BIG Branschsamverkan i grunden Forskningsprogram för effektiv och säker grundläggning av vägar och järnvägar

Transkript

1 BIG Branschsamverkan i grunden Forskningsprogram för effektiv och säker grundläggning av vägar och järnvägar Projekt A2015:25 Tjälproblem i lerterrass Sven Knutsson Luleå tekniska universitet Avdelningen för geoteknik

2 BIG Rapport Projekt A2015:25

3 BIG Branschsamverkan i grunden Forskningsprogram för effektiv och säker grundläggning av vägar och järnvägar Rapport BIG projekt A2015:15 Tjälproblem i lerterrass Sven Knutsson Luleå tekniska universitet Avdelningen för geoteknik Framtagen inom ramen för BIG av Sven Knutsson Tjälproblem i lerterrass Luleå 2018

4 BIG projekt Rapport Branschsamverkan i grunden Beställning Web: Upplaga Digital BIG Rapport Projekt A2015:25

5 Förord Den forskning som presenteras i denna rapport har bedrivits inom "Branschsamverkan i Grunder - BIG". BIG har etablerats av Trafikverket, tillsammans med Luleå tekniska universitet, Kungliga Tekniska Högskolan, Chalmers Tekniska Högskola och Statens geotekniska institut, se mera på Arbetet är till stor del finansierat via BIG, men därutöver har även Luleå tekniska universitet och svensk gruvindustri via SVC (Svenskt Vattenkraft Centrum) medverkat med ekonomiskt stöd. Till alla medverkande parter framförs ett stort tack för stöd och hjälp. Arbetet är till största del utfört på Luleå tekniska universitet och för all hjälp vid genomförande av tester i geotekniklaboratoriet framförs här ett stort och varmt tack. En inte ringa del av tjällyftningstesterna har genomförts i samverkan med Oulu University i Finland. Utan all hjälp med försök och tester av olika slag hade detta arbete inte kunnat genomföras. Sven Knutsson Tjälproblem i lerterrass i

6 Sammanfattning I klimat med vintertemperaturer under noll grader fryser jorden och vatten övergår till is. För finkorniga och tjällyftningsbenägna jordar sugs vatten från lägre liggande ofrusna delar av jorden in i de delar som är frusna och isskikt bildas. Detta ger upphov till tjällyftning. För att undvika tjällyftningar designas konstruktioner så att tjälgränsen inte ska tränga ner i terrassen, där finkornig jord kan finnas. Trots detta är det inte ovanligt att tjälgränsen i delar av konstruktionen går djupare och tränger ner under terrassnivån. Det kan t ex bero på ett tvådimensionellt värmeflöde under slänter i väg- och järnvägsbankar, vid anslutningar till broar och vid genomföringar av typen kulvertar. När höga bankar av sprängsten används kan inre konvektion uppkomma och ge upphov till större tjäldjup än beräknat. När en finkornig jord fryser kan tjällyftning ske och samtidigt sker en konsolideringsprocess med en omfördelning av vattnet i den frysande jorden. Vatten dras ut ur lerstrukturerna till stora porer där iskristaller växer. Vid tjällossningen bildas vatten av isen. Vattnet återgår inte in i strukturen utan dräneras succesivt bort och effekten blir en konsolideringsprocess. Fryskonsolideringen är beroende av det frysande materialets deformationsegenskaper, antalet fryscykler, frystemperatur mm. I rapporten beskrivs processen för fryskonsolideringen. Laboratorieförsök på totalt 45 prov av olika jordmaterial har utförts för att bestämma fryskonsolideringens storlek. Vattenkvoten för proverna varierade mellan 25 % och 600%. Uppmätt fryskonsolidering varierade mellan 0% och 85%. De höga värdena uppmättes för proverna med hög vattenkvot och de låga för prover med låg vattenkvot. Fryskonsolideringen har även relaterats till provens skrymdensitet innan frysning. Empiriska samband har etablerats mellan fryskonsolideringen och vattenkvoten, respektive med skrymdensiteten. Beräkningsexempel presenteras. När prover fryser flera cykler uppmättes ca 85% av hela fryskonsolideringen ske vid första fryscykeln. Resterande delar sker vid efterföljande fryscykler. Processen fortgår upp mot ca 20 cykler. Vattenkvoten minskar successivt vid frysning och tining. Fryskonsolideringen upphör när vattenkvoten uppnått jordens plasticitetsgräns och detta värde kan betraktas som ett slutläge för fryskonsolideringen. Tjällyftningsbenägenheten har bestämts baserat på Segregation Potential Theory och materialparametern SP. Är SP högt blir tjällyftningen högre än om värdet på SP är lågt under för övrigt samma förhållanden. Leror har som regel måttligt höga SP värde och klassas som måttligt tjälfarliga i det svenska klassificeringssystemet (klass 3). När sådana leror genomgår frysning och tining sker en aggregering till följd av fryskonsolideringen. Materialet får en mera grovkornig struktur och tjällyftningsbenägenheten ökar. I rapporten redovisas hur SP-värdet för prov av 10 olika leror ökar efter frysning och tining med 1,6 till 3,4 gånger ( %) det ursprungliga värdet. Detta medför att materialet istället klassificeras som mycket tjälfarligt (klass 4) i det svenska systemet. Silt och siltiga jordar genomgår en liknande process under frysning och tining. Här finns dock inte initialt samma lösa struktur med partikelaggregat etc. som i fallet rena leror. Här packas istället materialet, vilket ger upphov till minskad hydraulisk konduktivitet med åtföljande minskad möjlighet för vattentransport. I dessa jordar minskar därför SP-värdet, eller förblir oförändrat, efter frysning och tining. Värdet på SP efter en fryscykel är ca % av värdet innan fryscykeln. ii BIG Rapport Projekt A2015:25

7 Summary In a climate with winter temperatures below 0 C, soil freezes and the pore water turns into ice. For fine-grained and frost susceptible soils water from unfrozen lower parts of the structure is sucked into the frozen parts and ice layers or ice lenes are formed, known as frost heave. In order to avoid frost heaving, structures are designed not to have the frost line penetrating into the sub soil, where fine-grained, frost susceptible soil may be present. Despite this, it is not unusual that this happens in parts of the construction. For example, this might be due to a two-dimensional heat flow below the slopes of road and/or railway embankments, at connections to bridges and around pipes and tubes of culvert type. When high embankments of coarse rock fill with open structure is used, internal convection might be initiated thus increasing the heat flow with a corresponding greater frost depth. When a fine-grained soil freezes, frost heave might occur and at the same time a consolidation process takes place within the freezing soil, with redistribution of water. Water is sucked out of the soft clay structures with its weak aggregates to the big pores where ice crystals grow. At thaw, water is formed from ice, but the water will not go back into the clay structure again. Instead, it is gradually drained away and the effect will be a consolidation process of the soil. The magnitude of freeze/thaw consolidation is dependent of the deformation properties of the freezing soil, number of freezing cycles, freezing temperatures, etc. In this report the theoretical background to freeze/thaw consolidation process is described. Laboratory tests on 45 samples of different soil materials have been carried out, in order to determine the magnitude of freeze/thaw consolidation. The tests are described in the report. The water content of the samples varied between 25% and 600%. The determined freeze/thaw consolidation varied between 0% and 85%. The high values were obtained for samples with high water content and low for samples with low water content. The freeze/thaw consolidation has also been related to bulk density of the samples before freezing. Empirical relationships have been established between the freeze/thaw consolidation and water content and the bulk density respectively. Calculation examples are presented. When samples are subjected to a number of freeze/thaw cycles, approximately 85% of the entire freeze/thaw consolidation takes place at the first freezing cycle. The remaining consolidation takes place at subsequent freezing cycles and continues up to approx. 20 cycles. Water content decreases gradually by freeze/thaw. Freeze/thaw consolidation ends when the water content reaches the plastic limit and this value can be considered as the final state. The frost susceptibility has been determined based on the "Segregation Potential Theory" and material parameter "SP". If SP is high, then frost heave will be higher than if SP has a lower value under the same conditions. Clays usually have moderately high SP-values and are correspondingly classed as moderately frost susceptible in the Swedish classification system (class 3). When such clays are subjected to freeze/thaw an aggregation takes place due to freeze/thaw consolidation. The material gets a more coarse-grained structure facilitating water transport and frost susceptibility increases accordingly. In the report it is demonstrated how the SP value of samples of 10 different clays increases after freeze/thaw with 1.6 to 3.4 times ( %) the original value. This means that the classification changes from class 3 to class 4 i.e. highly frost susceptible. Silt and silty soils undergo a similar process during freeze/thaw. In these soil types, there are no initial weak structure with aggregates as in clays. Instead the material is compacted with correspondingly lower hydraulic gradient. In these soils the SP value is therefore reduced, or remains unchanged, after freezing and thawing. SP after a freezing cycle is approximately % of its value before the freezing cycle. Tjälproblem i lerterrass iii

8 iv BIG Rapport Projekt A2015:25

9 Tjälproblem i lerterrass v

10

11 Innehåll FÖRORD... I SAMMANFATTNING... II SUMMARY....III INNEHÅLL...v 1 BAKGRUND OCH SYFTE TEORI Fryskonsolidering av finkornig jord Fryskonsolideringens storlek Inverkan av antal fryscykler och frystidens längd Inverkan av frystemperaturen Tjällyftningsegenskaper hos leror FÖRSÖKSMETODIK Fryskonsolidering Tjällyftningsegenskaper RESULTAT Fryskonsolidering Tjällyftningsegenskaper Materialtyp A (lera) Materialtyp B och C (silt, siltig lera) DISKUSSION Fryskonsolidering Förändrade tjällyftningsegenskaper SLUTSATSER REFERENSER Tjälproblem i lerterrass vii

12 viii BIG Rapport Projekt A2015:25

13 1 Bakgrund och syfte Vid projektering och byggande av anläggningar i områden med regelbundet återkommande vinterförhållanden är dessa förhållanden viktiga att beakta för funktionen hos den färdiga anläggningen. Detta gäller alldeles särskilt geokonstruktioner som under sådana förhållanden påverkas av vinterväder, som ofta innebär lufttemperaturer under noll och mer eller mindre snö. Negativa lufttemperaturer medför att marken fryser mer eller mindre mycket. Vanligen beskrivs detta i termer av att tjäle bildas. Tjäle kan påverka konstruktioner på flera sätt beroende på typ av jord som fryser, vinterns längd, vattentillgång, lufttemperatur etc. Om den frysande jorden är finkornig och om tillgången till vatten är god kan tjällyftning ske, som innebär en volymökning av jorden med åtföljande hävning av markytan. Volymökningen härrör från att vatten i form av is ansamlas i den frusna delen av jorden. Isanrikningen sker i form av att mer eller mindre horisontella isskikt bildas i den frusna jorden. På detta sätt får vi en hävning av markytan under vintern, vilken normalt går tillbaka efterföljande vår/sommar då den frusna jorden tinar. De i jorden bildade isskikten tinar då och det bildade vattnet kan dräneras bort. Resultatet blir en sättning av markytan. För jordvolymer som har frusit ett antal gånger kommer sättningen att innebära att markytan då återgår till läget innan vintern. För finkornig jord som aldrig tidigare genomgått fryscykler kan situationen bli annorlunda. Utöver själva tjällyftningsförloppet, med isanrikning och vattenupptagning, sker även en intern omfördelning av det befintliga vattnet i jorden. Detta orsakas av undertrycket som uppkommer i det ofrusna porvattnet, som av termodynamiska skäl utvecklas i den frysande jorden, se t ex Beskow (1929), Taber(1930), Miller(1975), Hermansson (2005) och Knutsson (1998). Undertrycket i den frusna jorden medför i första hand att vatten sugs upp från lägre liggande ofrusna delar till de delar som är frusna. Där fryser vattnet till is och orsakar tjällyftning med isskikt av varierande tjocklek. Enskilda isskikt kan ha tjocklekar från någon millimeter till 10- tals cm. Summan av alla isskiktens mäktigheter blir tjällyftningen som kan observeras på markytan. Samtidigt med detta sker alltså även en omfördelning av vattnet i den befintliga strukturen. Undertrycket som orsakas av de negativa temperaturerna i jorden, och som resulterar i tjällyftning, medför att effektivspänningarna i jorden ökar under frysförloppet. De ökade effektivspänningarna medför en konsolidering av partikelskelettet och vatten omfördelas därigenom. Vatten dras från interlaminärt vatten och vatten i löst sammanhållna aggregat till stora porsystem och de områden där islinser bildas och växer i storlek. Denna process är icke reversibel på samma sätt som den vanliga konsolideringsprocessen. Så länge vattnet är fruset och befinner sig i form av is märks ingen stor skillnad och omfördelningen av vatten kan då svårligen noteras eftersom totala vattenmängden är konstant. Men när jorden tinar smälter isen och bildar vatten. Detta vatten kan inte återgå till de ställen där vattnet fanns innan frysningen utan förblir i de stora porer där isskikten funnits. Här uppkommer som regel ett vattenöverskott och den tinande jorden kan därför ofta anta ett halvflytande tillstånd. Fig. 1 illustrerar konsekvensen av att en tidigare ofrusen lera får frysa och därefter tina. Vattnet som bildas av de tinande isskikten kan dräneras bort och kvar blir en överkonsoliderad jord. Denna har då lägre vattenkvot än det ursprungliga materialet samt högre odränerad hållfasthet. Orsaken är överkonsolideringen till följd av frysningen. Egenskaper som flytgräns och plasticitetsgräns påverkas också som regel. Tjälproblem i lerterrass 1

14 Fig. 1. Effekt av frysning och tining på ett prov av lerig silt. Bilden till vänster visar provet i fruset tillstånd medan fotot till höger visar samma prov som tinat. Notera den relativt stora mängden vatten som frigjorts under upptiningen. Sammantaget medför denna fryskonsolidering en kompression och effekten blir en sättning av markytan då en tidigare ofrusen finkornig jord fryser de första gångerna. På likartat sätt som vid en vanlig konsolidering uppkommer ett jämviktsläge där ingen ytterligare konsolidering sker. Jämviktläget i fallet med fryskonsolidering är enligt Chamberlain (1990) och Zhang (2015) i huvudsak en funktion av Jordens kompressionsegenskaper Frystemperatur Antal fryscykler Frystidens längd De viktigaste faktorerna är jordens kompressionsegenskaper och frystemperaturen, vilket innebär högre grad av fryskonsolidering ju mera kompressibel jorden är samt vilken negativ temperatur jorden utsätts för. I en jordprofil som består av finkornig jord finner vi som regel alltid ett övre skikt, torrskorpan, som är påtagligt fastare och med högre hållfasthet än lagren därunder. Här är vattenkvoten lägre än för material längre ned samt som regel sprickigheten högre. Inte sällan finner man mer eller mindre öppna sprickor i detta torrskorpelager. En viktig faktor för att torrskorpa ska bildas är att jorden fryst och tinat ett antal gånger och därvid genomgått en konsolideringsprocess. Mäktigheten på torrskorpelagret sammanfaller som regel ganska väl med det maximala tjäldjupet på platsen. För väg- och järnvägsbankar önskar man som regel att tjälgränsen aldrig ska tränga ner under terrassnivå för att undvika tjällyftningsproblem och tillhörande sättningsproblem vid upptiningen. Skyddslagrets tjocklek bestäms utifrån kriteriet att tjälgränsen inte ska tränga djupare än terrassnivån i centrum av banken. Metoderna att bestämma detta varierar, där beräkning av tjäldjupet i det enskilda fallet är en metod. Andra baseras på tabellvärden eller i trafikverkets fall på PMS objekt. Men vägar och järnvägar är inte endimensionella, vilket innebär att tjälgränsen mycket väl kan tränga djupare än terrassnivå närmare slänten trots att designkriteriet är uppfyllt i centrumlinjen. Detta illustreras av Fig. 2 som visar beräknat läge på tjälgränsen i en järnväg på låg bank samt en järnväg i skärning. 2 BIG Rapport Projekt A2015:25

15 Fig. 2. Beräknad tjälgräns för en järnväg på låg bank respektive i skärning. Tjälgränsen tränger inte ner under terrassnivå i centrumlinjen, men närmre släntkrön sker detta på grund av det tvådimensionella värmeflödet. Andra fall där tjälgränsen kan tränga under terrassnivå är runt kulvertar och andra vattenavledande anordningar. Dessa kan under viss tid under vintern vara luftfyllda och därmed kan tjälgränsen tränga djupare ned runt dessa. Följden blir att tjälgränsen mycket väl kan gå under terrassnivå även om den inte gör det i centrum av banken och därigenom frysa material som aldrig tidigare varit fruset. Viss tjällyftning nära släntkrön kan då uppkomma, men framförallt kan stora sättningar uppstå efter att finkornigt material fryst och tinat för första gången. Andra fall där undergrund, som aldrig tidigare varit frusen, kan frysa är: Vid in- och utlopp av kulvertar och rörgenomföringar Vid tunnelmynningar och trågkonstruktioner Bank/broanslutningar Vid höga bankar av sprängsten med öppen struktur. Här kan inre konvektion uppkomma, vilket ökar värmetransporten ut ur konstruktionen och ger därvid ett större tjäldjup än vad man normalt förväntar sig. Fryskonsolidering av finkornig jord är hittills inte mycket studerat i Sverige, men internationellt finns en del studier publicerade. Många studier är kopplade till områden med tinande permafrost varvid fryskonsolideringen ger upphov till sättningar av konstruktioner. Fryskonsolideringen medför en volymminskning, vilket har sin grund i en av frysningen initierad aggregering av jorden. Denna aggregering medför som regel att mycket finkorniga jordar (leror) får en grövre struktur, medan något grövre jordar (siltiga jordar) får en tätare struktur. Detta återspeglas i jordens tjällyftande egenskaper. Syftet med detta arbete är att studera fryskonsolideringens storlek i olika jordar och hur fryskonsolideringen kan uppskattas som funktion av för jorden enkelt bestämbara storheter. Vidare är syftet att studera hur tjällyftningsegenskaperna påverkas av frysning och tining för några olika typer av jordmaterial. Tjälproblem i lerterrass 3

16 2 Teori 2.1 Fryskonsolidering av finkornig jord Fryskonsolideringens storlek När en finkornig jord fryser uppkommer ett undertryck i det adsorberade vattnet runt jordpartiklarna. Detta undertryck (sug) uppkommer av termodynamiska skäl och varierar i storlek efter negativ temperatur, partikeltyp, mängd ofruset vatten, salthalt, hydraulisk konduktivitet, vattentillgång mm, se t ex Taber (1930), Beskow (1929), Andersland (1994), Knutsson, (1998) m.fl. Undertrycket medför att vatten sugs in i en frusen jord så länge som temperaturen är negativ och vatten finns att tillgå. Den praktiska konsekvensen av detta är att tjällyftning uppkommer. I det fall vi har en finkornig jord som utsätts för frystemperatur uppkommer alltså ett undertryck i jorden. Om nu vattentillgången inte är god och den hydrauliska konduktiviteten är låg har vatten svårt att sugas in i jorden. Detta gäller i regel för lerjordar. Undertrycket finns dock kvar och utjämnas inte av inströmmande vatten på grund av den låga hydrauliska konduktiviteten och de små tillgängliga vattenmängderna. I sådana situationer medför undertrycket att det vatten som fanns i jorden innan frysningen startade kommer att omfördelas. Undertrycket gör att vatten dras ut ur löst sammanhållna aggregat och lerpartikelanhopningar till större porer där iskristaller kan växa. Så länge jorden är frusen förändras inte vattenmängden men vattnet omfördelas då det bildas is. Om ett sådant fruset jordprov tillåts tina bildas vatten av den smältande isen. Detta vatten kommer inte att gå tillbaka in i leraggregaten och lerstrukturen, eftersom processen är irreversibel på samma sätt som det klassiska konsolideringsförloppet. Detta kan beskrivas som att vatten som på grund av övertryck eller undertryck tryckts ut ur partikelskelettet förblir utanför detta. Detta är även ett av skälen till att vi finner förkonsolideringstryck i en lerjord. Vattnet förblir således i de stora porerna och det uppstår en situation med vattenöverskott och överkonsoliderade sammanpressade lerpartikelstrukturer i den tinande jorden. Kan vattnet från den smältande isen inte dräneras bort i samma takt som varmed det bildas blir vattnet stående i den tinande jorden. Denna kommer då i ett flytande eller halvflytande tillstånd, vilket illustreras i Fig. 1. I praktiska situationer benämner vi detta som tjällossningsproblem. Ovanstående beskrivning kan illustreras av Fig. 3. I Fig. 3 visas en schematisk skiss av en ödometerkurva för ett lerprov. Figuren visar kurvan i klassisk presentation, dvs. töjningen (kompressionen) i linjär skala, nedåt och vertikalspänningen i logaritmisk skala. Det medför att ödometerkurvan då vanligen är linjär för spänningar högre än förkonsolideringstrycket och förkonsolideringstrycket motsvaras av punkt A i Fig. 3. För spänningar under förkonsolideringstrycket blir då kurvan svagt krökt. Vi tänker oss nu att detta lerprov genomgår ett frysförsök och att försöket inleds med att den vertikala effektivspänningen är liten och lägre än förkonsolideringstrycket. Provet är alltså inledningsvis obelastat. I kurvan befinner vi oss då i punkt B i Fig. 3. Från detta läge ökar vi belastningen stegvis tills vi kommer till in-situ effektiv vertikalspänning eller annan på förhand vald spänningsnivå. Vi är då i punkt C. Vi låter nu belastningen på provet vara kvar, men provet får frysa utan att vatten är tillgängligt för upptagning. Då bildas is av vattnet i provet, men ingen extra is av upptaget vatten. Då isen bildas sker en volymökning på 9 %. Provet ökar alltså i volym motsvarande detta. I detta läge befinner vi oss i punkten D. Efter att provet fått samma temperatur i alla punkter låter vi provet tina i rumstemperatur. Under upptiningen verkar samma vertikalspänning på provet som under frysförloppet. Under denna process smälter isen och bildar vatten som kan pressas ur provet. En sådan vattenutpressning är nu möjlig eftersom vattnet omfördelats inne i lerprovet under 4 BIG Rapport Projekt A2015:25

17 frysförloppet. Efter att ett nytt jämviktsläge inställt sig har provet konsoliderat och vi befinner oss nu i punkten E. Vi har alltså fått en fryskonsolidering som motsvaras av volymförändringen mellan punkten C och E. Denna process är vad vi noterar i makroskala. Studerar vi vad som sker i mikroskala i provet innebär frysningen att lerskelettet utsatts för ett undertryck (sug), som ökat effektivspänningarna och dragit ut vatten ur strukturen. I och med detta blir leran kraftigt överkonsoliderad. Under frysförloppet har effektivspänningarna i lerstrukturen varit i punkt F, vilket alltså motsvarar det nya förkonsolideringstrycket. Under upptiningen har spänningarna i provet följt avlastningskurvan fram till punkt E. Fig. 3. Schematisk skiss av spännings/töjningsförhållandena i ett frysande och tinande lerprov. Läget av punkten F är en direkt funktion av den negativa frystemperaturen, vilket medför att överkonsolideringen och fryskonsolideringens storlek är en funktion av frystemperaturen för en given jord. Undertryckets storlek och därmed effektivspänningsökningen under frysförloppet kan relateras till frystemperaturen med hjälp av termodynamiska samband. Detta finns beskrivet i Konrad (1989). Den största delen av det uppkomna undertrycket är relaterat till huruvida vattnet fryser eller ej. Inverkan av den negativa frystemperaturen på undertrycket är av mindre betydelse. För temperaturer ner till -20 ºC ökar undertrycket ca 10 % från att frysningen initierats. Som framgår av Fig. 3 påverkas fryskonsolideringens storlek inte bara av huruvida jorden fryser eller ej utan även till stor del av jordens kompressionsegenskaper. Ju mera kompressibel jorden är desto större blir fryskonsolideringen. För finkorniga jordar är sambandet starkt mellan vattenkvoten i jorden och dess kompressionsegenskaper. Hög vattenkvot innebär som regel att jorden är högkompressibel. Fryskonsolideringens storlek bör därmed vara starkt kopplad till jordens vattenkvot innan frysningen, se bl a Konrad(1989), Chamberlain (1979) och Andersland et al (1994) Inverkan av antal fryscykler och frystidens längd I princip utvecklas suget i jorden så fort temperaturen blir lägre än frystemperaturen och iskristaller börjar växa i de stora porerna. Vatten dras därvid ut ur lerstrukturen till de växande iskristallerna. Tjälproblem i lerterrass 5

18 Effektivspänningsökningen i lerstrukturen sker i relation till hur vattnet omfördelas, från interlaminärt vatten i lerstrukturen till de växande iskristallerna i de stora porerna. Om jorden är utsatt för negativa temperaturer under lång tid sker denna vattenutpressning kontinuerligt tills effektivspänningarna ökat lika mycket som undertrycket till följd av de negativa temperaturerna. Förloppet har således många likheter med konsolideringsförloppet där slutläget är när 100 % konsolidering uppkommit. I detta fall är slutläget när effektivspänningarna i lerstrukturen har ökat så mycket att suget i de interlaminära porsystemen avtagit och spänningarna helt överförts till partikelskelettet. Detta har då skett till följd av att vatten dragits ur porsystemet på liknande sätt som vid konsolidering där vatten pressas ut ur systemet genom en gradient orsakad av förhöjda porvattentryck. Vid fryskonsolideringen uppkommer gradienten i vattnet av undertrycket vid de växande iskristallerna. Om frystiden inte är tillräckligt lång för att det slutliga jämviktsläget ska nås sker enbart en del av effektivspänningsökningen i lerskelettet. Eftersom processen är relaterad till en vattenomfördelning i jorden blir hastigheten varmed effektivspänningarna ökar beroende av det frusna materialets hydrauliska konduktivitet. Är denna hög krävs relativt kort frystid för att slutläget ska nås och om den är låg krävs lång frystid. Även detta har likheter med det klassiska konsolideringsförloppet genom att konsolideringsprocessen upphör om gradienten i porvattnet försvinner. För fryskonsolideringen upphör gradienten när temperturen överstiger 0 ºC. Nästa gång materialet fryser fortsätter processen tills jämviktsläget uppnås. Processen innebär att hela den möjliga fryskonsolideringen normalt inte uppkommer vid första frystillfället, helt enkelt på grund av att frystiden normalt inte är tillräckligt lång. Vid nästkommande frystillfälle fortsätter fryskonsolideringen och processen upprepas tills slutläget uppnåtts. I de flesta fall är detta jämviktsläge uppnått efter 5-7 fryscykler, se t ex Chamberlain (1979), Knutsson (1984) och Andersland (1994). Efter detta sker ingen ytterligare konsolidering. Är varje fryscykel kort krävs fler fryscykler för att slutläget ska uppnås och är frystiderna långa krävs färre fryscykler. Vid frystider i laboratorium på upptagna prover uppnås slutläget efter ca 5-6 fryscykler om frystidens längd är ca 12 timmar. Den övervägande delen av fryskonsolideringen sker vid första frystillfället och för efterföljande cykler tillkommer minde bidrag. Dessa bidrag avtar i takt med antalet genomgångna fryscykler. Typiskt för fryskonsolidering i lera är att % av fryskonsolideringen uppkommer i samband med den första genomgångna fryscykeln och resterande del sker under efterföljande cykler. Vid sista cykeln är bidraget till fryskonsolideringen enbart enstaka procentenheter Inverkan av frystemperaturen Den negativa frystemperaturen har en viss inverkan på undertrycket i den frusna jorden och därmed på effektivspänningsökningen. Ju närmare fryspunkten temperaturen är, ju lägre undertryck och vice versa. För vanligt förekommande negativa temperaturer i samband med att jord fryser på vintern spelar dock frystemperaturen en underordnad roll. Temperaturerna torde knappast understiga -20 ºC och därmed spelar temperaturen en marginell roll och avgörande bli helt enkelt om jorden fryser eller ej, se bl a Konrad (1989) och Chamberlain (1979). 2.2 Tjällyftningsegenskaper hos leror Tjällyftningsegenskaperna för en jord beror i huvudsak av dess finjordshalt och jordens hydrauliska konduktivitet. Till detta kommer yttre faktorer av typen temperatursituationen 6 BIG Rapport Projekt A2015:25

19 med tillhörande värmeflöde in och ut ur jorden, temperaturgradienten, tillgången på vatten och frystidens längd etc. Tjällyftningen för en given jord är beroende av alla dessa faktorer och normalt är en mera finkornig jord mera tjällyftande än en grövre. Detta gäller dock bara under förutsättning att den hydrauliska konduktiviteten är tillräckligt hög för att möjliggöra vattentransport in i den frysande jorden. För mycket finkorniga jordar av typen leror är den hydrauliska konduktiviteten i regel så låg att denna kommer att begränsa tjällyftningens storlek. I dessa typer av jordmaterial blir som regel tjällyftningen måttlig medan den för något grövre jordar av typen silt kan bli mycket stor. Orsaken är att siltjordar som regel har högre hydraulisk konduktivitet än de mera finkorniga lerjordarna. För geokonstruktioner finns det ofta behov av att veta hur stor tjällyftningen blir för en given jord i en given miljö. System för att beskriva jords tjällyftande egenskaper finns i de flesta länder, men som regel är detta olika typer av system där jorden klassificeras i 3-8 grupper allt utifrån hur stora tjällyftningar som kan förväntas, se t ex Andersland et al (1994), Knutsson (1998). Sådana system kan fungera för grova överslag och för beslut rörande om jord ska skiftas ut eller ej. Den stora nackdelen med denna typ av enkla klassificeringssystem är att man inte enkelt kan se vad inverkan av en åtgärd blir vad gäller tjällyftning. Det är till exempel svårt att bedöma hur mycket tjällyftningarna reduceras om avståndet till grundvattenytan ökar med något visst avstånd, liksom hur mycket tjällyftningarna reduceras på grund av en liten isoleringsinsats etc. Man får även en lång rad gränsdragningsproblem mellan olika klasser som naturligtvis inte motsvaras av verkliga förhållanden. I Sverige har vi ett sådant klassificeringssystem där jord klassas i fyra tjälfarlighetsgrupper (inte tjälfarligt till mycket tjälfarligt). På senare år har Trafikverkets programvara PMS-objekt kommit att användas mer och mer och här finns en ansats till en mera kontinuerlig beskrivning av tjällyftningsegenskaperna för olika typer av jordmaterial. Internationellt sker en liknande utveckling mot att finna mera kontinuerliga bedömningsmetoder vad avser tjällyftningsegenskaperna. En internationellt välkänd och relativt välspridd metod för detta är den s.k. Segregations Potential metoden (Segregation Potential Method). I denna metod är det den för jordmaterialet unika parametern SP (Segregations Potentialen) som avgör tjällyftningens storlek för givna yttre betingelser i form av temperatursituation, vattentillgång, spänningssituation etc. Metoden är utvecklad av och beskriven i bla Konrad och Morgenstern (1980) och har använts i Sverige av bla Knutsson (1998). På senare tid har metoden använts och utvecklats av Dagli (2018) och Zeinali (2018). I Finland har metoden fått tämligen allmän spridning och används regelbundet för tjällyftningsbedömningar RIL (2014). SP-parametern kan bestämmas i laboratorium eller uppskattas från in-situ tester och index tester. Ju högre SP-värdet är ju mera tjällyftning inträffar under givna förutsättningar. Låga SPvärden betyder att jorden inte kommer att uppvisa tjällyftning när den fryser. SP-värdet kan naturligtvis relateras till indelningar i tjälfarlighetsgrupper och Fig. 4 visar exempel på detta, Andersland et al (1994). Tjälproblem i lerterrass 7

20 Fig. 4. Tjälfarlighetsklassificering och relation till lyftningshastighet och SP-värde (från Andersland, 1994) SP-värdet har den stora fördelen att det enkelt går att beskriva hur tjällyftningsegenskaperna förändras om något i jorden förändras. En finkornig lera har vanligen ett ganska lågt SP-värde och klassas i regel som något tjällyftande, vilket även framgår i Fig. 4. Orsaken till att leran normalt inte är att betrakta som mycket tjällyftande beror på dess låga hydrauliska konduktivitet. Denna hindrar vatten från att nå de frysta områdena och därmed blir islinsbildningen tämligen begränsad. Om den hydrauliska konduktiviteten av något skäl ökar kommer SP-värdet att öka, vilket också betyder att tjällyftningarna blir större. För en lerterrass där frysning av något skäl sker under terrassnivån, kommer leran att genomgå en fryskonsolidering. I samband med fryskonsolideringen sker en vattenomfördelning varvid interlaminärt vatten dras ut ur lerstrukturen till de större porerna där iskristallerna växer till. Med tiden bildar iskristallerna mer eller mindre horisontella skikt, islinser. Vattenomfördelningen under fryskonsolideringen innebär att det bildas kraftigt överkonsoliderade aggregat, där vatten dragits ut ur strukturen, åtskilda av stora porer. När leran tinar återgår vattnet inte in i de överkonsoliderade aggregaten utan dessa förblir överkonsoliderade och fasta. De stora porerna där iskristallerna vuxit finns kvar och har god 8 BIG Rapport Projekt A2015:25

21 förmåga att transportera vatten. Sammantaget medför detta att leran får en mera grovkornig struktur och högre hydraulisk konduktivitet efter frysning och tining. Detta medför även att konsistensgränserna påverkas och framförallt kommer flytgränsen att påverkas. Denna är ett mått på lerans specifika yta och ju mera aggregerad leran blir ju mera kommer de kraftigt överkonsoliderade aggregaten att bete sig som partiklar. Den specifika ytan minskas således och därmed även flytgränsen. Den grövre strukturen i leran är tydlig när man studerar hur flytgränsen förändras efter att leran frusit och tinat ett antal gånger. Detta är beskrivet av bl a Knutsson (1984) där det framgår att flytgränsen reduceras till % av det ursprungliga värdet uppmätt för lera som inte genomgått någon fryscykel, se Fig. 5. Fig. 5. Flytgränsens relativa förändring med antalet fryscykler. SE: Skå-Edeby lera; LE: Lilla Edet lera; SU: Sulfidjord från Luleå. Från Knutsson (1984). I andra studier har den hydrauliska konduktiviteten mätts i lera före frysning och tining samt efter ett antal fryscykler, se bl a Chamberlain et al (1990) och Beier et al (2009). Här framgår det att den hydrauliska konduktiviteten normalt ökar till följd av frysning och tining, särskilt när det gäller grövre leror. Normalt ökar även sprickigheten. För mycket feta och svällande leror kan det dock vara det omvända förhållandet. Här kan den hydrauliska konduktiviteten minska, eftersom strukturen blir överkonsoliderad och sprickrik till följd av frysningen, men vid upptiningen självläker öppningar och sprickor. Att en lera som fryser och tinar genomgår fryskonsolidering medför att strukturen hos leran förändras. Denna blir grövre och mera permeabel efter genomgångna fryscykler. Detta medför att tjällyftningsegenskaperna påverkas och den frusna och tinade leran kommer att bli mer tjällyftningsbenägen efter genomgångna fryscykler. Detta kan även beskrivas som att SP-värdet för feta leror ökar efter frysning och tining. För silt och siltiga jordar kommer fryskonsolidering att medföra en ökad packning med lägre hydraulisk konduktivitet som följd. I dessa fall minskar SP-värdet och därmed tjällyftningsbenägenheten. Tjälproblem i lerterrass 9

22 3 Försöksmetodik 3.1 Fryskonsolidering Försöken utfördes som laboratorieförsök på ostörda prov. Proven var av olika ålder och kvalité. I vissa prov var det organiska innehållet signifikant och i andra var det prov av oorganisk jord. Lerhalten varierade stort, men i samtliga fall var jorden att betrakta som finjord. Syftet var att använda så många prov som möjligt och så olika material som möjligt för att få en maximal spridning på testerna vad gällde vattenkvot och densitet. Särskilt fokus lades på stor spridning av provens vattenkvot. Med denna metodik skulle det vara möjligt att etablera ett samband mellan fryskonsolideringens storlek och provens vattenkvot. Som diskuterats i teoriavsnittet torde fryskonsolideringen vara starkt beroende av vattenkvoten eftersom denna avspeglar jordens kompressionsegenskaper. Proven var i vissa fall nya och i andra fall användes prov som blivit kvar från tidigare arbeten. Provens ursprung är inte helt klart i alla fall. Innan proven genomgick försöksserien bestämdes vattenkvot och skrymdensitet. Vattenmättnadsgarden kontrollerades för att säkerställa att ingen torkning skett. Prov som inte kunde betraktas som vattenmättade användes inte. Fryskonsolideringens storlek bestämdes med försök i ödometrar. Ostörda prov placerades i ödometerringen med dränerande filter upptill och nertill på de plana ytorna. Efter provmontering placerades ödometerringen med prov i en vattenbehållare med cirkulerande vatten med temperturen +6 ºC. Syftet var att säkerställa en jämn och lika starttemperatur för alla prov. Proven belastades med en vertikalspänning på 20 kpa genom stegvis ökande belastning (10 kpa och 20 kpa). Den använda ödometerutrustningen visas i Fig. 6 Fig. 6. Ödometerutrustning med prov monterade. Utrustningen avsedd för stegvis belastning. Efter att proven monterats och belastats i rumstemperatur, med vatten cirkulerande runt provhållaren, flyttades utrustningen in i en fryskammare med temperaturen -10 ºC. Här fick utrustningen stå i minst 12 timmar, med belastningen verkande på provkroppen, se Fig. 7. Vattnet som omgav provet togs bort under tiden i frysrummet. I fryskammaren frös proven från alla begränsningsytor in mot provets centrum. Tiden i fryskammaren var avpassad för att 10 BIG Rapport Projekt A2015:25

23 säkerställa att proven frös fullständigt och att temperaturen hann bli utjämnad. Frystidens längd bestämdes via inledande försök med temperaturmätning i provets centrum. Baserat på dessa försök bestämdes frystiden till 12 timmar, vilket med god marginal säkerställde att provet uppnådde en jämn negativ temperatur. Fig. 7. Ödometerutrustning med belastning i fryskammare Efter 12 timmar i fryskammaren togs utrustningen ut i rumstemperatur med samma överlast verkande på provet som under frysningen. I rumstemperaturen fick proven tina medan provets vertikala kompression (töjning) registrerades. Innan utrustningen flyttades ut ur fryskammaren noterades provets volymutvidgning. Eftersom den cirkulära ödometerringen var tillverkad av stål skedde hela volymutvidgningen axiellt i belastningens riktning. Under upptiningen i rumstemperatur noterades kompressionen och när denna avslutats avbröts försöket. Provet demonterades efter detta och densitet och vattenkvot bestämdes. Den uppmätta kompressionen jämfördes med den volymminskning som kan beräknas utifrån vattenkvotsminskningen. Denna jämförelse användes som en kvalitetssäkring av de uppmätta deformationerna. 3.2 Tjällyftningsegenskaper För studiet av hur tjällyftningsegenskaperna förändras i finkornig jord före och efter frysning genomfördes laboratorieförsök på prover av några olika typer av finkornig jord, lera, silt och siltig lera. Tjällyftningsegenskaperna utvärderades i termer av segregationspotential (SP). Som Tjälproblem i lerterrass 11

24 beskrivits i teoriavsnittet kommer tjällyftningarna att bli högre för en jord med högt SP-värde i jämförelse med en med lågt för samma förhållanden i övrigt. SP värdet återspeglar alltså jordens tjällyftningsegenskaper. Laboratoriebestämningen av SP-värdet för prov som inte tidigare varit utsatt för frysning och tining samt för prover som genomgått en fryscykel genomfördes i en fryscell av den typ som används på LTU och på University of Oulu i Finland. Fryscellen visas schematiskt i Fig. 8. Fryscellen och dess uppbyggnad och funktion finns väl beskriven i Dagli (2017) och Zeinali (2018). Under försökens gång är fryscellen placerad i en klimatkammare i vilken temperaturen kan hållas konstant +4 ºC. Därtill är själva fryscellen klädd med 7 cm isolering. Detta är ett förfarande som använts för att säkerställa att värmeflödet ut ur provet sker i önskad riktning och inte i riktningar med oönskade stora temperturgradienter. I en separat studie, Dagli (2017), visas att frysningen är endimensionell under frysförloppet så länge som isoleringen finns runt fryscellen. Fig. 8. Schematisk skiss av fryscellen, efter Dagli (2017). Provet har cylindrisk form med höjden 100 mm och diametern 100 mm. Frysning och upptining sker endimensionellt från toppen av provet och nedåt. Två kryostatenheter producerar vätska med förutbestämd temperatur som cirkulerar i den övre och undre stämpen. Under frysningen har vätskan i den övre delen negativ temperatur, medan den i undre delen har positiv, vilket skapar en temperaturgradient över provet. Under försöket har toppdelen en temperatur av -5,1 ºC och nederdelen temperaturen +3,8 ºC. Temperaturerna mättes kontinuerligt via nio temperaturgivare som sitter fast monterade i provcylinderns vägg. Därtill mättes temperaturen i toppdel och bottendel. Provet har under frysförloppet fri tillgång till vatten med samma temperatur som den i klimatkammaren. Vattentillgången kan begränsas med hjälp av en ventil. Den yttre vattenytan hålls konstant och på samma nivå som provets underkant. Den under frysningen uppsugna vattenmängden mäts genom att massan vatten i den yttre vattenbehållaren kontinuerligt mäts. Volymutvidgningen av provet (tjällyftningen) 12 BIG Rapport Projekt A2015:25

25 mäts kontinuerligt med en elektronisk lägesgivare (LVDT) placerad i toppen av utrustningen. Fig. 9 visar försöksuppställningen med klimatkammare, kryostater, dataloggers mm. Fig. 9. Försöksuppställning under frysförsök, Dagi (2017) Under frysförloppet tränger frysfronten ner genom provet samtidigt som vattnet i provet fryser (in-situ freezing) och ytterligare vatten sugs in i provet från den yttre vattenbehållaren ( segregation freezing ). Eftersom temperaturerna hålls konstanta på den övre och undre stämpen kommer fortfarighets tillstånd att uppnås (steady state) efter en viss tid. Frysfronten stannar men vattenupptagningen från den yttre vattenkällan kan fortgå. SP-värdet har utvärderats när fortfarighetstillstånd har uppnåtts i frysförsöket. Frysförlopp är långsamma och tiden för att nå detta tillstånd uppgår normalt till flera dygn, huvudsakligen beroende på den valda temperaturgradienten under försökets gång. Den valda metodiken för utvärdering av SP-värdet har sina begränsningar när tjällyftningar ska beräknas baserat på SP-värdet, men har fördelar när det handlar om att jämföra egenskaperna hos olika material. I denna studie ska tjällyftningsegenskaperna före frysning jämföras med Tjälproblem i lerterrass 13

26 tjällyftningsegenskaperna efter frysning och därför är ett SP-värde utvärderat vid fortfarighetstillstånd rimligt att använda. Bakgrunden till SP värdet och hur detta kan utvärderas och nyttjas för tjällyftningsberäkningar finns beskrivet ibland annat Konrad och Morgenstern (1980) och i Knutsson (1998). 14 BIG Rapport Projekt A2015:25

27 4 Resultat 4.1 Fryskonsolidering Totalt 45 fryskonsolideringsförsök genomfördes. Materialen som användes var en blandning av ostörda prov från olika platser och djup. Proven var av olika ålder och kvalité. I vissa prov var det organiska innehållet signifikant och i andra var det prov av enbart oorganisk jord. Lerhalten varierade stort men i samtliga fall var jorden att betrakta som finjord. Syftet var att använda så många prov som möjligt och så olika material som möjligt för att få en maximal spridning på provens densitet och vattenkvot. Densiteten och vattenkvoten varierade för samtliga prov i undersökningen enligt Tabell 1. Tabell 1. Spridningen av provens vattenkvot och skrymdensitet Skrymdensitet (t/m 3 ) Vattenkvot (%) Maximivärde 2, Minimivärde 1,09 26 Särskild uppmärksamhet lades på att kontrollera att proven var vattenmättade för att undvika att uttorkning eller liknande processer hade ägt rum. Detta skulle med stor sannolikhet ha påverkat provens egenskaper. För att belysa hur fryskonsolideringen beror av antalet fryscykler genomfördes en delstudie där ett och samma prov utsattes för upp till 6 fryscykler. Efter varje cykel noterades fryskonsolideringen innan nästa cykel påbörjades. Resultatet visas i Fig. 10 där fryskonsolideringen efter varje cykel relaterats till fryskonsolideringen efter den sist genomförda fryscykeln, vilket i detta fall var den sjätte. Det är tydligt att den dominerande delen av fryskonsolideringen uppkommer i anslutning till första fryscykeln. Efter denna har 83% av hela fryskonsolideringen, som uppkommer efter sex cykler, uppkommit. Efter den första cykeln är det tillkommande bidraget för varje fryscykel 2-4 procentenheter av slutligt värde. Fig. 10. Fryskonsolideringen efter var och en av de sex fryscyklerna. I denna studie begränsades antalet fryscykler till sex, men det är inte självklart att bidraget till den totala fryskonsolideringen upphör efter detta antal. Liknande studier rörande inverkan av fryscykler på Atterbergs konsistensgränser antyder likartade förhållanden, där den dominerande Tjälproblem i lerterrass 15

28 effekten erhålls efter första cykeln och efter de därpå följande cyklerna tillkommer endast mindre förändringar. I dessa studier sker förändringar upp till fryscykler, se bl a Knutsson (1984). Den fryskonsolidering som noteras efter första cykeln torde därför utgöra % av den totala fryskonsolideringen som kan noteras efter lång tid. Fig. 11 visar uppmätt fryskonsolidering (thaw strain) efter en fryscykel för samtliga 45 prov med frystemperaturen -10 ºC. För prov med mycket låga skrymdensiteter (under ca 1,2 t/m 3 ) uppgår fryskonsolideringen till 70 % (0,7) och högre. För prov med relativt höga densiteter (>2 t/m 3 ) är fryskonsolideringen 4-7 % (0,04 0,07). För prov med de mycket låga skrymdensiteterna och de höga värdena på fryskonsolideringen innebär frysning och tining att materialet får en halvflytande till flytande konsistens efter upptining. Detta orsakas av att mycket av det interlaminära vattnet i partikelstrukturen dragits ur strukturen och ansamlats i form av is i de stora porerna. Vid upptiningen återgår inte detta vatten till partikelstrukturen utan stannar kvar i de stora porerna. Materialet får då ett vattenöverskott och vid upptiningen blir provet flytande eller halvflytande. Denna effekt är mindre för proven med de höga vattenkvoterna. Fig. 11. Fryskonsolidering efter en fryscykel. Frystemperaturen -10 ºC och frystiden 12 timmar. Figuren visar samtliga 45 prov. Regressionsanalysen ger en relation mellan kompressionen orsakad av fryskonsolidering (ε thaw ) och densiteten för jorden innan frysning, ekv. (1). ε thaw =0,6ρ 2-2,7ρ+3,1 (1) där ε thaw är kompressionen till följd av fryskonsolideringen ρ är densiteten i t/m 3 för jorden innan frysningen Här ska påpekas att ekv (1) är ett empiriskt uttryck baserat på resultaten från de genomförda försöken och dess generallitet är inte klarlagd. Giltigheten för uttrycket är även begränsad till 16 BIG Rapport Projekt A2015:25

29 densitetsvärdena enligt Tabell 1. Vid mycket låga densiteter, nära 1,0, bör ε thaw gå mot 1.0, vilket är fallet för ekv (1). Vid höga densiteter bör fryskonsolideringen gå mot 0, eftersom porositeten går mot noll. För en densitet på 2,7 t/m 3 blir fryskonsolideringen enligt ekv. (1) 0,18. Ett densitetsvärde på 2,7 t/m 3 betyder att portalet är nära noll om man antar att partikeldensiteten är 2,7 t/m 3. Således finns alltså inget vatten som kan omfördelas och alltså borde fryskonsolideringen vara noll. Detta illustrerar vikten av att beakta definitionsområdet för det uppställda sambandet. Fryskonsolideringen kan även visas som funktion av vattenkvoten i respektive prov, vilket presenteras i Fig ,9 0,8 0,7 Thaw strain 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,266ln(x) - 0, Vattenkvot (%) Fig. 12. Fryskonsolideringen som funktion av vattenkvoten för samtliga 45 prov. Regressionsanalysen mellan fryskonsolidering (ε thaw ) och vattenkvot (w) ger relationen (2). ε thaw =0,27 ln(w) 0,82 (2) där ε thaw är kompressionen till följd av fryskonsolideringen w är vattenkvoten i jorden innan frysning och tining (%) Liksom för ekv (1) är det viktigt att framhålla att sambandet (2) är empiriskt och bara gäller inom det aktuella definitionsområdet och för de aktuella förhållandena. Naturligtvis kan sambandet (1) utvecklas så det blir en funktion av vattenkvoten under förutsättning att full vattenmättnad råder. Detta blir dock bara ett annat empiriskt uttryck och tillför inget i relation till ekv (2). Informationen i Fig 12. täcker in ett stort vattenkvotsintervall med en del mycket höga vattenkvotsvärden. För att mera tydligt se sambandet mellan fryskonsolideringen och vattenkvoten för värden upp till 120 % visas Fig. 13. Tjälproblem i lerterrass 17

30 Thaw strain 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Vattenkvot (%) Fig. 13. Fryskonsolideringen som funktion av vattenkvoten för samtliga prov med vattenkvot lägre än 120%. För att illustrera effekten av fryskonsolideringen för ett objekt kan ett litet exempel presenteras. Fig. 2 visar ett exempel på en järnvägsbank där tjälgränsen inte tränger under terrassnivå i bankens centrum, men gör det närmare slänten. Om tjälgränsen i detta fall tränger 0,6 m ner under terassnivå för punkten under släntkrön kan sättningen till följd av frysning med åtöljande upptining uppskattas. Om materialet under terrrassen har en vattenkvot på 38% kan fryskonsolideringen (thaw strain) för första fryscykeln uppskattas till 0,16 (16 %), se Fig 13. Den frysta zonen var 0,6 m och alltså blir förväntad sättning 10 cm (0,6m*0,16) efter första cykeln. Efter många cykler kan sättningen förväntas bli 12 cm baserat på informationen i Fig. 10 där det framgår att första fryscykeln representerar ca 83% av hela fryskonsolideringen. 4.2 Tjällyftningsegenskaper För studiet av hur tjällyftningsegenskaperna påverkas av frysning och tining har tre typer av jordmaterial använts, se Tabell 2. Tabell 2. De använda provens kornstorlekssammansättning Prov Lerhalt Silthalt Sand Benämning (%) (%) (%) A Lera B Lerig silt C Silt Som beskrivits i avsnittet som behandlar undersökningsmetodiken beskrivs materialens tjällyftningsegenskaper här i termer av materialets segregationspotential (SP). Respektive provs SP-värde har bestämts med hjälp av frysförsök på LTU och på University of Oulu i Finland. Försöksutrutningen var densamma på båda ställen. För varje prov genomfördes först en bestämning av SP när steady-state tillstånd uppnåtts. Under denna fas var temperaturen i testutrustningens överdel -5,1 ºC och i den undre delen +3,8 ºC. Efter detta ändrades temperaturen i bottenplattan så att den fick samma negativa 18 BIG Rapport Projekt A2015:25

31 temperatur som överplattan, dvs -5,1 ºC. Provet frös då fullständigt varefter det fick tina. Efter fullständig upptining och konsolidering gjordes en ny bestämning av SP på samma sätt som inledningsvis Materialtyp A (lera) Totalt 10 försök utfördes på leran (materialtyp A). Fig. 14 visar uppmätt SP-värde för proven som tidigare inte hade frusit samt motsvarande värde efter att provet helt frusit och därefter tinat. I samtliga fall har SP värdet ökat och i vissa fall till värden över tre gånger högre än det initiala värdet. Fig. 14. Uppmätt SP-värde för materialtyp A. Före avser uppmätt värde innan provet genomgått en fullständig fryscykel. Efter avser uppmätt SP-värde efter att provet helt fått frysa och därefter tina samt konsolidera. Ökningen av SP värdet är signifikant för samtliga prov. Fig. 15 visar kvoten mellan SP-värdet för prov som genomgått frysning/tining och motsvarande värde för ofruna prover. Kvoten för samtliga prov ligger i intervallet 1,6 till 3,4, vilket betyder att SP-värdet för flertalet prov mer än fördubblats. Att SP-värdet fördubblas innebär inte automatiskt att beräknade tjällyftningar fördubblas, eftersom det i beräkningsgången för tjällyftning ingår många fler faktorer, se tex Knutsson et al (1985). Men tjällyftningarna blir större ju större SP-värdet är. Fig. 15. Kvoten mellan SP-värdet för prov som genomgått en frysa/tina cykel och motsvarande prov som aldrig tidigare varit fruset. Materialtyp A (lera) Tjälproblem i lerterrass 19

32 Orsaken till ökningen av SP-värdet, efter att provet fått frysa och tina, är den aggregering och överkonsolidering som uppkommer under frysprocessen i ett lermaterial. Processen ger upphov till den tidigare beskrivna fryskonsolideringen, men även till en ökning av den hydrauliska konduktiviteten genom att strukturen blir mera grynig. Aggregaten i lerstrukturen blir överkonsoliderade och får lägre portal samtidigt som porsystemet mellan dessa blir mera sammanhängande och kontinuerligt beroende på att iskristallerna vuxit här. En ökad sprickighet med fler och större sprickor är även en vanlig följd av fryskonsolideringen, se Chamberlain (1979). Sammantaget gör detta att lerstrukturen blir mer siltlik efter frysning/tining med en ökad hydraulisk konduktivitet som följd. Detta medför att SP-värdet blir högre efter frysning/tining än innan Materialtyp B och C (silt, siltig lera) För materialtyperna B och C blir förhållandena delvis annorlunda. För dessa materialtyper utfördes totalt 7 försök. Metodiken var densamma som för materialtyp A. Fig. 16 visar hur SPvärdet förändras på grund av att detta material genomgår en fryscykel. Effekten av en fryscykel på SP-värdet i detta fall är dels att SP-värdet reduceras i förhållande till det initiala värdet, men även att reduktionen är mycket mindre än vad som var fallet för ökningen för den mera finkorniga leran (materialtyp A). För denna typ av material minskar SP-värdet efter frysning/tining eller påverkas inte alls. Typiskt SP-värde för materialtyp A, för prover som inte frusit/tinat, är mm 2 /sek, ºC medan det för materialtyp B och C är cirka tre gånger högre. Detta återspeglar det faktum att silt är mera tjällyftningsbenäget än lera. Efter att materialen frusit och tinat tenderar SPvärdena att bli likartade. För materialtyp A ökar SP, medan SP för B och C minskar eller förblir oförändrat. Fig. 16. Uppmätt SP-värde för materialtyp B och C. Före avser uppmätt värde innan provet genomgått en fullständig fryscykel. Efter avser uppmätt SP-värde efter att provet helt fått frysa och därefter tina och konsolidera. 20 BIG Rapport Projekt A2015:25

33 Fig. 17. Kvoten mellan SP värdet för prov som genomgått en frysa/tina cykel och motsvarande prov som aldrig tidigare varit fruset. Materialtyp B och C (silt och lerig silt). Som framgår av Fig. 17 minskar SP-värdet för prov som frusit/tinat till % av värdet för motsvarande prov som aldrig frusit. Orsaken är att den hydrauliska konduktiviteten för siltiga material inte påverkas av frysning/tining lika mycket som leror. Partikelskelettet för silt är dessutom mindre kompressibelt än vad som gäller för leror och partiklarna har i större grad direktkontakt med varandra. Detta medför att de strukturella förändringarna blir mycket mindre för silt än vad som är fallet för leror. Det återspeglas i SP-värdet och dess minskning och därtill relativt ringa förändring. Tjälproblem i lerterrass 21

34 5 Diskussion 5.1 Fryskonsolidering Fryskonsolidering är signifikant för finkornig lös jord och dess storlek beror till största delen av det frysta materialets kompressabilitet. Ytterligare faktorer som har betydelse är frystemperatur och antal fryscykler materialet utsätts för. Överkonsolideringsgraden har även betydelse. Kompressabiliteten kan relateras till provets vattenkvot och densitet. Ju högre vattenkvot desto lägre torrdensitet och desto högre kompressabilitet. Informationen och sambanden som presenteras i Fig. 12 och 13 står i överensstämmelse med vad som presenteras i Andersland (1994) och Johnson (1984). I dessa verk beskrivs fryskonsolideringen som en funktion av densiteten för fruset material. Om full vattenmättnad antas för proven i den genomförda försöksserien kan densiteten i fruset tillstånd och innan upptiningen beräknas. Med ledning av givna samband i Andersland (1994) kan fryskonsolideringen därefter beräknas. Det laboratoriebestämda värdet på fryskonsolideringen från denna studie och det som kan beräknas från Andersland (1994) överensstämmer tämligen väl för densiteter lägre än 1,9 t/m 3. Generellt är de laboratoriebestämda värdena högre än vad som kan beräknas enligt Andersland. Differensen dem emellan är ca 20-25% upp till densiteter runt 1,9 t/m 3. För fastare material med högre skrymdensiteter är den procentuella differensen mycket högre men det beror till stor del på att fryskonsolideringen vid dessa densiteter är liten. Absolutvärdet av skillnaden är fortfarande i samma storleksordning som för lägre densiteter. Inverkan av antalet fryscykler har bara till mindre del studerats i denna studie. Enligt Fig. 10 framgår att efter första fryscykeln har mer än 80 % av hela fryskonsolideringen uppkommit. Jämförs detta med hur konsistensgränserna i leror förändras med antalet fryscykler ser man att dessa påverkas under många fler cykler, Fig. 18, se Knutsson (1984). I princip borde mönstret vara likartat eftersom båda fenomenen orsakas av att aggregeringen ökar till följd av frysning och tining. I Fig. 18 visas hur flytgränsen påverkas av frysning och tining för tre typer av lera. Flytgränsen är normaliserad mot flytgränsen innan frysning/tining. I Fig. 18 är det tydligt att flytgränsen och därmed aggregeringen av lerstrukturen fortgår upp till cirka 20 fryscykler. Därefter förblir den konstant. Fig. 18. Flytgränsens relativa förändring med antalet fryscykler (Knutsson, 1984) 22 BIG Rapport Projekt A2015:25

35 Baserat på informationen om hur konsistensgränserna förändras till följd av frysning/tining kan man misstänka att fryskonsolideringseffekter borde vara noterbara för långt flera fryscykler än det som noterats i denna studie, Fig. 10. Det torde ändå vara klarlagt att den allra största delen av fryskonsolideringen inträffar under de första 10 cyklerna och därefter sker enbart mindre tillägg. Enligt Chamberlain (1979) borde plasticitetsgränsen utgöra ett mått på hur mycket vattenkvoten kan minska i en finkornig jord till följd av frysning/tining samt av torkning/uppfuktning. Det är alltså ett gränstillstånd för vilken aggregering en given lerstuktur kan uppnå. Är vattenkvoten identisk med plasticitetsgränsen sker således ingen fryskonsolidering vid frysning och tining. Är vattenkvoten högre fryskonsolideras jorden. För de prover där plasticitetsgränsen fanns att tillgå, eller kunde bestämmas, har vattenkvoten relaterats till plasticitetsgränsen varpå denna kvot ritats som funktion av uppmätt fryskonsolidering. Detta visas i Fig. 19. Kvot w/wp 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Thaw strain Fig. 19. Vattenkvoten i relation till plasticitetsgränsen som funktion av uppmätt fryskonsolidering. Från Fig. 19 kan man konstatera att det i stort sett råder ett linjärt förhållande mellan de båda storheterna. Det empiriska sambandet kan tecknas w/w p =6,76 ε thaw +1,13 (3) Om ingen fryskonsolidering ska ske (ε thaw =0) innebär detta alltså att vattenkvoten ska vara mycket nära plasticitetsgränsen. Enligt ekv (3) innebär det att w/w p =1,13 och vattenkvoten därmed strax över plasticitetsgränsen. Detta är i linje med Chamberlains tes. Förhållandet har inte vidare studerats i denna studie. 5.2 Förändrade tjällyftningsegenskaper Som framgår av Fig. 14 och 15 ökar tjällyftningsbenägenheten efter frysning och tining för leror som klassas som måttligt tjälfarliga. Enligt Fig. 15 är ökningen påtaglig då SP ökar med 1,5 till 3,5 gånger det SP-värde som noterats för ofrusen lera. Orsaken till denna ökning är den av frysningen/tiningen orsakade ökade aggregeringen av lerpartikelskelettet. Leran blir helt enklet grynigare och mera siltlik med åtföljande högre hydraulisk konduktivitet som följd. Förändringen i hydraulisk konduktivitet har inte studerats i detta arbete, men orsakssambandet Tjälproblem i lerterrass 23

36 stöds av information från bland annat Chamberlain (1978 och 1979), Konrad (1989), Knutsson (1978), Miller (1975), White et al (1999), Zhang et al (2015) och Yarbasi et al (2007). Att tjällyftningsbenägenheten ökar efter frysning/tining, i termer av att SP-värdet ökar, är beroende av att vatten finns att tillgå för provet under frysförloppet. Detta är fallet vid de här genomförda försöken där vatten är fritt tillgängligt vid provets nedre begränsningsyta. Då får även en förändrad hydraulisk konduktivitet betydelse. I fall där vatten inte finns att tillgå kommer förändringen av hydraulisk konduktivitet inte att ha stor betydelse och effekten blir liten på tjällyftningsegenskaperna. För mera grovkorniga jordar, av typen silt, blir effekten av den ökade aggregeringen mindre för att upphöra då jorden är så grovkornig att de individuella kornen har direkt fysisk kontakt med varandra. I Fig. 16 och 17 framgår att den i detta arbete bestämda tjällyftningsbenägenheten (SP), minskar efter frysning/tining eller möjligen att värdet förblir konstant. SP-värdet efter frysning/tining är ca 80% av det värde som noterades innan frysningen. Skälet till denna minskande tjällyftningsbenägenhet är även här kopplad till fryskonsolideringen. I dessa fall sker ingen konsolidering av ett löst partikelskelett med åtföljande bildning av ett mera permeabelt porsystem, som i fallet lera. Här sker en fryskonsolidering som medför en packning av siltkornen med en minskande hydraulisk konduktivitet som följd. Detta leder till ett minskat SP-värde. Detta gäller för mera grovkorniga material av typen silt och grövre, till skillnad från vad man noterar för leror där tjällyftningsegenskaperna ökar. Var gränsen går mellan det ena eller andra uppförandet torde vara svårt att klarlägga på grund av jordmaterialens olika strukturer. Här får man förlita sig på frysförsök och en mera detaljerad granskning rörande frågan var gränsen exakt går för olika uppförande torde vara svårutredd. 24 BIG Rapport Projekt A2015:25

37 6 Slutsatser Frysning kan ske på terrass och därunder Tidigare ofrusen lera fryskonsoliderar upp till ca 40 % för material med vattenkvoten 120 %. Mera lösa material kan uppvisa fryskonsolidering till upp mot 90-95% Fryskonsolideringen är relaterad till materialets vattenkvot Störst effekt efter första frysningen (mer än 80%) All fryskonsolidering avslutade efter ca cykler Lägsta vattenkvot man kan uppnå genom upprepad/frysning/tining är plasticitetsgränsen Fryskonsolideringen är relaterad till relationen mellan vattenkvot och plasticitetsgräns Tjällyftningsegenskaperna, i termer av SP-värde, ökar för leror efter frysning och tining I denna studie har det för leror noterats en ökning av SP med %, dvs en fördubbling av SP-värdet eller mer. En sådan ökning medför att klassningen av jorden kan förskjutas från tjälfarlighetsklass 3 till motsvarande klass 4. Tjällyftningsegenskaper minskar för siltjordar efter frysning och tining. Uppmätt minskning i denna studie ligger i intervallet % av SP-värdet innan frysning Tjälproblem i lerterrass 25

38 7 Referenser Andersland, O. B. & Ladanyi, B., An introduction to frozen Ground Engineering. New York: Chapman & Hall. Beier, N.A., Sego, D.C., Cyclic freeze thaw to enhance the stability of coal tailings. Cold Regions Science and Technology 55, Beskow, G., Tjälproblemets grundfrågor: sammanfattning av de viktigaste resultaten av pågående undersökningar, Svenska väginstitutet, Stockholm Chamberlain, E.J., Blouin, S.E., Densification by freezing and thawing of fine material dredged from waterways. Proceedings of the 3rd International Conference on Permafrost, Edmonton, Alberta, pp Chamberlain, E.J., Gow, A.J., Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils. Engineering Geology 13, Chamberlain, E.J., Iskveer, I., Hunsiker, S.E., Effect of freeze thaw on the permeability and macrostructure of soils. Proceedings International Symposium on Frozen Soil Impacts on Agricultural, Range and Forest Lands, March 21 22, Spokane, WA, pp Dagli, D., Laboratory Investigations of Frost Action Mechanisms in Soils. Licentiate thesis, Luleå tekniska universitet. Dawson, R.F., Sego, D.C., Design concepts for thin layered freeze thaw dewatering systems. Proceedings of the 46th Canadian Geotechnical Conference, Saskatoon, 1993, pp Dawson, R.F., Sego, D.C., Pollock, G.W., Freeze thaw dewatering of oil sands fine tails. Canadian Geotechnical Journal 36 (4), Frost i Jord, Publikation nr 17, "SIKRING MOT TELESKADER", Vegdirektoratet/NTNF, 1976, ISBN Grant, S.A., Bachmann, J., Effect of Temperature on Capillary Pressure. In: Raats, P.A.C., Smiles, D.E.,Warrick, A.W. (Eds.), Environmental Mechanics,Water, Mass and Energy Transfer in the Biosphere. : Geophysical Monograph Series, 129. American Geophysical Union, Washington, DC, pp (ERDC/CRREL MP ). Grechischev, S.G., Instanes, A., Sheshin, J.B., Pavlov, A.V., Grechishcheva, O.V., 2001b. Laboratory studies of the oil-contaminated fine-grained soils freezing and their negative temperature fabric model. Cryosphere Earth N2, Grossi, C.M., Brimblecombe, P., Harris, I., Predicting long term freeze thaw risks on Europe built heritage and archaeological sites in a changing climate. Science of the Total Environment 377 (2), Hale, P.A., Shakoor, A., A laboratory investigation of the effects of cyclic heating and cooling, wetting and drying, and freezing and thawing on the compressive strength of selected sandstones. Environmental and Engineering Geoscience 9, Hall, K., BIG Rapport Projekt A2015:25

39 Hardisty, P.E., Wheater, H.S., Johnston, P.M., Bracken, R.A., Behavior of light immiscible liquid contaminants in fractured aquifers. Geotechnique 48 (6), Hermansson, Å Modeling of frost heave and surface temperatures in roads. PhD thesis, Luleå tekniska universitet. Hermansson, A., Guthrie, W.S., Frost heave and water uptake rates in silty soil subject to variable water table height during freezing. Cold Reg. Sci. Technol. 43 (3), Hohmann-Porebska, M., Microfabric effects in frozen clays in relation to geotechnical parameters. Applied Clay Science 21 (1 2), Hori, M., Morihiro, H., Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittle materials. International Journal of Engineering Science 36 (4), Johnson, R.L., Bork, P., Allen, E.A.D., James, W.H., Koverny, L., Oil sands sludge dewatering by freeze-thaw and evapotranspiration. Alberta Conservation and Reclamation Council Report No. RRTAC ISBN , 247p. Johnson, T.C., McRoberts, E., Nixon, J.F., Design implications of subgrade thawing. Frost Action and its Control. Technical Council on Cold Regions Engineering, ASCE. New York pp Johnson, R.L., Bork, P., Layte, P., The effect of freezing and thawing on the dewatering of oil sands sludges. International Symposium on Reclamation; A Global Perspective, Calgary Alberta, Canada, pp Knutsson, S Inverkan av cyklisk frysning på lerors konsistensgränser. Högskolan i Luleå, Forskningsrapport TULEA 1984:04. Knutsson, S Jordmaterials värmetekniska egenskaper, Luleå tekniska universitet. Knutsson, S Soil Behavior at Freezing and Thawing, Luleå tekniska universitet, ISSN Knutsson, S., Domaschuk, L. and Chandler, N Analysis of large scale laboratory and in situ frost heave tests. Fourth Int. Symposium on Ground freezing, Sapporo, 1985 Konrad, J.M., Physical processes during freeze thaw cycles in clayey silts. Cold Regions Science and Technology 16 (3), Konrad, J.M., Morgernstern, N.R., A mechanistic theory of ice lens formation in finegrained soils. Canadian Geotechnical Journal 17 (4), Konrad, J.M., Morgernstern, N.R., The segregation potential of a freezing soil. Canadian Geotechnical Journal 18 (4), Lee, W., Bohra, N.C., Altschaeffl, A.G., White, T.D., Resilient modulus of cohesive soils and the effect of freeze thaw. Can. Geotech. J. 32 (4), Tjälproblem i lerterrass 27

40 Liu, J., Chang, D., Yu, Q., Influence of freeze-thaw cycles on mechanical properties of a silty sand. Eng. Geol. 210, Liu, J.K., Peng, L.Y., Experimental study on the unconfined compression of a thawing soil. Cold Reg. Sci. Technol. 58 (1), Mao, S High water content sludge dewatering via freeze thaw. M.Sc. thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB. Martel, C.J., Development and design of sludge freezing bed. ASCE Journal of Environmental Engineering 115 (4), Miller, R.D., Loch, J.P.G., Breseler, E., Transport of water and heat in a frozen permeameter. Soil Science Society of America Journal 39 (6), Nixon, J.F., Morgernstern, N.R., The residual stress in thawing soils. Canadian Geotechnical Journal 10 (4), Proskin, S.A A geotechnical investigation of freeze thaw dewatering of oil sands fine tailings. PhD. Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB. Proskin, S., Sego, D., Alostaz, M., Freeze thaw and consolidation tests on Suncor mature fine tailings (MFT). Cold Regions Science and Technology 63, Qi, J.L., Vermeer, P.A., Cheng, G., A review of the influence of freeze thaw cycles on soil geotechnical properties. Permafrost and Periglacial Processes 17, Qi, J.L., Ma, W., Song, C.X., Influence of freeze thaw on engineering properties of a silty soil. Cold Regions Science and Technology 53 (3), RIL Routasuojaus rakennukset ja infrarakenteet. ISBN Sego, D.C., Influence of pore fluid chemistry on freeze thaw behaviour of Suncor Oil Sand Fine Tails (Phase I). Submitted to Reclamation Research Technical Advisory Committee, Alberta Environment, 35p. Sego, D.C., Dawson, R.F., 1992b. Influence of freeze thaw on behaviour of oil sand fine tails. Submitted to Alberta Oil Sands Technology and Research Authority, 77p. Sego, D.C., Proskin, S.A., Burns, R., Enhancement of solids content of oil sands fine tails by chemical treatment and freeze thaw. Proceedings of the 46th Canadian Geotechnical Conference, Saskatoon, 1993, pp Stahl, R.P., Sego, D.C., Freeze thaw dewatering and structural enhancement of fine coal tails. American Society of Civil Engineering Journal of Cold Regions Engineering 9 (3), Taber, S., The mechanics of frost heaving. J. Geol. 38 (4), BIG Rapport Projekt A2015:25

41 Tang, L., Cong, S., Geng, L., Ling, X., Gan, F., The effect of freeze-thaw cycling on the mechanical properties of expansive soils. Cold Reg. Sci. Technol Wang, D., Ma, W., Niu, Y., Chang, X., Wen, Z., Effects of cyclic freezing and thawing on mechanical properties of Qinghai Tibet clay. Cold Reg. Sci. Technol. 48 (1), White, T.L., Coutard, J.P., Modification of silt microstructure by hydrocarbon contamination in freezing ground. Polar Record 35, Yarbasi, N., Kalkan, E., Akbulut, S., Modification of the geotechnical properties, as influenced by freeze thaw, of granular soils with waste additives. Cold Regions Science and Technology 48 (1), Zeinali, A., Thaw Mechanism in Subgrades. Licentiate thesis, Luleå University of Technology. Zhang, F., Jing, R., Feng, D., Lin, B., Mechanical properties and an empirical model of compacted silty clay subjected to freeze-thaw cycles. Innov. Mat. Des. Sustain. Transp. Infrastruct Tjälproblem i lerterrass 29

42 BIG Branschsamverkan i grunden Forskningsprogram för effektiv och säker grundläggning av vägar och järnvägar BIG BIG Branschsamverkan i grunden - är ett forskningsprogram för effektiv och säker grundläggning av transportsystemets infrastruktur. Programmet etablerades under senhösten 2013, och påbörjade sin verksamhet den 1 januari, Målsättningen är att sänka kostnader för byggande och underhåll av transportsystemets infrastruktur genom ett långsiktigt och systematiskt utvecklingsarbete inom geoteknikområdet. I BIG samverkar Trafikverket, Chalmers tekniska högskola, Luleå tekniska universitet, Kungliga tekniska högskolan och Statens geotekniska institut. Publicerade rapporter A2014:03 Deformationer i undergrund Litteratursammanställning och analys A2014:07 Grundvattensänkning i morän A2014:13 Höghastighetsspår i Sverige på bank BIG Branschsamverkan i grunden info@big-geo.se