och odränerad skjuvhållfasthet.

Transkript

1 Nya rekommendationer för sulfidjord: Geoteknisk klassificering och odränerad skjuvhållfasthet Nya rekommendationer har tagits fram avseende bestämning av odränerad skjuvhållfasthet och geoteknisk klassificering av sulfidjord. Med sulfidjord avses här sulfidjord i Norrlands kustland (tidigare kallad svartmocka) med en organisk halt av minst en till två procent. Rekommendationerna är resultatet av ett nyligen avslutat treårigt forskningsprojekt (LTU, SGI och Tyréns) som redovisas i LTU/SGI-rapporten Sulfidjord geoteknisk klassificering och odränerad skjuvhållfasthet. De erhållna resultaten och rekommendationerna har börjat nyttjas av branschen och har införts i relevanta svenska skrifter och program som reviderats under Artikelförfattare är tekn dr Bo Westerberg, Statens geotekniska institut (SGI) / Luleå tekniska universitet (LTU). Bygg & teknik 1/08 Figur 1: Prov av svart sulfidjord som efter upptagning i fält har oxiderat och ändrat färg på sidorna. Den finkorniga sulfidjorden som finns längs Norrlandskusten är i allmänhet mycket kompressibel och har relativt låg skjuvhållfasthet. Detta ger upphov till geotekniska problem som exempelvis stabilitet, bärförmåga och sättningar. Vidare kan sulfidjorden utgöra en negativ miljöpåverkan genom försurning och kemisk påverkan på olika material om den utsätts för luft (syresätts) och får oxidera, vilket kan ske vid exempel urgrävning eller grundvattensänkning. I figur 1 visas ett exempel på ett kolvborrprov med sulfidjord, där den i fält ursprungliga svarta färgen har ändrats på mantelytorna till följd av oxidering. Den svarta färgen kommer från järnmonosulfiden (FeS). Beskrivning och klassificering av sulfidjords geotekniska (och miljögeotekniska) egenskaper har varit förknippat med vissa svårigheter beroende på att ett utprovat enhetligt system för detta saknats. Vad avser klassificering av sulfidjord ur miljösynpunkt och råd och rekommendationer för hantering av sulfidjordsmassor hänvisas till Pousette (2007). Sulfidjord är vanligt förekommande i ett brett stråk längs Norrlands kustland, det vill säga inom de områden, där också huvuddelen av dess befolkning liksom industrin och infrastrukturen finns, figur 2. Sulfidjord är inte en jord med enhetliga egenskaper utan dess egenskaper som exempelvis kornfördelning, vattenkvot och densitet varierar, precis som för andra finkorniga jordar, mellan olika platser och ofta även med djupet. Det har tidigare rått osäkerhet om vilken (vilka) metod, inkluderat osäkerhet i hur resultaten ska tolkas, som ger rättvisande värden för den odränerade skjuvhållfastheten i sulfidjord. Resultaten har varierat en hel del mellan olika platser och försöksmetoder och de utvärderingsmetoder som utarbetats för andra finkorniga jordar har inte visat sig vara användbara i sulfidjord. I många fall har därför låga värden på korrektionsfaktorer använts vid tolkning av resultat från ving- och fallkonförsök för att vara på säkra sidan. Med en ökad tillförlitlighet till utvärderade värden på den odränerade skjuvhållfastheten kan överdimensionering och/eller onödiga förstärkningsmetoder undvikas samt risken för brott eller skred reduceras. Med en ökad kännedom om sulfidjords geotekniska och miljögeotekniska egenskaper i allmänhet ökar möjligheten att fullt ut kunna nyttja dess egenskaper. Detta ökar möjligheter till lösningar i geotekniken i praktiken som kan optimeras ur tekniska, säkerhets-, ekonomiska och miljö- och naturresursmässiga aspekter. Bristerna i kunskap om sulfidjords geotekniska egenskaper har berott på den ringa forskning som utförts inom området, och kvarstår i vissa avseenden. Ett forskningsprojekt med avseende på klassificering av sulfidjord för geotekniska ändamål samt provning och utvärdering av sulfidjords odränerade skjuvhållfasthet har därför genomförts. Forskningsprojektet har utgjort ett samarbete mellan LTU, SGI och Tyréns. Projektet har finansierats av Räddningsverket, Banverket, Vägverket, Tyréns, Luleå tekniska universitet (LTU) och Statens geotekniska institut (SGI). Försöksprogram I detta projekt har undersökningar utförts i fem fältlokaler med sulfidjord, med varierande sammansättning, från Umeå i söder Figur 2: Karta med ungefärlig utbredning av sulfidjord (skuggat område) samt de fem provlokalerna. 65

2 till Kalix i norr, figur 2. Lokalerna har benämnts Gammelgården, Sunderbyn, Hjoggböle, Västerslätt och Umeå bangård. Vidare har resultat från en stabilitetsutredning i Teg i Umeå inkluderats i studien. De fältförsök som utförts i de olika lokalerna är ostörd provtagning, vingförsök, CPT-sondering, dilatometerförsök och mätning av skjuvvågshastighet med seismisk CPT-sondering. För att studera spridning och repeterbarhet har fältprovningarna dubblerats. För CPT-sonderingarna har en så kallad lersond nyttjats, vilken har extra hög känslighet och upplösning, avpassad för sondering i lös jord. De laboratorieförsök som har utförts omfattar klassificering och rutinförsök enligt svensk praxis med bestämning av huvudsakligen skrymdensitet, vattenkvot, flytgräns samt odränerad skjuvhållfasthet och sensitivitet med fallkonförsök. För fallkonförsöken har provning med både 100 g och 400 g koner utförts på många av proverna, föranlett av tidigare frågetecken beträffande 100 g konens användbarhet vid skjuvhållfastheter över 20 kpa, Eriksson (2004). För bestämning av organisk halt har både bestämning av glödgningsförlust och analys av halten organiskt kol (TOC) använts och då främst med kolorimetermetoden. Kornfördelning har bestämts för alla provtagningsnivåer. För utvalda nivåer har grundämnesanalys utförts för att bland annat bestämma totala järn- och svavelhalter. Laboratorieförsöken har utförts på LTU och SGI, förutom bestämning av grundämnen samt en del av CRS-försöken som utförts på Analytica AB (numera ALS Scandinavia AB) respektive MRM Konsult AB. För bestämning av förkonsolideringstryck har ödometerförsök utförts som såväl stegvist belastade försök som CRSförsök. Försök har utförts vid såväl rumssom jordtemperatur. För bestämning av odränerad skjuvhållfasthet har direkta skjuvförsök och triaxialförsök utförts, och för en del nivåer i såväl rums- som jordtemperatur. Fokus för undersökningarna har legat på bestämning av odränerad skjuvhållfasthet samt geoteknisk klassificering. Andra geotekniska egenskaper som kompressionsegenskaper och effektiva hållfasthetsparametrar har inte omfattats av studien. Rapporten från projektet, Larsson et al. (2007), riktas främst till praktiskt verksamma geotekniska konsulter och beställare av geotekniska undersökningar. Förutom forskningsprojektet innehåller också rapporten en beskrivning av sulfidjords egenskaper i allmänhet och en presentation av tidigare rapporterade studier inom aktuellt området. Figur 3: Odränerad skjuvhållfasthet i Gammelgården bestämd med olika metoder. Resultat odränerad skjuvhållfasthet och klassificering Gammelgården. I figur 3 visas resultat från Gammelgården, som är en provlokal med relativt hög lerhalt. I figuren visas resultat enligt svensk praxis för leror (benämnd lerutv) samt föreslagen utvärdering och korrigering för sulfidjord (benämnd sulfidutv) för vingförsök, fallkonförsök samt CPT-sondering. För provlokalen i Gammelgården är skillnaderna i odränerad skjuvhållfasthet måttliga förutom i mitten av jordprofilen, där de mycket höga flytgränsvärdena innebär att korrigering enligt praxis för leror ger påtagligt lägre värden. Vidare visas resultat från laboratorieförsök (triaxialförsök, direkta skjuvförsök) utförda vid rums- och jordtemperatur i figur 3. Skillnaden i erhållen hållfasthet beroende på försökstemperatur är relativt liten för de direkta skjuvförsöken medan den är ungefär 11 procent högre i triaxialförsök vid provning i jordtemperatur. Som förväntat fås väsentligt högre odränerad skjuvhållfasthet vid aktiv skjuvning i triaxialförsök jämfört med direkt skjuvning, vilket kan vara viktigt att beakta i beräkningar av stabilitetsproblem. I en jämförelse av resultaten mellan 100 g koner och 400 g koner erhölls cirka 35 procent högre värden på odränerad skjuvhållfasthet med 100 g konen. Resultaten av CPT-sonderingarna i Gammelgården var mycket jämna, det vill säga resultaten från de två sonderingarna var nästan identiska. Detta innebär att utvärdering av odränerad skjuvhållfasthet (och förkonsolideringstryck) från de två sonderingarna gav sinsemellan mycket liten spridning. I figur 4 visas resultat från rutinundersökning i Gammelgården och i figur 5 organisk halt samt järn- och svavelhalt. Skrymdensiteten är relativt låg med ett minimum strax under 1,3 t/m 3 på cirka 5 m djup varefter den ökar mot djupet. Den låga skrymdensiteten är kopplad till det höga organiska innehållet. Flytgränsen är något högre än vattenkvoten och dessa har maximala värden runt 180 respektive 160 procent på cirka 5 m djup för att sedan minska till cirka 85 respektive 75 procent på cirka 12 m djup. Den organiska halten är som lägst 4,5 procent och huvudsakligen runt 6 procent. Lerhalten varierar mellan 23 och 35 procent. Den organiska halten är något lägre än de totala halterna av järn och svavel tillsammans. Jorden i Gammelgården bör benämnas som en gyttjig sulfidlera/lerig sulfidgyttja. Om jordprofilen kan sägas att den är relativt homogen och att några signifikanta skikt inte kan urskiljas okulärt eller som Figur 4: Densitet, vattenkvot och flytgräns i jorden i Gammelgården. Mätvärden och bedömda relevanta fördelningar mot djupet. 66 Bygg & teknik 1/08

3 Djup, m Figur 5: Organisk halt samt järn- och svavelhalt i Gammelgården. Antagen organisk halt är ett viktat medelvärde med hänsyn till bestämningsmetodernas tillförlitlighet. fastare eller lösare skikt ur sonderingsresultaten. Västerslätt. I figur 6 visas resultat avseende odränerad skjuvhållfasthet från Västerslätt, en försökslokal med relativt låg lerhalt. Från resultaten kan konstateras att skillnaderna mellan utvärdering enligt praxis för leror och föreslagen utvärdering för sulfidjord är stora för fallkon- och vingförsöken. För såväl skjuvförsöken som triaxialförsöken erhålls cirka 15 procent högre odränerad skjuvhållfasthet vid provning i jordtemperatur. Den aktiva skjuvhållfastheten är väsentligt högre än den vid direkt skjuvning. Precis som för lokalen i Gammelgården var resultaten från de två CPT-sonderingarna mycket jämna och spridningen mellan det två punkterna mycket liten. Spridningen i resultat från fallkonförsök och vingförsök var större i Västerslätt jämfört med Gammelgården. Resultaten från provning med 100 g koner gav cirka 25 procent högre värden än 400 g koner. I figur 7 på nästa sida visas resultat från rutinundersökning i Västerslätt och i figur 8 organisk halt samt järn- och svavelhalt. I aktuell jordprofil varierar skrymdensiteten mellan 1,55 och 1,7 t/m 3. Flytgränsen är något högre än vattenkvoten och dessa har maximala värden runt 80 respektive 70 procent och lägsta värden av 55 respektive 50 procent. Den organiska halten varierar mellan 2,5 och 3 procent. Lerhalten ökar gradvis från cirka 10 till cirka 25 procent i profilens nedre del. De totala halterna av järn och svavel är sammanslaget något större än den organiska halten. Jorden i Västerslätt bör benämnas som en gyttjig sulfidsilt i större delen av profilen och som gyttjig sulfidlera från och med cirka 10 m djup. Jordprofilen kan betraktas som relativt homogen och några signifikanta fastare eller lösare skikt kan inte särskiljas ur sonderingsresultaten, men genererade porövertryck vid sondering avslöjar att jorden är varvig. Normaliserad odränerad skjuvhållfasthet. Odränerad skjuvhållfasthet kan uttryckas som c u = aσ ć OCR -0,2 Djup, m Figur 6: Odränerad skjuvhållfasthet i Västerslätt bestämd med olika metoder. Bygg & teknik 1/08 där c u är odränerad skjuvhållfasthet, σ ć förkonsolideringstryck, OCR överkonsolideringsgrad och a-faktorn för normaliserad skjuvhållfasthet. I figur 9 visas faktorn a utvärderad från direkta skjuvförsök på sulfidjord som funktion av organisk halt. Faktorn a visar en klar korrelation mot den organiska halten (men visade ingen korrelation mot flytgräns eller lerhalt), det vill säga det organiska materialet tycks, i likhet med för annan organisk jord och organisk mineraljord, till stor del bestämma hållfasthetsegenskaperna, figur 9. Geoteknisk klassificering. Vid benämning av sulfidjord är indelningen i sulfidlera, siltig sulfidlera, lerig sulfidsilt och sulfidsilt ofta svår och subjektiv. Sulfidjord upplevs okulärt ha större lerinnehåll än det verkliga beroende på organiskt innehåll och innehåll av järnmonosulfid. Som hjälpmedel för benämning av sulfidjord har plasticitetsdiagram etablerats, se figur 10 och 11. Ur figur 10 kan ses att plasticitetsindex och flytgräns ökar med ökande lerhalt. Vidare kan konstateras att ett ökat organiskt innehåll ger högre plasticitet men främst ökad flytgräns. I figur 11 har sulfidjordar jämförts med tidigare etablerade gränser gränser för svenska 67

4 Figur 7: Densitet, vattenkvot, flytgräns och plasticitetsgräns i jorden i Västerslätt. Mätvärden och bedömda relevanta fördelningar mot djupet. Figur 8: Organisk halt samt järn- och svavelhalt i Västerslätt. jordarter, Karlsson & Hansbo (1992). Den strikta uppdelningen i gyttjig sulfidjord och sulfidgyttja beroende på den organiska halten finns dock ej i dessa ursprungsdiagram. Om värdena från sulfidjordarna jämförs med gränserna för övrig jord faller dessa i stora drag inom samma gränser som övrig jord med avseende på kornfördelning och organisk halt, undantaget främst sulfidsilt, figur 11. För en sulfidjord som baserat på kornfördelning klassificerats som silt eller lera kan följande antas: silt: flytgräns större än 50 procent, troligen organisk sulfidsilt silt: flytgräns större än 80 procent, troligen siltig sulfidgyttja lera: flytgräns större än 70 procent, troligen organisk sulfidlera lera: flytgräns större än 110 procent, troligen lerig sulfidgyttja. Delprover som torkats för vattenkvotsbestämning bör nyttjas för bryt- och tryckprov som komplement vid en preliminär bedömning av jordens silt- respektive lerinnehåll, jämför den nya standarden för klassificering SS-EN ISO För bestämning av densitet, vattenkvot och flytgräns kan viss bedömning behöva göras då sulfidjord ofta är varvig/skiktad och egenskaperna kan variera en hel del också inom provet. Med sulfidjord avses i detta sammanhang: Sulfidjord i Norrlands kustland (tidigare kallad svartmocka) Innehåller en organisk halt av minst 1 á 2 procent. Vidare bör beaktas: För högre lerhalter än 40 procent och högre organiska halter än 10 procent bör utvärderingsregler för lera och organisk jord nyttjas parallellt. Sulfidfärgad jord med organiska halter lägre än 1 procent bör inte geotekniskt klassificeras som sulfidjord. Slutsatser och rekommendationer Här summeras en del av de slutsatser och rekommendationer som tagits fram i projektet, se vidare i Larsson et al. (2007). Odränerad skjuvhållfasthet. De odränerade hållfasthetsegenskaperna i sulfidjord, normaliserade mot jordens organiska halt och spänningshistoria, följer ungefär samma mönster som för övrig organisk mineraljord och mineralisk organisk jord. För jord som klassificerats som sulfidjord bör de uppmätta värdena för såväl fallkonförsök som vingförsök korrigeras med en faktor av 0,65 enligt c u = 0,65τ k,v Figur 9: Relation mellan normaliserad odränerad skjuvhållfasthet, (faktor a), vid direkt skjuvning och den organiska halten. Den streckade linjen visar motsvarande samband för gyttjig lera-gyttja enligt Larsson (1990). där c u är lika med odränerad skjuvhållfasthet τ k,v är lika med okorrigerat hållfasthetsvärde från fallkonförsök respektive vingförsök. Det bör beaktas att spridningen runt funna medeltalet 0,65 generellt var stor 68 Bygg & teknik 1/08

5 för båda försökstyperna. Ovanstående samband innebär att odränerad skjuvhållfasthet i sulfidjord inte bör, som tidigare varit praxis, korrigeras med avseende på flytgränsen. För jord som klassificerats som sulfidjord bör resultat från CPT-sondering utvärderas med en konfaktor av 20 för bestämning av odränerad skjuvhållfasthet enligt q t - σ v0 OCR - 0,2 c u = ( ) 20 1,3 där q t är lika med totalt spetstryck σ v0 är lika med totalt överlagringstryck OCR är lika med överkonsolideringsgrad. Om den odränerade skjuvhållfastheten är avgörande och osäkerhet råder bör i första hand direkta skjuvförsök utföras. Då skjuvhållfasthetsanisotropi är aktuellt och viktigt att beakta bör aktiva (och i förekommande fall passiva) triaxialförsök utföras. Empiriska samband bör alltid nyttjas som komplement och kontroll av rimlighet av framtagen odränerad skjuvhållfasthet från försöksmetoder. Generellt visade sig CPT-sondering vara den fältmetod som gav de tillförlitligaste resultaten. För fallkonförsök rekommenderas byte till 400 g kon då intryck med 100 g kon understiger 7 mm (motsvarande cirka 20 kpa odränerad skjuvhållfasthet). Klassificering. Det som geotekniskt huvudsakligen skiljer sulfidjorden från de flesta andra finkorniga svenska jordarna är att den gradvisa övergång med först minskande kornstorlek och sedan ökande organisk halt från silt, siltig lera, lera, organisk lera till organisk jord och som avspeglas i jordens flytgräns, w L, inte gäller för siltig organisk jord som sulfidjord. Detta innebär att de empiriska utvärderingar av olika parametrar och försöksresultat som bygger på den nämnda kopplingen till flytgränsen oftast inte kan användas i sulfidjord. Den organiska halten bör bestämmas utöver rutinförsöken. Detta bör göras genom bestämning av halten organiskt Figur 10: Plasticitetsdiagram för sulfidjordar och sulfidfärgade svenska jordar (data från litteraturen; se Larsson et al., 2007). Figur 11: Gränser för olika svenska jordarter i plasticitetsdiagram jämförda med data för sulfidjordar. kol, beroende på att mätning av glödgningsförlust innebär alltför stor osäkerhet om den organiska halten inte är mycket hög. Andra geotekniska egenskaper. Sulfidjords förkonsolideringstryck bör bestämmas eller uppskattas ur ödometerförsök. Detta kan ibland vara svårt p.g.a. stort innehåll av silt och organiskt material. CPT-sonderingsresultat kan utgöra hjälp vid bedömning av förkonsolideringstryckets variation med djupet. Bygg & teknik 1/08 69

6 Från CPT-sondering kan fås en detaljerad bild av jordlagerförhållanden, varvighet och hållfasthetsvariationer. För klassificering krävs dock provtagning. För utvärdering av odränerad skjuvhållfasthet och förkonsolideringstryck bör högsta möjliga noggrannhetsklass brukas. Detta ställer stora krav på utrustningen (helst bör speciella sonder med extra hög noggrannhet användas) och dess handhavande. Det är viktigt att följa Svenska geotekniska föreningens rekommenderade standard för CPT-sondering. Dilatometerförsök visade sig inte vara lämpliga för bestämning av egenskaper i sulfidjord. Metoden kan dock vara lämplig för bestämning av kompressionsegenskaper i ovanliggande eller inbäddade lager av sand och silt i en profil med sulfidjord. För vingförsök är tillräcklig förborrning genom torrskorpan mycket viktigt för att undvika senare påverkan på försöket. Portrycksprofilen och variationerna i portryck i jordprofilen måste alltid bestämmas. Portrycken är som regel inte hydrostatiska. Slutkommentarer Provning i sulfidjord ger en spridning i resultat som är större än för flertalet svenska finkorniga jordar, vilket bör beaktas vid val av typ/typer av försök, antalet försök, tolkning av resultat etcetera. Provtagning i sulfidjord samt provning i fält och laboratorium kräver rätt utrustning och försöksutförande samt tolkning och utvärdering av resultaten. Sulfidjord är mycket känslig för störning och provhantering. För sulfidjord är hållfasthetsegenskaperna kopplade till den organiska halten snarare än till flytgränsen. Rekommendationerna från denna studie avseende sulfidjord har i relevanta delar inkluderats i kommande reviderade versioner av SGI Information nr 3, Utvärdering av skjuvhållfasthet i kohesionsjord (revision 2007), SGI Information nr 15, CPT-sondering (revision 2007), och tillhörande utvärderingsprogram Conrad samt i Vägverkets skrift Jords hållfasthets- och deformationsegenskaper. I ett kommande forskningsprojekt (LTU-SGI) ska sulfidjords sättningsegenskaper (speciellt långtidssättningar) studeras genom uppföljning av fältobjekt, laboratorieförsök och uttestning av beräkningsmodeller. Samverkan med och nyttjande av resultat från sättningsmätningar i fält från pågående eller avslutade infrastrukturprojekt blir centrala inslag i projektet. Målet med projektet är att bättre kunna förutsäga och beräkna sättningar och därigenom bland annat underlätta valet av grundläggningsmetod och/eller markförstärkningsmetod. Referenser och mer att läsa Eriksson, L.G. (2004). Konmetoden, svensk standard SS rekommenderat avsteg från standard. Väg- och Vattenbyggaren, Nr. 4:2004. Karlsson, R. & Hansbo, S. (1992). Jordarternas indelning och benämning. SGF:s laboratoriekommitté Geotekniska laboratorieanvisningar del 2. Byggforskningsrådet, T21:1982, Stockholm. Larsson, R. (1990). Behaviour of organic clay and gyttja. Statens geotekniska institut, Rapport Nr. 38, Linköping. Larsson, R., Westerberg, B., Albing, D., Knutsson, S. & Carlsson, E. (2007). Sulfidjord geoteknisk klassificering och odränerad skjuvhållfasthet. Forskningsrapport, 2007:15, Luleå tekniska universitet, Luleå / Statens geotekniska institut, SGI Rapport Nr. 69, Linköping. (Rapporten kan beställas eller fritt laddas ner från LTU:s eller SGI:s hemsida. I rapporten finns relevanta referenser inom området.) Pousette, K. (2007). Råd och rekommendationer för hantering av sulfidjordsmassor. Teknisk rapport, 2007:13, Luleå tekniska universitet, Luleå. 70 Bygg & teknik 1/08