SVV Teknologidagene 2014 Detektering av sprøbruddmateriale Feltstudie R-CPTU Status og forslag til videre arbeid

Transkript

1 NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred SVV Teknologidagene 2014 Detektering av sprøbruddmateriale Feltstudie R-CPTU Status og forslag til videre arbeid

2 Innhold: Bakgrunn Hensikt med studiet Tidligere og pågående NIFS-prosjekter innen detektering Påvisning med bruk av resistivitetsmålinger Feltstudium 2014: Eksempler på resultater med nedhulls- (R-CPTU) og overflatemålinger (ERT) Resistivitet i jord hva påvirker målingene? Påvisning med bruk av CPTU CPTU med måling av total nedpressingskraft har det noe for seg? Tolkning av målinger med elektrisk vingebor (EFVT) Treffer vi med omrørt skjærfasthet? Kan resultatene benyttes i energi- og utløpsvurderinger? Forslag til videreføring med anbefalinger Sammenstilling og tolkning av resultater fra nye og tidligere forsøksfelt Anbefalt praksis for påvisning av sprøbruddmateriale fra ulike feltmetoder

3 Bakgrunn

4 Arbeidshypoteser i studiet: Noen ganger blir vi overrasket av sonderingsprofiler som indikerer kvikkleire, mens laboratorieforsøk viser ikke-sensitiv leire. Andre ganger er det motsatt! Hva skyldes dette, og kan vi finne forklaringer? Hvordan kan vi benytte nyere geotekniske og geofysiske feltmetoder for bedre og mer effektiv påvisning av sprøbruddmaterialer?

5 Utvalgte hensikter med studiet: Analyse av sonderingsprofiler i ulike typer leire (total-/dreietrykk) Hvilke situasjoner fører til avvikende klassifisering av kvikkleire og når treffer vi? Forbedre tolkningsgrunnlaget for resultater fra eksisterende sonderingsmetoder Bedre forståelse av resistivitetsmåling Sammenlikning av R-CPTU og ERT-resultater Hva påvirker resistiviteten i jord? Utnyttelse av vingebormålinger Hvilke faktorer påvirker målinger og tolkning? Er bestemmelsen av omrørt skjærfasthet pålitelig? Sammenstille ny og tidligere kunnskap med utarbeidelse av anbefalte prosedyrer for påvisning av sprøbruddmateriale

6 Tidligere og planlagte aktiviteter i NIFS Multiconsult/SINTEF: SM6.4.2 Innledende rapport NIFS 46/2012: Detektering av kvikkleire fra ulike sonderingsmetoder, Multiconsult/SINTEF Tesfaye Kerlos Tilahun, masteroppgave NTNU: The identification of quick clay layers from various sounding methods Alberto Montafia, masteroppgave NTNU: Influence of physical properties of marine clays on electric resistivity and basic geotechnical parameters SM6.6.4 Detektering av sprøbruddmateriale ved hjelp av R-CPTU 2013: State-of-the-art rapport Resistivitet i jord 2014: Feltstudie med undersøkelser på nye forskningsfelt (E6 Klett og Fallan), samt identifisering og innsamling av data fra tidligere resistivitetsundersøkelser (8-10 forsøkssteder) 2014: Masteroppgave Erlend Hundal: CPTU med målt total sonderingsmotstand (samarbeid NTNU, Rambøll og Multiconsult)

7 Påvisning med bruk av resistivitetsmålinger

8 Måling av jordens resistivitet Jorden påføres kjent strøm mellom to elektroder, potensialfall måles mellom to naboelektroder. Flere mulige elektrodekonfigurasjoner benyttes. Prinsippet benyttes ved 2D overflatemålinger (ERT), 1D nedhulls R-CPTU og luftbårne elektromagnetiske målemetoder (AEM) Resistivitetsverdier viser gradvis overgang og overlapping mellom ulike jordarter: Salt, marin leire: 1-10 Ωm Utvasket leire/mulig kvikkleire: Ωm Silt: Ωm Tørrskorpe, grove materialer: over 100 Ωm Berg: flere tusen Ωm ERT resistivitetsmåling på overflaten

9 Eksempel på tolkning av ERT resistivitetsprofil E6 Klett Kvikkleire fra sondering/lab

10 Eksempel på tolkning av ERT resistivitetsprofil Fallan Kvikkleire fra sondering/lab

11 Bruk av R-CPTU (1D resistivitetsmåling) Egen resistivitetsmodul tilknyttet konvensjonell CPTUsonde Strøm påføres mellom de to ytterste elektrodene, potensialfall måles mellom de to innerste (Wenner-α konfigurasjon) Kontinuerlig resistivitetsmåling og CPTU-data i en boring Ubetydelig mertid i felt sammenlignet med ordinær CPTU Lite jordvolum bidrar til en mer lokal måling enn ved 2D ERT. Gir mer nøyaktig oversikt over resistivitet i borpunkt 1D og 2D (ERT) resistivitetsmålinger kan kombineres og sammenlignes: Relativt godt samsvar i måleverdier for homogene grunnforhold Større avvik kan forekomme ved inhomogene grunnforhold og innflytelse av 3D effekter (avhengig av inverteringsmetodikk) U I

12 Bruk av resistivitetsmåling i CPTU målte verdier Detektering av sprøbruddmateriale R-CPTU profil E6 Klett, Trondheim R-CPTU data

13 Bruk av resistivitetsmåling i CPTU dimensjonsløse parametre Detektering av sprøbruddmateriale R-CPTU profil Fallan Dimensjonsløse parametre

14 Bruk av resistivitetsmåling i CPTU veien videre 20 2,0 15 1,8 Gradient spissmotstandstall N m (-) Poretrykksforhold, B q (-) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-20 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 Resistivitet ρ (ohm m) Resistivitet ρ (ohm m) R-CPTU profil Fallan, Lundamo R-CPTU klassifisering

15 Sammenligning mellom R-CPTU og ERT Resistivitet (ohm-m) Depth (m) KS-1 KS-2 R2 at KS-1 R2 at KS-2 Sammenligning R-CPTU og ERT data Eksempel fra Klett, NIFS R-CPTU feltstudium (Apex Geoservices 2014) Klett Sammenligning mellom 1D R-CPTU og 2D ERT i profil Forholdsvis homogent profil Godt samsvar i resistivitetsverdier mellom R-CPTU og ERT

16 Utfordringer ved bruk av resistivitet Spesifikk resistivitet antas å være påvirket av lokale variasjoner i mineralogi, kornfordeling, saltinnhold, densitet, porevannskjemi, metningsgrad, organisk innhold etc. Komplisert dokumentasjon av leirmaterialenes porevannskjemi Tidkrevende forberedelser for uttak av porevann Krever spesiallaboratorier for utførelse av kostbare undersøkelser Porevannskjemien kan lett påvirkes av prøvingsmiljøet 1D og 2D resistivitetsmålinger kan kombineres og sammenlignes: Målt resistivitet i felt påvirkes av elektrodekonfigurasjonen Og krav til rekkevidde for målingene Lite jordvolum i R-CPTU bidrar til en mer lokal måling enn ved 2D ERT. Gir mer nøyaktig resistivitetsmåling Relativt godt samsvar mellom ERT og R-CPTU for homogene grunnforhold Større avvik kan forekomme ved inhomogene grunnforhold og innflytelse av 3D effekter (avhengig av inverteringsmetodikk)

17 Innflytelse av geokjemi på resistivitet Foreløpige hypoteser, formulert av Anders Gylland og Alberto Montafia (2014): For vanninnhold 50 > w > 30 % vil vannfasen dominere over mineralfasen > Densiteten av materialet antas å ha liten betydning. For saltinnhold > 2 g/l dominerer effekten av saltinnhold i fritt porevann. Det er nok salt i porevannet, men type ioner er mindre viktig. For saltinnhold < 1-2 g/l blir kolloidkjemien og effekten av det diffuse dobbeltlaget rundt leirpartiklene viktig, og andre faktorer enn saltinnholdet styrer materialets resistivitet. Blant annet er type ioner i porevannet viktig! Men: Saltinnholdet vi måler i laboratoriet er kun begrenset til (frie) ioner i porevannet. Prøvens totale resistivitet (porevann + kornskjelett) er sannsynligvis en riktigere verdi for vurderinger i forhold til målt resistivitet.

18 Påvisning med bruk av CPTU

19 Trykksondering med poretrykksmåling - CPTU Spissmotstand q t, q n Poretrykk u 2 Sidefriksjon f s Poretrykksforhold B q

20 Bestemmelse av stangfriksjon fra totalkraftmåling CPTU Studier av stangfriksjon Q s : Total nedpressingkraft + stangvekt -spisskraft = Mobilisert stangfriksjon (kn). Sammenlignes med teoretisk linje for stangfriksjon tilsvarende 1 kpa sidefriksjon (KN) Hvis helning av mobilisert friksjonskraft < helning for teoretisk kurve tilsvarende 1 kpa sidefriksjon antas sensitivt materiale Andre friksjonsmål kan brukes for teoretisk kurve, f.eks. 0,5 kpa for kvikkleire Q s = F + G q t *A c Fra MSc-oppgave Erlend Hundal, 2014 Meget gode erfaringer i svenske leirer (Gøta älvs utredningen), men noe overestimering av kvikkleire rapportert

21 Utnytter vi alle mulighetene med CPTU i dag? Q s F B q, N m ρ Lab Stangfriksjon Q s, Ranheim Vestre (Multiconsult) Oppsummeringsplott, Esp(Rambøll, NTNU) Fra MSc-oppgave Erlend Hundal, 2014

22 Tolkning av målinger med elektrisk vingebor (EFVT)

23 Vingeboring vurdering av arbeidskurve med energibetraktninger Arbeidskurve uforstyrret leire Energibetraktninger: Areal under arbeidskurve: Tilfelle A: minst energi Tilfelle C: mest energi Viktig informasjon ved stabilitetsog utløpsvurderinger: Hvor mye energi er nødvendig for å røre om kvikkleiren?

24 Vingeboring resultater fra Fallan s r (kpa) 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10, z (m) s u (kpa) 5,00 0,00 Udrenert skjærfasthet Omrørt skjærfasthet Vingebor, omrørt skjærfasthet Konus, omrørt skjærfasthet Φ ( o ) s r (kpa) Omrørt skjærfasthet, 25 omdr. 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, s r (kpa) 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Φ ( o ) Omrørt skjærfasthet, omdr. Φ ( o )

25 Forslag til videreføring med anbefalinger

26 Forslag til oppsummering av detekteringsstudiet NIFS 2015 Sammenstilling, tolkning og utarbeidelse av anbefalte prosedyrer for påvisning av sprøbruddmateriale (sonderinger, CPTU, resistivitetsmåling, vingebor, prøvetaking og lab) Aktiviteter Tolkning og sammenstilling av resultater fra utvalgte forsøksfelt i feltstudiet 2014, samt tidligere aktiviteter. Identifisering av fellestrekk, muligheter og begrensninger ved ulike felt- og laboratoriemetoder Anbefaling av metoder og tilhørende prosedyrer for påvisning av sprøbruddmaterialer Anbefalt strategi for utførelse av grunnundersøkelser i potensielle fareområder Organisering Etablering av arbeidsgruppe, sammensatt av personer med relevante komplementære kunnskaper innen fagfeltet Arbeidsgruppen inkluderer personell fra NIFS-partnere, styrket med eksterne deltagere Gjennomføring av studiet med arbeidsmøter, fordelt arbeid og oppsummering/ konklusjoner i en eller flere anbefalingsrapporter, eks.: Påvisning av sprøbruddmateriale med sonderinger og resistivitets målinger Utførelse og tolkning av vingebormålinger Rapportene kan også utgis som egne NGF - meldinger

27 Takk for oppmerksomheten!