EXAMENSARBETE Analys av filtermaterial inför byggnation av C-B-dammen i Kiruna Mattias Hammarstedt Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser
i
Förord Som avslutande del av civilingenjörsutbildningen Väg- och vattenbyggnadsteknik vid Luleå tekniska universitet ingår ett examensarbete omfattande 30 högskolepoäng. Arbetet har genomförts vid Institution för Samhällsbyggnad, avdelningen för geoteknologi på uppdrag av LKAB. Ett stort tack riktas först och främst till min handledare Hans Mattsson vid Avdelningen för geoteknologi och Håkan Åkerlund från Sweco som har bidragit med värdefull kunskap och goda råd. Tack till Professor Sven Knutsson vid Avdelningen för geoteknologi som gav mig möjligheten att genomföra detta arbete. Jag vill även tacka Thomas Forsberg och Ulf Stenman för deras stöd, laborationshandledning och för intressanta diskussioner under hela arbetet. Slutligen vill jag tacka min flickvän för hennes hjälp och support under hela arbetet. ii
iii
Sammanfattning LKAB har bedrivit malmbrytning i Kiruna sedan början av 1900-talet. Malmbrytningen startade som ett mindre dagbrott, men har sedan 1950-talet övergått till storskalig underjordsbrytning. På grund av att malmkroppen lutar in mot staden har det bidragit till uppkomsten av deformationer i marken kring Kiruna. Detta medför att staden behöver flyttas om brytning av malmen ska kunna fortsätta. Flytten har påbörjats med en ny dragning av järnvägen genom Kiruna. Delar av järnvägen kommer anläggas genom LKAB:s magasin för gruvavfall och med anledning av detta behöver en ny damm anläggas. Tanken är att denna dammkropp i huvudsak ska byggas upp av sovringsgråberg som genereras i malmförädlingsprocessen. För att åstadkomma en säker dammkropp måste den byggas upp av filter- och stödmaterial. Eftersom filtren framställs av sovringsgråberg, finns det mycket som tyder på att ställda filterkriterier inte uppfylls. De kriterier som finns fodrar att filtren ska klara av att dränera genomflödande vatten, vara internt stabilt och klara av att filtrera partiklar i det genomflödande vattnet. Examensarbetet syftar till att undersöka och utreda filtermaterialets permeabilitet, känslighet för inre erosion, kornfördelning och hållfasthetsegenskaper. Målet med examensarbetet är att se om materialen uppfyller gällande filterkrav och kan användas som filtermaterial. Examensarbetet omfattar geoteknisk grundundersökning av filtermaterialen där kornfördelning, densitet och packningsegenskaper bestäms. Examensarbetet ska även utreda filtermaterialens mekaniska egenskaper och permeabilitet samt utvärdera materialens inre erosionskänslighet. I litteraturstudien behandlas fyllningsdammar, gällande krav för filtermaterial, mekaniska egenskaper, permeabilitet och kornfördelning. Finfiltermaterialet hämtades i februari 2010 från LKAB:s upplag för finmaterial och grovfiltret har levererats till Luleå tekniska universitet av AB Kiruna Grus & Stenförädling (KGS) i mars 2010. På grund av den stora mängden material behöver proven delas ned till hanterbara mängder för vidare analys. I universitetets laboratorium har fin- och grovfilter delats ned med hjälp av en delningsapparat. Siktningsresultatet visade att kornfördelningskurvan ryms inom gällande intervall och klarade kravet på maximal finjordshalt (material < 0,063 mm). Kornfraktionen vid 2 mm visade sig vara hög och utifrån ett optimalt filter hade det varit bättre med en lägre halt. Även fraktionerna 1 mm och 4 mm var högre än önskat för ett optimalt filter, detta är dock inte lika kritiskt som för stenfraktionen 2 mm. Resultatet från pyknometerförsöken uppvisade ett värde på kompaktdensiteten till 2,65 t/m 3. Från packningsförsök med modifierad proctor blev torrdensiteten 2,26 t/m 3 vid den optimala vattenkvoten 7,1 %. Skjuvförsöken uppvisar en effektiv friktionsvinkel på 32,3 o och den effektiva kohesionen till 18,54kPa. Finfiltermaterialet uppvisar en permeabilitet på 1,12 10-6 - 6,71 10-7 m/s och ett medelvärde på 1,1 10-6 m/s. Finfiltermaterialet uppvisar inte tillräckligt hög inre stabilitet för hela kornfördelningskurvan. Resultatet från siktning av grovfiltret visade att filtret klarar de ställda kraven med mycket liten marginal, framförallt är det fraktionerna 1 4 mm som är något för hög. Det kritiska för grovfiltret är att den finkornigaste kurvan (övre percentilen) hamnar utanför gällande gränsvärden. Grovfiltret klarar kravet på en finjordshalt under 5 % och uppvisade en iv
medelpermeabilitet på 1,05 10-4 m/s. För grovfiltret är det fraktionerna mellan D5 och D10 som inte uppvisar tillräckligt hög inre stabilitet. De övriga delarna av kornfördelningskurvan uppvisar en tillräckligt hög inre stabilitet. Utifrån resultaten från kornfördelning och permeabilitetsförsök uppfyller fin- och grovfiltermaterialen kraven för ett godkänt filter. Huruvida materialen kan användes som filtermaterial med avseende på bristande inre stabilitet kräver vidare analys och behandlas inte i detta examensarbete. v
Abstract LKAB has been engaged in ore mining in Kiruna since the early 1900s. Ore mining started as a small open cast, but has since 1950 exceeded to large-scale underground mining. Due to the fact that the ore body is tilting towards the city deformations in the ground has started to occur around Kiruna. To make it possible for mining of ore to continue the city needs to be relocated. The actual replacement of Kiruna has begun by building a new railway through the town. Parts of this railway will pass through LKAB:s depository of mining waste and because of this a new dam needs to be constructed. The construction material for building the dam will mainly contain waste rock from the ore mining. For the dam to be secure it needs to be built with filter- and support materials. The filter material is produced from waste rock and therefore there are strong indications that the filter criteria will not be met. For the filter to meet the criteria it must be able to drain flowing water, be internally stable and manage to filter particles from the flowing water. The purpose of this thesis is to investigate and analyze the filter materials permeability, sensitivity for internal erosion, grain distribution and strength property. The ambition of the work is to find out if the materials meet the criteria and can be used in the construction of the dam. The thesis contains geotechnical investigation of the filter materials grain distribution, density and compaction properties, mechanical property, permeability and sensitivity for internal erosion. The literature survey deal with rock- and earth dams, filter criteria, permeability and grain distribution. The fine filter material was collected in February 2010 from LKAB and the coarse filter were delivered to Luleå University of Technology by AB Kiruna Grus & Stenförädling (KGS) in March 2010. Due to the large amount material a dividing tool was used to divide the material into smaller and manageable portions for further analyze. The results from sizing shows that the grain distribution curve passed the criteria on the maximum halt of fine soil (material < 0,063 mm). Grain distribution at 2 mm showed to be high compared to an optimal filter. The grain distributions at 1 and 4 mm were also high compared to an optimal filter, these are not as critical as for stone fraction at 2 mm. The result from pyknometer test showed a value on compact density to 2,65 t/m 3. From compression test with modified proctor dry density measured to 2,26 t/m 3 with the optimal water content 7,1 %. The shear strength test gave an effective friction angle of 32,3 o and an effective cohesion of 18,54kPa. The fine filter material shows a permeability of 1,12 10-6 - 6,71 10-7 m/s and a mean value to 1,1 10-6 m/s. The fine filter doesn t fulfill the criteria of internal stability. The coarse filter sizing result shows the filter just nearly passed the criteria, especially fractions 1-4 mm which shows to be a little high. The fine grain part of the coarse filter curve do not fit within the limits which is the most critical part of the coarse filter. The coarse filter passed the requirement for fine soil under 5 % and indicate a mean permeability of 1,05 10-4 m/s. The most critical fraction of the coarse filter is between D5 and D10 which doesn t fulfill the criteria of internal stability. The rest of the curve fulfills the criteria of internal stability. vi
The results from the grain distribution and permeability test passed the criteria for fine- and coarse filter material. Considering the fact that the material lack of internal stability it needs further analyzing before deciding if it can be used as a secure filter material and will not be treated in this thesis. vii
Innehållsförteckning FÖRORD... i SAMMANFATTNING...ii ABSTRACT... iv 1 Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Målbeskrivning... 1 1.3 Omfattning... 1 1.4 Avgränsning... 2 2 Litteraturstudie... 3 2.1 Fyllningsdammar... 3 2.1.1 Uppbyggnad... 3 2.1.2 Säkerhet... 4 2.2 Filterfunktion... 6 2.2.1 Allmänt... 6 2.2.2 Filterkriterier... 8 2.2.3 Ridas... 9 2.3 Klassificering av jordar... 11 2.3.1 Allmänt... 11 2.3.2 Kornstorlek... 12 2.3.3 Kornfördelning... 12 2.3.4 Siktning... 14 2.3.5 Kornform... 14 2.4 Permeabilitet... 15 2.5 Packningsegenskaper... 15 2.5.1 Allmänt... 15 2.5.2 Proctorpackning... 17 2.6 Skjuvhållfasthet hos friktionsjordar... 17 2.6.1 Allmänt... 17 2.6.2 Direkta Skjuvförsök... 19 2.7 Ny damm C-B, Kiirunavuoma gruvdamm... 21 3 Metod... 24 3.1 Materialhantering... 24 3.2 Laboratorieförsök... 26 3.2.1 Bestämning av filtrens kornfördelning genom siktning... 26 3.2.2 Packningsegenskaper... 27 3.2.3 Pyknometerförsök... 28 3.2.4 Permeabilitetsförsök... 29 3.2.5 Skjuvförsök... 30 4 Resultat och analys... 34 4.1 Siktningsresultat... 34 4.1.1 Allmänt... 34 4.1.2 Siktkurvor för finfilter... 35 4.1.3 Siktkurvor för grovfilter... 40 4.1.4 Inre erosion och korngradering... 42 4.2 Kompaktdensitet... 44 viii
4.2.1 Finfilter... 44 4.3 Packningsförsök... 45 4.4 Skjuvförsök... 47 4.5 Permeabilitet... 51 4.5.1 Finfilter... 51 4.5.2 Grovfilter... 54 5 Diskussion och slutsatser... 56 6 Referenser... 58 ix
1 Inledning 1.1 Bakgrund LKAB (Luossavaara-Kiirunavaara AB) är en internationell högteknologisk mineralkoncern. Företaget producerar förädlade järnmalmsprodukter för ståltillverkning och levererar mineralprodukter till andra industribranscher. Huvuddelen av exporten (80 %) levereras till europeiska stålverk. Nordafrika, Mellanöstern och Sydostasien är andra viktiga marknader. Merparten av industrimineralerna exporteras till Europa och till växande marknader i Asien och USA. LKAB-koncernen har ca 3 700 medarbetare, varav ca 600 st. är stationerade utanför Sverige. Koncernen består av ca 30 st. bolag placerade i ett 15-tal länder. LKAB har bedrivit malmbrytning i Kiruna sedan början av 1900-talet. Malmbrytningen startade som ett mindre dagbrott, men har sedan 1950-talet övergått till storskalig underjordsbrytning. På grund av bergförhållandet i Kirunagruvan används en metod kallad skivrasbrytning. Denna brytningsmetod anses som en av de säkraste och effektivaste vid storskalig underjordsbrytning. Metoden i kombination med att malmkroppen lutar in mot staden har bidragit till uppkomsten av deformationer i marken kring Kiruna. Detta medför att staden behöver flyttas om brytning av malmen ska kunna fortsätta. Stadsflytten är ett gigantiskt projekt där en lång rad undersökningar, tillstånd, beslut och projekt ska genomföras. Flytten har påbörjats med en ny dragning av järnvägen genom Kiruna. Delar av järnvägen kommer anläggas genom LKAB:s magasin för gruvavfall och med anledning av detta behöver en ny damm anläggas. Tanken är att denna dammkropp i huvudsak ska byggas upp av sovringsgråberg som genereras i malmförädlingsprocessen. För att åstadkomma en säker dammkropp måste den byggas upp av filter- och stödmaterial. Eftersom filtren framställs av sovringsgråberg, finns det mycket som tyder på att ställda filterkriterier inte uppfylls. De kriterier som finns fodrar att filtren ska klara av att dränera genomflödande vatten, vara internt stabilt och klara av att filtrera partiklar i det genomflödande vattnet. Filtermaterialen har levererats från LKAB:s materialupplag i februari 2010, för vidare analys i laboratorium. 1.2 Målbeskrivning Examensarbetet syftar till att undersöka och utreda filtermaterialets permeabilitet, känslighet för inre erosion, kornfördelning och hållfasthetsegenskaper. Målet med examensarbetet är att se om materialen uppfyller gällande filterkrav och kan användas som filtermaterial. 1.3 Omfattning Examensarbetet omfattar mätningar och utvärderingar av följande: Geoteknisk grundundersökning av filtermaterialet där kornfördelning, densitet och packningsegenskaper bestäms. Utreda filtermaterialets mekaniska egenskaper. Utreda filtermaterialets permeabilitet. 1
Utvärdering av inre erosionkänslighet för filtermaterialet. I metodiken för examensarbeten ingår också att göra en litteraturstudie inom det kunskapsområde som undersökningarna anknyter till. Litteraturstudien inleds med en beskrivning av fyllningsdammar. Därefter sammanfattas gällande krav för filtermaterial. Litteraturstudien omfattar även mekaniska egenskaper, permeabilitet och kornfördelning. 1.4 Avgränsning Testerna för finfiltret begränsades till kornfördelning, pyknometer, skjuvförsök, proctor packning och permeabilitetsförsök på grund av tidsaspekten. För grovfiltret har testerna begränsats till kornfördelning och permeabilitet på grund av avsaknad av utrusning för de andra försöken. 2
2 Litteraturstudie 2.1 Fyllningsdammar 2.1.1 Uppbyggnad Enligt Vattenfall (1988) är fyllningsdammar samlingsnamnet på dammar bestående av packad jord och sprängsten. Fyllningsdammar med vertikal eller lutande tätkärna anlagda på berg är den vanligaste dammtypen i Skandinavien. Ungefär 85 % av alla dammar i världen är av denna typ. Homogena jorddammar är den äldsta typen av fyllningsdammar och bestod av ett enda tätt material. För att öka stabiliteten har moderna jorddammar försetts med filter samt dränerande material på sidorna. Eftersom erfarenhet och kunskap inom geotekniken länge var begränsad byggdes äldre dammar med låg höjd. När kunskapen inom geotekniken ökade i början av 1920-talet kunde höga fyllningsdammar konstrueras med tillfredställande säkerhet. De högsta fyllningsdammarna är idag över 300 m. Vanligtvis byggs fyllningsdammen av jordmaterial som ligger nära byggplatsen. Fyllningsdammen delas vanligtvis upp i zoner med skilda egenskaper som: 1. tätzon som begränsar vattenflödet genom dammkroppen 2. filterzoner som förhindrar transport av finmaterial från den täta zonen 3. stödjande zoner för ökad stabilitet 4. erosionsskydd som skyddar mot erosionsskador p.g.a. vågor, is, nederbörd och i begränsad utsträckning även översvämning. Figur 1: Typisk zonindelning för fyllningsdammar Vanligtvis byggs fyllningsdammar med en tätkärna av jord. I Sverige består tätkärnan i regel av morän medans lera är vanligt förekommande utanför Sverige. Andra tätningsmaterial kan vara betong, asfalt, stål eller trä. Dammtyper skiljs åt utifrån tätningsmaterialets placering och utförande. Det är främst kraven på säkerhet, ekonomiska faktorer och tillgänglighet av material som styr valet av dammtyp. Fyllningsdammar uppdelas i jorddammar som består till huvudsak av packad jord, samt stenfyllningsdammar som i huvudsak består av sprängstensfyllning, se Figur 2. 3
Figur 2: Jord- och stenfyllningsdammar Eftersom jordmaterialet är av mjuk karaktär med löst sammanbundna korn, kan dammen täta sig själv vid uppkomst av sprickor vid t.ex. sättningar i undergrunden eller sammanpressning. Materialet har däremot en stor nackdel då jordar är känsliga för skjuvning. Den stora egentyngden och de ensidiga vattentrycken i dammkroppen bidrar främst till skjuvningskrafterna. Därför måste fyllningsdammens slänter byggas flacka för att säkerställa stabiliteten. Vilket bidrar till fyllningsdammars stora volym. 2.1.2 Säkerhet Fyllnadsdammar dimensioneras mot olika typer av dammbrott. På både uppströms- och nedströmssidan kan cirkulära brott uppkomma. I gränsen mellan två olika materiallager, t.ex. mellan dammkropp och undergrund uppkommer ibland planbrott. Är dammen väldigt hög och smal kan den i sällsynta fall tippa. På olika håll i världen har allvarliga skador uppstått i samband med dammhaverier, ICOLDs inventering visar att 0,7 % av alla dammar inräknat (inkluderande betongdammar, fyllningsdammar och övriga dammar). Frekvensen är något högre 0,83 % för fyllningsdammar. Dammhaveri hör till den typen av olyckor där sannolikheten är liten medans konsekvensen kan vara katastrofal. Därför eftersträvas en så låg risknivå som möjligt. 4
Säkerhetsarbetet bör drivas så långt att ytterligare insatser för att reducera dammbrott inte är rimlig. Dammbrott orsakas övervägande av överspolning, inre erosion och glidning. Tabell 1 illustrerar de faktorer som har orsakat brott hos fyllningsdammar med höjd > 15m. Tabell 1: En sammanställning baserad på statistiska undersökningar utförda av ICOLD (1984). Orsak till dammbrott Händelseförlopp Statistisk fördelning Yttre erosion Överströmning, överdämning Felfunktion hos dammkroppen 48% Inre erosion Instabilitet Inre erosion i dammkroppen 28% Inre erosion i undergrunden 12% Uppkomst av glidytor i dammkroppen 8% Övrigt 4% Utbyggnad av utskovskapaciteten och höjning av friborden är åtgärder som minimerar risken för överspolning. Behöver dammens konstruktion klara överspolning kläs en del av krönet in med material som står emot vattnets eroderande krafter. Den nuvarande utvecklingen för fyllningsdammar påverkas av de långtgående erfarenheterna från skador på grund av inre erosion. I första hand inriktar sig dammsäkerhetsarbetet på att skydda människors liv och hälsa, men även andra aspekter bör skyddas såsom miljö, samhälle och ekonomiska värden. För att göra detta arbete effektivt har Svenska Energi utarbetat enhetliga normer för dammsäkerhet. Normerna benämns Kraftföretagens riktlinjer för dammsäkerhet (RIDAS, 2008) och skall inte betraktas såsom en lag, utan ses som ett stöd vid dammsäkerhetsarbete. Frångår säkerhetsarbetet riktlinjerna skall detta dokumenteras och redovisas. Enligt Tabell 2 klassificeras dammarna med avseende på konsekvenserna av ett dammbrott. Den allvarligaste klassen är 1A när risken för förlust av människoliv är uppenbar, därefter faller gradvis konsekvensklassen ner till 3. Olika dammar i samma anläggning kan ha olika klassningar. Beroende på konsekvensklass avgörs vilka dammsäkerhetskrav som rekommenderas att uppfyllas. 5
Tabell 2: RIDAS konsekvensklassificeringsdiagram Konsekvensklass 1A 1B 2 3 Konsekvens Uppenbar risk för förlust av människoliv allvarlig skada på viktig trafikled, viktig dammbyggnad eller jämförlig anläggning allvarlig skada på betydande miljövärde stor ekonomisk skadegörelse. Icke försumbar risk för förlust av människoliv allvarlig personskada. Beaktansvärd risk för allvarlig skada på viktig trafikled, viktig dammbyggnad eller jämförlig anläggning allvarlig skada på betydande miljövärde. Uppenbar risk för stor ekonomisk skadegörelse. Icke försumbar risk för beaktansvärd skada på viktig trafikled, viktig dammbyggnad eller jämförlig anläggning allvarlig skada på betydande miljövärde eller annans egendom. Försumbar risk för beaktansvärd skada på viktig trafikled, viktig dammbyggnad eller jämförlig anläggning allvarlig skada på betydande miljövärde eller annans egendom. 2.2 Filterfunktion 2.2.1 Allmänt Filtrens huvuduppgift är att transportera bort läckvattenflödet som uppstår i dammen och undergrunden. För att möjliggöra effektiv vattentransport behöver filtren samverka med övergångs- och dränagezoner. Övergångszoner behövs som hinder för utspolning av finmaterial från dammens tätkärna och möjligöra fri passage av läckvattnet. Dränagezonen skall ha god dränagekapacitet för uppsamling och ledning av läckaget till dammens utloppspunkt (Ridas, 2008). Filtermaterial i en dammkonstruktion skall vara stabilt för inre erosion. Med inre erosion menas att filtrets egna material inte får vandra igenom filtret vid stora vattenflöden. Har filtret ofördelaktig kornfördelning kan materialets finare fraktioner transporteras bort, vilket kan medföra att bakåtgripande erosion uppstår. Inre stabilitet uppnås vid välgraderat material där kornen kan låsas fast i varandra. 6
Figur 3 visar exempel på kornuppbyggnader för ett: a. stabilt material, där alla korn samverkar i kornskelettet b. instabilt material, där fina korn ligger lösa och kan transporteras bort i ett skelett av grövre korn (Språnggraderad kornkurva) c. instabilt material, där grova korn ligger lösa i en massa av finare korn och bakåtskridande erosion kan uppstå, om filtret bara förmår fånga de större kornen (flackt hängande kornkurva). Figur 3: Exempel på kornuppbyggnader för friktionsmaterial. De svenska filterreglerna är baserade på Bureau of Reclamation och är anpassad till svensk laboratoriestandard med följande definitioner (Ridas, 2008): D = d = kornstorlek för filtermaterial. Filter beräknas på allt material (Totalsiktkurvan) kornstorlek för basmaterial. För tätjord (vanligtvis månggraderad morän) beräknas på material < 20 mm. Utgörs basmaterialet av finfilter eller annat grövre material, beräknas kornstorleken på allt material (totalsiktkurvan) Finjordshalten dvs. material mindre än 0.06 mm beräknas på material < 20 mm. Flertalet av de svenska fyllningsdammarna uppfyller inte RIDAS nuvarande filterkrav. Undersökningar har visat att ca 20 % av svenska fyllningsdammar byggda mellan 1940-1985 har problem med inre erosion som resulterat i sjunkgropar, se Figur 4. Vid inventering av filter i svenska dammar har det visat sig att nedströmsfiltret haft en alltför grov gradering i förhållande till vad man idag skulle acceptera vid nybyggnad. Det har även konstateras att största kornstorleken för finfilter har varit 60 mm eller större, vilket medför ökad stenseparation i samband med hantering och utläggning. Med anledning av detta har i några fall förstärkningsåtgärder utförts i form av injekteringar eller genom att ny tätning införts, t ex i form av en stålspont. I en del fall har 7
dränageanordningar längs dammens nedströmstå utökats. Det har även i ett par fall gjorts ombyggnad av skadade dammar. Figur 4: Svenska fyllningsdammar med och utan rapporterad inre erosion för respektive färdig ställning sår.(nilsson, 1999). 2.2.2 Filterkriterier Terzaghi utarbetade filterkriterier under 1940-talet, i syfte att definiera graderingskraven för en stabil utformning av fyllningsdammars filter och tätkärna. Före Terzaghis studier användes endast allmänna empiriska filterprinciper och kunskap inom filterfunktionen var begränsad. Delar av Terzaghis studier tillämpas än idag, framför allt definitionen gällande riktlinjer för en effektiv och inre stabil utformning av fyllningsmaterial som bas- och filtermaterial. Terzaghis bygger sina riktlinjer på metodiska laboratorieförsök på jordmaterial och dess kornfördelning (Terzaghi, 1960). Terzaghis kriterier har vidareutvecklats av Sherard under 1980-talet och möjliggör ett inre stabilt förhållande mellan filter och tätkärna. Stabiliteten bygger på förslag till lämpliga kornstorlekar på filtrets D15 för olika fördelningar av basmaterialet. Filterkriterierna utvecklade av Terzaghi och Sherard bygger på relationen mellan tätjorden och filtret vid bestämda passerande viktmängder. Figur 5 visar de aktuella viktmängderna är 15, 50 och 85%. (Nilsson, 1999) Figur 5: Kornfördelningskurvor med kornstorlekar aktuella för filterkriterier. 8
Moderna filterregler bygger på kriterier utarbetade av Sherard och Dunnigan (1989). Filterreglerna baseras på filtertestet no-erosion filter (NEF) test. Testet symboliserar uppkomsten av en sprick i tätkärnan med ett förtillverkat hål (1mm diameter). Då det inte sker någon synbar erosion, dvs. ingen storleksökning av läckagekanalen har utvecklats under testets gång, anses filtret som väl fungerande. Utifrån studierna av Sherard och Dunnigan utarbetades en rekommendation för filtermaterials kornstorlek vid D15, där ingen inre erosion uppstår. Tabell 3 redovisar bestämda gränsvärden för D15 med avseende på basmaterialets finjordshalt. Tabell 3: Sherard och Dunnigans rekommenderade jordgruppsindelning och filterkrav D15. Basmaterial Finjordshalt Sherard och Dunnigan Jordgrupp <0,075mm filterkriterier 1 85% D15 9d85 2 40-85% D15 0,7mm 3 < 15% D15 4d85 4 15-40% D15 (40-pv%75μm)x (4d85-0,7)/25+0,7 2.2.3 Ridas Filterzoner är avgörande ur dammsäkerhetssynpunkt för skydd mot inre erosion i samband med sprickor i tätkärnan. Filterzonen brukar delas in i finfilter av sandigt material, minst ett grovfilter av makadam samt ett övergångslager av finberg. I de fallen med dåligt graderat finfilter och grovfilter kan det behövas ett mellanfilter av grus. Består tätjorden i huvudsak av lera, silt eller finkornig morän kan det behövas tre filterskikt för att filterreglerna skall uppfyllas. I de fall filtren i jorddammen avgränsar material med olika egenskaper, så som tätjord och stenfyllning, måste filtret uppfylla kraven för båda materialen. De vanligaste filtermaterialen i jorddammar är sand, grus, sprängsten eller krossmaterial. I jorddammar med tätkärna av morän väljs i första hand filter av grusigt sandigt naturmaterial eller i nödfall sorterat krossmaterial. I de fall grovfiltret ansluts mot sprängstensfyllning används makadam eller sorterat finberg som filter. För att hindra sprickor i filtermaterial skall det vara utan kohesion. Geotextiler kan i undantagsfall användas, men rekommenderas inte som nedströmsfilter för dammar i konsekvensklassen 1 och 2. Geotextil får användas som filter för mindre dammar och för dränage som är åtkomliga för underhåll. Dränageförmågan och igensättningsrisken måste särskilt beaktas så filterduken inte slammar igen (Vattenfall, 1988) (Ridas, 2008). 9
Följande krav gäller för att uppnå effektiva filter (Vattenfall, 1988 ): Dränering: Filtrets permeabilitet bör vara minst tio gånger större än permeabiliteten hos dammens tätkärna. Vid dränering av morän skall finfiltrets permeabilitet minst vara 3 10-6 m/s. Filtrering: Materialtransport från basmaterial genom filtret förhindras genom tillräckligt små filterporer. Utgångsmaterialet för finfiltret måste därför innehålla en lagom mängd fina korn men ändå vara stabilt mot inre erosion. Separation: Stenanhopningar undviks i samband med fyllningsarbetet genom att maximal stenstorlek i filterzonen av praktiska skäl vanligen begränsas genom sortering. Basmaterialets gradering bestämmer filtermaterialets gränsvärde för stabilitet och permeabilitet. Graderingen ges ur kornstorlekarna vid de passerande viktmängderna 15, 50 och 85 %, för basmaterialet betecknat som d 15, d 50 och d 85 samt för filtermaterialet D 15, D 50, och D 85. Vid beräkning av filterkriterier används materialets totalsiktkurvor. På grund av risken för stenseparation begränsas finfiltrets kornstorlek till 60-75 mm, 75-100 mm för mellanfilter och 100-150 mm för grovfilter. Tabell 4 visar filterregler för att förhindra bortspolning av finmaterial för månggraderade samt ensgraderade basmaterial (Ridas, 2008). Tabell 4: Filterregler för olika basmaterial för att uppnå filtrering. Basmaterial med Basmaterial med finjordshalt < 30 % finjordshalt 30-80 % 4 < D 15 /d 15 < 40 * D 15 /d 15 < 5 D 15 /d 15 < 4** D 15 < 0,7 mm D 50 /d 50 < 25 D 50 /d 50 < 25 * Detta krav blir avgörande för månggraderade basmaterial. ** Detta krav blir avgörande för ensgraderat basmaterial. Enligt RIDAS (2008) gäller följande krav på finfiltermaterial: har basmaterialet mer än 80 % finjord ställs andra krav på finfiltret vilket kräver närmare utredning för att filtret skall få tillräcklig inre stabilitet bör kornkurvan vara relativt linjär och inte språnggraderad eller månggraderad att inre stabilitet kan kontrolleras genom att kravet D15/d85 < 4 skall vara uppfyllt där materialet delas i en grövre och en finare del vid en godtycklig punkt på kornkurvan för att filtret skall få tillräcklig vattengenomsläpplighet behöver materialet alltid ha D15 > 4 d15, och vara större än 0,1 mm inte får vara språnggraderat och inte ha flackare gradering än D60/D10=30. 10
Vid byggnation av dammar eftersträvas kontrollerad traktorutläggning vilket medför att finfilter och eventuellt mellanfilter bör vara minst 3 m bred. För höga dammar bör fin- och mellanfiltret vara minst 5 m och läggas i två utläggningssträngar för att minska genomgående stenseparation. Fördelen med breda filter är den extra säkerheten ifall sprickor uppkommer i tätkärnan. För medelhöga dammar med ensgraderat grovfilter av makadam eller singel bör bredden inte understiga 1-2 m. Kvalitetskontroll under byggnationstiden av filterzonerna är nödvändigt med hänsyn till deras kritiska funktioner. Viktiga aspekter att beakta under byggandet är: förhindra förorening av filter och dränage förhindra stenseparation åstadkomma god packningsgrad övervaka korngraderingen övervaka filterzonernas tjocklek och kontinuitet. 2.3 Klassificering av jordar 2.3.1 Allmänt Vanligen består jordar av korn, vatten och gas. Kornen, eller partiklarna > 2 µm, bildar ett kornskelett som tillsammans bär påförda laster. Mellan kornen i kornskelettet finns större och mindre hålrum, porer, som helt eller delvis består av vatten, luft eller en kombination av dessa. Således benämns jord som ett trefasmaterial bestående av korn, vatten och gas. Figur 6 visar sammansättning av korn, vatten, gas, form och storleksfördelning, vilket påverkar jordars egenskaper i olika avseenden. Intressanta egenskaper ur geoteknisk synpunkt är bärförmåga, deformationsbenägenhet och stabilitet hos jordskelettet. Figur 6: Jords beståndsdelar. Jords sammansättning och egenskaper kan variera stort från en plats till en annan. Bedömningen av egenskaper hos jord underlättas och förenklas genom att dela in likartade egenskaper i olika grupper. Utifrån erfarenheter har successivt system för gruppering och 11
jordklassificering vuxit fram. Den grundläggande och viktigaste jordklassificeringen är kornstorlek och kornfördelning. Andra viktiga gruppindelningar är efter organisk halt, hållfasthets- och deformationsegenskaper, konsistens, tjälfarlighet och efter bildningssätt (Axelsson, 1998). 2.3.2 Kornstorlek Vid klassificering av kornstorlek kan jorden grupperas i kornfraktioner. Inom geotekniken användes en äldre gruppering till omkring 1980, men övergavs av två olika anledningar. Indelningen är inte anpassad till internationell praxis samt speglar inte jordens tekniska egenskaper på ett tillfredställande sätt. Idag delas kornfraktionerna in i lera, silt, sand, grus, sten och block. Kornfraktionerna delas sedan in i olika fraktionsgrupper såsom; block och sten, grovjord samt finjord. För att underlätta benämning av jordar delas fraktionerna in i undergrupper. I Tabell 5 redovisas fraktionsgrupper, fraktioner och undergrupper. Tabell 5: Mineraljordars fraktionsindelning. 2.3.3 Kornfördelning Jordars geotekniska egenskaper styrs av de enskilda kornens form och kornens inbördes mängförhållande (kornfördelning). Kornfördelningen bestäms genom siktning och sedimentationsanalys och redovisas i ett siktdiagram. I Figur 7 visas ett siktdiagram med kornfördelningskurvor för några jordarter. 12
Figur 7: Kornfördelningskurvor för några olika jordarter. Kornfördelningskurvan återspeglar hur jordarten är graderad. En flackare kurva innehåller fler fraktioner än en brantare. Lutningen på kornfördelningskurvan representeras av graderingstalet: C u =d 60 / d 10 (1) där d 10 och d 60 motsvarar kornstorlekarna vid 10- respektive 60 procent passerad viktmängd. Utifrån storleken på graderingstalet benämns jordar som ensgraderade, mellangraderade eller månggraderade, se Tabell 5. Tabell 5: Indelning efter korngradering. Benämning Graderingstal C u Ensgraderade <5 Mellangraderade 5-15 Månggraderande >15 Har kornfördelningskurvan ett ojämnt förlopp blir graderingstalet d 60 / d 10 inte tillräckligt representativt. Då måste man också ta hänsyn till kvoten d 90 / d 10. Jorden kallas språnggraderad om en eller flera mellanliggande fraktioner saknas. 13
2.3.4 Siktning Vid siktning används en uppsättning siktkorgar med kvadratiska hål av trådnät. Siktkorgarna bör bestå av maskvidder som anknyter till internationell standard; 0,063, 0,2, 0,63, 2,0, 6,3 och 20 mm fri maskvidd samt ansluta till kornfraktionsgränserna. Materialprovet placeras i den översta siktkorgen och vibreras sedan så materialets finare delar faller ner till siktkorgarna med mindre maskvidd. Figur 8 visar en skakmaskin med tillhörande siktkorgar. Jordprov med låga halter av material <0,063 mm, kan siktas utan risk för att finmaterialet stannar i fel siktkorg. Vid höga halter av finmaterial, behöver jordprovet tvättas före siktning eller tvättas samtidigt som det siktas, så kallad våtsiktning. Efter att provet är siktat vägs innehållet i varje sikt. Resultatet sammanställs sedan i siktkurvor som beskriver kornstorleksfördelningen hos jordmaterialet (Stål, 1972). Figur 8: Skakmaskin och siktkorgar. 2.3.5 Kornform Jordmaterials kornform bestäms i regel okulärt. Oftast görs detta normalt för grövre korn med hjälp av ett jämförande standarddiagram. Kornformen för finare material bestäms med hjälp av mikroskop. Vid beskrivning av kornform användas termer enligt Tabell 6. Tabell 6: Kornform. Parameter Kantighet/rundhet Kornform Mycket kantig Kantig Mindre kantig Mindre rund Rund Mycket rund Form Ytstruktur Kubisk Flat Avlång Skrovlig Slät 14
2.4 Permeabilitet Permeabilitet avser hur mycket vatten som kan flöda igenom ett jordmaterial och påverkas av vattnets gradient. Gradienten är skillnaden i vattennivå mellan två godtyckliga mätpunkter. Permeabilitet mäts i permeabilitetskoefficienten k eller tätvärdet pp. Vanligen råder linjärt samband mellan portalet e och logaritmen k. Vid beräkning av permeabilitet används Darcys lag. Darcys lag utvecklades av den franske ingenjören Darcy vid 1800-talets mitt. Han undersökte hur vatten under tryck strömmar igenom sand. Undersökningen visade att vattnets strömningshastighet var proportionell mot den hydrauliska gradienten. (2) där v = genomsnittlig strömningshastighet, m/s k = permeabilitet (permeabilitetskoefficient), m/s h =tryckfall på sträckan l, mvp (meter vattenpelare) l = längd i strömningsriktningen med tryckskillnad h, m i = hydraulisk gradient (förlust i tryckhöjd per längdenhet i strömningsriktningen (i = h/l), dimensionslöst tal Darcys lag kan tillämpas på de flesta jordarterna. Men experiment har visat att avvikelse från Darcys lag kan uppstå vid låga gradienter i en del leror. Vattnets viskositet och densitet har en stor påverkan av permeabiliteten. För månggraderade och finkorniga jordar minskar permeabiliteten med minskad vattenmättnadsgrad (Larsson, 2008). I grovkorniga jordar och i öppna bergsprickor kan turbulent strömning förekomma och ett vanligt rätlinjigt samband enligt Darcys lag gäller inte. I sådana fall är flödet en funktion av kvadraten på vattenhastigheten. Permeabilitet har betydelse vid dimensionering av jorddammar, tätskärmar och tätskikt, filter och brunnar, vid bedömning av släntstabilitet och tjälfarlighet, vid val av odränerad eller dränerad beräkningsmodell för stabilitet och för beräkning av hur sättningar utbildas med tiden. Dessutom har permeabiliteten betydelse vid bedömning av effekten av grundvattensänkning och infiltration, bedömning av föroreningsspridning samt för bedömning av injekterbarhet (Vattenfall, 1988). 2.5 Packningsegenskaper 2.5.1 Allmänt Jordmaterial består av korn och luftfyllda hålrum med varierande täthet. Vid packning omlagras kornen och hålrummen minskas. Detta medför att densiteten ökar och påverkar kornformiga materials hållfasthet, bärighet och vattengenomsläpplighet. Vanligtvis är sambandet exponentiellt. En ökning av bundna materials, betong och asfalt, densitet med 1 % medför en ökning av materialens hållfasthet och bärighet med 10 % -15 %. För obundna jord 15
och bergmaterial kan en ökning vara betydligt högre. Hur stor ökningen blir beror på materialets kornstorlek och fördelning (Forssblad, 2000). Packning avser att i rimlig utsträckning förhindra framtida sättningar och minska jordmaterials permeabilitet. Resultatet av packningen beror bland annat av jordart, vattenhalt, packningsarbete, packningsmetod samt undergrundens kompressionsegenskaper. Packningsförsök utförs på samma material med olika vattenkvoter. Efter packningen torkas materialet och torrdensiteten kan beräknas. Resultatet från packningsförsöken för de olika vattenkvoterna plottas i ett diagram med torrdensiteten som funktion av vattenkvoten. I Figur 9 visas typiska samband mellan torrdensitet och vattenkvot för olika jordar vid instampningsprov. Figur 9: Samband mellan torrdensitet och vattenkvot för olika jordar. Densitetkurvorna skiljer sig för grovkorniga jordar jämfört med finkorniga jordar. Grovkorniga jordar med finjordshalt under 5 % anses vattengenomsläppliga. Detta medför att vatten hinner dränera bort eventuellt överskottsvatten vid packning. Så den maximala densiteten uppnås vid vattenmättat material. På grund av begränsad dränageförmåga vid packning av finkorniga material är det viktigt att vattenhalten är nära den optimala. 16
En vattenhalt under den optimala ger ett större packningsmotstånd medan en vattenhalt över är mer lättpackad men ger lägre densitet. I Sverige används vanligen proctorpackning för att bestämma maximal torrdensitet. (Forssblad, 2000). Proctorpackning skall mosvara den packning som vanliga packningsmaskiner kan uppnå i fält. Packningskontroll utförs av packningsarbeten i fält vid byggnation av t.ex. jorddammar och flygfält. Vid kontroll av jordens packningsgrad i fält används följade samband: (3) där R d = packningsgrad [%] p d, fält = Uppnådd torrdensitet i fält [t/m 3 ] p d, max = maximal torrdensitet enligt proctorpackning [t/m 3 ] Kravet på packningsgraden, R d, ligger vanligtvis mellan 90-95 %. Den maximala torrdensiteten bestäms med laboratoriepackning för aktuellt jordmaterial. 2.5.2 Proctorpackning Vid proctorpackning bestäms jordars maximala torrdensitet och den optimala vattenkvoten. Principen vid laboratoriepackning med Proctormetoden är att jordar packas med hjälp av en fallvikt som får falla fritt på den jordvolym som ska packas. Därmed tillförs jordvolymen ett visst packningsarbete. Packningsarbetet anpassas så att det överensstämmer ungefär med det arbete som packningsmaskiner åstadkommer vid packning av jordfyllningar. Det finns olika standarder för Proctorpackning. Enligt den modifierade Proctormetoden, som används i Sverige, packas jorden i en cylinder med höjden 11,7 cm och diametern 10,2 cm (volym 943 cm 3 ) i fem lika tjocka lager. Varje lager packas med en fallvikt, som väger 4,45 kg och som får falla 25 gånger. Vid inpackningen används en speciell apparat med automatisk kontroll av antalet slag och slagens fördelning över provets yta (Laboratoriehandledning geoteknologi, Skrift 02:04). 2.6 Skjuvhållfasthet hos friktionsjordar 2.6.1 Allmänt Jordarterna delas in i två huvudgrupper friktionsjord och kohesionsjord. Hållfastheten hos friktionsjordar uppkommer genom friktion mellan kornen samt det arbete som krävs för att kornen skall kunna lyfta och rulla förbi varandra. Detta medför att en fast lagrad jord har en högre hållfasthet än en löst lagrad jord. Ändrar jorden inte volym vid skjuvning benämns jorden som kritiskt lagrad. Vid kritisk lagring ökar skjuvspänningen tämligen linjärt till sitt högsta värde och förblir därefter konstant vid fortsatt skjuvning. 17
Vid fastare lagrade jordar krävs ett större arbete för att åstadkomma brott, genom att kornen i större omfattning behöver klättra över varandra. Vilket medför att hållfastheten ökar snabbt för att sedan åter minska. Eftersom jordkornen klättrar över vandra kommer volymen att öka och jorden benämns dilatant. Vid stora deformationer liknar dilatant jord den kritisk lagrade. Vid löst lagrade jordar under kritisk lagringstäthet kommer volymen att minska under skjuvningen och för att mobilisera skjuvhållfastheten krävs betydligt större skjuvdeformationer. Jorden sägs då vara kontraktant. Figur 10: Deformationskurvor för skjuvade jordar. Beroende på belastningsfall och jordens konsolideringsegenskaper skiljer man på dränerad och odränerad skjuvhållfasthet. I grovkorniga jordar är endast den dränerade hållfastheten av intresse utom vid stötbelastningar som jordbävningar och vågkrafter. Skjuvhållfasthet för kohesionsjord behandlas inte i detta arbete. Normalt uttrycks jords skjuvhållfasthet med Mohr-Coulomb s brotthypotes vilket säger: (4) där 18
Figur 11: Brotthypotesen. Närvaron av porvatten hos jordar ökar dess förmåga att bära upp naturliga och påförda laster. Den del av porvatten som bär påförda laster kallas för portryck och den del vilket bärs upp av kornskelettet kallas för effektivspänning. Förhållandet mellan totalspänning, effektivspänning och portryck är: där (5) På grund av friktionsjordars höga permeabilitet betraktas jorden nästan alltid som dränerad, varvid skjuvhållfastheten beskrivs utifrån effektivspänningar enligt: (6) För friktionsjordar finns i regel ingen kohesion, varvid c termen ofta kan försummas. Detta medför att friktionsvinkeln bestämmer hållfastheten för friktionsjord. Det bör dock uppmärksammas att cementering mellan kornen kan ge upphov till så kallad skenbar kohesion (Sällfors, 1995). 2.6.2 Direkta Skjuvförsök Direkta skjuvförsök utförs i en skjuvapparat där ett jordprov utsätts för skjuvkrafter, se Figur 12. Jordprovet placeras i en cylindrisk behållare med väggar av flexibla hopfogade ringar och belastas med önskad vertikal last (Normalkraft, N). Därefter konsolideras provet och skjuvas stegvis genom belastning i horisontalled (Skjuvspänning, τ). Vid skjuvning av vattenmättade prover bör skjuvningshastigheten vara så låg att inget porövertryck byggs upp. 19
Figur 12: Skjuvapparat. Figur 13 visar skjuvkurvan vilket är förhållandet mellan den stegvisa påförda skjuvspänningen τ och skjuvvinkeln γ. Skjuvkurvan planar så småningom ut och skjuvspänningen uppnår ett maximalvärde τ max. Förhållandet mellan τ max och det rådande effektiva axeltrycket sammanställets i ett τ max - - diagram och på så sätt kan en rät linje konstrueras. Lutningen för denna linje motsvarar den inre friktionsvinkeln för materialet. Sambandet mellan maximal skjuvspänning, effektivt axialtryck och den inre friktionsvinkeln kan beskrivas enligt (Axelsson, 1998): (7) Figur 13: Skjuvspänning-skjuvvinkel-diagram och τ max -σ -diagram. 20
2.7 Ny damm C-B, Kiirunavuoma gruvdamm Som tidigare nämnts behöver delar av Kiruna flyttas på grund av gruvans utbredning. I första skedet av flytten berörs järnvägen genom staden. Järnvägssträckningen planeras väster om Kirunavaara och kommer byggas igenom LKABs befintliga sandmagasin. Med anledning av detta måste det befintliga sandmagasinet schaktas ur samt delar av den befintliga C-C1-D dammen rivas och en ny anläggas. Den nya dammen kommer att anläggas väster om den nya järnvägen, mellan de befintliga dammarna BRO och C-C1-D. Den nya dammen kallas C-B och kommer att utföras som en dränerande damm. Se Figur 14 och Figur 15 för orientering. Dammen kommer delvis att anläggas i sandmagasinet där grundläggning kommer att ske på deponerad anrikningssand och delvis på naturlig mark (Sweco, 2009-01-28). 21
Figur 14: Flygfoto över sand- och klarningsmagasin vid Kiirunavuoma, 1997. Copyright Lantmäteriverket 1998. 22
Figur 15: Översikt planerade åtgärder. Den planerade järnvägen, ny damm C- B, truckvägar, A-rännor, KS-magasin, samt den skyddsvall som behöver anläggas vid järnvägen. En dränerande damm byggs upp av en dammkropp bestående av material med en hydraulisk konduktivitet på minst 10-5 m/s, vilket skall medföra att vattengenomströmningen inte blir orimligt stor, till skillnad från en traditionell vattenkraft som i regel är nästintill vattentät. Genom att öka bredden på dammsektionen fördelas den hydrauliska tryckskillnaden på en längre sträcka vilket medför ökad stabilitet. C-D-dammens filter (grov- och finfilter), övergångslager och stödfyllning kommer framställas av sovringsgråberg och kommer att vidareförädlas beroende på vilken fraktionsfördelning som produceras vid malmproduktion. Detta ställer höga krav på framställningen av framförallt grov- och finfilter. C-B dammens tätkärna kommer att bestå av anrikningssand som har mycket varierande partikelfördelning. Det är komplicerat att konstruera ett filter för material med varierande partikelfördelning. Därför anpassas finfiltret till den grovkornigaste anrikningssanden och där anrikningssanden är finkornigare kommer ett finfinfilter att behövas. Filterkriterierna mellan materialen måste dessutom uppfyllas så att inre erosion inte uppstår och även klara att filtrera partiklar i det genomströmmande vattnet. Uppströms om filtren läggs en zon av anrikningssand, vilken har som funktion att skydda dammkroppen mot erosion (Sweco, 2009-01-28). 23
3 Metod I metoden redovisas de genomförda laborationstesterna på fin- och grovfilter. Först behandlas hanteringen av materialen vid anskaffningen från LKAB:s upplag och hur materialen har hanterats inför försöken. Därefter beskrivs tillvägagångssättet för siktning, proctorförsök, permeabilitetsförsök, skjuvförsök och pyknometerförsök samt vilka antaganden som gjorts inför försöken. 3.1 Materialhantering Finfiltermaterialet hämtades i februari 2010 från LKAB:s upplag för finmaterial och grovfiltret har levererats till Luleå tekniska universitet av KGS i mars 2010. Vid upplagsplatsen för finfilter töms materialet i högar, se Figur 16, med lastbil direkt från krossningsanläggningen. Detta kan medföra materialseparation, det vill säga de största kornen hamnar utvändigt på jordhögen medans de finare delarna hamnar längre in i jordhögen. Figur 16 visar en traktor vilken schaktar ur delar av finfilter från en specifik materialhög, för att få ett representativt och homogent prov. Traktorn schaktar ur 4-5 stycken skopor med material från den specifika materialhögen och blandar sedan dessa grundligt. Efter blandning plattas den nya högen ihop, vilket ska motverka så att separation inte uppstår igen, se Figur 16. Därefter tas delprov från olika ställen på provhögen med en speciell provtagningsspade och materialet placeras i 60 liter stora oljefat med slutet lock. Prov hämtas från fyra olika materialhögar och transporteras sedan till Luleå tekniska universitet för vidare analys. Grovfiltret är behandlat med liknande metod av KGS och har levererats i två stycken 120 liter oljefat. Figur 16: Urschaktning av material från LKAB:s upplag. 24
Figur 17: Omblandning och tillplattad materialhög. Figur 18: Provtagningsspade och olika materialhögar. På grund av den stora mängden material behöver proven delas ned till hanterbara mängder för vidare analys. I universitetets laboratorium har fin- och grovfilter delats ned med hjälp av en delningsapparat, se Figur 19. Jordproven från oljefaten placeras i locket på delningsapparaten, sedan vänds locket och apparaten delar provet i två delar. Detta upprepas tills lämplig mängd erhålls beroende på vilket laboratorieförsök som ska utföras. Figur 19: Delningsapparat. 25
3.2 Laboratorieförsök 3.2.1 Bestämning av filtrens kornfördelning genom siktning Siktning av finfilter har utförts på material från de fyra olika materialproverna. Proven har delats ner till hanterbara mängder på mellan 1300-1700 gram per prov. Proven placeras därefter på varsin torkplåt och torkas i varmluftsugn med en temperatur på 105 o C i minst 24 h. Proven delas upp i mindre delprov på 400-500 gram för att vikten på varje enskild sikt inte skall bli för stor. Findelen för finfiltret bedöms vara större än 5 % vilket medför att provet behöver tvättas eller våtsiktas (Stål, 1972). På grund av stor användning av studentlaboratoriets ugn bedöms tvättning vara den lämpligaste metoden. Vid siktning av grovfilter användes material från ett av oljefaten. Provet delas därpå ner till ca 8500 gram och torkas i varmluftsugn med en temperatur på 105 o C. Därefter delas grovfiltret ned till sju st delprover på 1200-1300 gram. De största stenarna har siktats för hand i 31.5 mm maskvidd, vilket har medfört att vikten i varje enskild siktkorg inte blir för stor. Findelen för grovfiltret bedöms ligga runt 5 %, vilket medför att provet bör tvättas eller våtsiktas (Stål, 1972). Även här bedöms tvättning som den lämpligaste metoden. Enligt Stål (1972) skall tvättsiktens maskvidd vara 0,063 mm med minst 30 cm innerdiameter och minst 10 cm ramhöjd. Vid tvättning av finfiltret användes en tvättsikt med maskvidd på 0,063 mm med 20 cm diameter och 5 cm ramhöjd. Den måttliga mängden material samt tvättningens utförande medför att tvättningen kan bedömas som relativt säker. Vid tvättning placeras filtermaterialet i en 24x13x7 mm stor aluminiumform. Aluminiumformen har sedan fyllts med godtycklig mängd vatten vilket sedan töms över skikten med maskvid på 0,063 mm. För att inte skada siktkorgens trådnät töms bara mindre korn över tvättsikten. Denna procedur upprepas fram tills att vattnet blivit fritt från material <0,063 mm, vilket är när det passerande vattnet genom tvättsikten blivit klart. Vägning av provet är gjort före tvättning, efter tvättning har provet torkats i 105 o C för att sedan vägas. Skillnaden i vikt blir vikten på materialet <0,063 mm. Efter tvättning och torkning siktas materialet i en skakapparat. Vid siktning används siktkorgar med kvadratiska hål av trådnät. Siktkorgarnas maskvidder har varit; 0,063, 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 4, 8, 16 och 20 mm. Materialprovet placeras i den översta siktkorgen och vibreras sedan vilket medför att materialens finare delar faller ner till siktkorgarna med mindre maskvidd. Innehållet i varje siktkorg vägs efter genomförd siktning. Resultatet sammanställs sedan i siktkurvor vilket beskriver kornstorleksfördelningen för fin- och grovfiltret. 26
3.2.2 Packningsegenskaper Finfiltrets packningsegenskaper har undersökts med hjälp av Modifierad Proctorpackning, se Figur 21. Syftet med försöken är att bestämma maximal torrdensiteten samt optimal vattenkvot. Packning har genomförts för varierade vattenhalter mellan 2-10 % (Pusch, 1973). Finfiltermaterialet delades ned med hjälp av en delningsapparat till ca 8-9 kg och torkas därefter i en varmluftsugn med en temperatur på 105 o C. Efter torkning i minst 24 h delas provet upp i tre mindre delar på ca 3 kg styck. Därefter tillsätts olika vattenhalter under noggrann omrörning. Eftersom vattnet åtgår vid blandning av materialet tillsätts något mer än beräknat (Pusch, 1973). Enligt den modifierade Proctormetoden packas jorden i en cylinder med höjden 11,7 cm och diametern 10,2 cm (volym 943 cm 3 ). Figur 20 visar cylinderdelarna som används vid proctorförsök. Figur 20: Bottenplatta (1), packningscylinder (2) och skarvcylinder (3). Figur 21: Modifierad Proctormaskin. Bottenplatta, packningscylinder och skarvcylinder monteras fast i packningsmaskinen, se figur 20. Packningscylindern fylls med finfiltermaterial i fem lager, som vart och ett packas genom 25 stötar med en fallande vikt. Mängden material som tillförs för varje lager har varit lika stora. Vid packningen av sista lagret har jordprovet nått upp till skarvcylindern. För att uppnå ett jämt resultat roteras cylindern under packningsarbetet. Efter utfört packningsarbete tas skarvcylindern bort och provet jämnas ut vid packningscylinderns överkant. Vid uppkomst av håligheter har material flyttats från sidan och ytan har tilljämnats. Jordprovet avlägsnas sedan från packningscylindern och vägs. Efter torkning i en ugn med temperaturen 105 o C vägs provet igen, utifrån skillnaden i massa mellan fuktigt och torkat prov beräknas den verkliga vattenhalten. 27
3.2.3 Pyknometerförsök Vid pyknometerförsök bestäms fin- och grovfiltrens kompaktdensitet. Kompaktdensiteten är förhållandet mellan filtrens vikt och volym där volymen bestäms med pyknometer. En pyknometer är en glasbehållare med förbestämd volym och vikt, se bild 22. Finfiltermaterialet delas till 400-500 gram. Till försöken har de torra materialen blandats om noggrant och till finfiltret har 75-80 gram används vid tre olika försök. Figur 22: Pyknometer Figur 23: Uppvärmning av pyknometer Godtycklig mängd material placeras i pyknometern och sedan fylls med vatten. På grund av att jord består av korn bildas hålrum med luft, så kallad porer. För att uppnå den verkliga porvolymen på provet behöver luften kokas bort. Pyknometern placeras på en kokplatta och kokas i ca 5 minuter, samtidigt som en behållare enbart innehållande vatten värms upp, se Figur 23. Efter kokning fylls pyknometern upp till kanten med varmt vatten från den andra behållaren. Därefter placeras ett glaslock på behållaren, uppkommer luft under locket tillsätts mer vatten tills luften försvinner. Pyknometern kyls sedan ner till rumstemperatur och hela innehållet vägs. Kompaktdensiteten kan sedan beräknas utifrån följande ekvation: (8) där = provets korndensitet g/cm3 m 2 = vikt av pyknometer + prov g m 1 = vikt av pyknometer g V p = pyknometerns volym cm3 (ml) m 3 = vikt av pyknometer + prov + lösning g ρ L = utfyllnadsvätskans densitet vid 25 C = 1,0038 g/cm3 (g/ml) 28
3.2.4 Permeabilitetsförsök Vid permeabilitetsförsöken används en variant av rör-permeameter med utsläpp för vattnet i provets överkant. Istället för ett rör används en cylinder med motsvarande mått som vid proctorpackning, d = 10,2 cm och l = 11,7 cm. Fördelen med detta är att materialets permeabilitet kan undersökas vid olika packningsgrader och hur det påverkar permeabiliteten. För grovfiltret har en cylinder med måtten d = 23,2 cm och l = 66 cm använts. Då det inte var möjligt att undersöka grovfiltrets packningsgrad, kan inte antaganden hur packningsgraden påverkar permeabiliteten uppskattas. För finfiltret har tre olika försök utförts med tre olika packningsgrader. Två olika försök har utförts på grovfiltret. Proven placeras i cylindrar lagervis och packas till olika packningsgrader. På grund av att jorden består av olika kornstorlekar kan det uppkomma hålrum mellan materialet och cylinderns insida. Detta kan ge upphov till höga vattenflöden längs kanterna och påverkar i sin tur testresultatet. Därför penslas cylinderns insida med bentonitlera för att minska denna risk, se Figur 24. Cylindern omsluts därefter av två filterstenar med gummipackningar och skruvas fast i mätställningen och ansluts med slangar till en behållare belägen 3 m över golvet. Figur 25 visar hur proven kan föras upp eller ned längs en stålstång för att uppnå önskad gradient. Figur 24: Penslas med betonitlera. Figur 25: Provtagningsställning för permeabilitet. Mätningen påbörjas med att materialet får vattenmättas. När provet vattenmättas rinner vatten ned i en behållare vilket mäts med jämna mellanrum. Figur 26 visar hur permeabilitetsförsöket är uppbyggt och utifrån värdena i Figur kan permeabiliteten beräknas med hjälp av Darcys lag. 29
Figur 26: Typexempel på hur permeabilitetsförsöket är uppbyggt. 3.2.5 Skjuvförsök Finfiltrets odränerade skjuvhållfasthet har analyserats med den avancerade direkta skjuvapparaten. Figur 28 visar en skjuvapparat av modellen Geonor vilket används vid försöken. Geonor-apparaten består av momentarm, låsningsanordning för jordprov, en elmotor vilket sköter själva skjuvningen och mätningsutrustning. Momentarmen belastas med vikter för att uppnå önskad normalspänning. Under momentarmen placeras jordprovet i ett gummimembran vilket är förstärkt med en tunn ingjuten koppartråd. Figur 27 visar gummimembranets förstärkning vilket har till funktion att hålla provets tvärsnittsyta konstant. Provet och gummimembranet placeras mellan två filterstenar med räfflad stålyta. Provet låses fast under momentarmen och är därmed ansluten till den elektriska motorn vilken utför själva skjuvningen. Den elektriska motorn startas och skjuvningen utförs med konstant deformationshastighet. Under skjuvningen registreras volymändring, skjuvkraft, normalspänning, skjuvvinkel och tiden med hjälp av elektronisk mätutrustning. Provet skjuvas tills skjuvvinkeln uppgår till 0,15. Vid så stor rörelse är det rimligt att anta att brott har uppstått i jorden. Utifrån en sammanställning av τ max vid varje normalspänning erhålls friktionsvinkeln för filtermaterialet. 30
Figur 27: Gummimembran och filterstenar Figur 28: Den avancerade direkta skjuvapparaten. Jordprov (1). Armerat gummimembran (2). Anordning för horisontallast från vikter (3). Kraftmätare för vertikallast (4). Kulbussning (5). Mätare för vertikalrörelse (6). Stämpelplatta med rullager (7). Mätare för horisontalrörelse (8). Kulbussning (9). Kraftmätare för horisontalkraft (10). Växellåda (11). Utbytbar elektrisk motor (12). Momentarm (13). Vikter (14). Lås- och regleringsutrustning för försök med konstant volym (15-16). 31