CPT-sondering och trycksondering, en jämförande studie om utvärdering av friktionsvinkel i friktionsjord

Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper 2017: 14

CPT-sondering och trycksondering, en jämförande studie om utvärdering av friktionsvinkel i friktionsjord

Adam Bolinder

INSTITUTIONEN FÖR GEOVETENSKAPER

Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper 2017: 14

CPT-sondering och trycksondering, en jämförande studie om utvärdering av friktionsvinkel i friktionsjord

Adam Bolinder

INSTITUTIONEN FÖR GEOVETENSKAPER

Copyright © Adam Bolinder

Publicerad av Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet (www.geo.uu.se), Uppsala, 2017

Abstract

CPT Probing and Pressure Probing, a Comparative Study of Friction Angle Evaluation in Friction Soil

Adam Bolinder

Knowledge of the soils friction angle is necessary to avoid landslides at slope stability surveys and dimensioning for foundation of different constructions. Frictional forces mainly builds up friction soil and the friction angle is defined by the angle when landslides occur. Friction angle can be evaluated using CPT or pressure probe. Both methods are performed similarly, with constant pressure and sink rate, but differ in time, cost, competence requirements and number of measurable parameters. The methods also differ when evaluating the friction angle. For CPT, the Conrad software is used while pressure probe is evaluated with empirical values, set against the peak pressure. This degree project compares the results from performed and evaluated CPT and pressure probes from several drill points in a project. The purpose of the study is to draw conclusions about the soils friction angle, whether the empirically evaluated values of the friction angle by pressure probing, can be correlated with the values of the friction angle through CPT, evaluated with the Conrad software. Both CPT and the evaluation with Conrad are more advanced methods and are therefore seen as the correct value for the soils friction angle. The result shows that pressure probe provides a good indication when evaluating the friction angle and can be used, with the knowledge that the friction angle is rarely evaluated higher than from CPT.

The methods differ the most towards the surface to almost correlate towards the depth.

Key words: Friction, friction angle, CPT, pressure probe, correlation

Independent Project in Earth Science, 1GV029, 15 credits, 2017 Supervisors: Lars Maersk Hansen and Hanna Lundhede

Department of Earth Sciences, Uppsala University, Villavägen 16, SE-752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)

The whole document is available at www.diva-portal.org

Sammanfattning

CPT-sondering och trycksondering, en jämförande studie om utvärdering av friktionsvinkel i friktionsjord

Adam Bolinder

Kunskap om jordens friktionsvinkel är nödvändig vid bland annat

släntstabilitetsutredning samt dimensionering för grundläggning av byggnader och anläggning. Friktionsjord byggs huvudsakligen upp av friktionskrafter och

friktionsvinkeln definieras av vinkeln då ras uppstår. Friktionsvinkeln kan bland annat utvärderas med hjälp av resultat från CPT eller trycksondering. Båda metoderna utförs på liknande sätt, med konstant tryck och sjunkningshastighet men skiljer sig i tidsåtgång, kostnad, kompetenskrav samt antal mätbara parametrar. Metoderna skiljer sig också vid utvärdering av friktionsvinkel. För CPT används programvaran Conrad medan trycksondering utvärderas med empiriskt framtagna värden, ställda mot spetstrycket. Detta examensarbete jämför resultaten från utförda och

utvärderade CPT resp. trycksonderingar från ett flertal borrpunkter i ett projekt. Syftet med studien är att dra slutsatser om jordens friktionsvinkel, huruvida de empiskt utvärderade värden för friktionsvinkeln genom trycksondering kan korreleras med värden för friktionsvinkeln genom CPT, utvärderande med programvaran Conrad.

Både CPT-sondering och utvärdering med Conrad är avancerade metoder och ses därför som det mer korrekta värdet för jordens friktionsvinkel. Resultatet visar att trycksondering ger en bra indikation vid utvärdering av friktionsvinkel och kan användas, med vetskapen att friktionsvinkeln sällan utvärderas högre än från CPT.

Skillnaden vid utvärdering är som störst nära markytan och minskar för att nära på korrelera mot djupet.

Nyckelord: Friktion, friktionsvinkel, CPT-sondering, trycksondering, korrelation

Självständigt arbete i geovetenskap, 1GV029, 15 hp, 2017 Handledare: Lars Maersk Hansen och Hanna Lundhede

Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet, Villavägen 16, 752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)

Hela publikationen finns tillgänglig på www.diva-portal.org

Innehållsförteckning

1. Introduktion 1

1.1 Inledning 1

1.2 Syfte och mål 1

1.3 Metod 2

1.4 Jordartsklassificering 2

1.4.1 Kornstorlek 2

1.4.2 Kornstorleksfördelning 2

1.5 Jordtyper 3

1.5.1 Organisk jord 3

1.5.2 Friktionsjord 3

1.5.3 Kohesionsjord 3

1.5.4 Mellanjord 3

1.6 Jordmekanik för friktionsjord 3

1.6.1 Strukturell uppbyggnad och friktion 3

1.6.2 Totalspänning, effektivspänning och skjuvspänning 5

1.6.3 Coulombs brottlag 5

1.7 Sonderingsmetoder 6

2. Cone penetration test 6

2.1 Bakgrund 6

2.2 Matematiska samband och definitioner 7

2.3 Sonderingsklasser 8

2.4 Utrustning 9

2.5 Kalibrering och kontroll inför CPT-sondering 12

2.6 Utförande av CPT-sondering 12

2.7 Kostnader, möjligheter och krav 15

2.8 Empiriska samband och utvärdering av friktionsvinkel 15

3. Mekanisk trycksondering 17

3.1 Bakgrund 17

3.2 Utrustning 17

3.3 Förberedelser och utförande 17

18

3.4 Empiriska samband 18

4. Resultat 19

5. Diskussion 25

Slutsats 27

Tackord 27

Referenser 27

Bilagor 29

1

1. Introduktion 1.1 Inledning

Innan byggnation i friktionsjord kan påbörjas, krävs undersökningar av jorden som ska stabilisera och bära last. Arbetet är nödvändigt då ras, skred, erosion och

sättningar bör undvikas så mycket som möjligt (Axelsson & Mattsson., 2016). För att klara detta krävs kompetens inom geoteknik. “Geoteknik innefattar kunskapen om jords och bergs tekniska egenskaper samt tekniken att bygga i jord och

berg”(Axelsson & Mattsson., 2016). Undersökningarna ska ge en inblick över jordart, jordlagerföljder, avstånd till berggrunden samt jords egenskaper till exempel

friktionsvinkel eller skjuvhållfasthet. Denna studie fokuserar på frikionsjord och dess friktionsvinkel. Undersökningarna är nödvändiga då marken är unik och naturligt materials egenskaper skiljer sig från plats till plats till skillnad från t.ex. betong eller stål som alltid har i stort sett samma egenskaper (Axelsson & Mattsson., 2016).

Det finns ett flertal olika metoder för att göra geotekniska undersökningar där sondering och provtagning tillhör de vanligaste. Sondering innefattar alltid en sondspets som drivs ned i marken genom tryck, slag eller rotation. I Sverige finns idag flera olika sonderingsmetoder som används för specifika ändamål. CPT (Cone penetration test) samt mekanisk trycksondering är två vanliga

undersöknings/sonderingsmetoder som används inom geotekniken (SGF:s

fältkommité 2013). CPT lämpar sig för att bedöma jordlagerföljd och fasthet samt för bedömning av jordens geotekniska egenskaper (Larsson, 2015). Mekanisk

trycksondering lämpar sig för att ge en indikation och en relativ bedömning över jordlagerföljden (SGF:s fältkommité, 2013). Båda metoderna utförs på liknande sätt, med konstant tryck och sjunkningshastighet men skiljer sig i tidsåtgång, kostnad, kompetenskrav samt antal mätbara parametrar. Metoderna skiljer sig också vid utvärdering av friktionsvinkel. För CPT används programvaran Conrad (Larsson 2015). Trycksondering utvärderas med empiriskt framtagna värden, ställda mot spetstrycket vid sonderingen (Bergdahl et.al., 1993).

Området där de geotekniska undersökningarna utförts och vars parametrar

används i denna studie, tillhör projekt Hallsberg-Stenkumla och är utspridda över ett större område kring Hallsbergs och Askersunds kommun. Undersökningspunkterna är utförda i skog och på åkermark. Sonderingen har utförts under marknivå och är oberoende av varandra.

1.2 Syfte och mål

Examensarbetet syftar till att jämföra resultaten från utförda och utvärderade CPT- respektive trycksonderingar, utförda korrelerande borrhål i friktionsjord. Målet är att dra slutsatser om jordens friktionsvinkel, huruvida de empiriskt framtagna värdena för friktionsvinkel från trycksondering kan korreleras med värden från CPT, utvärderade med programvaran conrad. Hur väl stämmer de empiriskt framtagna värdena och kan de användas på ett säkert sätt i verkliga projekt.

Målet blir också att dra slutsatser om när metoderna bör användas var för sig och när de bör korreleras, för att göra arbetet så tids- och kostnadseffektivt som möjligt.

2

1.3 Metod

Metodiken för examensarbetet är uppdelad i tre delar. Den första delen innefattar litteraturstudier över CPT respektive trycksondering samt friktionsjord och dess egenskaper. Andra delen innefattar fältarbete där syftet främst är att få en inblick hur metoderna appliceras i fält. Den tredje delen innefattar analysarbete av tidigare utförda och utvärderade CPT resp. trycksonderingar. Vid analysen kommer friktionsvinkeln jämföras. För CPT finns friktionsvinkeln redan utvärderad medan trycksonderingens värden endast finns som rådata. Trycksonderingens spetstryck måste därför utvärderas genom kraften per ytarea (sondspetsen) som krävs för att pressa ned sonden genom jorden. Dessa värden ska sedan utvärderas med empiriskt framtagna värden för friktionsvinkel ur (Bergdahl et.al., 1993).

1.4 Jordartsklassificering

Jordarter klassificeras och delas in i grupper utifrån en rad parametrar som ska förenkla och göra det lättare att bedöma dess egenskaper. Av alla parametrar är kornstorlek och kornstorleksfördelning de tekniskt viktigaste (Axelsson & Mattsson., 2016). Om kornstorleksgrupperna är närliggande benämns sedimenten som

sorterade. Består sedimenten av en blandning av kornstorlekar benämns dem som osorterade (Lundqvist 2006).

Andra viktiga parametrar är bildningssätt, organisk halt, tjälfarlighet och plasticitet.

Inom jordmekanik tillkommer fler parametrar såsom hållfasthetsegenskaper (Axelsson & Mattsson., 2016).

1.4.1 Kornstorlek

Inom geotekniken indelas jord i kornfraktionerna block, sten, grus, sand, silt och ler (se tabell 1). Vidare kan till exempel sand indelas i grovsand, mellansand och

finsand. Systemet är skapat med hänseende på jords tekniska egenskaper (Axelsson

& Mattsson., 2016).

Tabell 1. Fraktion, beteckning och fraktionsgränser enligt SGF samt SS EN 14688-1 (SGF:s fältkommité, 2013).

Fraktion Beteckning

SGF SS

Fraktionsgräns (mm) SGF SS

Block Bl Bo >600 >200

Sten St St 60-600 63-200

Grus Gr Gr 2-60 2-63

Sand Sa Sa 0,06-2 0,063-2

Silt Si Si 0,002-0,6 0,002-0,063

Ler Le Cl <0,002 <0,002

1.4.2 Kornstorleksfördelning

Normalt så innehåller naturlig mineraljord flera olika kornstorlekar. Naturligtvis finns undantag t.ex vissa moräner som innehåller alla kornstorlekar samt

sedimentationsskikt med engraderade jordar. För att fastställa

kornstorleksfördelningen för material större än 2 µm kan en siktanalys göras. För att

3

fastställa kornstorleksfördelningen för material mindre än 2 µm kan en sedimentationsanalys göras (Axelsson & Mattsson., 2016).

1.5 Jordtyper

Mängden organiskt material är en vikig parameter vid en geoteknisk analys. Jorden kallas för organisk om den innehåller mer än 20 % organiskt material (Statens geotekniska institut).

1.5.2 Friktionsjord

Begreppet friktionsjord innebär att partiklarna endast hålls samman via

friktionskrafter. Detta gäller främst för sand och fraktioner större än sand. Materialets friktionsvinkel definieras som den maximala vinkel materialet kan ha utan att ras uppstår (se tabell 2) (Statens geotekniska institut).

Tabell 2. Empiriskt framtagna värden för friktionsjords inre friktionsvinkel φk (Bergdahl et.al., 1993).

Lagrings- Jordart täthet

Silt Sand Grus Sand-morän Grus-morän Makadam Sprängsten Löst

lagrad Fast lagrad

26º 28º 30º 35º 38º 30º 40º

33º 35º 37º 42º 45º 38º 45º

1.5.3 Kohesionsjord

Kohesion berör främst lerjordar och innebär att materialet hålls samman, inte bara via friktion utan också genom molekylära attraktionskrafter som binder ihop materialet (Statens geotekniska institut).

1.5.4 Mellanjord

Mellanjord är en blandning av friktions och kohesionsjord varav silt räknas som huvudfraktionen (Statens geotekniska institut).

1.6 Jordmekanik för friktionsjord

1.6.1 Strukturell uppbyggnad och friktion

Friktionsjord innefattar främst fraktioner större än 0,063 mm. Beroende på ett antal faktorer kommer utseendet på kornen skilja sig vilket i sin tur påverkar friktionsvinkel och hållfasthet. Faktorer som påverkar detta är utgångsmaterial, bildningsätt och i ett senare skede erosion, transport samt sedimentation. I Sverige präglas kornens utseende till en stor grad av inlandsisen och dess effekter. Moränbildningar har ofta en kantig och oregelbunden struktur medan isälvsavlagringar ofta är rundande och regelbundna. Detta får konsekvenser för hållfastheten då ett kantigt och

4

oregelbundet material har en högre friktionsvinkel och högre hållfasthetsegenskaper (Axelsson & Mattsson., 2016).

En friktionsjord besitter främst friktionskrafter men saknar elektrisk laddning.

Friktionsjordar bärs upp av sin egen tyngd och genom direkt kornkontakt förs tyngden längre ner i jordmassan vilket också är den dominerande kraften. Det uppstår även en viss bindning i kontaktpunkten då två kroppar stöter ihop med varandra s.k. van der Waals-krafter (Axelsson & Mattsson., 2016).

Friktionskoefficenten μ och kontaktfriktionsvinkeln ∅_𝑢𝑢 erhålls genom friktionen mellan två kontaktytor och defineras med sambandet

𝜇𝜇 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡∅𝑢𝑢

Om friktionen är fullt utbildad överförs tangentialkraften (T) genom mineralkontaktspunkten

𝐹𝐹 = 𝑁𝑁 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡∅𝑢𝑢

För att kontakten mellan kornen ska hållas intakt ska tangentialkraften i en kontaktpunkt vara mindre eller lika med friktionskraften F (Axelsson & Mattsson., 2016).

𝑇𝑇 ≤ 𝐹𝐹

Överstiger tangentialkraften friktionshållfastheten kommer glidning uppstå mellan kornen vilket leder till omlagring av jordstrukturen.Friktionskoefficenten för ytorna på sand och grus ligger runt 0,5 vilket ger kontaktfriktionsvinkeln ∅𝑢𝑢 = 26°.

Kontaktfriktionsvinkeln samt låsningseffekter bygger upp den inre eller effektiva friktionsvinkeln ∅, vilken bestämmer bl.a. jordmassans rasvinkel och hållfasthet.

Låsningseffekten i jordmassan beror på dess kornstorlek, kornfördelning, kornform och portal (packningsgrad). Kornstorleken har dock ingen större inverkan på

låsningseffekten utan det är främst graderingen som påverkar portalet som i sin tur påverkar låsningseffekten. Finare korn kan låsa grövre korn i en välgraderad jord med ett mindre portal än en likformig jord med ett högre portal. Detta resulterar i att den inre friktionsvinkeln blir högre hos den välgraderade jorden (se tabell 3). Detta leder också till att den inre friktionsvinkeln är större än kontaktfriktionsvinkeln ∅ > ∅𝑢𝑢

(Axelsson och Mattsson., 2016).

För att en fast packad jord ska formändras, krävs större skjuvande krafter än för en löst packad jord på grund av att låsningseffekterna verkar mindre. sambandet mellan portal och inre friktionsvinkel i en fast packad jord kan ses som olinjärt medan

sambandet för en löst packad jord kan ses som linjärt (se Axelsson & Mattson 2016 sid 186). I en fast packad jord måste därför kornen dilatera det vill säga kornen lyfts över varandra. Denna dilatanseffekt gör att väl packad jord får en högre inre

friktionsvinkel än en löst packad jord (Axelsson & Mattsson 2016).

5

Tabell 3. Hur kornform, gradering och lagring påverkar den inre friktionsvinkeln (Axelsson &

Mattsson., 2016).

Kornform Gradering Lös lagring Fast lagring

Rundad Likformig 30º 37º

Rundad Välgraderad 34º 40º

Spetsig Likformig 35º 43º

Spetsig Välgraderad 39º 45º

1.6.2 Totalspänning, effektivspänning och skjuvspänning

Totalspänningen betecknas σ och definieras av jordmassans egentyngd,

porvattentrycket u samt eventuell påförd last. Totalpänningen kan användas för att räkna ut effektivspänningen σ´, genom spänningsekvationen σ´= σ-u. Om u=0 blir de två spänningarna likställda σ´= σ.

För varje spänningstillstånd finns tre vinkelräta spänningsriktningar s.k.

huvudspänningar. Huvudspänningarna betecknas σ^1, σ² och σ³där σ¹ motsvarar den största huvudspänningen och σ³ motsvarar den lägsta huvudspänningen.

Skjuvspänning betecknas 𝜏𝜏 och definieras av jordens förmåga att behålla sin struktur när den utsätts för skjuvkrafter (Axelsson & Mattsson., 2016).

1.6.3 Coulombs brottlag

Charles-Augustin de Coulomb var en fransk fysiker och ingenjör som under 1700- talet undersökte villkoren för att brott skulle inträffa i en grovkornig jord. År 1773 bevisade han experimentellt att det finns ett linjärt samband mellan effektivt normaltryck och skjuvspänning i brottzoner. Coulombs brottlag definieras genom

𝜏𝜏_𝑓𝑓 = 𝜎𝜎´_𝑎𝑎∗ 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡∅

6

1.7 Sonderingsmetoder

Sondering har använts inom

geotekniken sedan början av 1900- talet och syftar till att bedöma

jordlagerföljd, fasthet och utbredning i jorden. En del metoder erbjuder även en inblick över jordens geotekniska egenskaper (SGF:s fältkommité 2013).

Sondering innefattar alltid en sondspets som drivs ner i jorden med hjälp av sondstänger. Dessa kan sedan delas in i två huvudklasser beroende på om sonden drivs ned genom tryck, slag eller rotation. Om sonden i första hand drivs ned genom statisk belastning (tryck) benämns den statiskt. Om sonden i första hand drivs ned genom slag eller rotation benämns den dynamisk. Den största skillnaden mellan klasserna är att de dynamiska klasserna, oftast har en bättre

nedträngningsförmåga. De statiska klasserna har å andra sidan oftast bättre förutsättningar att bedöma fasthetsvariationer i lös jord. I denna uppsats jämförs CPT med

trycksondering som båda är av klassen statisk (SGF:s fältkommité,

2013). Figur 1 visar en av WSPs borrvagnar som används vid sondering.

2. Cone penetration test 2.1 Bakgrund

Cone penetration test eller CPT- sondering är en elektrisk

sonderingsmetod som använts inom geotekniken sedan runt år 1935. Från början utfördes mätningen mekanisk men

övergick till att göras helt elektrisk under 1950-talet (Larsson, 2015).

Vid CPT-sondering drivs en cylindrisk sond ned i marken med konstant tryck och hastighet varpå spetsmotstånd, mantelfriktion och i de flesta fall också portryck mäts. Metoden används i första

hand för att studera Figur 2. CPT-utrustning (Larsson, 2015).

Figur 1. Borrvagn och sonderingsutrustning (Bolinder, 2017)

7

jordlagerföljder, fasthet och utbredning men kan också ge en inblick över jordens geotekniska egenskaper. Metoden lämpar sig för både kohesion och friktionsjordar men då sonden endast drivs ned i marken genom tryck, lämpar sig CPT endast för jordarter upp till grusfraktionen. Vid fastare sandlager, grus och fraktioner större än

grus kommer sonderingsstopp att erhållas. Slag och rotation är inte tillåtet.

Sedan 1975 kan även portrycksmätningar göras med CPT och metoden kan därför delas in i två huvudgrupper, CPT (utan portrycksmätning) och CPTu (med

portrycksmätning). Huvudgrupperna kan sedan delas in i fem användningsklasser där man skiljer på antalet parametrar som mäts, mätnoggrannhet samt

avläsningsintervall (Larsson, 2015)

CPT är en avancerad metod både före, under och efter utförd sondering och ställer därför stora krav på utrustning, noggrannhet och handhavande. Det finns därför en internationell standard betecknad SS-EN ISO 22476-1. Denna standard antogs i Sverige 2012 och ska gälla globalt och för alla jordförhållanden. Det finns även en standard, utvecklad av SGF (svenska geotekniska föreningen) år 1993. Den används främst som ett komplement till den internationella standarden vid lösare jordar där noggrannhetskraven måste utökas (se 2.3). Efter utförd sondering skickas datan till ansvarig geotekniker för analys och utvärdering i ett lämpligt program till exempel Conrad. Conrad är utvecklat av statens geotekniska institut i samarbete med SGI;s information nummer 15 2007 (Larsson, 2015). Figur 2 visar CPT och utrustningen som tillkommer.

2.2 Matematiska samband och definitioner

Spetsmotstånd qt alternativt qc

Spetsmotståndet definieras som den totala kraften per ytenhet och mäts i enheten MPa eller KPa. Mätningen fås genom kvoten av sondspetsens totala spetskraft och spetsens tvärsnittsarea vilket normalt är 1000 mm². För CPT-sondering utan

portrycksmätning används beteckningen 𝑞𝑞𝑐𝑐 och avser det totala spetstrycket vid spetsen. Används beteckningen 𝑞𝑞𝑡𝑡 har korrektioner gjorts för olika felkällor som orsakas av obalanserade vattentryck (Larsson, 2015).

𝑞𝑞_𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑡𝑡𝑡𝑡𝑇𝑇 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡 𝑇𝑇𝑇𝑇ä𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑟𝑟𝑡𝑡𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡

𝑞𝑞𝑐𝑐 =𝑂𝑂𝑠𝑠𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑂𝑂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚ä𝑡𝑡𝑇𝑇ä𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑠𝑠å 𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡 𝑇𝑇𝑇𝑇ä𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑟𝑟𝑡𝑡𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡

Lokal mantelfriktion ft alternativt fs

Lokal mantelfriktion fås genom kvoten av den totala friktionskraften mot

friktionshylsan samt hylsans mantelyta vilken normalt uppgår till 15 000 mm². På grund av obalanserade vattentryck i friktionshylsans ändytor måste mätvärdena som erhålls korrigeras, för att få rättvisande värden (Larsson, 2015).

𝑠𝑠_𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑡𝑡𝑡𝑡𝑇𝑇 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠𝑡𝑡𝑟𝑟𝑇𝑇𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡 𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑠𝑠𝑇𝑇𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡

8

𝑠𝑠𝑠𝑠 =𝑂𝑂𝑠𝑠𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑂𝑂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑇𝑇ä𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑠𝑠å 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠𝑡𝑡𝑟𝑟𝑇𝑇𝑡𝑡𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠𝑡𝑡 𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑠𝑠𝑇𝑇𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡

Friktionskvot Rft

Friktionskvoten erhålls genom att dividera mantelfriktion och spetstryck på önskat djup/nivå (Larsson, 2015).

𝑅𝑅𝑓𝑓𝑡𝑡 = 𝑠𝑠𝑡𝑡

𝑞𝑞𝑡𝑡

2.3 Sonderingsklasser

I Sverige används normalt sonder med en kapacitet på 5 tons spetskraft. Det finns kraftigare sonder med kapacitet upp till 20 ton men de används främst utomlands.

Större kapacitet gör att sonderingen kan användas i fastare jordar men medför en minskad noggrannhet i mätningen. Vid mycket lösa jordar kan sonder med lägre kapacitet än 5 ton användas för ökad noggrannhet vid mätningen. Beroende på jordtyp slits sonden olika mycket varpå olika toleransnivåer framtagits. I finkornigt material finns strikta krav på utrustningen medan i grövre material, till exempel sand där sondspetsen kommer slitas betydligt mer finns en större tolerans för slitage. SGF har tagit fram en standard med tre indelningsklasser baserat på krav om noggrannhet där nummer 3 har de högsta kraven och nummer 1 de lägsta (se tabell 4) (SGF Rapport 1:93)

Tabell 4. Sonderingsklasser framtagna av SGF med hänseende på noggrannhet. Klass 1 har de lägsta kraven och klass 3 har de högsta kraven (SGF:s fältkommité. 2013).

9

Den internationella standarden benämns SS-EN ISO 22476-1. Här indelas istället klasserna för passande användningsområde (se tabell 5). Klasserna 0 och 1 lämpar sig bäst för mycket lösa till lösa jordar. Klasserna 2 och 3 lämpar sig bäst för lös till fast lagrad jord. Klass 4 lämpar sig bäst för fasta till mycket fasta jordar och är också den enda av klasserna där varken portrycksmätning, lutningsmätning eller

jordartsparametrar kan utvärderas (Larsson, 2015).

Tabell 5. Internationell standard för sonderingsklass. Här indelas klasserna utifrån passande användningsområde (SGF:s fältkommité, 2013).

2.4 Utrustning

Sonden

De yttre delarna på sonden består av friktionshylsa, förlängningsdel, filter samt en konisk spets. Helst ska den sammanlagda längden av friktionsylsan och

förlängningsdelen vara 1000 mm. Diametern bör vara konstant för denna längd (Larsson, 2015).

Spetsen

Sondens spets utgörs av två delar, en konisk del och en cylindrisk förlängning.

Konens spetsvinkel ska vara 60 º, den cylindriska delen (minus förslitningstolerans och inklusive filter) ska vara 10 mm samt att spetsens tvärsnittsarea vid den

cylindriska förlängningen ska vara 1000 mm² (se figur 3). Ju finkornigare jord, desto större krav ställs på dessa delar av utrustningen. Spetsen ska alltid vara symmetrisk men en viss rundning är ofrånkomlig och därmed tillåten (Larsson, 2015).

10

Figur 3. Spets utan portrycksmätning samt spets med portrycksmätning, antingen med poröst eller spaltfilter (Larsson, 2015).

Filter

Filtret ska ha en diameter som helst är lika med spetsens. Något större är tillåtet men inte mindre. Detta krav ska uppfyllas även efter sonderingen samt att filtret bör bytas för varje ny sondering. Filtret har normalt en höjd på 5 mm och ska ha en god

nötningsbenägenhet, vara finkornigt och inkompressibelt. Det finns olika typer av filter varav det vanligaste och också det normalt sett rekommenderade är ett rostfritt stål eller bronsfilter med en porstorlek på 2-20 µm. Andra filter som kan användas är keramiska filter och filter av porös plast (Larsson, 2015)

Friktionshylsan

Friktionshylsan sitter ovanför spetsen och filtret. Den ska ha en mantelyta på 15 000 mm². Detta ger en längd på 133,7 mm (SGF Rapport, 1:93).

Spaltar och tätningar

Den maximala höjden för spalter mellan sondens delar är 5 mm. Tätningarna som ofta består av o-ringar ska skydda utrustningen från jordpartiklar som kan tränga in och skada utrustningen. För att inte medföra mätfel måste tätningarna vara helt kompressibla (SGF Rapport, 1:93).

11

Figur 4. CPTu-sondens konstruktion samt principen för mätning (Larsson, 2015).

Mätutrustning

Vid mätning av spetstryck används en mätkropp med trådtöjningsgivare som överför spetstrycket till sondens övre delar (se figur 4). Vid mätning av mantelfriktion

används också en mätkropp med trådtöjningsgivare som överför kraften från friktionshylsan. Vid mätning av portryck används tryckgivare. Numera finns tryckgivare som standarder på marknaden. Dessa ska ha en minimal

egendeformation samt att de ska hålla högsta kvalitet för bästa mätresultat då tryckmätningar är känsliga.

Under sonderingen sker datainsamlingen elektriskt på ett av tre olika sätt (Larsson, 2015).

12

• En kabel överför signalerna från givarna till mätinstrumentet vid markytan.

• Signalerna överförs elektroniskt (utan kabel) till mätinstrumentet vid markytan via sondstänger.

• Signalerna lagras på ett minne i sonden som sedan töms efter sonderingen.

2.5 Kalibrering och kontroll inför CPT-sondering

Innan sonderingen kan påbörjas ska alla nödvändiga kalibreringar vara gjorda samt att utrustningen ska kontrolleras. Elektroniken kontrolleras i samband med

kalibreringen. Kontrollen av utrustningen följer ett kontrollschema och alla delar som inte uppnår kraven ska bytas ut (SGF Rapport, 1:93).

• Inför varje sondering ska sondstängernas rakhet kontrolleras och då främst de fem nedersta stängerna.

• Inför varje sondering ska slitage och ytråhet på spetsen och friktionshylsan kontrolleras. Diameterkraven för filter, spets och friktionshylsa ska också kontrolleras inför varje ny sondering.

• Inför varje ny sondering ska eventuellt slitage på tätningar kontrolleras. De högre sonderingsklasserna har nolltolerans mot förslitningsskador på tätningarna.

• Kalibreringskontroller utförs genom att kalibrera givarna för portryck, spetstryck och mantelfriktion mot en tryckgivare resp. kraftgivare. Denna kalibrering visar om sonden uppfyller kraven för sonderingsklasserna.

• Funktionskontroll utförs genom att kontrollera elektronik och givare.

• Kalibreringskontroll för mätsystemet utförs normalt var sjätte månad.

Kalibreringskontroll måste dock utföras om nollpunktsavläsningar och funktionskontroller visar förändringar.

• Varje ny sondering ska utföras minst 2 meter från en tidigare utförd sondering.

Detta på grund av risken för felaktiga resultat då omkringliggande jord blivit störd.

• Inför varje uppsättning ska vertikaliteten hos nedpressningsutrustningen kontrolleras. Nedpressningshastigheten som normalt är 20 mm/s kontrolleras också.

• Filtret ska kontrolleras på nytt efter att sonden vätskemättats och alla delar är monterade. Höjden på filtret kontrolleras så det inte glappar samt att det ska vara roterbart med fingertopparna. Därefter vätskemättas filtren med antingen glycerin eller vatten. Vid valet av glycerin misstänkts en jord där negativa portryck kan förekomma. Dessa kan vara överkonsoliderad lera i

ickevattenmättad jord, fast lagrad sand eller silt samt om förborrning genom torrskorpan utförts. I resterande fall används vatten.

• Används glycerin ska filtren läggas torra i vätskan och behandlas under ett par timmar tid i högvakuum.

• Används vatten ska filtren kokas i 15 min. Därefter får både vattnet och filtret avsvalna i fyllda lufttäta behållare.

2.6 Utförande av CPT-sondering

Metoden grundar sig i att en cylindrisk sond med tvärsnittsarean 1000 mm² och spetsvinkeln 60º drivs ned i marken genom konstant tryck och hastighet på 20 mm/s.

13 Under neddrivningen mäts motståndet i jorden samt porvattentrycket mot

sondspetsen. Ovanför sondspetsen, på den cylindriska ytan mäts mantelfriktionen.

Mätningarna samlas in elektroniskt och registreras kontinuerligt med en sådan frekvens att ett tätt intervall erhålls (se figur 6,7) (Larsson, 2015).

Innan sonderingen påbörjas kan eventuell förborrning utföras. Utrustningen riktas sedan in vertikalt och förankras vid behov. Därefter kontrolleras neddrivningshastighet,

lastbegränsningar samt att mätsystem slås på för uppvärmning. Notera att mätsystemen är anpassade för respektive tillverkare, varpå information om startrutiner kan skilja sig beroende på vilket program som används.

Både vid förvaring och montering av sond ska stora temperaturskillnader undvikas.

Detsamma gäller för filter och andra vätskor (Larsson, 2015).

Vid montering av filter används antingen glycerin eller vatten. En alternativ metod för ersätta filtret är en spalt (se figur 5). Vid avläsning av nollvärden ska sondens

temperatur helst överensstämma med jordens temperatur men en differens på plusminus 5 ºC är tillåten (Larsson, 2015).

Sonderingen utförs sedan med en konstant hastighet (20 mm/s) varpå nya sondstänger monteras på vid behov. Stoppen ska göras så korta som möjligt. Slag eller rotation får ej förekomma och neddrivningen ska ske helt vertikalt. Enligt toleranskraven får avvikelsen vara maximalt 2 % från lodlinjen. Under neddrivningen avläses kurvorna för lutning, mantelfriktion, spetstryck och portryck frekvent för att säkerhetsställa att

utrustningen är operativ. Vid sonderingsstopp kontrolleras sonderingslängden och sonden tas sedan upp till markytan varpå nya nollvärden avläses omgående innan

temperaturen påverkas. Efter varje sondering ska sonden rengöras och kontrolleras för eventuella skador och förslitningar. Planeras fler sonderingar ska filtret bytas ut och hela förprocessen göras om (Larsson, 2015).

Figur 5. Hur glycerin, vatten och spalt används vid montering av filter (Larsson, 2015).

14

Figur 6. Inmatad data i Conrad från utförd CPT-sondering. Från vänster visas spetstryck, friktion, portryck, friktionskvot, portrycksparameter samt lutning. Samtliga parametrar ställs mot djupet (m) (trafikverket).

15

2.7 Kostnader, möjligheter och krav

Det finns många fördelar och möjligheter vid användning av CPT. Den största fördelen är en stor noggrannhet som blir möjlig tack vare täta mätintervall och att mätningarna sker elektriskt mot sondspetsen. Portrycksmätningar gör det möjligt att med större säkerhet kunna bestämma jordlagerföljder samt geotekniska egenskaper.

Eftersom resultaten förväntas vara väldigt noggranna ställer det också stora krav på utrustning och utförande. Det är viktigt att utrustningen underhålls och kontrolleras, både före och efter användning samt att kalibrering utförs före användning. Detta medför även större kostnader, både för användning och för underhåll (Larsson, 2015). Enligt Hellman är meterkostnaden för CPT-sondering ungefär dubbelt så dyr som för trycksondering (Hellman et,al., 1979).

2.8 Empiriska samband och utvärdering av friktionsvinkel

Friktionsjord

Enligt Larsson finns det en stor empiriskt erfarenhet vid CPT-sondering och att resultaten kan användas direkt för beräkning av sättning och jordens bärighet. Andra geotekniska parametrar som kan utvärderas empiriskt är sands friktionsvinkel.

Utvärderingen kan göras med en relativt god noggrannhet men kan förbättras ytterligare med parallella dilatometerförsök (Larsson, 2015).

Figur 7. Data från CPT-sondering, utvärderad med Conrad. Datan som används i resultatet sträcker sig från 4,9 m till 8,7 m då materialet består av sand och friktionsvinkeln ϕ finns utvärderad (trafikverket).

16 Mellanjord

Beroende på om jorden uppskattas som dränerad eller odränerad vid sonderingen behandlas den antingen som en friktions eller kohesionsjord (Larsson, 2015).

Jordlagerföljd

Jordens fasthet och variation mäts genom storleken på spetstrycket. För att få en uppfattning om kornstorleksfördelningen kan spetstryckskurvans regelbundenhet användas. Denna metod lämpas sig bäst för finkorniga jordar då jordar större än grusfraktionen ger oregelbundna och svårtolkade kurvor. Andra problem i samband med spetstrycket är fastheten i mycket skiktad jord samt ovan och underliggande jords egenskaper, på ett avstånd av 5-20 spetsdiametrar.

Under sonderingen påverkas jorden av överkonsolideringsgrad och jordtyp. Detta ger upphov till horisontaltryck som används för att mäta mantelfriktion. Relationen mellan spetstryck och mantelfriktion (𝑅𝑅𝑓𝑓𝑡𝑡 =_𝑞𝑞^𝑓𝑓

𝑡𝑡) används för att uppskatta övergången mellan olika jordtyper (Larsson, 2015).

Utvärdering av friktionsvinkel med Conrad

För CPT-sondering utvärderas friktionsvinkeln i friktionsjord genom förhållandet mellan spetstrycket och det effektiva vertikaltrycket (se figur 8). Friktionsvinkeln är inte konstant utan varierar beroende på spännngen i jorden och kornform, kornfördelning, packningsgrad och porositet (Larsson, 2015).

Figur 8.

Utvärdering av friktionsvinkel från CPT- sondering (Larsson, 2015).

17

3. Mekanisk trycksondering 3.1 Bakgrund

Mekanisk trycksondering utförs genom att sonden genom konstant tryck pressas ned i jorden med en konstant hastighet (20-50 mm/s) varpå motståndet från jorden mäts via spetsmotstånd och mantelfriktion. Metodens syfte är ej att säkerhetsställa utan att ge en relativ uppfattning av jordlagerföljden och jordens fasthet. För trycksondering finns inget utvärderingsprogram utan analys och utvärdering utförs direkt från rådatan (SGF:s fältkommité, 2013).

3.2 Utrustning

Utrustningen består av borrrigg, vridmotor, borrstål och spets. Kapaciteten för vridmotorn ska vara 15-200 varv/min och utan utvändiga muffar ska stångens diameter vara 25 eller 32 mm. Sondspetsen som också används för viktsondering ska bestå av vridet fyrkantsstål (se figur 9). För stångdiameter 25 mm ska spetsens maximala diameter vara 35 mm samt för stångdiameter 32 mm ska spetsens

maximala diameter vara 45 mm (svenska geotekniska föreningen). I denna studie har stångdiameter 25 mm använts (SGF:s fältkommité, 2013).

3.3 Förberedelser och utförande

Borriggen placeras vid borrpunkten varpå eventuell förankring sker för ytterligare stabilitet. Sonden riktas därefter in så vertikalt som möjligt. Avvikelse från lodlinjen får maximalt vara 20 mm/m under sonderingen(SGF:s fältkommité, 2013).

Sonderingen utförs sedan i intervallet 20-50 mm/s (SGF:s fältkommité, 2013).

Nedtryckningskraften bör minst vara två ton för att metoden ska vara praktiskt användbar i friktionsjord (Hellman et.al 1979).

Sjunkningshastigheten ska vara konstant och för att minska risken för avvikelse i sidled ska stängerna roteras minst 2/3 varv vid skarvning. Vid skarvning kan

stängerna också dras uppåt ca. 0,5 m och därav ge en bild av mantelfriktionen genom uppdragningskraften. Vid sonderingsstopp kan rotation i intervallet 30-60 varv/min appliceras. Vid ytterligare sonderingsstopp kan sonderingen avslutas med slag (SGF:s fältkommité, 2013).

Kraven för trycksondering är samma som för sonderingsklass CPT1, med

undantag för mantelfriktion. Den totala tryckkraften (kN) ska registreras kontinuerligt mot djupet (se figur 10) och uppdragningskraften (vid mätning av mantelfriktion) redovisas som tryckkraft (SGF:s fältkommité, 2013).

Figur 9. Sondspets för trycksondering (Bolinder, 2017).

18

3.4 Empiriska samband

För trycksondering finns framtagna empiriska samband för utvärdering av

friktionvinkel för naturligt lagrad friktionsjord (se tabell 6). För siltig jord ska avdrag göras med 3º. Dessa samband korrelerar med spetstrycket vid sonderingen och används för att göra bedömningar av jordens hållfasthet (se tabell 5) (Bergdahl et.al.,1993). Tabellen är framtagen genom samband mellan sonderingsmotstånd, inre friktionsvinkel och elasticitetsmodul samt jämförelser mellan sonderingsresultat, utförda med olika metoder (Bergdahl et.al., 1993). För bästa resultat bör

hållfasthetsparametrarna bestämmas utifrån fält och laboratorieförsök och empirin nedan bör användas som ledning (Axelsson & Mattsson., 2016). Nedanstående empiri ställs mot utvärderade värden för friktionsvinkel med CPT, utvärderade med Conrad. Då CPT och utvärderingen med Conrad, i teorin är bättre lämpat för en korrekt bedömning av jordens friktionvinkel framhävs dem också som de mest korrekta.

Figur 10. Rådata från utförd trycksondering där spetstrycket ställs mot djupet (trafikverket).

19

Tabell 6. Empiriska värden på friktionsvinkel och E-modul, framtagna genom sonderingsresultat för naturligt lagrad friktionsjord (Bergdahl et.al. 1993).

Relativ fasthet Trycksond (Trs) spetsmotsånd qck

Mpa

Friktionsvinkel φ^k E-modul Ek Mpa

Mycket låg 0-2,5 29-32 <10

Låg 2,5-5 32-35 10-20

Medelhög 5,0-10,0 35-37 20-30

Hög 10,0-20,0 37-40 30-60

Mycket hög >20,0 40-42 60-90

4. Resultat

Samtliga borrpunkter i resultatet är utförda enligt EN ISO 22476-1 och utvärderade enligt SGI information nr 15 rev.2007. I samtliga undersökningar har CPT respektive trycksondering använts och i samtliga borrpunkter har en friktionsvinkel kunnat utvärderats med Conrad. Det som skiljer borrpunkterna åt, förutom den geografiska postionen är sonderingsdjupet samt sandskiktens läge mot djupet. I vissa delar av området finns sandskikt efter någon meter och i andra efter 10 m. Skiktens tjocklek varierar också från någon meter upp till cirka 10 m.

16 borrpunkter är utförda och i varje borrpunkt har CPT respektive trycksondering utförts. Från dessa har sonderingsresultat erhållits. Värdena för CPT har lagts in direkt från den utvärderade datan. Rådatan från trycksondering har räknats om för att enheterna ska likställas (se tabell 7). Alla värden har sedan sammanställts till ett medelvärde beräknat från varje meter i borrpunkterna. I resultatet redovisas två av graferna för friktionsvinkel och spetstryck. Resterande data redovisas i bilagor.

20

Tabell 7. Hur friktionsvinkeln för trycksondering utvärderas manuellt. Värdet erhålls genom kvoten av det totala trycket och arean för spetsdiametern. Det erhållna värdet ställs mot det utvärderade värdet för CPT som båda ställs mot djupet (i detta fall sträcker sig djupet från 5- 9 m).

Tryck N (Tr)

Area m² för spetsdiameter (Tr)

Omräknat värde för spetstryck

(Tr) Friktionsvinkel (CPT) Djup Friktionsvinkel (Tr)

4800 0,00096 5000000 36,4 5 35

3800 0,00096 3958333 36,4 5,2 34

3000 0,00096 3125000 36,7 5,4 33

2900 0,00096 3020833 36,5 5,6 33

2500 0,00096 2604167 36,1 5,8 32

2400 0,00096 2500000 36,6 6 32

1700 0,00096 1770833 36,5 6,2 31

2400 0,00096 2500000 36,2 6,4 32

2400 0,00096 2500000 35,5 6,6 32

4000 0,00096 4166667 36,4 6,8 34

1000 0,00096 1041667 36,4 7 30

2000 0,00096 2083333 36,6 7,2 31

3600 0,00096 3750000 36,5 7,4 34

3600 0,00096 3750000 36,4 7,6 34

3700 0,00096 3854167 35 7,8 34

2800 0,00096 2916667 34 8 33

2000 0,00096 2083333 34 8,2 31

4000 0,00096 4166667 34,6 8,4 34

5000 0,00096 5208333 34,9 8,6 35

2500 0,00096 2604167 35,2 8,8 32

2000 0,00096 2083333 35,1 9 31

21

5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10

28 33 38

Djup (m)

Friktionsvinkel

16W15501

Friktionsvink el (CPT) Friktionsvink el (Tr)

Figur 11. Utvärderad friktionsvinkel från en av de 16 borrpunkterna, ställd mot djupet (m). Den blå linjen visar friktionsvinkel för CPT-sondering och den bruna linjen visar friktionsvinkeln för trycksondering.

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5

0 5000 10000

Djup (m)

Spetstryck (Kpa)

16W15501

Spetstryck (CPT) Spetstryck (Tryck)

Figur 12. Utvärderat spetstryck från en av de 16 borrpunkterna, ställd mot djupet. Den blå linjen visar spetstryck för CPT-sondering och den bruna linjen visar spetstryck för

trycksondering. (Notera att utvärderingen för friktionsvinkeln med CPT inte enbart beror på spetstrycket, se 2.9.5)

22

11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16

0 5000 10000

Djup (m)

Spetstryck (Kpa)

16W15704

Spetstryck (CPT) Spetstryck (Tr) 11

11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16

28 33 38

Djup (m)

Friktionsvinkel

16W15704

Friktionsvinkel (CPT) Friktionsvinkel (Tr)

Figur 13. Utvärderad friktionsvinkel från en av de 16 borrpunkterna, ställd mot djupet (m). Den blå linjen visar friktionsvinkel för CPT-sondering och den bruna linjen visar friktionsvinkeln för trycksondering.

Figur 14. Utvärderat spetstryck från en av de 16 borrpunkterna, ställd mot djupet. Den blå linjen visar spetstryck för CPT-sondering och den bruna linjen visar spetstryck för trycksondering. (Notera att utvärderingen för friktionsvinkeln med CPT inte enbart beror på spetstrycket, se 2.9.5)

23

Tabell 8. Hur medelvärdet för friktionsvinkeln förändras mot djupet.

Djup Medelvärde (CPT)

Medelvärde (Tr) 1 39,36875 34,75

2 36,64074 32,48148

3 35,96667 33,2

4 36,17667 33,16667 5 35,60652 33,32609 6 35,53269 33,23077 7 35,19744 33,63415

8 34,85556 34

9 35,72222 34,16667

10 35,23 34,8

11 35,2 34,88889

12 34,575 34,25

13 34,955 34,65

14 34,815 35

15 34,16429 34,78571

Tabell 3. Resultatet visar att medelvärdet för friktionsvinkel skiljer sig mellan de två metoderna. I genomsnitt så utvärderas friktionsvinkeln för CPT 1,65 º högre än för trycksondering. Antalet mätningar skiljer sig mellan metoderna. Detta beror på att två av mätningarna inte kunde utvärderas med Conrad.

Total

friktionsvinkel

Totala antalet mätningar

Medelvärde för friktionsvinkel

CPT-sondering 14662,4 413 35,5

Trycksondering 14051 415 33,85

24

1

3

5

7

9

11

13

15

17

28 30 32 34 36 38 40

Djup (m)

Friktionsvinkel

Medelvärdet av friktionsvinkel från sonderingsresultaten

Medelvärde (CPT) Medelvärde (Tr)

Figur 15. Resultatet av studien som visar friktionsvinkels medelvärde, ställd mot djupet. Den blå grafen representerar CPT och den bruna grafen representerar trycksondering.

25

5. Diskussion

Del 1: Felkällor

Den första delen av diskussionen kommer behandla faktiska och hypotetiska felkällor och listas nedan.

• Sonderingsresultaten som används i studien är utförda under 2015/2016.

Eftersom CPT är en avancerad metod kräver den ett stort ansvar och kompetens från fältgeotekniker och utvärderande geotekniker. På grund av detta hade det varit bra att vara med på plats då sonderingen utfördes samt att ha en delaktighet i utvärderingen.

• Eftersom utrustningen till CPT är mycket känslig och kräver ständigt underhåll kan det vara en potentiell felkälla. I uppsatsen framgår det tydligt hur

utrustningen ska hanteras och hur små fel kan ge stora skillnader i resultat.

Detta betyder inte att sonderingsresultaten är fel då fältgeoteknikerna utbildas för att använda CPT. Det hade dock inte skadat resultatet om monteringen och statusen på utrustningen kontrollerats både före och efter utförd

sondering.

• En del mätningar har visat en större spridning bland dess mätvärden. Detta kan bero på många olika faktorer som till exempel skiktgränser, portryck och lagringstäthet. Andra faktorer kan vara större gruskorn och sten.

• Resultatet ger endast en översiktlig bild över hur värdena för friktionsvinkel korrelerar med varandra mellan sonderingsmetoderna. För ett bättre resultat skulle dels fler sonderingsresultat analyserats. Proverna skulle också behöva testas triaxialt då värdena från Conrad har antagits vara korrekta. Proverna skulle även behöva genomgå siktanalyser för en mer korrekt

jordartsklassifikation. De ovan nämnda exemplen är mer lämpade för ett större forskningsprojekt.

Del 2: Diskussion kring resultat

Resultatet i studien visar ett mönster vid utvärdering av friktionsvinkel. I genomsnitt för de cirka 415 mätpunkterna, utvärderas friktionsvinkeln från trycksondering 1,65 grader lägre än utvärderingen för CPT-sondering. Hur mycket som skiljer mellan varje mätpunkt och djup varierar men i de flesta fallen, utvärderas trycksonderingens friktionsvinkel lägre än CPT-sonderingens.

Figur 15 visar medelvärdets fördelning grafiskt. Figuren visar att friktionsvinkeln från trycksondering utvärderas lägre än utvärderingen från CPT. Skillnaden är som störst nära markytan och minskar mot djupet. En anledning till att skillnaden minskar mot djupet kan vara effektivspänningen i jorden. Spänningen ökar mot djupet vilket utvärderingen för CPT tar hänsyn till. Utvärderingen för trycksondering tar inte hänsyn till ökade spänningar i jorden vilket kan förklara att friktionsvinkeln ökar mot djupet.

Tabell 7 visar medelvärdet för friktionsvinkel, ställd mot djupet. Första metern skiljer sig från resterande punkter och visar en högre friktionsvinkel. Detta kan bero på eventuell fyllning eller torrskorpelera. Resterande punkter håller sig inom

intervallet 32-36º vilket enligt tabell 2 innebär en fast lagrad sand eller silt. Enligt

26

tabell 3 rör det sig om en rundad och välgraderad eller spetsig och likformig, löst lagrad sand. Hur som helst så håller sig värdena inom ett intervall som för båda metoderna förändras ytterst lite för varje meter.

Denna studie behandlar, huruvida trycksondering kan korreleras eller ersätta CPT i vissa projekt vid bedömning av friktionsvinkel. En stor del av arbetet vid

dimensionering är säkerhetsfaktorer det vill säga ju lägre friktionsvinkel desto högre krav på förstärkning. Studien visar att trycksonderingens friktionsvinkel sällan utvärderas högre än CPT. Hade resultatet visat högre friktionsvinkel för

trycksondering, jämfört med CPT vars utvärdering är mer avancerad, hade de empiriskt framtagna värdena behövts ifrågasättas av säkerhetsskäl. Resultatet visar istället att en större marginal i de flesta fallen krävs om friktionsvinkeln utvärderas med empiriskt framtagna värden för trycksondering. Detta kan bero på just

riskhantering och att en extra säkerhetsfaktor lades på dessa värden, för en säker utvärdering av friktionsvinkel. Detta är dock ingenting som framgår av litteraturen.

Figur 13 visar en av punkterna som skiljer sig från mängden. Här utvärderas friktionsvinkeln från trycksondering stundtals högre än från CPT. Utvärderingen sträcker sig från 11 m och neråt och överenstämmer med mönstret att skillnaderna mellan utvärderingarna minskar mot djupet.

Som nämndes ovan kan skillnaden bero på att utvärderingen mellan metoderna skiljer sig, då Conrad utöver spetstrycket använder effektivspänningen i jorden. Figur 11, 12, 13 och 14 jämför spetstrycket och friktionsvinkel från två av borrhålen.

Graferna för trycksondering korrelerar med varandra medan graferna för CPT inte gör det. Spetstrycken mellan metoderna skiljer sig och visar inget tydligt mönster.

Båda metoderna utförs med samma nedpressningsanordning och i regel med samma nedpressningshastighet. Den stora skillnaden förutom utformningen av sondspetsen är mätinstrumentet. Vid CPT-sondering mäts spetstrycket direkt via sondspetsen medan spetstrycket för trycksondering mäts via en tryckgivare på borrvagnen. För varje skarvning vid trycksondering påverkas därmed spetstrycket då tyngden mot spetsen blir större, vilket borde innebära att spetsen lättare kan pressas ned.

Geotekniska undersökningar handlar till en stor del om tid och pengar. Dessa aspekter kan sedan delas in i segment som planering, utförande, utvärdering samt hur noggrann undersökningen ska vara och vad den maximalt får kosta. CPT framställs i litteratur som en mycket bra metod för geotekniska undersökningar.

Problemet med metoden är den längre tidsaspekten samt de stora krav som ställs, både för fältgeotekniker och utvärderande geotekniker. Trycksondering däremot är en enkel och primitiv sonderingsmetod som inte kräver samma typer av

förberedelser, noggrannhet och kompetens som CPT. Detta gör att den också blir billigare att använda och mer tidseffektiv. Enligt Hellman är meterkostnaden för trycksondering ungefär hälften så dyr som för CPT-sondering. Geoteknikern får därför i teorin möjligheten att välja flera trycksonderingar för samma kostnad och tid som för en CPT-sondering.

Kan detta då appliceras i verkligheten? Ofta kräver geotekniska undersökningar att flera sonderingsmetoder används för att säkerhetsställa fler parametrar än

friktionsvinkel. Dessa kan till exempel vara avstånd till berggrunden, portryck och skitktgränser. Vissa undersökningar kräver också att metoder som kolvprovtagning, skruvsprovtagning eller vingförsök används för att säkerhetsställa parametrar som inte sonderingarna kan säkerhetställa. Denna studie kretsar inte kring dessa men bör nämnas som en viktig aspekt i sammanhanget.

27

För utvärdering av endast friktionsvinkel så ger resultatet en inblick över huruvida trycksondering kan korreleras med CPT. De empiriska värden som framgår av tabell 6 är framtagna för att användas i verkliga projekt och bör också göras det. Värdena behöver inte användas för en fullständig bedömning utan istället som en vägledning och en första inblick över jordens egenskaper.

Det är dock alltid bra att inte enbart förlita sig på endast en källa. Vid samtliga undersökningar i denna studie har både CPT och trycksondering använts. Det

framgår inte vilken av metoderna som utförts först i varje punkt. Ett rimligt antagande är att trycksondering utförts först. Detta på grund av att CPT-utrustningen är mer känslig och dyr. Trycksondering kan därför användas först för att ge en första inblick över jordens egenskaper samt en inblick över sten och blockhalten i jorden. Det finns både fördelar och nackdelar med båda metoderna. I slutändan handlar geotekniska undersökningar om kunskap och erfarenhet. Ingen plats har samma förhållanden och ingen sonderingsmetod passar för alla platser. Utvärdering av friktionsvinkel från trycksondering ger en bra indikation. Med rätt erfaranhet och kunksap ökar också chanserna för korrekta beslut och vid osäkerheter, bör CPT användas som

komplement.

Slutsats

• Marken är unik och gör därmed alla sonderingsresultat unika. Därför krävs kunskap och erfarenhet från ansvarig geotekniker vid utvärdering av friktionsvinkel.

• Trycksondering är mer tidseffektiv och billigare än CPT. Det kan därför vara en god idé att inleda en undersökning med trycksondering för en första inblick över jordens egenskaper. Vid behov kan CPT användas som ett komplement då resultatet från trycksonderingen inte är tillräckligt för ändamålet.

• För utvärdering av friktionsvinkel ger trycksondering en bra indikation och kan användas, med vetskapen att friktionsvinkeln sällan utvärderas högre än utvärderingen från CPT. Skillnaden vid utvärdering mellan metoderna är som störst nära markytan och minskar för att nära på korrelera mot djupet.

Tackord

Jag vill tacka mina handledare; Lars Maerk Hansen på Uppsala universitet samt Hanna Lundhede på WSP i Örebro. Jag vill även tacka resterande kollegor inom geoteknik och miljöteknik på WSP-kontoret i Örebro för all hjälp och vägledning under arbetet.

Referenser

Litteratur

Axelsson, K. och Mattsson, H. (2016), Geoteknik, Lund: studentlitteratur AB Bergdahl, U., Ottosson, E. & Stigsson Malmborg, B. (1993), Plattgrundläggning,

Statens Geotekniska Institut

Hellman, P., Pramborg B, & Svensson, G., (1979), Kontroll av packad friktionsjord:

Kontrollmetoder för bestämning av deformations och brottegenskaper Byggforskningen rapport R102:1979), Stockholm

Larsson, R. (2015). CPT-sondering utrustning – utförande – utvärdering En in-situ

28

metod för bestämning av jordlagerföljd och egenskaper i jord. Linköping:

Sveriges geotekniska institut (Information 15)

Lundqvist, J., (2006), Geologi – Processer – utveckling – tillämpning, 4:e uppl., studentlitteratur

Svenska Geotekniska Föreningen (1992-06-15). Rekommenderad standard för CPT sondering, Roland offset AB, Linköping 1999-11 (Rapport 1:93)

SGF:s fältkommité. (2013), Geoteknisk fälthandbok version 1.0, (SGF Rapport 1:2013), Göteborg

Internetkällor

Sveriges Geotekniska Institut (2017). Jordmateriallära.,

http://www.swedgeo.se/sv/kunskapscentrum/om-geoteknik-och-

miljogeoteknik/geoteknik-och-markmiljo/jords-hallfasthet/ [2016-02-13]

Sveriges Geotekniska Institut (2016). Jords hållfasthet.,

http://www.swedgeo.se/sv/kunskapscentrum/om-geoteknik-och-

miljogeoteknik/geoteknik-och-markmiljo/jords-hallfasthet/skjuvhallfasthet/ [2016- 02-13]

29

Bilagor

Samtliga grafer med tillhörande uträkningar vid utvärdering av friktionsvinkel redovisas nedan.

16W15601

Tryck N Area Tryck Pa Friktionsvinkel

(CPT) Friktionsvinkel

(Tr) Djup

6000 0,00096 6250000 35,4 35 5

6200 0,00096 6458333 36,6 36 5,2

2500 0,00096 2604167 35 32 5,4

8000 0,00096 8333333 35,2 36 5,6

4000 0,00096 4166667 35,2 33 5,8

2500 0,00096 2604167 34,4 32 6

2700 0,00096 2812500 33,2 33 6,2

2200 0,00096 2291667 32 32 6,4

1800 0,00096 1875000 35,9 31 6,6

1800 0,00096 1875000 36,1 31 6,8

4500 0,00096 4687500 36,3 35 7

2500 0,00096 2604167 36,3 32 7,2

4500 0,00096 4687500 35,7 35 7,4

3700 0,00096 3854167 35,9 34 7,6

4200 0,00096 4375000 35,9 35 7,8

4300 0,00096 4479167 36,6 35 8

4600 0,00096 4791667 36,6 35 8,2

2200 0,00096 2291667 36,5 32 8,4

6000 0,00096 6250000 35,7 36 8,6

5800 0,00096 6041667 33,6 36 8,8

30

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

30 32 34 36 38

Djup (m)

Friktionsvinkel

16W15601

Friktionsvinkel (CPT)

Friktionsvinkel (Tr)

31

16W15604

Tryck N Area Tryck Pa Friktionsvinkel

(CPT) Friktionsvinkel

(Tr) Djup

2000 0,00096 2083333 35,1 31 5

1800 0,00096 1875000 36 31 5,2

2200 0,00096 2291667 34,4 32 5,4

2000 0,00096 2083333 33,5 31 5,6

3700 0,00096 3854167 33,7 34 5,8

3700 0,00096 3854167 34,5 34 6

3000 0,00096 3125000 35,2 33 6,2

4000 0,00096 4166667 34,6 34 6,4

2400 0,00096 2500000 34,7 32 6,6

4000 0,00096 4166667 34 34 6,8

4000 0,00096 4166667 34 34 7

4000 0,00096 4166667 34,6 34 7,2

3000 0,00096 3125000 34,4 33 7,4

3000 0,00096 3125000 33,5 33 7,6

2200 0,00096 2291667 32 32 7,8

3800 0,00096 3958333 33 34 8

3800 0,00096 3958333 30,8 34 8,2

3300 0,00096 3437500 33 33 8,4

2900 0,00096 3020833 32,8 33 8,6

2600 0,00096 2708333 30,1 32 8,8

32

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

28 30 32 34 36 38

Djup (m)

Friktionsvinkel

16W15604

Friktionsvinkel (CPT)

Friktionsvinkel (Tr)