NGF MELDING 6 MÅLING AV GRUNNVANNSTAND OG PORETRYKK

Transkript

1 1

2 NGF MELDING 6 MÅLING AV GRUNNVANNSTAND OG PORETRYKK 2

3 SYNOPSIS This recommendation from the Norwegian geotechnical Society presents methods and equipment for measuring pore water pressure and the ground water level. The recommendation is divided in two sections. The first is concerned with definitions, the second with methods and equipment. A summary in English is given. FIGURE REFERENCES 1. Hydrostatic pressure distribution. 2a. Total head, pore water pressure and piezometric head. 2b. Some geohydraulic concepts. 3. Example of pore pressure measurements. 4. Example of pore pressure measurements in stratified soil. 5. Example of pore pressure measurement in clay. 6. Examples of relation between the ground water table and the free water level in an open reservoir (river, lake etc.). (a) (b) (c) (d) River supplying water to adjacent soil. River receiving water from adjacent soil. Seasonally active river percolating into soil. River isolated from aquifer. 7. Example of two separate ground water tables, one of which represents a perched condition. 9. Example of two piezometric levels, one of which represents an artesian condition. 10. Section of standpipe with filter. 3

4 11. Approximate time of response for different piezometers. 12. Hydraulic piezometers (model NGI). 13. Aid for selection of piezometric equipment best suited under various conditions. 14. Check on the efficiency of an open type hydraulic piezometer, with two examples. 15. Electrical piezometer (model NGI). 16. Checking and reading of an electrical piezometer (NGI). 17. Log for open type hydraulic piezometer. 18. Log for electrical piezometer. 4

5 SUMMARY This recommendation from the Norwegian Geotechnical Society presents methods and equipment for measuring pore water pressure and the ground water level. The recommendation is divided in two sections. The first is concerned with basic concepts the second with methods and equipment. The ground water level is defined as that level in or under the grouns surface, where the pore water pressure is zero, provided the pore water increases with dept from that level. There may be more than one ground water level within the same vertical section. With reference to Fig. 4 there are three levels where the pore water pressure is zero. Yet, according to the definition given, the sand 2 and the sand and gravel 3 disqualify for the designation ground water level as their zero levels are not within the boundaries of that layer. The equipment described for measuring the pore water pressure and the ground water level comprises the open type standpipes, the open type hydraulic piezometers (like the Casagrande cell and the NGI piezometer) and the closed systems (like the electrical vibrating string piezometer of NGI and the pneumatic piezometers). A table is given (Fig. 13) to aid in selecting the equipment best suited for various soils and pore pressure conditions. The installation and control of the various instruments are described and sources of error are listed. Fig. 17 and 18 show the log of readings used in situ. Fig. 3 and 4 show two different diagrams for the results.ing the equipment best suited for various soils and pore pressure conditions. The installation and control of the various instruments are described and sources of error are listed. Fig. 17 and 18 show the log of readings used in situ. Fig. 3 and 4 show two different diagrams for the results. 5

6 INNHOLD INNLEDNING 7 DEL A: GRUNNBEGREPER 8 1. HYDROSTATISK TRYKKFORDELING 8 2. IKKE-HYDROSTATISK TRYKKFORDELING 8 3. PORETRYKK 9 4. GRUNNVANNSTAND, GRUNNVANNFLATE 9 DEL B: METODER OG UTSTYR OVERSIKT OG BESKRIVELSE Vannstandsobservasjoner Åpent, hydraulisk system Lukket, hydraulisk system Elektriske poretrykksmålere Pneumatiske poretrykksmålere RESPONSTID OG INNSTILLINGSTID VALG AV MÅLEUTSTYR BESKRIVELSE OG BRUK AV ÅPEN, HYDRAULISK PORETRYKKSMÅLER BESKRIVELSE OG BRUK AV ELEKTRISK PORETRYKKSMÅLER FEILKILDER 15 LITTERATUR FIGURER 1-18 SIDE 6

7 INNLEDNING Grunnvannet spiller en viktig rolle i nesten alle geotekniske spørsmål. Under en viss dybde av er alle jord- og bergarter på det nærmeste vannmettet, det vil si at alle hulrom (porer, sprekker m.m) er praktisk talt fylt av vann. Luft og annen gass kan likevel forekomme i porene, dels oppløst i grunnvannet, dels i gassform. I det sistnevnte tilfellet er materialet bare delvis mettet, noe som særlig forekommer i fyllinger og drenerte jordlag nær overflaten. Av størrre betydning enn metningsgraden er vanligvis trykkforholdene i grunnvannet. De har avgjørende innvirkning på stabilitetsforhold og forløp av setninger i jordmasser. Å bestemme trykktilstanden i porevannet, poretrykket, er et nødvendig middel til å kunne overvåke visse tidsavhengige grunnarbeider og vurdere virkningene av forskjellige geotekniske prosesser. Veiledningen tar sikte på å definere poretrykk, grunnvannstand og beslektede begreper, å beskrive hovedtrekkene ved de målemetoder som benyttes, og å gi opplysning til hjelp når man skal velge metode og utstyr under forskjellige forhold. I første rekke behandles målinger som inngår som ledd i grunnundersøkelser, idet for eksempel poretrykkmåling i damfyllinger kan stille andre krav enn de som gjelder ved måling i naturlig grunn. Veiledningen består av to deler. Grunnbegrepene forklares i del A, mens målemetoder og utstyr behandles i del B. 7

8 DEL A: GRUNNBEGREPER 1. HYDROSTATISK TRYKKFORDELING I et åpent basseng med stillestående vann øker trykket (p) lineært med dybden (d) og er gitt ved uttrykket p = γ w d = ρ w gd Her er ρ w = vannets densitet (ca kg/m 3 ), g= tyngdens akselerasjon, og γ w = ρ w g = vannets tyngdetetthet (ca N/m 3 = 9,8 kn/m 3 ). Atmosfærens trykk er ikke medregnet, og vanntrykket p regnes således ikke som absolutt, men som overtrykk i forhold til atmosfærisk trykk. Formelen gjelder så vel åpne vannmasser (hav, innsjø, elv) som vann i brønner og standrør med ubetydelig strømning. Hydrostatisk trykkfordeling er karakterisert ved at vanntrykket i ethvert punkt svarer til tyngden pr. flateenhet av en vannsøyle som står i nivå med overflaten av vannbassenget. Dette er illustrert ved fig. 1, som representerer trykkforholdene når vannmassene er i likevektstilstand. I grunnvannet kan også hydrostatisk trykkfordeling forekomme, i første rekke hvor jordmassen er meget vanngjennomslippelig (permeabel), og ikke inneholder noe tettende lag. I slike sand- og grusavsetninger kan trykkforholdene i grunnvannet registreres med standrør. Det er vertikale rør som i nedre ende er perforert og som regel utstyrt med et filter, og som i øvre ende er åpne mot fri luft. Hvis det innenfor et lite areal settes ned flere standrør til ulike dybder i en slik permeabel grunn, og trykkfordelingen er hydrostatisk, vil vannstanden i disse rør etter en tid stille seg i samme nivå uansett hvilken dybde rørenes nedre ende står i. Det forutsettes at alle rør står dypt nok til at de kommuniserer med grunnvannet. Dette felles nivå betegnes som grunnvannstanden for avsetningen på et gitt sted, ved tidspunktet for observasjonene. Denne definisjonen av grunnvannstand gjelder imidlertid ikke under alle forhold. En mer generell definisjon er gitt i avsnitt IKKE-HYDROSTATISK TRYKKFORDELING Sammenliknet med trykket i et åpent basseng, som er entydig bestemt av dybden, er trykkfordelingen i grunnvannet avhengig også av en rekke andre faktorer, som nedbør, frost, snøsmelting, tørke, drenasje og eventuell pumping fra brønner. Påføring av belastning på grunnen, jordlagenes permeabilitet og kompressibilitet, og andre geologiske og topografiske forhold kan dessuten spille en stor rolle. Flere av disse faktorene varierer på et gitt sted med både dybden og tiden, og dette gjør at en gjennomgående hydrostatisk trykkfordeling er et idealisert tilfelle som inntreffer sjelden eller bare tilnærmet. Eksempelvis kan tynne lag av leire eller annet tettende materiale forårsake en trykkfordeling som er ikke-hydrostatisk eller bare delvis hydrostatisk. Setter man ned flere standrør på 8

9 samme sted til forskjellige dybde i permeable jordlag, kan man se om trykkfordelingen er hydrostatisk eller ikke. Stiller vannstanden seg ulikt i rørene, er trykkfordelingen ikke gjennomgående hydrostatisk. Det strømmer da vann gjennom ett eller flere jordlag. Strømningshastigheten kan være stor eller ubetydelig, avhengig av jordartene. 3. PORETRYKK Det er som regel mest hensiktsmessig å beskrive trykkforholdene i grunnvannet ved hjelp av poretrykkbegrepet. De nedenstående definisjoner knytter seg til fig. 2 (a) og (b). Poretrykket defineres som trykket i porevannet angitt som kraft pr. flateenhet og med atmosfæretrykket som nullpunkt. I stedet for å gis direkte kan poretrykket representeres enten ved trykkhøyden eller ved potensialnivået, slik som vist på fig. 2 (a). I visse tilfeller kan det opptre negativt poretrykk (sug). I delvis mettet jord vil trykket i porene også bestå som et gasstrykk, men dette kan avvike fra poretrykket definert som et vanntrykk. Absolutt poretrykk finner man ved å addere det aktuelle atmosfæretrykket p a til det målte poretrykk (hvor for eksempel p a = 1000 mbar = 100 kn/m 2 ). Med pore-overtrykk (Δu) menes den del av poretrykket som overstiger et visst referansetrykk. Som referansetrykk benyttes for eksempel et hydrostatisk fordelt poretrykk. Er poretrykket mindre enn referansetrykket, kan differensen betegnes som pore-undertrykk. Poretrykkmåler (piezometer) er et instrument til å måle poretrykk i jord. For å bestemme poretrykkforholdene i grunnen må man som regel foreta poretrykkmåling i flere dybder og over en viss tidsperiode. Ved fremstilling av tidsforløpet for poretrykket i ett eller flere målepunkter er det ofte hensiktsmessig å bruke en nivåskala med kotehøyder for potensialet (h), dvs. det nivå en tenkt vannsøyle må stå i for å gi det målte trykk i målepunktet. Et eksempel på slik fremstilling er gitt på fig. 3. Selve poretrykket kan da finnes av u = γ w (h-z), hvor z = stedshøyde (kote) for målepunktet, slik det fremgår av fig. 2 (a). Som et annet eksempel viser fig. 4 resultatet av poretrykkmålinger i en lagdelt grunn. Stiplede linjer viser forlengelser av hydrostatisk trykkfordeling i sandlagene. Disse linjene skjærer nullinjen for poretrykket i tre ulike nivåer. Hvert nivå representerer potensialet i det tilhørende permeable jordlag. 4. GRUNNVANNSTAND, GRUNNVANNFLATE En generell definisjon av grunnvannstand er basert på trykkfordeling i grunnvannet og gjelder også for lite permeable jordmasser. Kort uttrykt sier den at grunnvannstanden er det nivå i 9

10 eller under terrengnivå hvor poretrykket er lik null. Det stilles som tilleggskrav at poretrykket øker med dybden fra det nevnte nivå. Ved grunnforhold som forutsatt i avsnitt 1 faller den slik definerte grunnvannstand sammen med vannstanden i standrør. I det generelle tilfelle kan grunnvannstanden (dvs. nulltrykknivået) bare finnes ved å utføre et passende antall poretrykkmålinger i forskjellige dybder og ekstrapolere poretrykkene til skjæring med nullinjen. Nulltrykknivået har ingen direkte sammenheng med vanninnholdet eller metningsgraden i jordmassen. Ofte er jordmassen vannmettet også i den kapillære sonen over grunnvannstanden. Ekstrapolasjon fra hydrostatiske partier av poretrykkurven kan gi flere skjæringer med nullinjen. På fig. 4 er tre nulltrykknivåer bestemt på denne måten. Den ovenstående definisjon av grunnvannstand tilfredsstilles imidlertid verken av nulltrykknivået for sand 2 eller av det for sand og grus 3, fordi poretrykket ikke er null noe sted i disse jordlag. Bare nulltrykknivået for sand 1 kan derfor betegnes som en grunnvannstand, mens alle tre nivåer er potensialnivåer for de respektive lag. I dette eksemplet er det antatt at det hersker hydrostatisk trykkfordeling i ett eller flere jordlag, men dette er ingen nødvendig forutsetning for å bestemme en grunnvannstand etter den definisjonen som er gitt. Fig. 5 viser et eksempel på dette. Hvor trykkfordelingen er uoversiktlig eller avviker radikalt fra den hydrostatiske, særlig i leire, kan ikke alltid en entydig grunnvannstand bestemmes. Ser man på forholdene over et visst område, brukes betegnelsen grunnvannflate eller grunnvannspeil for den flate som man kan tenke seg fremkommer ved å forbinde grunnvannstanden på flere målesteder innenfor et område. Det kan i visse tilfeller være tale om flere grunnvannflater i samme område. Fig. 7 gir et eksempel på forekomsten av to adskilte grunnvannflater, noe som her skyldes et mellomliggende leirlag. En potensialflate er en flate som man får ved å forbinde potensialnivået på flere målesteder for et visst vannførende lag. Når en potensialflate ligger høyere enn terrenget og en eventuell fri vannflate, hersker det en artesisk tilstand, som kan gi et oppkomme hvis det tettende laget punkteres eller eroderes av vannstrømmen. Både grunnvannflater og potensialflater er i alminnelighet krumme, som antydet på fig. 6, 7 og 8 (etter Johnson, 1972), særlig i nærheten av aktive brønner og infiltrasjonspunkter. Selv om elver, innsjøer m.m ofte kommuniserer med grunnvannet (som i fig. 6a og b), kan i visse tilfeller et frittstående vannbasseng ha en liten eller ingen relasjon til grunnvannflaten eller potensialflaten under bassenget (fig. 6c og d). Fig.8 viser et eksempel på artesiske forhold, noe som er ganske vanlig i dalsenkinger, men som det er lett å overse hvis det for eksempel bare settes standrør ned i det øvre sandlaget. 10

11 Som eksemplene antyder er det ofte en vanskelig oppgave å kartlegge grunnvannforholdene. Arbeidsmåten må tilpasses så vel problemstillingen som de geologiske forhold, noe som krever både teoretisk innsikt og kjennskap til målemetoder og utstyr. DEL B: METODER OG UTSTYR 5. OVERSIKT OG BESKRIVELSE 5.1 Vannstandsobservasjoner Ved grunnundersøkelser bør som regel vannstanden i borehull og eventuelle sjakter, brønner, elver og innsjøer måles inn, selv om disse observasjonene ikke kan anses som direkte grunnvannstandsmålinger. Slike målinger kan i oppsprukken tørrskorpe registrere tilsig av regnvann gjennom sprekkesystemet, og dette behøver ikke ha noen sammenheng med poretrykket i leira. Målingenes relevans er sterkt avhengig av forholdet mellom tilsiget av vann og fordampingen, og de er derfor best egnet i grove jordarter. Jo lenger tid observasjonene strekker seg over, jo større betydning kan de tillegges, særlig dersom de blir supplert med opplysninger om nedbør og lokale avløps- og tilløpsforhold. 5.2 Åpent, hydraulisk system Standrør: Målinger ved hjelp av standrør forutsetter at bare permeable lag skal undersøkes, og at en har nødvendig kjennskap til hvilke dybder ett eller flere slike lag befinner seg på innenfor det området målingene skal omfatte. Dette krever som regel at grunnundersøkelser må være utført, eller utføres samtidig med at standrørene blir satt ned. Standrørenes nedre ende må være perforert og utstyrt med sil- eller filterspiss. Skal de stå i finere materiale enn fin sand eller grus, bør de dessuten utføres med sandfilter. Fig. 9 viser snitt av standrør med filterspiss. Valg av nedsettingsdybde kan ha stor betydning i lagdelt grunn, hvor trykkfordelingen sjelden er hydrostatisk. Standrør eller åpne borehull er nødvendige hvis vannprøver skal tas opp eller det skal utføres prøvepumping. Casagrandes piezometer: Den første effektive poretrykkmåler for finkornige jordarter var Casagrandes piezometer (fig. 11), som består av et rørformet keramisk filter med en plastslange til overflaten. Denne måleren er beregnet på å settes ned i et borehull, og fungerer i prinsippet som et standrør med lite tverrsnitt i forhold til filterarealet. Rundt filteret fylles egnet filtersand. Hullet over filteret forsegles. Systemet vannmettes før nedsettingen, og poretrykket måles ved at en peiler vannstanden i plastslangen, for eksempel med en elektrisk kontaktsonde. Detaljerte anvisninger på installasjon er gitt av U.S. Dept. of the Interior (1974). Hydraulisk poretrykkmåler, type NGI: I prinsippet er dette som Casagrandes piezometer, men filterspissen er skrudd fast i stålrør (Fig. 12 a). Måleren presses ned i grunnen, og forseglingen 11

12 skjer ved direkte kontakt mellom jord og rør. Stigeslangen ligger beskyttet inne i rørene. Nærmere omtale av slike poretrykkmålere er gitt i avsnitt Lukket, hydraulisk system Et lukket system (fig. 12b), får en ved å montere et kvikksølvanometer, et manoakvuumeter eller en elektrisk trykkgiver på enden av slangen. Det lukkede system gir raskere respons på trykkvariasjoner. Etter at de elektriske poretrykkmålerne er kommet i bruk er manoakvuumetere og kvikksølvanometere mindre brukt. 5.4 Elektriske poretrykkmålere En trykkgiver på elektrisk basis er montert i spissen av poretrykkmåleren. Giveren kan være svingende streng, trekklappsystem eller lignende. Fra giveren går ledninger gjennom forlengelsesrør til måleinstrument. Slike målere har kort responstid og stiller mindre krav til frostbeskyttelse enn de hydrauliske målerne. Elektriske poretrykkmålere kan selvsagt også benyttes uten forlengelsesrør, installert i borehull på samme måte som omtalt for Casagrandes piezometer. Måleren har da større frihet med hensyn til ledningsføring og avlesningssted enn den hydrauliske typen. 5.5 Pneumatiske poretrykkmålere Disse er basert på utbalansering av poretrykket med et gasstrykk som lett kan måles. Denne typen piezometer er utviklet blant annet i Sverige (Kallstenius og Lindberg, 1965), men er foreløpig ikke tatt i bruk i Norge. På samme måte som ved elektriske målere kan de pneumatiske leses av i ubegrenset høyde over filteret. Installasjon og avlesning av pneumatiske målere er neppe mer tidkrevende enn for elektriske målere. Det foreligger ennå lite materiale for en vurdering av pneumatiske målere. 6. RESPONSTID OG INNSTILLINGSTID Den tiden det tar for måleren å registrere endringer i poretrykket avhenger av grunnens permabilitet og av målerens virkemåte og konstruksjon. Responstiden er den tiden som kreves for å oppnå en viss prosentvis utligning (for eks. 90 %) mellom målt og sant poretrykk etter at en endring i det sanne poretrykket er oppstått. Fig. 10 viser responstiden for forskjellige målere i forskjellige jordarter. En ser at responstiden kan variere fra noen sekunder til flere år. Når en poretrykkmåler presses ned i tette jordarter som leire, oppstår et poretrykk som følge av massefortrengningen. Det tar tid før dette drenerer seg ut og et stabilt poretrykk innstiller seg. Innstillingstiden kan være lenger enn responstiden. I Osloleirer er den målt til 2-3 døgn, selv for en måler med raskeste respons. (Måleren hadde filterdiameter Ø 32 mm.) 12

13 7. VALG AV MÅLEUTSTYR Grunnforholdene og måleoppdragets art vil i stor grad bestemme hva slags utstyr som bør velges. Fig. 13 viser forslag til valg av måleutstyr. Det understrekes at dette er ment som veiledning og ikke som et forsøk på normering. Valget av utstyr må avpasses etter problemstilling, krav til responstid, til innstillingstid, økonomi, disponibel tid for måling etc. Det er her behov for individuell vurdering ut fra erfaringer. Ved valg av et system bør en ha i tanke muligheten for kontroll og kalibrering etter at det er tatt i bruk. Poretrykkmåling i fjell skiller seg til dels sterkt ut fra poretrykkmåling i vanlige jordarter, og det er derfor ofte å benytte spesielt utstyr til slike målinger. 8. BESKRIVELSE OG BRUK AV ÅPEN, HYDRAULISK PORETRYKKMÅLER Beskrivelsen som følger er knyttet til NGI s hydrauliske poretrykkmåler fordi den er den mest brukte her i landet (fig. 12a), men den kan like godt anvendes på andre poretrykkmålere av samme prinsipp. Utstyr og installasjon. Spissen på måleren har et bronsefilter eller et keramisk filter rundt en messingstamme. Det vanlig brukte filteret har finhetsbetegnelsen kv80. Keramisk filter foretrekkes der målingene strekker seg over et lengre tidsrom og grunnens fasthet ikke er for stor til at keramisk filter tåler nedpressingen. En måleslange av plast festes til spissen og føres opp gjennom foringsrøret. Når den første lengden av foringsrøret er skrudd på, settes spissen ned i en bøtte med rent vann. Måleslangen tres inn på nippelen til en spesiell bøttesprøyte, og det pumpes vann gjennom filteret til det er fritt for luft. På forhånd skal det være forboret ned gjennom tørrskorpa der poretrykkmåleren skal settes ned. Forboringen kan godt være ført dypere, men ikke så dypt at det blir kommunikasjon for vann ned langs stanga til spissen. En bør derfor avslutte forboringen minst tre meter over det planlagte spissnivået. Under nedpressingen spyles det med vann fra bøttesprøyten til spissen er kommet ned i den ikke forborede grunnen, og deretter plugges slangen for å hindre vanntransport inn i filteret. Spylingen bør avsluttes minst en meter over det nivået der spissen skal stå under målingen. Frostsikring. Er det fare for frost skal vannet i måleslangen byttes ut med frostvæske. Denne består normalt av en blanding glyserin, rødsprit og vann, slik blandet at densiteten blir så vidt litt mindre enn for vann. Frostvæsken pumpes inn ved hjelp av bøttesprøyte eller lignende gjennom en tynnere plastslange som føres ned gjennom måleslangen til bunnen av denne. Måling. En vanlig metode for måling av vannstanden i måleslangen er å benytte en kabel med to paralelle ledere som ikke går sammen i kabelende. Et batteri leverer strøm til kabelen. Når kabelenden kommer ned i vann eller frostvæske, blir det strømforbindelse. Dette registreres på et amperemeter. Målingene utføres ved at kabelen føres ned gjennom måleslangen til 13

14 amperemeteret gir utslag. Dybde fra toppen av måleslangen ned til vannet i slangen noteres på spesielt skjema (fig. 17). Opptegning av måleresultatene kan gjøres som vist på fig. 5. Som referanse er linjen for hydrostatisk trykkfordeling lagt inn. Kontroll av måleren. En metode for funksjonsprøving og bestemmelse av responstid som er benyttet for å åpne systemer (Casagrande 1949), men som også kan tilpasses lukkede systemer skal kort beskrives. Det forutsettes at piezometeret har stabilisert seg etter installasjonen, og at ingen annen endring av poretrykktilstanden skjer ved kontrolltidspunktet enn den som skal omtales. Ved et gitt startpunkt (t o ) økes eller minskes trykket i piezometersystemet med en verdi (Δu o ) som minst tilsvarer 20 ganger anslått avlesningsfeil. For et åpent system gjør en dette ved å fylle opp eller fjerne en passende mengde vann. For et lukket system kan trykket i systemet endres ved hjelp av en tilkoblet skrukontroll. Det oppståtte undertrykk eller overtrykk Δu avleses med passende mellomrom til minst 95 % trykkutligning er oppnådd. Dette bestemmes ved at forholdet Δu o /Δu (eventuelt trykkhøydeforholdet H o /H) plottes i logaritmisk skala (se eksempel på fig. 14). I et slikt diagram svarer Δu o /Δu = 20 til 95 % trykkutligning. Hvorslev (1951) har gitt det teoretiske grunnlaget. Kurven skal teoretisk bli en rett linje gjennom origo, med en helning som utrykker piezometerets responstid i vedkommende jordart. Plotter punktene som en krum kurve, tyder det på at det forekommer gass i systemet. Er responstiden for lang, tyder det på at filteret er tettet til eller at en feil av annen art har oppstått. Eksempelet viser resultater at to kontroller av samme piezometer med ett års mellomrom, hvor responstiden har endret seg fra 2,9 timer til 5,3 timer. 9. BESKRIVELSE OG BRUK AV ELEKTRISK PORETRYKKMÅLER Beskrivelsen som følger er knyttet til NGI s poretrykkmåler M 600 med nullpunktkontroll og basert på svingende streng som giverelement. Beskrivelsen kan like godt benyttes for andre poretrykkmålere av samme prinsipp. Utstyr: Måleren har et epoxy filter (fig. 15). (Vanligvis brukes filter med finhetsbetegnelsen kv80, som tilsvarer kornstørrelse ca. 0,17 mm. I umettede jordarter benyttes finkornede filtere som for eks. Aerox celloton Grade VI med air entry value 2,14 bar.) En stålmembran deformeres elastisk av poretrykket. Strengen som er festet til membranen forandrer egenfrekvens når membranen deformeres. Fra måleren fører elektriske ledere opp gjennom foringsrøret til overflaten og avlesning foretas med et frekvensmeter. Til utstyret hører også en femliters trykkluftflaske med reduksjonsventil, manometere og trykkluftregulering til bruk ved nullpunktskontroll og til trykkregulering under nedpressing. 14

15 Kalibrering og nullpunktskontroll: Kalibrering skjer i minst ti trinn over målerens måleområde med en nøyaktighet lik eller bedre enn 0,1 % av fullt måleområde. Kalibrering skal skje minst en gang i året og npr det er mistanke om at måleren er overbelastet. Målerens nullpunktsfrekvens kan kontrolleres mens måleren står i bakken. Det er boret to små hull i målerens stålmembran, og under denne er det montert en gummimembran (fig. 16). Tilføres trykkluft på oversiden av membranene vil først trykkdifferansen utlignes. Økes luffttrykket ytterligere presses gummimembranen ut fra stålmembranen som blir ubelastet, og nullfrekvensen kan måles. Klargjøring og nedsetting: Tidligere beskrivelse av forboring og frostsikring ved omtale av hydrauliske poretrykkmålere (se pkt. 8) gjelder også her. I prinsippet bør måleren være best mulig vannmettet ved nedsetting. Dette kan for eksempel gjøres på følgende måte: Målerspissen fylles helt med rent vann. Et vannfylt kondom eller en plastpose trekkes over måleren. Ved nedpressingen vil posen bli punktert og dratt bort fra spissen. Forlengelsesrørene skrus på etter hvert som måleren presses ned. Frekvenstallet avleses kontinuerlig. Under nedpressingen må det påses at membranen ikke overbelastes ved å regulere nedpressingshastigheten og/eller påføre gasstrykk bak membranen. Etter at måleren er presset ned til full dybde kontrolleres nullpunktsfrekvensen og deretter tas første avlesning. Ved måling av dynamiske variasjoner i poretrykket (raske forandringer) kan det være behov for spesielle forholdsregler for metting, som for eksempel koking av filteret under vakuum og nedsetting av måleren gjennom vannfylt foringsrør. Avlesning: Det tar noe tid før poretrykket innstiller seg på stabilt nivå. Innstillingstiden er avhengig av hvor tett massen er. Frekvensen avleses. Målerens nullpunkt kontrolleres. Ny poretrykkavlesning foretas når frekvensen er stabil igjen. Fig. 18 viser et eksempel på føring av måleresultatene. Fra kalibreringen finner en de poretrykkene som tilsvarer de avleste frekvensene. Kontroll av måleren: For å kontrollere om det er lekkasje i de nederste gjengeforbindelsene fyller en opp forlengelsesrøret med vann etter at installasjonen er ferdig og en har fått stabile avlesninger. Får en endrede poretrykkavlesninger som følge av oppfyllingen tyder det på lekkasje. Når målingene er avsluttet tas måleren opp og kontrolleres. Nullfrekvensen avleses, spissen med filteret skrus av måleren og filteret inspiseres visuelt. 10. FEILKILDER Generelt: Installasjon, bruk og kontroll av poretrykkmålere stiller krav til forståelse og erfaring hos feltpersonalet. De vanligste feil har sammenheng med montasjen og gjelder alle faser, fra eventuell forboring av hullet og nedføring av måleren, og eventuell forsegling, til metning av systemet. 15

16 Deformasjoner i grunnen: Dette kan medføre store skader på poretrykkmålere, særlig på rør og slanger, og derved være årsak til feilaktige målinger. Beskyttelse mot slik skade kan i visse tilfelle oppnås med foringsrør. En bør passe på at poretrykkmålere som står ute i vannet ikke er frosset fast i isen og følger tidevannet opp og ned, da dette kan gi store feil i avlesning. En lignende effekt kan en få ved store feil i avlesning. En lignende effekt kan en få ved store setninger der måleren penetrerer ned i grunnen. Forsegling: Utette rørskjøter kan føre til drenasje og derved gi feilaktige måleresultater. Manglende tetning over filteret, slik at det oppstår kommunikasjon med overliggende grunnvann, er trolig en vanlig feilkilde som kan gi utslag i måleresultatene, men som vanskelig kan oppdages. Hydraulisk system: Gassblærer kan oppstå ved montasjen, ved utskillelse av gass fra porevannet etter en tids bruk, ved galvanisk virkning, ved bruk av ikke diffusjonstett slange og ved midlertidig drenasje eller uttørking av jordlaget. Fyllmasser inneholder som regel luft eller annen gass. Ved bruk av grov filtertype (kfr. pkt. 8) vil gass kunne gi feilaktige poretrykkavlesninger. Det er en fordel om en har mulighet for å gjennomspyle systemet, for eksempel med dobbel slange. Poretrykkmålere med filtere med særlig fine porer som ikke slipper gass igjennom, foretrekkes i umettet materiale. Feil på kabel og svakt batteri kan gi opphav til feilavlesning av vannstanden. Frost vil sette måleren ut av funksjon. Derfor må en ofte benytte frostvæske. Visse typer frostvæske kan tette filteret, og den type som er beskrevet i avsnitt 8 bør fortrinnsvis benyttes. Frostvæske kan også ha en viss osmotisk effekt i filteret. I grove filtere har en funnet at effekten er mindre enn 1 kn/m 2. Elektriske og pneumatiske systemer: Disse krever stor påpasselighet ved metting av filteret og nedsetting. I delvis mettet jord kan gassinntrengning i filteret påvirke målingene, og valg av filtertype kan derfor ha betydning (kfr. pkt. 9). Variasjoner i tidevann og barometerstand: Ved målinger i kystområder vil tidevann gi fluktuasjoner i poretrykket. Dette er reelle trykkendringer og kan ikke betraktes som feil. Varierende atmosfæretrykk (barometerstand) påvirker avlest poretrykk i beskjeden grad. Virkningen kan ikke forhåndsberegnes, og en eventuell korreksjon må baseres på en serie målinger i en periode med sterkt varierende barometerstand, men for øvrig relativt stabile trykkforhold i grunnvannet på stedet. 16

17 LITTERATUR Bjerrum, L and I. Johannesen (1961). Pore pressures resulting from driving piles in soft clay. Pore Pressure and Suction in Soils, s , London 1961 (Butterworths). Brooker, E.W and D.A. Lindberg (1965). Field measurement of pore pressure in high plasticity soils. Proc.Int.Research and Engineering Conf. On Expansive Clay Soils, Vol. 2, Texas A. And M. Univ. Casagrande, A. (1949). Soil mechanics in the design in the design and construction of the Logan Airport, Journ. Boston Soc. Civ. Engrs., s , April Forsvarets Forskningsinstitutt (1977). Grunnvann. Del II. Forundersøkelser, brønner og kostnader. Intern rapport F-646, ref. 316-f/150. Kjeller, okt Hvorslev, M.J. (1951). Time lag and soil permeability in groundwater observations. Bull. No. 36, U.S. Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss. Johnson Division, Universal Oil Products Co. (1972). Ground water and wells. A reference book for the water-well industry. St. Paul, Minn., U.S.A., Kallstenius, T. and A. Wallgren (1956). Pore-water pressure measurement in field investigations. SGI Proc. No 13, Stocholm. Norges geotekniske institutt (1961). Poretrykk, poretrykkmåling. Intern rapport, Penman, A.D.M (1961). A study of the response time of various types of piezometer. Pore Pressure and Suction in Soils, s.53.58, London 1961 (Butterworths). Plantema, G. (1953). Electric pore-water pressure cells. Third Intern. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Vol. 1, p. 279 Statens Vegvesen, Vegdirektoratet Veglaboratoriet (1974). Instrukser for grunnundersøkelser (100 s.). Terzaghi, K. and R.B. Peck (1967). Soil Mechanics in Engeneering Practice, Art. 68, (s ). New York, U.S. Department of the Army, Corps of Engeneers (1971). Engeneer Manual. Instrumentation of Earth and Rock-Fill Dams, (5-2 Open-System Piezometers, EM , Part 1 of 2). U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation, (1974). Earth Manual, Second Ed., 1974, s (Instructions for installing and reading porous-tube piezometers, Designation E-28). 17

18 Figur 1. Hydrostatisk poretrykksfordeling. Figur 2a. Potensial, poretrykk og trykkhøyde i målepunkt. 18

19 Figur 2b. Noen geohydrauliske grunnbegreper. 19

20 Figur 3. Eksempel på poretrykksmåling for et grunnvannsenkningsanlegg. 20

21 Figur 4. Eksempel på poretrykksmålinger i lagdelt grunn. Trykkfordelingen innen hvert sandlag er nær hydrostatisk, men de tilsvarende potensialer har tre ulike nivåer. Laget av siltig leire viser poreovertrykk (Δu) relativt til sandlag 2 og poreundertrykk (Δu ) relativt til sand- og gruslag 3. 21

22 Figur 5. Eksempel på poretrykksmåling i leire (ikke-hydrostatisk fordeling). 22

23 Figur 6. Eksempler på forhold mellom grunnvannsflaten og vannstanden i et åpent basseng (elv, innsjø eller lignende). 23

24 24

25 Figur 9. Snitt av standrør med filterspiss. 25

26 Figur 10. Tilnærmede responstider for ulike poretrykksmålere (Basert på Terzaghi & Peck, 1967). 26

27 27

28 28

29 Figur 11. Casagrandes piezometer. 29

30 Figur 12. Hydrauliske poretrykksmålere (type Geonor). (Merk: ρ v = densitet av væsken i slangen, vanligvis ρ w ) 30

31 31

32 Figur 13. Forslag til valg av målesystem. 32

33 Figur 14. Kontroll av åpen, hydraulisk poretrykksmåler med 2 eksempler (etter Earth manual 1974). H o = ubalansert trykkhøyde ved tiden t o H = ubalansert trykkhøyde ved tiden t 33

34 34

35 Figur 15. Elektrisk poretrykksmåler (type NGI). 35

36 Figur 16. Kontroll og avlesning av elektrisk poretrykksmåler (type Geonor). 36

37 37

38 Figur 17. Skjema for måleresultater. Åpen, hydraulisk poretrykksmåler. 38

39 39

40 Figur 18. Skjema for måleresultater. Elektrisk poretrykksmåler. 40