I LABORATORIUM SPETSTRYCK - PORTRYCKSONDER KALIBRERING KOMBINERADE

Statens geotekniska institut

SGI VARIA 223

KALIBRERING AV KOMBINERADE SPETSTRYCK - PORTRYCKSONDER

I LABORATORIUM

Rolf Larsson Sören Eskilsson

:::///

INNEHÅLL

sid

SAMMANFATTNING . . . 3

INTRODUKTION . . . 5

KALIBRERINGSKAMMARE . . . 6

KALIBRERING AV SKALFAKTORER . . . 6

KALIBRERING AV INTERFERENS MELLAN MÄTVÄRDENA... 10

KALIBRERING AV TEMPERATUREFFEKTER ... 12

KALIBRERING AV DYNAMISKA EGENSKAPER VID PORTRYCKSMÄTNING ... 14

LITTERATUR . . . 28

SAMMANFATTNING

En kalibreringskammare har tillverkats som tillsammans med övrig utrustning bestående av press, lastcell, tryckregleringsutrustning och referenstryck­

givare visat sig mycket användbar för kalibrering av sondspetsars egenska­

per i form av skalfaktorer, nettoareafaktor och interferens mellan olika mätvärden.

Vid dessa kalibreringar har det visat sig att filtrens passning och till­

verkningstoleranser är mycket kritiska. En kontroll av att åtdragningen vid monteringen inte skapar inspänningskrafter bör alltid göras före varje son­

dering.

Det har också visat sig att nettoareafaktorn ej kan uppskattas med enkla geometriska betraktelser. Inte heller innebär lika ändytor någon garanti för att friktionsmätningen är opåverkad av vattentrycket.

Utförda undersökningar av portryckssystemens förmåga att registrera dyna­

miska tryckstötar har visat att:

1 Sondernas elektronik måste kontrolleras så att de inte har en elektro­

nisk fördröjning och utslätning av resultaten.

2 Kalibrering av vätskemättnad i filter och hålrum genom att mäta respons för tryckstötar i en vätska som sonden sänkts ned i är ingen praktiskt användbar metod.

3 Användande av silikonolja som trycköverförande vätska i filter och hålrum bör undvikas. Användande av glycerin synes öka möjligheten att bibehålla en hög mättnadsgrad vid passerande av fasta eller icke vat­

tenmättade lager där undertryck kan skapas.

Kalibrering av temperatureffekter har visat att de största effekterna upp­

träder 1 till 2 minuter efter en yttre temperaturändring. Troligen är då temperaturgradienten genom givarna som störst. För att ett nytt stabilt värde på givarna skall erhållas får man räkna med en tid av minst 10 minu­

ter. Detta gäller om sonden är nedsänkt i vatten.

INTRODUKTION

Vid kombinerad spetstryck - portrycksondering mäts de tre storheterna spetstryck, portryck och lokal mantelfriktion. På grund av sondspetsarnas konstruktion inverkar de genererade portrycken på såväl uppmätt spetstryck som uppmätt mantelfriktion. Ett vattentryck vid sondspetsen resulterar inte bara i ett upptryck på spetsens tvärsnittsarea utan också i ett motriktat tryck på den area bakom spetsen som exponeras för vattentryck. Motsvarande gäller friktionshylsorna som påverkas av vattentryck i såväl över som un­

derkant.

Att beräkna dessa effekter genom geometriska betraktelser är vanskligt då vattentrycken också påverkar olika tätningar. Hur krafterna från dessa överförs till sondens olika delar är svårt att uppskatta utan en direkt mätning.

Också andra former av interferens mellan de olika mätvärdena kan tänkas.

Vid olämplig konstruktion kan en pålagd spetskraft förändra nollvärdena för både mantelfriktion och portryck. Detsamma gäller påverkan av mantelfrik­

tion på de båda andra mätvärdena.

Andra konstruktionsdetaljer kan också påverka. Är toleranserna i filterdi­

mensionerna för vida kan inspänningskrafter uppstå vid montering och åt­

dragning av filter och spets. Dessa krafter påverkar såväl nollvärden för spetstryck och mantelfriktion som skalfaktorer för dessa, portryckets in­

verkan på de andra storheterna förändras också. Är filtret inspänt bakom spetsen eller placerat på denna kan portrycksstötar uppstå inuti filtret vid hastiga variationer av spetstrycket.

Alla tre mätvärdena påverkas av temperturvariationer. Inverkan är som regel störst direkt efter att den yttre temperaturen ändrats och en temperaturg­

radient har uppstått. Efter att temperaturen stabiliserats finns ofta en mindre kvarstående effekt av temperaturen på främst nollvärdena.

Vid portrycksmätning under pågående sondering är det viktigt att mätsyste­

met förmår att registrera hastiga variationer i de vid sonderingen genere­

rade portrycken. Detta fordrar en portrycksgivare och elektronik med snabb responstid, väl avluftade vätskor som tryckmedier i filter och kanaler samt filter med tillräcklig genomsläpplighet och som ej sätts igen. Att efter­

likna förhållandena under sondering i jord där systemen utsätts för omväx­

lande sug och tryck i varierande torr, delvis vattenmättad och vattenmättad jord och där filtren utsätts för mekanisk nötning samtidigt som finare par­

tiklar trycks, sugs och knådas in i filtret låter sig knappast göras i la­

boratoriet. Effekterna av dålig vätskemättnad i sonder i jorden, där minsta volymändring i mätsystemet medför en tryckändring i den omgivande jorden och där den erforderliga vätskevolymen för tryckutjämning dessutom måste sugas ut ur alternativt tryckas in i denna ofta mycket lågpermeabla om­

givande jord, låter sig inte heller efterliknas utom i mycket omständliga försök. En del enskilda parametrar kan dock studeras och olika effekter kan relativt enkelt belysas i laboratoriet.

KALIBRERINGSKAMMARE

Under hösten 1987 konstruerades och tillverkades en kalibreringskammare på institutet. I denna kammare kan sonden installeras så att spetsen, por­

trycksfiltret och friktionshylsan befinner sig inne i kammaren och samti­

digt kan utsättas för last och tryck. Kammaren är försedd med 6 st tryckin­

gångar så att den kan vattenfyllas och tömmas och utsättas för olika typer av tryckförändringar. Såväl övertryck som vakuum kan appliceras. I en av dessa ingångar sitter en precisionstryckgivare som används som referens till tryckgivaren i sonden.

övertryck kan anbringas och regleras med en tryckluftsregulator. Vakuum skapas med en trögvakuumpump som via en större excikator och en vattenav­

skiljare kopplas till kammaren. Dynamiska tryckstötar kan skapas med hjälp av en specialcell som ursprungligen använts för att hålla konstant tryck i triaxialceller. övre delen av denna cell är fylld med hydraulolja och en kolv med precisionspassning går ned genom en styrhylsa i toppen. Cellens undre del är fylld med vatten och en styv slang i botten står i kontakt med kalibreringskammaren. Dynamiska tryckstötar i kammaren skapas genom att man slår på kolven med en hammare.

Tätningen av kammaren mot sonden ovanför friktionshylsan sker med en 0-ring. Då denna tätning ej kan ske utan friktion är kammarens undre del speciellt utformad med en rostfri bälg så att krafterna kan mätas utan friktionsförluster i de fall last och tryck appliceras samtidigt.

Hela kammaren placeras i en tryckpress för att spetslast och friktionskraft skall kunna appliceras. Dessa krafter mäts med en precisionslastcell.

Spetslast och friktionskraft kan inte påföras samtidigt utan antingen mäts spetslast med spetsen påskruvad eller friktionskraft med spetsen avskruvad, varvid lasten påförs i friktionshylsans underkant.

KALIBRERING AV SKALFAKTORER

Kalibrering av portrycksgivaren sker genom att trycket i kammaren höjs och sänks stegvis varvid tryckgivaren, referenstryckgivaren och en prec1s1ons­

manometer avläses. På detta vis kan såväl tryckgivaren som referenstryck­

givaren kalibreras respektive kontrolleras för skalfaktor, linearitet, nollpunktsstabilitet och hysteres.

Spetskraftgivaren kalibreras som regel först utan att tätningen skruvas åt och utan tryck i kammaren. Lastcellen kan då placeras valfritt under kamma­

ren eller ovanför sonden. Lasten höjs och sänks stegvis så att skalfaktor, linearitet, nollpunktsstabilitet och hysteres kan kontrolleras. Kalibre­

ringen utförs med spetsen monterad och bör utföras med och utan filter mon­

terat för kontroll av att nollpunkten ej ändras vid åtdragning av filtret eller att krafter vid lastpåläggningen överförs via filtren. Vid kalibre­

ringen av de första sondspetsarna i kammaren visade sig toleranserna för tillhörande filter vara alltför vida varför olika värden erhölls med olika

Fig. 1. KaLi.lJreringskan:mare.

Fig. 2. Kal_ibreri.ngskarrrnare med sond rronterad i tryckpressen.

5 0 0 - . - - - -

Tute3065PA

400

"

(L

~

300

X 0

>-..

b ²⁰⁰

0 L

(L

100

0

0 100 200 300 400 500

Ce 11 tryck CkPa)

Fig. 3. Kaii.brering av r:,ortrycksgivare.

filter monterade. I sondspetsen fanns dessutom radier i hörnen för filter­

ursparningen som inte beaktats vid filtertillverkningen. Tillverkaren har uppmärksammats på problemet.

Vid kalibrering av friktionskraftgivaren skruvas spetsen av och lasten an­

bringas på samma sätt som för spetstryckgivaren via en adapter så att frik­

tionshylsans underkant belastas.

Kalibreringen av spetstryck och friktion repeteras sedan i mindre omfatt­

ning med tätningen åtskruvad och med tryck i kammaren. Härvid mäts kraften under kammaren och kompenseras för kammartryckets inverkan på krafterna från bälgen. Denna kalibrering görs för att kontrollera att det yttre trycket ej påverkar skalfaktorerna.

KALIBRERING AV INTERFERENS MELLAN MÄTVÄRDENA

Interferens mellan mätvärdena kontrolleras genom att antingen tryck, spets­

last eller friktionskraft anbringas varvid man mäter eventuella förändring­

ar i mätvärdena från de andra givarna.

På grund av sondens konstruktion påverkar portrycket alltid spetskraftsmä­

tarens noll-värde. Man kalibrerar därför alltid fram sondens "nettoareafak­

tor". Denna faktor uttrycker hur stor del av sondens tvärsnittsarea som på­

verkas av ett upptryck, vilket i sin tur inte balanseras av ett motsvarande motriktat vattentryck. Nettoareafaktorn kalibreras genom att trycket i kam­

maren höjs och sänks stegvis varvid tryck och spetslast avläses så att faktorn och dess linearitet och hysteres kan utvärderas. Vid kalibreringen skall spets och filter vara monterade. Man måste observera att om filtrets dimensioner är sådana att inspänningskrafter skapas vid monteringen kan areafaktorn förändras avsevärt.

Vid kalibrering av areafaktorer har det visat sig att stora fel kan uppstå om areafaktorn uppskattas genom tex mätning med skjutmått. För de först kalibrerade spetsarna var den så "uppmätta'' areafaktorn 56% medan kalibre­

ringen visade att den i verkligheten var 65% respektive 67%.

Många sonder tillverkas med friktionshylsor med lika stora ändytor i över­

och underkant så att de skall vara opåverkade av ett yttre jämnt fördelat vattentryck. På grund av bland annat tätningarnas funktion kan detta vara svårt att uppnå. De testade spetsarna hade bådas k "equal end areas" men påverkades båda av pålagt vattentryck. Vid pålagda vattentryck av 500 kPa erhölls friktionskrafter av 3-5 kPa. Detta kan synas lite men motsvarar en skillnad i last av 5-8 kg eller en skillnad i ändlytor av 1-1,5 cm² • Vat­

tentryck i storleken 500 kPa och högre mäts också ofta vid sondering leror där 3-5 kPa inte är oväsentligt då friktionskraften i stort sett antas motsvara den omrörda skjuvhållfastheten. Ett kanske ännu större problem är dock att vid sondering i jord kan man inte förvänta sig att vat­

tentrycken skall vara jämnt fördelade utefter friktionshylsan. Detta kan dock ej efterliknas i laboratoriet. Vattentryckets inverkan på friktions-

i

5 0 0 . . . - - - ~

,,.... 400

0

(L

X..._,,

0.65

300

X 0

>-.

~

200

.µ OJ

Q_

(J)

100

0 0 100 200 300 400 500

Ce 11 tryck (kPa)

Fig. 4. Kalibrering av nettoareafaktor.

kraftmätaren förändras om inspänningskrafter skapats vid filtermonteringen.

Vid statisk belastning av spetsen skall portrycksmätningen ej påverkas om konstruktionen är riktig. Så skedde inte heller vid kalibreringen av de första spetsarna. Vid belastning av spetsen skall inte heller friktions­

kraften ändras. I den ena spetsen kunde ingen påverkan uppmätas medan den andra registrerade en ökning i friktionskraft av 2 kg (1,3 kPa) vid en spetslast av 500 kg (5000 kPa). En påverkan i denna storleksordning är re­

lativt liten och normalt acceptabel. Vid inspänningskrafter på grund av dålig filterpassning kan dock påverkan bli betydligt annorlunda om spets­

kraft överförs till friktionshylsan via filtret.

Inte heller vid belastning av friktionshylsan skall portrycksmätningen på­

verkas och det gjorde den inte för de aktuella spetsarna. Spetskraften skall helst inte heller ändras men detta kan vara svårt att uppnå då en viss last alltid kan förväntas överföras via tätningarna. På grund av för­

hållandet att friktionshylsan har en 15 ggr större area än spetsens tvär­

snittsarea slår en sådan överföring från friktionskraft till spetskraft mycket hårdare på mätvärdena än om överföringen går i motsatt riktning. A andra sidan är alltid spetstrycket många gånger större än friktionskraften varför den relativa påverkan i praktiken blir måttlig. För den grövre av de testade sonderna medförde en friktionskraft av 200 kPa en ökning i mätt spetskraft av cirka 90 kPa medan motsvarande värde för en specialsond var 8 kPa. Båda dessa värden kan för sina respektive användningsområden anses fullt acceptabla.

KALIBRERING AV TEMPERATUREFFEKTER

Temperatureffekter påverkar främst givarnas nollvärden. Kalibrering sker enklast genom att sonden får stabiliseras under en konstant tempertur varpå den doppas ned i en vätska med en annan temperatur som hålls konstant. Gi­

varnas utslag följs kontinuerligt på en skrivare så att man ser att de är stabila före temperaturändringen och sedan kan följa variationerna tills att ett nytt stabilt läge inträffat. Maximal variation, kvarstående föränd­

ring och tid för stabilisering mäts. Försöket upprepas lämpligen ett par gånger i temperaturintervallet 0-25°. Vid nedsänkning av sonden i vätskor måste vätsketryckets inverkan på främst portryck- och spetskraftmätarna be­

aktas.

En av de kalibrerade sonderna var beställd med höga krav på temperatursta­

bilitet. De maximala tempertureffekterna under insvängningsfasen inträffade 1-2 min efter temperaturändringen och uppgick till 0,5 kPa/°C för spets­

trycket och 0,08 kPa/°C för både friktionskraften och portrycket. Insväng­

ningen skedde inom 10 minuter med ett typiskt värde av 7 minuter. De kvar­

stående tempertureffekterna var då ungefär hälften av de maximala, 0,23 kPa/°C för spetstrycket, 0,04 kPa/°C friktionen och 0,05 kPa/°C för por­

trycket. Dessa värden är relativt låga men ofta kan betydligt högre tempe­

ratureffekter erhållas. Tidseffekten torde vara ungefär lika för olika sonder då de har samma ytterdimensioner och ungefär samma material och massa. Om den relativt hastiga temperaturändringen i ett vattenbad motsvar-

Friktion r

S~etskraft

Portrvck

26

24 22 20

18 16

I....

Cl)

14

-+--'

C ::J

12

·-

10 < Temperatur­

0 ^'

₈ ändring

-

6

4

2

0

UTSLAG

Fig. 5. Kaiibrering av temperatureffekter.

ar förhållandena i fält torde dock bero på de specifika förhållandena på platsen och försöksmetodiken vid sonderingens start.

KALIBRERING AV DYNAMISKA EGENSKAPER VID PORTRYCKSMÄTNING

Vid kalibrering av de dynamiska egenskaperna av en sondspets kalibreras dels portrycksmätaren och bakomliggande elektronik och dels trycköverfö­

ringen genom filter och hålrum i spetsen. Responsen hos själva portrycks­

givaren och övriga elektriska komponenter i mätsystemet förutsätts som regel vara direkt och utan fördröjning, men detta bör kontrolleras. Tryck­

överföringen genom filter och hålrum antas ofta vara ett mått på hur väl man lyckats vätskemätta dessa delar. Förslag till kontroll av vätskemättnad före sonderingarnas utförande genom mätning av responstider (=tid till full registrering av en yttre tryckändring i portrycksmätaren i sonden) har framförts från ett antal institutioner. Ett sådant förslag är att full respons bör erhållas inom 0,05 s. Andra förslag är mindre precisa och något allmänt accepterat kriterium har inte framkommit. Å andra sidan har insti­

tutioner med stor erfarenhet av spetstryck- portrycksondering framfört den bestämda åsikten att sådana kontroller är praktiskt ogenomförbara.

Kalibreringen av sondspetsarna inleddes med kontroll av det elektriska mät­

systemet. Sonderna placerades i kammaren utan filter och spets för att eli­

minera fördröjningseffekter i dessa. Referenstryckgivaren och portrycksgiv­

aren anslöts till ett minnesoscilloskop. Trycket i kammaren utsattes där­

efter för hastiga förändringar, dels stegvisa dels som pulser. Försöken utfördes med såväl luft som vatten i kammaren. I samtliga försök erhölls en stor eftersläpning. Vid stegvisa försök var responstiden cirka 60 milli­

sekunder och vid försök med tryckpulser blev responsen begränsad och för­

dröjd.

De aktuella spetsarna hade tillverkats speciellt för institutet, som till­

handahållit tryckgivarna. För att testa dessa tillverkades en dummysond med identisk tryckgivare och geometri, men i övrigt med samma elektronik som referenstryckgivaren. Vid jämförande försök med denna sond erhölls ingen mätbar skillnad mellan referens- och portrycksgivarna, utan responsen var i alla försök direkt och total.

Vid kontakt med tillverkaren visade det sig att sondernas elektronik inne­

höll ett filter bestående av ett par kondensatorer för att minska bruset från givarsignalen. Denna "elektroniska luftbubbla'' gav fördröjningseffekt­

er som till och med var större än en del föreslagna kriterier för godkänd vätskemättnad. De visade sig också vara större än några av de effekter av dålig vattenmättnad och igensättning av filter som senare uppmättes. In­

verkan av denna elektroniska fördröjning beror på hur mätningen i övrigt tillgår. Vid kontinuerlig registrering, som vid portrycksondering för regi­

strering av tunna skikt, kan den allvarligt försämra resultatet. Vid glesare registrering, där mätresultaten desssutom utjämnas till medelvärden av ett antal mätvärden, blir inverkan av ett elektroniskt filter en margi-

(J1

VakJJump.JID.p och

t

\_

exicator kaiibreringskarrrnare

J

Fig. 6. översikt över kalibreringsutrustningen.

0 ,

Tryckpress och / Tryckreglering

t ¹

kalibreri.ngskarrmare och manometer

t

,., ~

-.J

Fig. 8. Tryckstötscell och erfrderlig elektronisk utrustning för kal_ibrering.

100 /

----

I I I I I I

0 I

Q.. I

.::;_

I

u ~ I

>- I

0:: - - - - Referenstryckgivare

f- I

I Port rycksg ivare 1

I sond spets

I I I

/ /

o--L-""--==---

o 0,05 0,1

TIO, sekunder

100

\

\

I - - - - Referenstryckgivare I I Portrycksgivare 1

sondspets

0 I

Q.. I

.::;_

I I

u ^~ _{>- I} r,

0:: I \

f- \ I

I \ (\ _{I '-}

I /\

I I

\ I

\_,

0 < - - - , - - - , - - - - ~ - ~

0 0,2 d4 ds da

TID, sekunder

- - - - Referenstryckgivare

~100 ✓,,,..,--,

Port rycksgivare ¹

/ sond spets

/ / I I I I

~ I

u _I

>-

0:: I

f- I

0+----"'"'1

0 0,1 0,2 0,3 0,4

TID.sekunder

Fig. 9. Exempel på eftersläpning och utslätning med elektroniskt ±"ilter.

nell utslätning av ett redan utslätat resultat. Vid användande av högklass­

iga portrycksgivare är dock dessa filter helt onödiga, varför de avlägsnats i de aktuella spetsarna.

Den dynamiska trycköverföringen genom filter och hålrum kan främst sägas bero på vätskemättnaden. Vid fullständig mättnad med en inkompressibel vätska och en givare som fordrar ytterst liten volymändring för att mäta blir överföringen i stort sett omedelbar och total oavsett filtrets och vätskans övriga egenskaper.

Är vätskemättnaden ofullständig inverkar också sådana parametrar som filt­

rets porstorlek och dimensioner och vätskans viskositet. En annan viktig faktor är filtrets igensättning av dels fina jordpartiklar och dels för­

slitning. Också trycknivån spelar in så att de största effekterna erhålls vid relativt låga tryck.

För praktiskt bruk används i huvudsak tre typer av vätskor. Vanligast är troligen vatten tätt följt av silikonolja. Glycerin används i mindre om­

fattning men har varma förespråkare. Både silikon och glycerin har utmärkta trycköverförande egenskaper och används bland annat i hydraulkolvar och som bromsvätskor.

Ren glycerin är en enhetlig produkt. Den är trögflytande med en viskositet av 1500-4000 ggr vattnets inom aktuella temperaturområden. Kokpunkten är 290° och fryspunkten -40°. Den är starkt hygroskopisk och blandar sig mycket lätt med vatten.

Silikonolja är däremot en högst skiftande produkt. Den kan fås i alla vis­

kositeter från extremt lättflytande till närmast gelform. Speciella siliko­

noljor tillverkas för olika ändamål, tex högvacuumpumpar. Endast i undan­

tagsfall har man i samband med rapportering av erfarenheter av sondering med silikonolja angivit vilken typ av olja som använts vilket försvårar en bedömning av användbarheten. Silikonolja blandar sig inte med vatten utan används bland annat som vattenavvisande impregnering.

I dessa undersökningar har använts avjoniserat vatten, ren glycering och en silikonolja med beteckningen DC200 och en viskositet i samma storlek som vattens. Denna silikonolja har valts eftersom den vid förfrågan visat sig vara den som i störst utsträckning använts vid sondering i Sverige.

Filter av olika material och porstorlek används runt om i världen. Porstor­

lekarna är i stort sett mellan 2 och 120 µm med tonvikt på de finporigare filtren. Filtermaterialen är i huvudsak sintrad metall, plast eller kera­

miska material. Materialet har betydelse för förslitningen vid sonderingen och för egendeformationer vid belastning. Ingen av dessa effekter kan enkelt studeras i kalibreringskammare. I den aktuella undersökningen har sondtillverkarens standardfilter av sintrad brons med porstorleken 50 µm och höjden 5 mm använts. Alla försök i undersökningen har dubblerats.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 TID, sekunder

a)

- - - - Referenstryckgivare Portrycksgivare sond spets

~100

0 0...

.:::{_

I, :::,::

u /J

>-

0:::

f- h

I, /J /i A

I,

o---

0 0,1 0,2

TID, sekunder b)

Fig. 10. Exempel på resr;ons vid vätskemättnad.

a. vatten b. Silikonolja

Försöksserien inleddes med att filter och spetsar monterades vätskemättade enligt normala relativt enkla förfaranden. Vid användande av vatten kokades filter och vatten i cirka 15 minuter varefter vätska och filter fick svalna i en tättslutande behållare. Vid användande av silikonolja och glycerin av­

luftades filter och vätska i en excikator under cirka 3 timmar med en hög­

vacuumpump. Filtren och vätskorna förvarades i tättslutande plastburkar i 4 dygn.

Vid montering vändes först sonden upp och ned så att hålrummet kunde mättas. En rund gummikula (0 ~35 mm) trycktes sedan mot ingången till det mättade hålrummet varpå sonden vändes och nederdelen sänktes ned i en mindre behållare (~0,5 1) med avluftad vätska. I denna befann sig också filtret, sondspetsen och tätningsbrickan. De senare hade kontrollerats så att inga synliga luftbubblor fanns kvar på ytan eller i hålrum. Delarna monterades sedan under vätskeytan varpå sonden överfördes till kalibre­

ringskammaren som fylldes med vatten. Därpå kalibrerades de dynamiska por­

tryckssvaren i sonden som nu var fri från elektronisk fördröjning. Respon­

sen var i samtliga fall omedelbar och total (99-100%) även för korta tryck­

stötar. De korta tryckstötarna innebar typiskt att trycket ökade från 0-100 kPa och återgick till 0 i en sinuskurva inom 150 µs.

Därpå inleddes en serie försök med luftbubblor i hålrummet. Med vatten i filtret blev effekten av dessa bubblor mycket liten. Även vid ett helt tomt hålrum i spetsen blev fördröjningen endast 5 µs och svaret vid korta tryck­

stötar hela 98%. Motsvarande siffror när dessutom filtret var helt torrt blev 7-8 µs och 96%.

Försök utfördes också med luft i hela hålrummet och glycerin respektive silikon i filtret. Fördröjningen ökade som väntat för det trögflytande gly­

cerinet till 25 µs i första tryckstöten men svaret blev hela 97%. Fördröj­

ningen avtog snabbt då glycerinet blandades med vattnet i kammaren och redan vid den andra tryckstöten hade fördröjningen minskat till 10 µs och svaret blev då 99%. Den stora överraskningen kom vid försöken med silikon­

olja där fördröjningen blev hela 30-40 µs och svaret endast 87-94%. Detta kan inte förklaras med vätskans viskositet.

Av resultaten så långt framgick klart att det är praktiskt omöjligt att bedöma vätskemättnadsgrad genom att mäta portrycksvar i den monterade spetsen i relation till tryckförändringar i omgivande vatten. Även full­

ständigt omättade filter och spetsar gav svar långt inom föreslagna krite­

rier och också inom vad som oftast är möjligt att mäta i fält där man prak­

tiskt taget aldrig har tillgång till mätutrustningar av typ minnesoscillo­

skop. Även om det använda filtret var relativt grovt kan inte ens med de finaste filtren mättnadsgrader i storleken 98-100% särskiljas på detta vis.

Detta resultat förringar inte på något sätt vattenmättnadens betydelse utan visar endast att förhållandena vid verklig sondering i jord inte kan simu­

leras så enkelt. Teoretiskt skulle de kunna simuleras genom att sonden in­

stallerades i ett större lerprov omslutet av ett gummimembran inne i en stor triaxialcell där trycket mot gummimembranet kunde varieras. Detta

~100 _/ / I I I

0.. 0 I

-" I

"'

u I I

>­

Cl'. I

f- I

I I I I I I I I

o.___ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ ^I a)

0 0,1 0,2

TID, sekunder

-100 ,,,,--,

I ~

I ~

I I

I I I

~

~

~

~

"

'

' ' _{' '}

''-_'- '-' _{' -...}

0 c---,---=-- b)

6 ^{0,1 0,2}

TID.sekunder

-100 ,,---

I ' ,

I

d'. I I

-" I

I '

' _'

'

' ' ' _'

"'

u I

>- I _'-

Cl'.

I ^I ' _{' , _}

f-

I '

0

---

Fig. 11. Exempel på resp:ms c) vid luft i spetsen.

0 0,1 0:2 0:3 0,4

TID, sekunder

OBS! Olika skalor.

~100

/ - - Referenstryckgivare

/ /

Port rycksg ivore 1

I ^I sondspets

I

I

0 I

0.. -" I

"' I

u I a. Torrt fil ter

>­

f- I

Cl'.

I b. vatten i filter

I

I C. Silikonolja i

I

I filter

I d. glycerin i filter

0

0 0.05 0,1 d)

skulle i sig självt utgöra ett större forskningsprojekt som skulle kräva stora resurser och kostnader och är inte någon praktiskt användbar metod.

Vid sondering inträffar ofta att stora negativa tryck uppstår då torrskor­

pan och fastare lager passeras eller större partiklar som snäckskal pressas åt sidan. Detta kan förorsaka att vätskan i filter och hålrum kokar och att gasbubblor utvidgas varvid vätska och gas strömmar ut och in genom filtret allteftersom trycket växlar. Sker detta i finkornig jord kan dessutom finare partiklar sugas in i filtret och sätta igen detta. För att illustre­

ra detta har några försökserier utförts under olika betingelser.

I den första serien monterades sonden på tidigare beskrivet sätt med vatten, glycerin och silikonolja som vätskor. Dessutom monterades en helt torr spets med torrt filter. Kammaren med sonden vattenfylldes sedan och utsattes för ett hundratal cykler med vacuum. Vid de påföljande försöken blev den dynamiska responsen direkt och total även för den från början torra spetsen. Detta är inte förvånande då det i praktiken var en beprövad metod att åstadkomma fullständig vattenmättnad som utfördes. Den enda av­

vikelsen från en ideal respons som kunde mätas var att sonden med silikon­

olja gav ett svar på 97% i de dynamiska tryckstötarna till skillnad från de övriga som gav 100%-iga svar.

För att simulera igensättning av filter utfördes försök med motsvarande sonder som först installerats i en annan kammare. Denna fylldes med omrörd gyttjig lera som visat sig ha stor tendens att sätta igen filter. Kammaren utsattes sedan för ett antal tryckväxlingar mellan vacuum och atmosfärs­

tryck. Svaret på portrycksmätaren studerades samtidigt så att tryckföränd­

ringarna verkligen fick påverka hela systemet innan nästa tryckändring på­

fördes. Denna procedur pågick under en halvtimme. Därefter togs sonden ut ur kammaren varpå spetsen skruvades av och hålrummet tömdes på vätska.

Detta skedde för att skapa en mätbar fördröjning på grund av vattenström­

ningen genom filtret. Därefter monterades sonden ihop och installerades i kalibreringskammaren som vattenfylldes. De dynamiska egenskaperna testades sedan på samma sätt som för motsvarande spetsar med rena filter varpå re­

sultaten jämfördes. Det visade sig då att för filter med vatten och luft hade responstiderna förlängts 4-5 gånger och svaret vid tryckstötar hade sjunkit från 96-98% till 86-89%. För filter med glycerin hade responstiden förlängts något från 25 till 30 µs och responsen sjunkit från 98 till 88%.

På samma sätt som tidigare förbättrades dessa värden snabbt med glycerinets utspädning och redan i nästa tryckstöt var responstiden nere på 15µs och svaret uppe i 96%. För silikonoljan mättes ingen direkt skillnad i respons­

tid som dock var kvar uppe på 30-40 sekunder men svaret hade sjunkit från 87-94% till 79-80% vilket är det lägsta som uppmätts i de olika försöken och serierna.

Till slut utfördes en serie försök där sonderna först monterades med filter och hålrum mättade på beskrivet sätt. De installerades sedan i kammaren som då var torr invändigt. De utsattes därefter för vacuum i kammaren under en tid av 1 minut varpå denna åter fylldes med luft. Först därefter vatten­

fylldes kammaren och de dynamiska egenskaperna testades. Svaren från filter

LITTERATUR

Azzouz, A. S. (1985) The Piezocone Penetrometer. MIT Special Summer Course 1.60S. Recent Developments in Measurement and Modeling of Clay Behaviour. Lecture 6. Constructed Facilities Division. Department of Civil Engineering. Massachusetts Institute of Technology. Cambridge. MA.

Jamiolkowski, M., Ladd, C. C., Germaine, J. T. and Lancelotta, R.

(1985) New Developments in Field and Laboratory Testing of Soils.

State of the Art Report. 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. San Francisco. Vol. 1.

Larsson, R. och Sällfors, G. (1987) Nyare In Situ metoder för bedömning av lagerföljd och egenskaper i jord. Information Nr. 5. Statens Geotekniska Institut. Linköping.

Lunne, T., Eidsmoen, T., Gillespie, D. and Howland, J. D. (1986) Laboratory and Field Evaluation of Cone Penetrometers. Use of In Situ Tests in Geotechnical Engineering. Proceedings of In Situ '86, a specialty conference, ASCE. Blacksburg 1986, pp. 714 - 729.

Robertson, P. K. and Campanella R. G. (1984) Guidelines for Use and Interpretation of the Electronic Cone Penetration Test. Soil Mechanic Series No 69. Department of Civil Engineering. University of British Columbia. Vancouver.

SGI bildades 1944 för att vara statens sakkunnigorgan i geotekniska frågor. Institutet hör till kommunikationsdepartementet eftersom verksamheten de första åren huvudsakligen berörde vägbyggnadsområdet.

Sedan dess har arbetsområdena utvecklats till att omfatta geoteknik i hela byggprocessen - från planering till underhåll och förnyelse. Idag gör SGI insatser som bl a rör bevarandet av den byggda miljön, skred­

frågor och omsorgen om miljön. Målet för institutet är att inom geoteknikområdet arbeta för rationellt byggande där kvalitet, säkerhet

och ekonomi beaktas.

Statens geotekniska institut

SGI