27.1 FJELLSPREGNINGSTEKNIKK BERGMEKANIKK/GEOTEKNIKK 2016

Transkript

1 27.1 FJELLSPREGNINGSTEKNIKK BERGMEKANIKK/GEOTEKNIKK 2016 Problemstillinger knyttet til måling av svelletrykk og fastsettelse av svelletrykket for en svakhetssone Problems related to measuring of swelling pressure and determination of swelling pressure in weakness zone Ingeniørgeolog Martin Holter, Sweco Norge AS/NTNU Are Håvard Høien, Vegdirektoratet og NTNU SAMMENDRAG Svakhetssoner og forkastninger bestående av svellende sleppemateriale er registrert i alle bergartsregioner i Norge. Det finnes en stor mengde litteratur på svellemekanismer og hvordan svelleleire kan testes. Når det kommer til å anvende informasjonen fra tester og bruke denne til å dimensjonere sikring er materialet mindre. Det er flere faktorer svelletrykket er avhengig av, både indre og ytre. De indre betingelsene beskriver leiremineralets potensielle svelleevne, og det sees på egenskapene til mineralkornene. Dette er forhold som kan måles i laboratoriet ved preparering og analyse av prøver. De ytre faktorene er derimot vanskeligere å måle og de viktigste av disse er vannforholdene og konsolideringsgraden. Ved de usikkerheter som finnes ved preparering, testing og tolkning av laboratorieresultater er det vanskelig å kunne bestemme hvor stort svelletrykk som vil mobiliseres mot en sikringskonstruksjon. Det er dermed vanskelig å kunne dimensjonere sikringen. I oppgaven er det tatt prøveserier ved fire forskjellige tunneler for å se på endring av egenskaper innenfor en sone med svellende mineraler. Resultatene fra testene som ble gjort viste at det var store forskjeller på egenskapene innenfor samme sone. Blant annet en nesten dobling i svelletrykk målt ved ødometeranalyse over en avstand på fem meter. Det er også vanskelig å dimensjonere svelletrykk ved så lite finstoff som 0,6 % og et svelletrykk på 0,36 MPa som ble målt i Larvikstunnelen. Det finnes i dag lite retningslinjer som beskriver hvordan det skal sikres mot svellende leirsoner. Det som finnes tar lite hensyn til de mange faktorene som påvirker hvor stort svelletrykk som vil virke på sikringskonstruksjonen. Ved Q-metoden blir svellende materiale kun tatt hensyn til ved Ja og SRF, mens det i vegvesenets Håndbok N500 blir beskrevet utstøpning ved svelletrykk > 0,5 MPa ved ødometertest og mektighet på sonen på over to meter. Dette fjernes for øvrig i ny versjon av N500 som kommer november 2016.

2 27.2 SUMMARY Weakness zones and faults containing swelling gouge are registered in all rock areas in Norway. There is a lot of literature explaining the mechanism of swelling clay and how it can be tested. However, literature about how to use this information for dimension support is almost absent. There are several factors to consider when dealing with swelling pressure, both inner and outer. The inner factors describe the potential swelling of the clay mineral, dependent of the properties of the mineral grains, and can be measured in the laboratory by preparation and analysis. On the other hand, the outer factors are difficult to measure and the most important is the water conditions and the consolidation degree. The uncertainties related to the preparation, testing and interpretation of laboratory results make it difficult to decide the size of the swelling that will mobilize on the support construction. This makes it difficult to dimension the support. There where taken test sets in four different tunnels to look at the change of properties in a weakness zone containing swelling minerals The results shows that there was big differences in the same zone, for instance almost a doubling in swelling pressure over a distance of five meters. In a zone in Larvikstunnelen there is only 0,6 % of the material < 20 µm and a swelling pressure of 0,36 MPa, and this also makes it difficult to dimension the support. Today few guidelines describe the type and dimension of support in swelling clay zones. Existing literature do not consider the many different factors that influence on the swelling pressure. In the Q-method swelling material is considered by Ja and SRF, and Handbok N500 from Norwegian Public Roads Administration describes how to support when swelling pressure is bigger than 0,5 MPa and the zone is bigger than two meters.

3 27.3 INTRODUKSJON Denne artikkelen er basert på masteroppgaven til undertegnede med tittelen «Analyse av problemstillinger knyttet til realistisk kvantifisering av svelletrykk på sikringskonstruksjoner i tunneler» skrevet våren 2016 og et litteraturstudie utført høsten 2015 knyttet til dette. Arbeidet med masteroppgaven var todelt, der en del har fokusert på innhenting av litteratur og en på testing av svelleleire og å se på hvordan man skal bruke testresultatene til dimensjonering av sikring. I denne artikkelen blir noe av bakgrunnsmaterialet på svelleprosess og laboratoriemetoder presentert, mens hovedvekten er presentasjon av testing på svellende materiale tatt fra flere plasser i samme svakhetssone. Oppbygning av svelleleire Leirmineraler er vannholdige aluminiumsilikater som dannes ved kjemisk forvitring av silikatmineraler, ofte feltspat og glimmer. De vanligste gruppene leirmineraler er kaolinittgruppen, illittgruppen og montmorillonittgruppen. Av disse er det montmorillonitt som har størst potensialet for å svelle. For å forstå svellingen og svellemekanismer bedre er det gjennomgått oppbygningen av montmorillonitt. Montmorillonitt er bygget opp av et oktaedersjikt, to tetraedersjikt og et vannlag i hvert av ryggradslagene. Dette gir kjemisk formel (Ca, Na, K)(Al,Mg)4[(Si,Al)8O20](OH)4*n H2O, og det skilles mellom Ca-montmorillonitt, Namontmorillonitt og K-montmorillonitt avhengig av hvilke kation som opptrer. Ryggradslagene holdes ikke sammen, noe som gjør at dipolare vannmolekyler kan trenge inn mellom ryggradslagene sammen med uorganiske kationer. Dette kalles gitterekspansjon og kommer blant annet av en negativ overflateladning som dannes ved at Si- og Al-atomer byttes ut med atomer med lavere valens (Si4 + byttes ofte ut med Al3 +, og Al3 + byttes ut med Mg2 + ) (Nilsen og Broch, 2012). Figur 1: Oppbygning av montmorillonitt med et oktaedersjikt, to tetraedersjikt og et vannlag mellom ryggradslagene (Nilsen, 2014) Svelleprosessen I følge Mao (2012) har International Society of Rock Mechanics (ISRM) definert svelling på følgende måte: «Svellemekanismen er en kombinasjon av en fysisk-kjemisk reaksjon som involverer vann og spenningsavlastning. Den fysisk-kjemiske reaksjonen er vanligvis hovedbidraget, men kan bare skje sammen med eller etterfulgt av spenningsavlastning»

4 27.4 Selve svelleprossessen kan beskrives i to stadier. Det første stadiet er som beskrevet over, der vannmolekyler absorberes på leirpartikkelen. Dette kalles hydratisering, og vannmolekylene vil danne lag på lag ut fra leirmineraloverflaten, der vannet kalles hydroskopisk vann, til fritt porevann. Denne svellingen kan føre til en volumøkning på opp mot 100% fra tør tilstand. Stadium to består av osmotisk svelling. Dette kommer av at det er høyere konsentrasjon av ioner i vannet mellom to ryggradslag enn i porevannet utenfor. Vann vil strømme mot den høyeste konsentrasjoner av ioner for å skape likevekt, og ryggradslagene vil presses ytterligere fra hverandre. Graden av svelling vil være avhengig av mengden tilgjengelig vann, avstand mellom lagene, valens og konsentrasjon av ioner. De største frastøtende kreftene og dermed størst svelling vil oppstå ved Na + -ioner mellom ryggradslagene og destillert vann som porevann. Svellemekanismen er en langsom prosess og avtar etter hvert som leirmineralene absorberer vann (Nilsen og Broch, 2012). Betingelser for svelling For at svelling skal oppstå må indre og ytre betingelser være oppfylt og graden av svelling vil være avhengig av disse. De indre betingelsene bestemmer den potensielle svelleevnen til sleppematerialet. Dette inkluderer (Selmer Olsen, 1985): - Hvilke mineraler som opptrer - Mengden av de forskjellige mineralene - Antall utbyttbare ioner De ytre betingelsene består av (Selmer Olsen, 1985): - Konsolidering av sleppematerialet - De omliggende bergartene - Tilgang på vann, som igjen er avhengig av: o Antall sprekker o Sprekkekarakter o Sonens permeabilitet o Hydraulisk gradient o Avdampningsforhold I tillegg til destabiliserende svelletrykk er montmorillonitt et glatt mineral og friksjonsvinkel ned mot 10 er målt. Dette er en faktor som også må tas inn når det dimensjoneres sikring mot svelleleire (Tyssekvam, 1996). Svelleleire og sikring I litteraturstudiet ble det sett på to tidligere prosjekter der oppstå problemer som følge av svelleleire flere år etter tunnelenes åpning. Dette var Hanekleivtunnelen, det det ble målt et svelletrykk på 0,15-0,18 MPa (Middels høyt) og Oslofjordtunnelen med et målt svelletykk på 0,55 MPa (Høyt). Ingen av disse hadde svelleleire som ble karakterisert i kategorien meget høyt (>0,75 MPa). Det er lite litteratur som kommer med klare anbefalinger for hvordan det skal sikres mot svellende materialer. Statens vegvesen beskriver dette noe i Håndbok N500, Vegtunneler, men da kun med soner større enn to meter og med svelletrykk større enn 0,5 MPa. Det skal da sikres med full betongutstøpning. Q-systemet tar til en viss grad hensyn til svelling ved Ja (tall for sprekkefylling) og SRF (spenningsfaktor). Det er også en generell beskrivelse for hvordan det kan sikres mot svellende mineraler i NFF Hånbok 5, Tung bergsikring i undergrunnsanlegg.

5 27.5 LABORATORIEMETODER For de fleste analyser som gjøres på mulige svellende materiale foretas det preparering. Dette er for å få resultater som er mest mulig reproduserbare, men gjør også at in-situ struktur og kompaksjon endres. Preparering for de fleste analyser består i å skille ut partikler som er mindre enn 20 µm. Prøven dynkes først i vann og alle partikler vaskes av bergoverflater og løses opp. Det må så skilles mellom partikler som er større og mindre enn 20 µm. Dette kan gjøres ved å utnytte at partikler har forskjellige fallhastighetene i en gitt væske (Stokes lov), eller ved våtsikting. Etter dette tørkes prøven i tørkeskap og den tørkede prøven knuses i porselensmølle. Det er også vanlig å tørke og veie materialet som er større en 20 µm slik at andel små partikler kan beregnes. Fri svelling Figur 2: Prøve som er knust i porselensmølle. Fri svellingen er en enkel og rask test som kan utføres med enkle remedier. Testen utføres ved at 10 ml (Vt) preparert prøvemateriale drysses i et 50 ml reagensglass fylt med 45 ml destillert vann (Statens Vegvesen, 2010). En illustrasjon av dette er vist i Figur 3. Figur 3: Bilde som viser 10 ml preparert prøvemateriale og reagensglass med 45 ml destillert vann.

6 27.6 Etter svelling måles volumet av materialet (V1). Fri svelling kan da regnes ut som prosentvis volumøkning av prøvematerialet (Statens Vegvesen, 2010): VV 1 VV tt xx 100 = FFFFFF ssssssssssssssss [%] Dette vil gi en indikasjon på om sleppematerialet sveller eller ikke og gir en klassifisering som vist i Tabell 1. Tabell 1: Klassifisering av sleppemateriale etter resultater fra analyse av fri svelling (Norsk Bergmekanikkgruppe, 1985). Svellepotensial Ikke aktivt Lite aktivt Middels aktivt Meget aktivt Fri svelling < 100 % % % > 200 % Svelletrykk Det finnes flere metoder å måle svelletrykk på der den mest benyttede metoden er ved bruk av ødometer. Da benyttes 20 gram preparert prøvemateriale. Dette fordeles i en trykkcelle og komprimeres i et døgn før det tilsettes vann. Det legges på mer trykk etter hvert som prøven sveller, og volumet på prøven holdes da konstant. Trykket måles over tid og prøvematerialet kan da klassifiseres etter høyeste trykk som vist i Tabell 2 (Statens Vegvesen, 2010). Tabell 2: Klassifisering av sleppemateriale gitt fra svelletrykk fra ødometertest (Norsk Bergmekanikkgruppe, 1985) Svellepotensial Ikke aktivt Lite aktivt Middels aktivt Meget aktivt Svelletrykk < 0,10 0,10 0,30 0,30 0,75 > 0,75 Resultatene fra en ødometertest er vist i Figur 4, med klassifiseringene inntegnet. Det kreves for denne prøven maksimalt 0,36 MPa for at volumet til prøven ikke skal øke. Svelletrykk Svelletrykk [MPa] 1 Meget 0,9 høy 0,8 0,7 0,6 0,5 Høy 0,4 0,3 0,2 Middel 0,1 0 Lav Maks svelletrykk: 0,36 MPa Tid Figur 4: Typisk graf for utvikling av svelletrykk ved ødometeranalyse.

7 27.7 Det er tidligere gjort analyser på hvordan svelletrykket varierer når høyden på prøvecellen endrer seg. Dette kan relateres til in-situ forhold der sleppematerialet har tilgang til å svelle noe før det møter sikringskonstruksjonen eller ved elastisk sikringskonstruksjon. Resultater fra analysen er plottet i Figur 5. Denne grafen viser at ved en tillatt svelling på noen få prosent vil gi en betydelig reduksjon i svelletrykk (Nilsen og Broch, 2012). Svelletrykk, MPa Tillatt svelling, Δh Figur 5: Svelletrykk som funksjon av tillatt svelling (Nilsen og Broch, 2012) Røntgendiffraksjon (XRD) Ved XRD-testing finner man repetisjonsavstanden for et ryggradslag og vannlaget. Denne er gitt for forskjellige mineraler og montmorillonitt vil ved tilsetning av glykol og etylenglykol endre repetisjonsavstand. Dette gjør at mineraler (f. eks montmorillnitt) kan identifiseres. Ved denne testen brukes kun partikler mindre enn 6 µm siden det er størst andel med montmorillonitt i denne fraksjonen. I Figur 6 er det vist hvordan resultatet fra en slik analyse ser ut. Resultatene fra en test uten tilsetning er plottet med svart, mens resultatene fra en analyse med tilsatt glykol er plottet med rød. Repetisjonsavstanden for montmorillonitt er på rundt 14 Å (1,4 nm), mens ved tilsetning av glykol vil den økes til 17,7 Å. Toppene for dette er tydelig markert i grafen, og vil si at prøven inneholder montmorillonitt.

8 27.8 Figur 6: Illustrasjon av resultater fra XRD analyse. Prøveresultater uten tilsatt glykol plottet i svart og resultater med glykolbehandlet prøve plottet med rødt. Toppen for montmorillonitt på den glykolbehandlede prøven er markert med svart pil. Usikkerheter ved svelleleiretesting Det er for øvrig store usikkerheter knyttet til testene i laboratoriet. Disse usikkerhetene kan oppsummeres ved følgende punkter (Nilsen et al., 2011): - Testing foregår kun på materiale fra en liten del av sonen - Testing foregår på den mest aktive delen av sleppematerialet - Testing foregår med destillert vann - In-situ kompaksjon vil endres - In-situ struktur vil endres Det vil si at det er store usikkerheter knyttet til laboratorietester av svelleleire, og at resultatene må tolkes på en kritisk måte. Disse usikkerhetene kommer i tillegg til de ytre betingelsene som også er vanskelige å si noe om. Hvilket trykk som virker på sikringskonstruksjonen er også avhengig av tidsforløpet mellom sprengning og installering av sikring. VARIASJON AV EGENSKAPER INNENFOR SAMME SONE For å se på variasjonen av egenskaper innenfor samme sone ble det hentet inn prøver fra flere geologiske områder i Norge. Enkelte av prøvene ble samlet inn av ingeniørgeologer på anlegg, mens enkelte ble samlet inn av undertegnede. Det ble samlet inn prøver fra Ryfast, Åsland riggområde og E18 Bommestad-Sky (Larvikstunnelen og Martineåstunnelen), og alle prøvene ble testet ved laboratoriet til NTNU/SINTEF av undertegnede. Prøvene som er tatt fra de ulike prosjektene er tatt innenfor samme sleppesone, men med ulik avstand, fra 5 meter ved Larvikstunnelen, til 100 meter ved Åsland riggområde. Dette for å se på variasjonen innenfor samme sone, og gi info om det bør prøvetas med korte intervall.

9 27.9 Prøvelokasjoner Ved Rv. 13 Ryfast var det forventet at tunnelene skulle bli drevet i fyllitt og gneis. Det var forøvrige større forekomster av fyllitt enn forventet, og da denne ikke inneholder svellende mineraler var det vanskelig å ta gode prøver. Prøvene fra Solbakktunnelen var fra en leirsone fyllitten som lå opp mot grensa til gneisen. Det ble tatt to prøver med samme pelnummer; en prøve i nordre løp og en prøve i søndre løp. Leira var glatt og mørk, men med lyse innslag. Et bilde fra prøvelokalitetene kan ses i Figur 7. Figur 7: Bilde av prøvelokasjoner i Solbakktunnelen, pel 9450, sørgående og nordgående løp. Ved E18 Bommestad-Sky er prøvene innhentet av ingeniørgeologer som jobbet på anlegget. Det ble her prøvetatt fra to forskjellige tunneler; Larviktunnelen, der prøvene ble tatt med 5 meters avstand og Martineåstunnelen der det var 75 og 98 meter mellom prøvene. Bergarten i området er Larvikitt, som ofte har store feltspatkrystaller. Oversiktstegning over prøvetatt sone i Martineåstunnelen er vist Figur 8. Prøvetatt sone Figur 8: Oversiktstegning over prøvetatt sone i Martineåstunnelen med prøvelokaliteter avmerket. For Follobanen er det testet fire prøver fra Åsland riggområde der bergarten består av forskjellige typer gneiser. De fire prøvene er tatt i forskjellige bergrom (adkomsttunnel, hall i nord og redningsstasjon) med varierende avstand. Prøve 2 og 3 er tatt ved nesten samme

10 27.10 lokasjon, mens prøve 4 er tatt rundt 100 meter fra disse og prøve 1 er tatt meter videre innover. En oversikt over området er vist i Figur Figur 9: Oversiktstegning over prøvetatt område ved Åsland riggområde med prøvelokaliteter avmerket. Resultater Solbakktunnelen Fra Solbakktunnelen er det tatt og testet to prøver av undertegnede. Testene er utført på laboratoriet til SINTEF/NTNU, og resultatene er vist i Tabell 3. Tabell 3: Resultater fra prøver tatt ved Solbakktunnelen. Pel Materiale < 20 μm, % Fri svelling, % Svelletrykk, MPa 9450 sør 7, , nord 7,2 90 0,06 Resultatene fra disse testene viser veldig lavt svelletrykk og antyder at leiren i området ikke er aktiv. Dette er som forventet, da prøvene ble tatt i et område med fyllitt og denne bergarten inneholder lite svellende materialer. Det er for øvrig lite som skiller egenskapene fra de to lokasjonene. Disse ble tatt i hvert sitt løp av samme tunnel, og det er rundt 25 meter mellom prøvene. Når det gjelder materiale mindre enn 20 μm, er det veldig lite som skiller de to prøvene, selv om det ved prøvetagning føltes som materialet fra det sørgående løpet var grovere. Det er også lite som skiller svelletrykket fra de to prøvene; kun 0,01 MPa forskjell. Det er vanskelig å si hvilke svellemekanismer som virker på bergarter som ikke har svellende mineraler og hva som sørger for at det er et svelletrykk, men det er tydelig at disse prøvene er veldig like når det gjelder egenskaper. Et resultat som er overaskende med denne prøven er at det ble indikert svellende mineraler ved XRD-analyse. Hva dette kan komme av er vanskelig å si, da test av fri svelling og ødometeranalyse indikerer at materialet er lite aktivt. Av dette kan man lære at det er viktig å

11 27.11 ta tester av egenskaper også, og ikke bare ta mineralogisk analyse da det er feilkilder ved alle typer tester. Larvikstunnelen Fra Larvikstunnelen er det tatt tre prøver av ingeniørgeologer på anlegget, der alle tre er testet på laboratoriet til SINTEF/NTNU. Resultatene er vist i Tabell 4. Tabell 4: Resultater fra prøver tatt ved Larvikstunnelen. Pel Materiale < 20 μm, % Fri svelling, % Svelletrykk, MPa ,7 For lite finstoff 0, ,6 For lite finstoff 0, ,1 For lite finstoff For lite finstoff Fra prøvene tatt i Larvikstunnelen er det lite materiale som er over 20 μm, og det blir mindre og mindre ved høyere pel-nummer. Dette kan tyde på at sammensetting endrer seg i sleppesonen, og det vil da også være naturlig å forvente endring i svelleegenskapene. Ved pel 2805 var det kun 0,1 % materiale under 20 μm, og ikke nok prøvemateriale til å utføre hverken fri svelling eller ødometertest. I svelleegenskaper er det også endringer, og resultatene fra ødometertestene viser at det nesten er en dobling i svelletrykk fra 0,17 MPa til 0,36 MPa fra pel 2785 til pel Resultatene viser at det er endringer selv over få meter og at egenskapene vil forandres. Dette kan komme av flere årsaker, men virkningen er at det vil oppstå forskjellig svelletrykk mot sikringskonstruksjonen. Det ble også funnet svellende mineraler ved XRD-analysen, noe som underbygger resultatene fra fri svelling og ødometeranalyse om at materialet i sonen er svellende. Svellende mineraler ble også funnet i prøven fra pel 2805 og indikerer at det er muligheter for svelling her også selv om ikke egenskapene er testet. Martineåstunnelen Fra Martineåstunnelen er det tatt fire prøver av ingeniørgeologer på anlegget, der alle fire prøvene er testet på laboratoriet til SINTEF/NTNU, resultatene er vist i Tabell 5. Tabell 5: Resultater fra prøver tatt ved Martineåstunnelen. Pel Materiale < 20 μm, % Fri svelling, % Svelletrykk, MPa 4650 Ikke gjort måling 150 0,19 (Tverrslag) 4725 Ikke gjort måling Ikke nok finstoff 0, Ikke gjort måling 187 0, Ikke gjort måling 235 0,32 I denne prøveserien er det gjort målinger med relativ lang avstand (31-75 meter mellom prøvelokasjonene). Resultatene fra ødomtertestene viser en viss svingning over området, men forskjellen fra største til minste målte svelletrykk er ikke mer enn 0,15 MPa. Dette kan tyde på at sonen er lite svellende, men blir mer svellende mot høyere pel-nummer. Resultatene fra fri svelling viser også en variasjon der det blir høyere svellepotensiale mot høyere pelnummer. Her er prøvene fra pel 4650 og 4792 karakterisert som middels aktive,

12 27.12 mens prøven fra pel 4823 er veldig aktiv. Dette indikerer at det er endringer i egenskapene i sonen, og resultatene varierer fra 150 % %. Det ble ved XRD-analyse funnet svellende mineraler i alle de tre prøvene som ble testet av undertegnede, og det er tydelig at det er svellepotensiale over hele sonen. Åsland riggområde Fra Åsland riggområde er det tatt fire prøver av ingeniørgeologer på anlegget, der alle fire er testet av laboratoriepersonel på SINTEF/NTNU, resultatene er vist i Tabell 6. Tabell 6: Resultater fra prøver tatt ved Åsland riggområde. Prøvenummer Materiale < 20 μm, % Fri svelling, % Svelletrykk, MPa , , , ,34 Det første som er verdt å merke seg med resultatene er at det er nesten likt antall materiale som er < 20 μm i alle prøvene. Kun en liten endring fra 7 til 8 % skiller prøvene fra hverandre. Resultatene fra fri svelling viser at leira i sleppesonen er aktiv over hele sonen, men at det er en variasjon fra 155 % til 219 %. Fra lokasjon 2 og 3 som er nesten samme sted er for øvrig resultatet nesten helt identisk (218 % og 219 %). Ved testing av svelletrykk er det større variasjoner selv om alle prøvene havner i kategorien for middels aktive prøver som går fra 0,3 MPa 0,75 MPa. Prøvene er likevel i forskjellige ende av kategorien, og variasjonene er relativt store. Der er ikke bare én prøve som skiller seg ut heller, da det er to prøver med noe lavere svelletrykk (0,34 MPa og 0,45 MPa) og to prøver i øvre del av kategorien (0,68 MPa og 0,70 MPa). Dette tyder på at egenskapene varierer innenfor sonen og fra lokasjon til lokasjon. Det kommer også tydelig frem at det er stor variasjon på prøvene som er tatt nær hverandre, da prøve 2 hadde 0,45 MPa svelletrykk og prøve 3 0,70 MPa. OPPSUMERING Resultatene fra litteraturstudiet og prøvene som er gjort i laboratoriet viser at dimensjonering av sikring ved soner med svelleleire er et krevende tema. Det er mange faktorer som spiller inn og flere av disse, både i lab og i felt, er vanskelige å kvantifisere. For laboratoriemetodene er det blant annet store usikkerheter som kommer av at prøven bearbeides kraftig og at det er vanskelig å gjenskape in-situ forhold i laboratoriet. Testingen som ble gjennomført viste at det var relativt store forskjeller i svelletrykket innenfor samme sone. Prøver tatt med små avstander kunne gi en nesten dobling av verdiene, som f.eks. i tilfellet med prøvene fra Larvikstunnelen der de er tatt med 5 meters mellomrom. En oversikt over alle resultatene er vist i Tabell 7. De mest interessante prøvene av fri svelling er fra Åsland Riggområde og Martineåstunnelen, da disse har høye resultater og er middels til meget aktive. Spesielt i Martineåstunnelen er det store variasjoner, og resultatene går fra 150 % til 235 % fri svelling. I Larvikstunnelen var det nesten en dobling av svelletrykk over en avstand på 5 meter. Dette viser at det kan være store variasjoner innenfor samme sone, og tyder på at egenskapene endrer seg mye.

13 27.13 Lokasjon Tabell 7: Resultater fra de forskjellige prøvelokasjonene samlet i en tabell. XRD Materiale < 20 µm [%] Fri svelling [%] Svelletrykk [Mpa] Solbakktunnelen 9450-sørgående Smektittgr. 7, , nordgående Smektittgr. 7,2 90 0,06 Larvikstunnelen 2795 Smektittgr. 1,7 For lite finstoff 0, Smektittgr. 0,6 For lite finstoff 0, Smektittgr. 0,1 For lite finstoff For lite finstoff Martineåstunnelen 4650 Smektittgr. Ikke målt 150 0, Smektittgr. Ikke målt For lite finstoff 0, Smektittgr. Ikke målt 187 0, Smektittgr. Ikke målt 235 0,32 Åsland riggområde 1 Smektittgr ,68 2 Smektittgr ,45 3 Smektittgr ,70 4 Smektittgr ,34 Det var også store forskjeller på hvor mye prøvemateriale som var mindre enn 20 µm, og det vil dermed være vanskelig å si hvor mye resultatene skal vektlegges. Ved prøven tatt ved pel 2800 i Larvikstunnelen er det 0,6 % finstoff og et svelletrykk på 0,36 MPa. Det blir da vanskelig å bestemme svelletrykk som vil virke på sikringskonstruksjonen. Forøvrige viste XRD-analysen at alle prøvene inneholdt mineraler tilhørende smektittgruppen. Det at testene viser en slik variasjon av egenskaper innenfor samme sone viser at det må tas prøver gjennom hele sonen for å få et godt bilde av de faktiske forholdene. Også tidligere studier har vist at det kan være enkelte variasjoner innenfor samme lokasjon (Tyssekvam, 1996). Det er flere forhold rundt berget og bergrommet som avgjør om svellingen vil realiseres insitu. Dette gjelder blant annet sonens mektighet og orientering, materialets mulighet til å svelle bak sikringskonstruksjonen og vannforholdene. I tillegg til dette er det som nevnt betydelige endringer i egenskaper innenfor samme sone. Til sammen gjør dette at det er vanskelig å kunne si noe sikkert om hvor mye trykk sikringskonstruksjonen vil få. En må derfor legge de forskjellige faktorene til grunn og gjøre en samlet konservativ vurdering. Litteraturstudien viste at det er få prosjekter der det har oppstått utrasing og stabilitetsproblemer som følge av svellende sleppemateriale. I de eksempelene det ble sett på var det ikke veldig høye svelletrykk ved utrasing. Dagens eneste veileder for sikring mot svelleleire finnes i Håndbok N500 Vegtunneler. Denne beskriver betongutstøpning ved soner som viser svelletrykk ved ødometertest > 0,5 MPa og har mer enn to meters mektighet. Dette fjernes for øvrig i ny versjon som kommer i november Ellers er sikring mot svelleleire beskrevet mer generelt i NFF, Håndbok 5; Tung bergsikring i undergrunnsanlegg og Q-metoden tar til en viss grad hensyn til svelling ved Ja og SRF.

14 27.14 REFERANSELISTE Barton, N., Grimstad, E. & Løset, F Bruk av Q-systemet, Oslo: NGI. Mao, D Analysis of Rock Support Performance for Tunnelling in Weakness Zones Containing Swelling Clay. Trondheim: Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet NFF Tung bergsikring i undergrunnsanlegg, Oslo: Norsk forening for fjellsprengningsteknikk. Nilsen, B., Mao, D. & Dahl, F. Laboratory Testing of Swelling Gouge From Weakness Zone- Principle And Recent Update. 45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, American Rock Mechanics Association. Nilsen, B. & Broch, E Ingeniørgeologi berg grunnkurskompendium, Trondheim: Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU. Norsk Bergmekanikkgruppe, Håndbok Ingeniørgeologi-berg, Trondheim Selmer Olsen, R Metode for bestemmelse av dimensjonerende svelletrykk, Oslo. Statens Vegvesen Vegtunneler - Håndbok N500, Oslo: Statens vegvesen. Statens Vegvesen Håndbok R210 - Laboratorieundersøkelser Oslo: Statens Vegvesen. Tyssekvam, I. O Svakheitsoner i tunnel Romeriksporten - Prøvetaking og karakterisering av sleppemateriale, Trondheim: Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU).