Håndbok 014 Laboratorieundersøkelser

Transkript

1 side 1 av 6 Håndbok 14.4 Løsmasser, fjell og steinmaterialer Andre undersøkelser Treaksialforsøk Versjon mars Prosess: erstatter versjon juli 1997 Omfang Treaksialforsøket brukes primært til å bestemme skjærstyrkeparametere for en jordprøve. For kohesjonsjordarter vil en normalt kjøre forsøkene for å bestemme udrenert skjærstyrke for en uforstyrret jordprøve. Prøven tas vanligvis fra en 54 mm sylinderprøve, og det benyttes fullt tverrsnitt. For friksjonsjordarter, som ikke lar seg bygge inn uforstyrret, må en bygge inn disse med ulike grader av komprimering og bestemme styrkeparametrene som en funksjon av lagringstetthet. Pga. permeabilitetsforholdene i slike jordarter vil en da bestemme drenert skjærstyrke. Krav til utstyr og kompetanse gjør at forsøkene utføres hos Sentrallaboratoriet eller hos enkelte private konsulenter. Prinsipp En sylindrisk jordprøve, med diameter 54 mm og høyde 90 til 100 mm, bygges inn i en gummimembran og plasseres i en trykkcelle. Utstyret er laget slik at en kan kontrollere og registrere omkringliggende væsketrykk (celletrykk), poretrykk i prøven, vertikal tilleggsbelastning og vertikal deformasjon av prøven. Statens vegvesen (1992): Geoteknikk i vegbygging. Håndbok 016 (2. utgave). Veiledning fra Statens vegvesen, Oslo Statens vegvesen (1986): Spenningsstier, tolkingsnett for treaks. Intern rapport nr Veglaboratoriet, Oslo Statens vegvesen (1986): Treaksialforsøk. Intern rapport nr Veglaboratoriet, Oslo Utstyr Beskrivelse - lastanordning - treaksialcelle (se figur ) Prinsippskisse av treaksialcelle - måle- og registreringsutstyr for vertikal deformasjon, celletrykk, poretrykk og vertikal kraft - måle- og registreringsutstyr for horisontal deformasjon og volumendringer av prøve - innbyggingsapparat - prøvevugge - vekt, nøyaktighet 0,1 g - trådsag og stållinjal - spatel, kniv Prøven konsolideres til en ønsket spennings- og deformasjonstilstand er etablert. Prøven belastes/avlastes til brudd med konstant deformasjonshastighet. Referanser Dolva B.K. (1989): Treaksialforsøk - 4 hovedtyper. Cand. Scient.-oppgave. Institutt for geologi, Universitetet i Oslo NGI, Berre T. (1981): Triaxial testing at the Norwegian Geotechnical Institute. Publikasjon nr. 134, Oslo Figur Prinsippskisse av treaksialcelle

2 side 2 av 6 Fremgangsmåte Forsøkene utføres normalt på ca. 10 cm høye prøvestykker av 54 mm sylinderprøver. Prøven bygges inn med filter i begge ender og et stempel på toppen. Prøven omsluttes på sidene av en gummihud og cellen fylles med vann. Treakscellen monteres inn i en forsøksrigg (presse) og kobles til trykksystemer for celletrykk og poretrykk samt kraft- og deformasjonsmålere. Pressen er forsynt med en elektronisk trinnmotor som styrer den vertikale deformasjonen av prøven. Dataregistrering, beregning og opptegning skjer elektronisk. Konsolidering Hensikten med konsolideringen er å opprette en stabil spenningstilstand i prøven som tilsvarer forholdene i marka, eventuelt står i et visst forhold til dem. Leirprøver konsolideres normalt over natten, dvs timer. Volumet av utpresset porevann blir målt under konsolideringen, og kan brukes som et mål på graden av prøveforstyrrelse. Normalt ved homogene avsetninger velger man å utføre ett P 0 konsolidert forsøk i hvert av tre eller flere dybdenivåer og så sammenstille disse resultatene (ev. annet relevant spenningsnivå). Hensikten med å sammenstille flere forsøk er for å gi et best mulig grunnlag for tolkningen. Konsolideringen kan skje isotropt (σ V ' = σ H ') eller anisotropt (σ V ' σ H '). Konsolideringsspenningene angis av saksbehandler ved bestilling av forsøkene, eller de fastsettes i samråd med de ansvarlige på laboratoriet. Anisotrop konsolidering bør anvendes der hvor man kan anta at det er anisotropi i bakken. Det må utvises forsiktighet hvis anisotropien gir skjærspenninger av samme størrelse som udrenert skjærstyrke. Poretrykkmåling in situ skal utføres i sammenheng med treaksialforsøk. Dette sikrer at forsøkene blir kjørt med relevante spenningsnivåer og gir også et bedre utgangspunkt for ev. effektivspenningsberegninger i saksbehandlingen. Skjærforsøket Skjærforsøket, dvs. belastning til brudd, kan skje enten drenert eller udrenert. Valg av drenasjebetingelser må gjøres ut fra en vurdering av aktuell problemstilling: Belastningsform, jordart og drenasjeforhold in situ. Hovedtypene simulerer belastningsformene i aktiv og passiv sone for en del karakteristiske problemstillinger, og kan dermed vise anisotropien i den udrenerte skjærstyrken for en leire. Belastningsform σ a σ r Type AKTIV øker konstant 1 AKTIV konstant avtar 4 PASSIV avtar konstant 3 PASSIV konstant øker 2 Resultater Dataregistrering, beregning og opptegning skjer ved hjelp av elektroniske givere, en datamaskin og en dertil egnet programvare (TRIAXPAC) utviklet for dette formålet. Usikkerhet Volumet av utpresset porevann blir målt under konsolideringen, og kan brukes som et mål på graden av prøveforstyrrelse. Grovt sagt indikerer: 0-5 cm 3 (0-2 vol. %) godt forsøk 5-10 cm 3 (2-4 vol. %) akseptabelt forsøk > 10cm 3 ( > 4 vol. %) dårlig forsøk Tallene er basert på erfaringer med 54 mm prøver med ca. 10 cm prøvehøyde. Rapportering Prøvingsrapporten skal inneholde: - identifikasjon av prøven - beskrivelse av prøven, med opplysning om den er uforstyrret, omrørt, komprimert eller preparert på annen måte, og om mulige feil og svakheter - vanninnhold ved start av forsøket - total densitet ved start av forsøket - metningsgrad ved start, basert på antatt eller målt korndensitet - prøvens dimensjoner, høyde og diameter, ved start av forsøket - anvendt prosedyre med angivelse av tøyningshastighet og poretrykksforhold - dato og signatur Resultatene framstilles i diagram som: - spenningsstier (NTH-plott eller MIT-plott)

3 side 3 av 6 I tillegg kan resultatene fremstilles i diagram som: - poretrykksutvikling mot deformasjon - deviatorspenning mot deformasjon - skjærmodul mot deformasjon Kommentar: Resultatene fra treaksialforsøket blir vanligvis presentert i spenningsstidiagrammer, med prosentvis deformasjon av prøven avmerket på spenningsstien. Aksialtøyning for prøvene er markert på spenningsstiene ved følgende nivåer: 0-0,5-1,0-1, og 10 %. Vår standard presentasjon av spenningsstier vil ikke inneholde prøvens vanninnhold. I tillegg til viste opplysninger, vil jordartsbetegnelse og eventuell korreksjonsmodell framgå av dagens presentasjoner. 1:Korreksjon for sirkulærsylindrisk arealendring 2:Korreksjon for timeglass- eller tønnefasong 3:Korreksjon for bruddplan (redusert kontaktareal) 4:Korreksjon for motstand i gummihud

4 side 4 av 6 TILLEGG 1 Presentasjon av treaksialforsøk NTH-plott Dette diagrammet er det som har vært mest benyttet ved Statens vegvesen. Y-aksen representerer største skjærspenning i prøven. X-aksen representerer minste effektive hovedspenning. For et tradisjonelt aktivt forsøk (Type 1) er denne lik radiell effektivspenning. Utgangspunktet på den horisontale aksen for disse to forsøkene tilsvarer en isotrop spenningstilstand, med andre ord at vertikal- og horisontal- (radial-) spenningene er like. Ved det tradisjonelle forsøket med økende aksiallast vil spenningsstien normalt gå oppover mot venstre. Bevegelsen oppover tilsvarer økende skjærspenninger i prøven, bevegelsen mot venstre tilsvarer at poretrykket stiger i prøven og de effektive horisontalspenningene avtar. Poretrykksreaksjon (dilatans, kontraktans): Når prøven når bruddstadiet vil materialets dilatans egenskaper avgjøre om spenningsstien vil stanse opp, bøye av opp mot høyre eller ned mot venstre. Dersom spenningsstien bøyer opp mot høyre (I) har vi positiv dilatans, dvs. at poretrykket avtar ved økende skjærpåkjenning. Skjærspenningene kan fortsatt øke noe mens prøven deformeres i bruddtilstanden. Ved negativ dilatans (kontraktans) vil spenningsstien bøye av mot venstre (II). Dette betyr at poretrykket øker og skjærfastheten avtar ved ytterligere belastning. Bruddet karakteriseres gjerne som sprøbrudd. Det at bruddet ofte er progressivt. Bruddtypen er således karakteristisk for kvikkleire. Bruddmekanismens karakter er sammen med en vurdering av skadekonsekvensene bestemmende for valg av materialkoeffisienter ved dimensjonering i bruddgrensetilstanden. Hvor mye poretrykket stiger, både fram mot og i bruddtilstanden, vil være avhengig av hvor stor belastningshastigheten er i forhold til materialets permeabilitet. Figur Spenningsstidiagram, NTH-plott

5 Dette forholdet kan påvirke spenningsstiens helning i bruddtilstanden. Det er derfor så vidt usikkert å tolke effektivspenningsparametre ut fra bruddlinjen til et enkelt forsøk at i Statens vegvesen vanligvis bestemmes skjærfasthetsparametre på grunnlag av tre forsøk som antydet i figur MIT - plott Dersom man skal kjøre andre forsøk enn det tradisjonelle aktive med konstant horisontal- og økende aksiallast, kan det være en fordel å plotte resultatene i et såkalt MIT-plott. X-aksen representerer her normalspenningen på det planet som danner 45 med hovedspenningsretningene, dvs. 45 med horisontal- og vertikalaksen. Dette er planet for største skjærspenning i prøven. Langs y-aksen plottes største skjærspenning, som i NTH-plottet. Fordelen med dette plottet er at en del grunntrekk ved spenningsstiene for de fire hovedtypene av treaksforsøk ligger symmetrisk i dette plottet. Supplerende fremstillinger av resultater fra treaksialforsøk: I tillegg til å presentere resultatene som ulike spenningstier, kan resultatene fremstilles i diagram (se figur ) som viser utviklingen av skjærmodul (G), poretrykksutvikling (U) og deviatorspenning (sigmadev/2) mot deformasjon (%) side 5 av 6 Bestilling av forsøk Bestilling av forsøk kan i hovedsak skje på to måter: 1. Saksbehandler sender en bestilling til laboratoriet med angivelse av prøvesylinder og konsolideringsspenninger. Det angis også hvilken forsøkstype som ønskes. 2. Saksbehandler sender en skisse av problemstillingen til laboratoriet hvor man så bistår med valg av prøvesylinder, beregning av konsolideringsspenninger og valg av egnet forsøkstype. I begge tilfeller bør forsøksbestillingen i størst mulig grad baseres på poretrykksmåling med piezometre. Grove anslag av grunnvannstand og poretrykk gir tilsvarende unøyaktighet i effektivspenningsnivå, sikkerhet og dimensjonering av konstruksjonen. Som nevnt tidligere, ved en homogen avsetning, kjører vi 3 aktive og 3 passive forsøk konsolidert til markspenning (σ v0 ') fra 3 representative nivåer i aktiv og passiv sone. Alternativ kan vi kjøre 3 aktive eller passive forsøk konsolidert til markspenning fra den aktuelle prøvesylinderen. Disse blir konsolidert til henholdsvis 0,5, 1,0 og 1,5 σ v0 '. Dette gir et langt bedre grunnlag for effektivspenningstolking enn et enkelt forsøk. Figur Spenningsstidiagram, MIT-plott

6 Ved valg en anisotrop konsolidering, dvs. K 0 ' 1,0, bør man i den grad det er mulig sjekke at den skjærspenning man da mobiliserer i prøven ved konsolidering ikke er i nærheten av materialets udrenerte skjærfasthet. Dette vil side 6 av 6 kunne medføre at prøven befinner seg i bruddtilstand allerede ved starten av skjærforsøket, og det vil da ha liten verdi. Figur Utvikling av skjærmodul, poretrykksutvikling og deviatorspenning mot deformasjon