 och P10 på fem djup. På grund av att lagertjockleken av pall 1 i provtagningspunkterna P9 och P10 blev lägre än planerat (ca. 0,05 meter istället för 0,3 meter) kunde provtagning ej ske i pall 1 i dessa provpunkter. Provtagning i provpunkt P9 och P10 utfördes på fyra djup; 0,1 m, 0,4 m, 0,7 m och 1,0 m ned i översta pallen. I provpunkt P15 och P16 utfördes provtagning på sex olika djup; 0,1 m, 0,3 m, 0,6 m, 0,8 m, 1,1 m och 1,3 m ned från översta pallen.
Figur 16 Till vänster: Provpallarna sett i plan (ovanifrån). Till höger: Provpallarna sett i profil (från sidan).
Illustrationer: Moa Rosén.
För densitetsbestämning i fält utfördes provtagning med isotopmätare och vattenvolymeter i samma punkt, se Figur 18. Vid varje provtagning mättes djupet in med hjälp av en linjelaser.
Provtagning i provpall 0,5m där provtagning utfördes på två olika djup i varje pall presenteras i Figur 17. Isotopmätaren placerades på den packade jordytan där sonden fördes ned till ett djup av 0,3 meter. Provtagningen med vattenvolymeter i samma punkt genomfördes 0,1 meter ned i pallen där en provgrop med ett djup på 0,1–0,2 meter grävdes. För nästa provdjup skalades överytan av om ca 0,2 m med en traktor, isotopmätaren placerades på den nya ytan och fördes ned till ett djup på 0,3 m. Innan provtagning med vattenvolymetern grävdes det för hand med spade ytterligare ca 0,1 meter ned i den skalade ytan. Totalt 0,3 meter ned från pallens tidigare överkant utfördes provtagning med vattenvolymeter.
Vid okulär bedömning av moränen var överytan ofta torr medan moränen en bit ned i pallen var blötare. Vid nederbörd i anslutning till provtagning var överytan blötare än moränen en bit ned i pallen.
29
Figur 17 Illustration över hur provtagningen av vattenvolymeter och isotopmätare är utförd jämfört med varandra i djupet av pallen. Illustration: Moa Rosén.
Vi provtagning användes följande utrustning, se Figur 18. Figuren visar även hur de två provtagningsmetoderna förhåller sig till varandra, provgropen kommer efter provtagning med vattenvolymeter och hålet bredvid kommer efter provtagning med isotopmätare.
Figur 18 Till vänster: Utrustning som används vid provtagning. Till höger: Efter provtagning i provpunkter.
Provtagning med vattenvolymeter utfördes enligt Avsnitt 5.1. Vid provtagning med vattenvolymetern placerades en cirkulär innerring av trä i hålet i bottenplattan för att korrigera för att ballongen i volymetern inte når ytterkanten av hålet vid provtagning före grävning (VFöre). Vilket korrigeras vid beräkning genom att addera träringens volym på (81,0... cm3) till VFöre. Den insamlade informationen med vattenvolymetern presenteras i Bilaga A.
Provtagning med isotopmätare utfördes med en Troxler enligt Avsnitt 5.2. Modellen av isotopmätare som användes var en Troxler vid namn MC-3 Elite. Resultatet efter varje mätning redovisas på en digital display. Fyra skärmar redovisar information som isotopmätaren samlar in. Den insamlade informationen med isotopmätaren presenteras i Bilaga A.
7.2.1 Felkällor provtagning
Felkällor som kan ha uppkommit vid fältbestämning av densitet:
- Vädret vid konstruktion och under provtagning av provpallar kan ha påverkat resultatet i denna undersökning. Provtagning är både utförd under varmare väder med sol och i svalare väder med inslag av regn. Nederbörden påverkar vattenkvoten direkt vilken har en stor inverkan på moränens egenskaper.
- Mänskliga faktorn kan ha en påverkan på resultatet genom felavläsning, varierande noggrannhet och tolkningsfel av resultat.
- Den begränsade mängden information påverkar reliabiliteten.
Felkällor som kan uppstå vid provtagning med vattenvolymeter:
- Felkalibrering och avsaknad av underhåll av volymetern vilket kan bero på saknad erfarenhet eller okunskap hos företag och provtagare.
- Problem med att erhålla plan och horisontell yta för placering av bottenplatta, vid provtagning.
- Variationer i material, moränens heterogena egenskap vad gäller kornstorlekfördelning.
- Flera moment som kräver extrem precision; vid första avläsning, grävning av provgrop och insamling av material samt vid andra avläsning.
- Låg vattenhalt i materialet försvårar provtagningen genom att moränen upplevs mer spröd vilket försvårar arbetet med provgropsgrävning.
Felkällor som kan uppstå vid provtagning med isotopmätaren Troxler:
- Svårigheter med att erhålla plan yta utan hålrum och horisontell neddrivning av spett och därefter sond.
- Problem med att dra spettet rakt upp utan att förstora/ förändra håldiametern.
- Påverkan från moränen som är heterogen och innehåller stora stenar. Stenarna kan vara placerade mellan markytan och sondens spets och på så sätt påverka mätningen med isotopmätaren.
7.3 Analys i laboratorier
Torrdensitet, vattenkvot, kornstorleksfördelning och stenhalt är fastställt på plats i fältlaboratoriet. Bestämning av maximal torrdensitet och optimal vattenkvot är fastställt på Geolab vid LTU.
7.3.1 Analys av vattenkvot
Analys av vattenkvot är utförd enligt standard, (SIS 17 892 -1, 2014) och en beskrivning återfinns i Avsnitt 3.1.
Under uppbyggnaden av provpallarna togs ett jordprov från varje pall för analys av vattenkvot.
Materialet togs i fem olika punkter på varje pall, jordprovet transporterades snarast till fältlaboratoriet för att där analyseras för vattenkvot.
31 I laboratoriet vägdes jordprovet på en våg (mföreT), därefter placerades jordprovet på en plåt i en ugn med en temperatur på 105° C. Jordprovet torkades i ugnen i minst 24 h vartefter det togs ut ur ugnen och fick svalna till rumstemperatur för att därefter åter vägas på vågen (mefterT).
Skillnaden mellan massa naturfuktigt material och massa torrt material resulterar i mängden vatten. Därefter beräknas vattenkvoten enligt (Ekvation 1).
7.3.2 Analys av kornstorleksfördelning
Analys av kornstorleksfördelning är utförd enligt standard, (SIS 17 892-4, 2016) som beskrivning i Avsnitt 3.2. Analysen i laboratoriet är utförd av konsult Sweco.
För analys av kornstorleksfördelning inhämtades jordmaterial om ca 40 kg. Material grovsiktades för hand i siktar av storlek 64 mm, 45 mm, 31,5 mm och 22,4 mm. Allt material som passerade de fyra siktarna delades ned till en provmängd av ca 1,5 – 2 kg. Det neddelade materialet vägdes, torkades i ugn och tilläts svalna innan det åter vägdes på våg. Det torra materialet tvättades i en våtsikt genom att vatten spolades på jordprovet som siktades genom en sikt på 0,063 mm. Allt material större än 0,063 mm placerades därefter i en skaksikt där hålen i siktarna var i storlek 16 mm, 11,2 mm, 8 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,125 mm och 0,063 mm. Allt kvarstannat material på respektive sikt vägdes och därefter räknades kvarstannad vikt om till viktprocent passerad mängd. Resultatet från analysen av kornstorleksfördelning redovisas i ett diagram som presenterar kornstorlek och passerad mängd i viktprocent.
7.3.3 Analys av vattenvolymeterprov
Analys av prover från vattenvolymeter utförs enligt beskrivning i Avsnitt 5.1. Analys av vattenkvoten utfördes enligt Avsnitt 7.3.1.
7.3.4 Optimal vattenkvot och maximal torrdensitet
Analys av optimal vattenkvot och maximal torrdensitet är utförd enligt standard ( SIS 13 286- 1, 2003); (SIS 13 286-2, 2010) och en beskrivning återfinns i Avsnitt 5.3 för modifierad Proctor där Proctor- form A används.
Proctor-formen (vidare benämnd som formen) hade dimensionerna; diameter 100 mm och höjden 122 mm vilket ger en volym (Vform) på 950,3 cm3 . Inledningsvis valdes fem önskade vattenkvoter; 2 %, 4 %, 6 %, 8 % samt 10 %. Moränen antogs vara helt torr efter att ha förvarats öppet i rumstemperatur under flera veckor.
Felkällor som kan uppstå vid analys genom tung laboratoriepackning:
- Blandning av morän och vatten har skett för hand, materialet blandades och fick stå ca 10 minuter under tiden som förberedelser utfördes. Den begränsade tiden för utjämning kan resultera i ojämn fördelning av vatten vilket påverka resultatet.
- Trots försök till att placera jämna lager i Proctor-formen kan variationer ha uppkommit vilket resulterar i variationer av packningsarbetet.
- Vid avplaning av extra material från formen har små ihåligheter uppkommit. Dessa fylldes igen med finkornig kvarvarande morän vilket kan ha påverkat resultatet.
- En brist i undersökningen av maximal torrdensitet vid optimal vattenkvot är att endast ett prov per morän analyserades. Det innebär att om resultatet från Proctor-packningen har brister finns inget resultat att jämföra med.
