NORGES TEKNISK-
NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET
INSTITUTT FOR BYGG, ANLEGG OG TRANSPORT
Oppgavens tittel:
Kalksementstabilisering ved E6 Trondheim – Stjørdal, parsell Trondheim dagsone vest
Dato: 11/06/2012
Antall sider (inkl. bilag): 149
Masteroppgave X Prosjektoppgave
Navn: Stud.techn.
Simon Hanson Faglærer/veileder:
Amanuensis Arnfinn Emdal
Eventuelle eksterne faglige kontakter/veiledere:
Sigbjørn Rønning fra Statens vegvesen og Guro Brendbekken fra Cowi
Denne masteroppgaven omhandler kalksementstabiliseringen som er utført i forbindelse med utbyggingen av E6 Trondheim – Stjørdal, parsell Trondheim dagsone vest. Til kalksementstabiliseringen er det benyttet en
bindemiddelskombinasjon bestående av 50 % kalk og 50 % sement. Det er brukt en lav bindemiddelsmengde på 30 kg/m3 over endelig gravenivå og en bindemiddelsmengde på 80 kg/m3 under endelig gravenivå. Det er tatt ut blokkprøver med lav og høy bindemiddelsmengde fra både stabilisert leire og kvikkleire.
For å bestemme materialets styrke og stivhet ble det utført totalt tretti treaksialforsøk både drenert og udrenert.
Forsøkene ble utført uten baktrykk for å ha tilnærmet samme metningsgrad som in-situ. De udrenerte forsøkene fikk en minimal poretrykksrespons. Dette indikerer at mesteparten av vannet var bundet fast i prøven. Det ser heller ikke ut til at det er noen forskjell i målt styrke for udrenert og drenert forsøk. Det stabiliserte materialet viser en dilatant oppførsel ved de aller fleste forsøkene. Forsøksseriene fra stabilisert kvikkleire viste som forventet større styrke sett i forhold til den stabiliserte leiren. For å studere isotropien til det stabiliserte materialet, ble det tatt ut prøver i vertikal og horisontal retning fra stabilisert leire og kvikkleire. Forsøkene fra den stabiliserte kvikkleiren viste seg å ha en isotrop styrke. Resultatene fra de vertikale forsøkene av den stabiliserte leiren viste en anisotrop styrke. Denne forskjellen skyldes inhomogenitet og variasjon av bindemiddel innefor de forskjellige prøvene.
Forsøkene med høy innblandingsmengde viste noe større styrke i forhold til forsøkene med lav
innblandingsmengde. Prøvene med høy innblandingsmengde var herdet under et høyere overlagringstrykk over lengre tid. Effekten av lav bindemiddelsmengde ser ut til å gi minimal påvirkning av pelens styrke over lang tid.
Forsøksseriene for den stabiliserte kvikkleiren viste at materialet er spenningsavhengig. Det samme gjorde den stabiliserte leiren som var tatt ut i horisontalretning. For de vertikale forsøkene er det forholdsvis stor variasjon i maksimal skjærspenning, trolig grunnet variasjoner i blokkprøven. Variasjoner i skjærspenning i de ulike
prøveseriene skyldes trolig inhomogenitet grunnet innblanding og da også varierende bindemiddelsmengde for hver enkelt prøve.
Stikkord:
_________________________________
(sign.) 1. Kalksementstabilisering
2. Treaksialforsøk 3. Prøvetakning
i
TBA4900 Geoteknikk Masteroppgave, våren 2012
Kalksementstabilisering ved E6 Trondheim–Stjørdal, parsell Trondheim dagsone vest
Lime-cement-stabilization at E6 – Trondheim – Stjørdal – “Dagsone vest”
Bakgrunn
Statens vegvesen har under bygging en meget dyptliggende tunnel ved ”nordre avlastningsveg” i Trondheim (E6 Trondheim–Stjørda,l parsell Trondheim dagsone vest). Utgravingen er støttet opp med en nyutviklet teknikk der SVV og entreprenør NCC har satt ned rørspunt inn i fjell mens det lenger fra fjell er benyttet en tradisjonell spunt. Begge er innvendig avstivet. I byggegropa er det installert kalk- sement-soner som passiv spuntavstiving og som forsterkning for å gjøre gropa farbar i
anleggsperioden.
Sonene er tilsatt henholdsvis 80 og 30 kg kalk-sement pr m3 i blokk- og gitterstruktur og erfaringene med dette er så langt at det øverst liggende laget (30 kg) viser en overraskende høy styrke og stivhet.
SVV har ønske om et studium av flere aspekter ved denne kalk-sement-forsterkningen, som homogenitet av blokkene, kvalitet av forsterket jord med forskjellig innblanding, påvirkning av jordsoner mellom kalksementpelene og effekt av tid.
Innhold
I løpet av prosjektoppgaven høsten 2011 ble det tatt ut blokker av materiale fra soner av stabilisert kvikkleire og leire som var forsterket med lav bindemiddelsmengde. I løpet av masteroppgaven skal studenten tilsvarende hente ut blokkprøver fra soner med høy bindemiddelsmengde for videre testing i laboratoriet. Kandidaten skal i laboratoriet undersøke materialets sammensetning og oppførsel med hensyn til styrke og stivhet. Til slutt skal studenten også sammenligne resultatene fra de forskjellige variablene.
Omfang og levering
Oppgaven har et omfang på 30 studiepoeng – dvs. tilsvarende et semester.
Arbeidet skal leveres i form av en teknisk rapport med innledning og problemformulering,
bakgrunnsstudie av relevante mekanismer, og presentasjon av resultater fra studiet. Klare konklusjoner og forslag til videre arbeid vil bli kreditert.
Rapporten skal leveres i form av en uinnbundet original og to innbundne kopier. Digitalt skal det leveres en versjon av oppgaven samt alle laboratoriedata som er fremkommet, både rådatafiler og behandlede data og eventuelle film/videoopptak.
Leveringsdato 11. juni 2012.
Organisering
Oppgaven er initiert og støttet av Statens Vegvesen. Eksterne kontaktpersoner er Sigbjørn Rønning og Anders Beitnes.
Arnfinn Emdal Amanuensis
Institutt for Bygg, Anlegg og Transport Faggruppe for Geoteknikk
ii
iii
Forord
Denne rapporten er avsluttende masteroppgave for det toårige masterprogrammet Geotechnics and Geohazards. Masteroppgaven har gitt meg solid kunnskap innenfor dypstabilisering.
Arbeidet med oppgaven har vært krevende, lærerikt og varierende. Denne oppgaven har vært en fortsettelse av prosjektoppgaven som ble skrevet høsten 2011. Prosjektoppgaven besto blant annet av innhenting av datamateriale og litteraturstudium innenfor emnet. Grunnet kapasitetsproblem var det ikke noe passende treaksial apparatur til rådighet før 9. mars.
Jeg ønsker å takke NTNU Amanuensis Arnfinn Emdal for veiledning både under
prosjektarbeidet og masteroppgaven. Jeg ønsker også å takke Statens Vegvesen for å stille med en meget interessant oppgave, spesielt vil jeg takke Sigbjørn Rønning som har vært min eksterne veileder. Takk til Guro Brendbekken fra Cowi for veiledning av oppgaven. Takk til Torgeir Haugen, Kurt Myrabakk og Roger Sandven fra NCC som har vært behjelpelige med dokumentasjon og feltarbeid. Ønsker også å takke Willy Kristiansen som har hjulpet til med feltarbeid.
Videre vil jeg takke Anders Gylland, Jan Jønland og Per Østensen for opplæring og
veiledning i laboratoriet. Takk til Gunnar Vistnes fra Institutt for geologi og bergteknikk og Roger Leistad fra Sintef Byggforsk, avdeling byggematerialer og konstruksjoner som begge har vært behjelpelige med opplæring og veiledning for å utføre kjerneboring av prøvene. Stor takk til Marit Jacobsen for korrekturlesing av oppgaven.
Trondheim 10. juni 2012
Simon Hanson
iv
v
Sammendrag
Denne masteroppgaven omhandler kalksementstabiliseringen som er utført i forbindelse med utbyggingen av E6 Trondheim–Stjørdal, parsell Trondheim dagsone vest. Til
kalksementstabiliseringen er det benyttet en bindemiddelskombinasjon bestående av 50 % kalk og 50 % sement. Det er brukt en lav bindemiddelsmengde på 30 kg/m3 over endelig gravenivå og en bindemiddelsmengde på 80 kg/m3 under endelig gravenivå. Det er tatt ut blokkprøver fra område med lav bindemiddelsmengde ved tre forskjellige lokaliteter; to av prøvefeltene bestående av kvikkleire og ett prøvefelt av leire. Fra området med høy
bindemiddelsmengde er det tatt ut prøver for å undersøke hvilken effekt det har å bruke ulik bindemiddelsmengde.
For hvert av prøvefeltene ble det tatt ut en pel som ble trimmet videre til blokkprøver. Pelene viste en inhomogenitet i den forstand at det var mer bindemiddel i senter av pelen. Ved bearbeiding av pelen, viste det seg at pelen var betraktelig fastere og sprøere i denne delen.
Prøvene til dette studiet ble tatt ut midt mellom senter og periferien. Dette ble gjort for å ta ut gjennomsnittsstyrken til hver enkelt pel. Pelene som ble tatt ut for bearbeidelse var ca 1 meter lange og så ut til å ha noen vertikal lagdeling i lengderetning. Metoden som viste seg best for trimming av pelen, var grov trimming med meiselmaskin og fin trimming med bensindrevet kappemaskin. Prøvene ble trimmet til rett prøvestørrelse ved hjelp av kjerneboring med luftspyling og flisesag. Fra kvikkleiresonen er pelene er tatt ut ved installasjonslengde på 15 meter. Det kom fram områder som ikke var blitt stabilisert. Før uttak av pelen, ble materialet i ustabilisert sone testet med håndholdt vingebor. Det ustabiliserte materialet viste seg å være påvirket av installasjonen av pelene i den forstand at materialet viste seg å være i omrørt tilstand. Det forventes at det ustabiliserte materialet får en styrkeøkning over tid ettersom overflødig vann trenger inn i stabilisert materiale.
For å bestemme materialets styrke og stivhet, er det brukt treaksialforsøk. Det ble totalt utført tretti treaksialforsøk i drenert og udrenert tilstand. Forsøkene ble utført uten baktrykk for å ha samme metningsgrad som in-situ. De udrenerte forsøkene fikk en minimal poretrykksrespons.
Det indikerer at mesteparten av vannet var bundet fast i prøven. Grunnet den drenerte oppførelsen ble det valg å utføre flest drenerte forsøk. Det ser heller ikke ut til at det er noen forskjell i målt styrke for udrenert og drenert forsøk. Det stabiliserte materialet viser en dilatant oppførsel ved de aller fleste forsøkene. Forsøksseriene fra stabilisert kvikkleire viste som forventet større styrke sett i forhold til den stabiliserte leiren. For å studere isotropien til det stabiliserte materialet, ble det tatt ut prøver i vertikal og horisontal retning fra stabilisert leire og kvikkleire. Forsøkene fra den stabiliserte kvikkleiren viste seg å ha en isotrop styrke.
Resultatene fra den stabiliserte leiren viste en høyere skjærspenning for prøvene tatt ut i vertikal retning, og dermed en anisotrop styrke. Denne forskjellen er trolig grunnet en bedre innblanding i kvikkleire, men kan også skyldes inhomogenitet innenfor de forskjellige prøvene.
Forsøkene med høy innblandingsmengde fikk noe større styrke i forhold til forsøkene med lav innblandingsmengde med samme grunnforhold. Prøvene med høy innblandingsmengde er
vi herdet under et høyere overlagringstrykk over lengre tid. Lav innblandingsmengde har, med de variasjonene som finnes, gitt et meget sterkt materiale. Effekten av lav
bindemiddelsmengde ser ut til å gi minimal påvirkning av pelens styrke over lang tid. Prøvene med forskjellige innblandingsmengde hadde heller ingen synlig variasjon.
Forsøksseriene for den stabiliserte kvikkleiren viser at materialet er spenningsavhengig. Det samme gjorde den stabiliserte leiren som var tatt ut i horisontalretning. For de vertikale forsøkene av stabilisert leire er det forholdsvis stor variasjon i maksimal skjærspenning, trolig grunnet variasjoner i blokkprøven. Variasjoner i skjærspenning i de ulike prøveseriene
skyldes trolig inhomogenitet grunnet innblanding og da også varierende bindemiddelsmengde for hver enkelt prøve.
Skjærstyrken som er målt med treaksialforsøkene er betraktelig høyere enn det som er målt ved innledende laboratorieforsøk. For sonderingen som er utført, er det usikkert hvor høy skjærstyrke som faktisk finnes da flere av sonderingene ikke ga resultater grunnet et for sterkt materiale. Herdetiden i dette studiet er om lag fem hundre døgn lenger enn herdetiden i innledende forsøk fra felt og laboratorium.
vii
Abstract
This master thesis is about lime cement stabilization of the highway project E6 Trondheim – Stjørdal – dagsone vest.
The binder combination consists of 50 % lime and 50 % cement. A binder amount of 30 kg/m3 was used above excavation level and 80 kg/m3 below final excavation level. Samples from the range of low binder amount have been excavated from three different test sites. Two of the sample sites originate from stabilized quick clay and one sample site consists of clay.
To investigate the difference of the binder amount one additional test field was used. This test field consisted of stabilized quick clay with a high amount of binder.
For each of the test sites a column was excavated and the columns were trimmed to block samples. Higher amounts of binder were found in the center of the column. During trimming it was also observed that the center of the pile had a higher strength and more brittle behavior.
The decision was made to take the samples in-between center and periphery of the columns.
This was done in order to measure the average strength of the columns. The piles that were excavated were about one meter in longitudinal direction and seemed to be homogenous in this direction. The method that gave the best results for trimming the block samples was to trim the column roughly with a chisel machine and then a cut off machine to get the samples in manageable size. Core drilling was used with air flushing to obtain the samples from the blocks. A trolley saw was used to trim the end face of core samples.
Triaxial tests were used to determine the strength and stiffness of the material. In total thirteen such tests were executed both as drained and undrained condition. All tests were performed without use of backpressure to have the same saturation conditions as in-situ. Undrained tests show a very low pore pressure response. Since the material almost had a drained behavior most of the tests were performed drained. The strength for the different drainage conditions do not seem to be different. The stabilized material shows a dilative behavior for most of the tests. The test series from the stabilized quick clay showed, as expected, a higher strength compared with the stabilized clay. Samples were obtained in both horizontal and vertical direction in order to study whether the material is isotropic or not. Results from the stabilized quick clay show that these have an isotropic strength. Results from the stabilized clay have a higher strength for the vertical samples. This difference may be because of a better
intermixture for quick clay. Variation in the different samples may also explain this difference. Samples from vertical and horizontal direction show no difference in stiffness.
The samples with high binder amount showed a somewhat higher strength than the ones with low binder amount. These tests are also cured under a higher stress level for a longer period of time. Low binder amount resulted in a very strong material. The effect of low binder amount showed a minimal influence on the final strength, with this curing time. Cores with different binder content had no visual variations.
viii Sample series for stabilized quick clay have a stress dependent behavior. The same behavior was also detected for the horizontal tests from the stabilized clay. Results from vertical test of stabilized clay indicate a relatively large variation in shear stress. The variation in shear stress is most likely due to variation of binder amount within the samples and inhomogeneous soil conditions.
Shear strength measured in this study was considerably higher than what has been measured in the laboratory before installation of the columns. For different sounding methods the strength of the stabilized soil was too high to measure because of the limitations of the equipment. The curing time in this study is about five hundred days more than the laboratory results and soundings.
ix
Innhold
Forord ... iii
Sammendrag ... v
Abstract ... vii
1 Innledning med problemstilling ... 1
2 Dypstabilisering ... 5
2.1 Installasjon av kalksementpeler ... 5
2.2 Installasjonsmønstre ... 7
2.3 Bindemiddel ... 9
2.4 Grunnforhold ... 11
2.5 Valg av stabiliseringsmateriale ... 13
2.6 Laboratorieforsøk ... 14
2.6.1 Enaksiale trykkforsøk ... 15
2.6.2 Treaksialforsøk ... 16
2.6.3 Ødometerforsøk ... 18
2.7 Fasthetsøkning ... 20
2.8 Levetid ... 21
2.9 In situ-kontroll ... 21
2.10 Homogenitet av kalksementpeler ... 23
2.11 Samvirke mellom stabilisert og omkringliggende materiale ... 24
2.12 Effekt på omgivelser ... 25
2.13 Dimensjonering ... 26
2.14 Miljøaspekt ... 27
3 Presentasjon av tidligere forsøk utført i felt og laboratorium ... 28
4 Feltarbeid ... 30
4.1 Profil 165 ... 33
4.2 Profil 195 ... 34
4.3 Profil 210 ... 35
4.4 Profil 205 ... 36
4.5 Spenningshistorikk og herdetid ... 37
5 Laboratoriearbeid ... 38
5.1 Kjerneboring ... 38
5.2 Beskrivelse av forsøk ... 41
5.3 Vertikale forsøk profil 165 ... 43
x
5.4 Horisontale forsøk profil 165... 45
5.5 Udrenerte vertikale forsøk profil 195... 47
5.6 Drenerte vertikale forsøk profil 195 ... 49
5.7 Horisontale forsøk profil 195... 51
5.8 Vertikale forsøk profil 210 ... 53
5.9 Vertikale forsøk profil 205 ... 56
5.10 Bruddform ... 58
5.11 Feilkilder ... 59
6 Diskusjon og konklusjon ... 61
7 Videre arbeid ... 65
Referanser ... 67
xi
Figurer
Figur 1 Oversiktskart parsell Trondheim, dagsone vest ... 1
Figur 2 Oversiktsskisse parsell Trondheim, dagsone vest ... 2
Figur 3 Snitt av byggegropen ... 2
Figur 4 Detalj av installasjonsmønster for ribbe- og blokkmønster ... 3
Figur 5 Installasjon av kalksementpeler ... 6
Figur 6 Forskjellige visptyper ... 7
Figur 7 Installasjonsmønster for kalksementpeler ... 7
Figur 8 Ekstra peler mellom ribbe og spuntvegg ... 8
Figur 9 Utvikling i bruk av bindemiddel i Sverige ... 9
Figur 10 Forskjeller i trykkstyrke evaluert fra enaksiale trykkforsøk og udrenerte treaksialforsøk ... 15
Figur 11 Treaksiale forøk med forskjellige bindemiddel, testet etter 28 døgn ... 16
Figur 12 Aktive og passive treaksialforsøk på leire fra Linköping herdet 28 døgn ... 17
Figur 13 Styrke av stabilisert materiale mot effektiv friksjonsvinkel ... 18
Figur 14 Ødometerforsøk ... 18
Figur 15 Endringer i permeabilitet etter stabilisering ... 19
Figur 16 Målt styrke med forskjellige typer bindemiddel m.h.p.. tid. ... 20
Figur 17 Prøvetaker med hel pel ... 23
Figur 18 Forslag til skjøt ved midlertidig installasjonsstopp ... 24
Figur 19 Innledende laboratorieforsøk ... 28
Figur 20 Installasjonsrekkefølge av pelene ... 30
Figur 21 Uttak av pel ... 31
Figur 22 Uttak av blokkprøve fra pel ... 32
Figur 23 Ferdig trimmet blokkprøve ... 32
Figur 24 Lokalitet av prøvefelt ved profil 165 ... 33
Figur 25 Lokalitet av prøvefelt og feltarbeid for profil 195, 205 og 210 ... 34
Figur 26 Pel tatt ut fra prøvefelt 195 ... 35
Figur 27 Pelenes mønster, prøvefelt 3 ... 36
Figur 28 Pel fra profil 210 ... 36
Figur 29 Kjerneboring ... 38
Figur 30 Korrodert aluminiumsfolie ... 39
Figur 31 Struktur prøve fra prøvefelt 195 ... 39
Figur 32 Struktur prøve fraprøvefelt 165 ... 40
Figur 33 Ferdig trimmet prøve fra profil 210 ... 40
Figur 34 Konsolidering ... 42
Figur 35 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P165 drenerte vertikale forsøk ... 43
Figur 36 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 165 drenerte vertikale forsøk ... 44
Figur 37 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 165 drenerte vertikale forsøk ... 44
Figur 38 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P165 drenerte horisontale forsøk ... 45
Figur 39 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 165 drenerte horisontale forsøk ... 46
Figur 40 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 165 drenerte horisontale forsøk ... 46
Figur 41 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P195 udrenerte vertikale forsøk ... 47
Figur 42 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 195 udrenerte vertikale forsøk ... 48
Figur 43 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P195 drenerte vertikale forsøk ... 49
Figur 44 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 195 drenerte vertikale forsøk ... 50
xii
Figur 45 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 195 drenerte vertikale forsøk ... 50
Figur 46 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P195 drenerte horisontale forsøk ... 51
Figur 47 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 195 drenerte horisontale ... 52
Figur 48 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 165 drenerte horisontale forsøk ... 52
Figur 49 Skjærspenning mot celletrykk, profil 210 drenerte vertikale forsøk ... 53
Figur 50 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 210 blokkprøve 1, drenerte vertikale forsøk ... 54
Figur 51 Skjærspenning mot aksial tøyning, profil 210 blokkprøve 2, drenerte vertikale forsøk ... 54
Figur 52 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 210, blokkprøve 1, drenerte vertikale forsøk 55 Figur 53 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 210, blokkprøve 2, drenerte vertikale forsøk 55 Figur 54 Skjærspenning mot horisontal spenning, profil P205 vertikale forsøk ... 56
Figur 55 Skjærspenning mot aksial tøyning, drenerte og udrenerte vertikale forsøk ... 57
Figur 56 Volumetrisk tøyning mot aksial tøyning, profil 205, drenerte vertikale forsøk ... 57
Figur 57 Bruddmekanismer fra utvalgte forsøk. Fra venstre skjærbrudd, i midten kombinasjon av skjærbrudd, og spenningsbrudd og til høyre spenningsbrudd. ... 58
Figur 58 Egendeformasjon av treaksial apparatur ... 59
Figur 59 Tøyningsdiagram korrigert for egendeformasjon ... 60
Figur 60 Maksimal skjærspenning mot celletrykk for samtlige forsøk... 61
Figur 61 Tolkning av spenningsavhengighet ... 63
Figur 62 E50 mot aksial tøyning av samtlige forsøk... 63
Tabeller
Tabell 1 Vanlige bindemiddel og bindemiddelsmengder til ulike jordtyper ... 13Tabell 2 Betegnelse av leire ut fra sensitivitet ... 30
Tabell 3 Spenningshistorikk og herdetid for blokkprøver ... 37
Tabell 4 Resultater fra profil 165, drenerte vertikale forsøk... 44
Tabell 5 Resultater fra profil 165, drenerte horisontale forsøk ... 46
Tabell 6 Resultater fra profil 195, udrenerte vertikale forsøk ... 48
Tabell 7 Resultater fra profil 195, drenerte vertikale forsøk... 50
Tabell 8 Resultater fra profil 195, drenerte horisontale forsøk ... 52
Tabell 9 Resultater fra profil 210, drenerte vertikale forsøk... 55
Tabell 10 Resultater fra profil 205, drenerte og udrenerte vertikale forsøk ... 57
Vedlegg
Vedlegg A Resultater fra profil 165, drenerte vertikale forsøk Vedlegg B Resultater fra profil 165, drenerte horisontale forsøk Vedlegg C Resultater fra profil 195, udrenerte vertikale forsøk Vedlegg D Resultater fra profil 195, drenerte vertikale forsøk Vedlegg E Resultater fra profil 195, drenerte horisontale forsøk Vedlegg F Resultater fra profil 210, drenerte vertikale forsøk
Vedlegg G Resultater fra profil 205, drenerte og udrenerte vertikale forsøk
1
1 Innledning med problemstilling
Masteroppgaven omhandler utbyggingen av E6 Trondheim – Stjørdal, parsell Trondheim dagsone vest. Ved deler av parsellen skal det bygges en løsmassetunnel mellom jernbanen ved Nyhavna og fjellpåhugget ved Møllenberg. Figur 1 viser oversiktskart over prosjektet, figur 2 viser en oversiktsskisse av ny parsell.
Figur 1 Oversiktskart parsell Trondheim, dagsone vest (Multiconsult, 2007)
I sammenheng med løsmassetunnelen vil det være en byggegrop som er 350 meter lang og opptil 23 meter dyp. Grunnforholdene består i hovedsak av et topplag med fyllmasser over silt og leirmasser med større deler bestående av kvikkleire (Multiconsult, 2007). Grunnvann ligger ca to meter under terreng. Bergdybden varierer på området, med hellende berg fra sør mot nord langs den planlagte traseen. På grunn av dårlige grunnforhold og lokaliseringen i et bebygget område, er det strenge krav med tanke på deformasjon. For å oppnå ønsket stivhet av byggegropen, er det brukt kalksementpeler for å stabilisere grunnen. Det er brukt jetpeler inntil rørspunten under endelig graveplan for å oppnå god kontakt mellom spunten og det stabiliserte materialet. Kalksementpelene har også til formål å gi tilfredsstillende sikkerhet mot bunnoppressing.
2
Figur 2 Oversiktsskisse parsell Trondheim, dagsone vest (Multiconsult, 2007)
De første 110 meterne av byggegropen er det brukt kalksementpeler i ribbemønster. Videre er det brukt kalksementpeler i blokkmønster frem til tunnelen fortsetter i fast fjell.
Bindemiddelskombinasjonen er 50 % kalk og 50 % sement. Det er brukt et lavere
innblandingsforhold over endelig graveplan. Til det lave innblandingsforholdet er det brukt 30 kg/m3, mens det til sjiktet under endelig gravplan er brukt 80 kg/m3. Figur 3 viser et snitt av byggegropen hvor svak og sterk blokk kommer frem av figuren. Det lave
innblandingsforholdet er brukt av anleggstekniske årsaker som bæreevne og enklere håndtering av anleggsmaskiner.
Figur 3 Snitt av byggegropen (Sweco Norge AS, 2010)
3 Lengden på kalksementpelene er opptil 23 meter. Diameteren er 600 mm på pelene til
ribbemønsteret. Til blokkmønsteret er det brukt en diameter på 800 mm. Figur 4 viser de forskjellige installasjonsmønstrene som er blitt brukt. Blokkmønsteret er brukt etter 110 m.
Grunnen til dette er at det derfra skal graves dypere og at det fra lengdeprofil 180 er
lagdannelser med kvikkleire. Det vil derfor være nødvendig å ha stiv konstruksjon som også vil sikre for områdestabilitet.
Figur 4 Detalj av installasjonsmønster for ribbe- og blokkmønster (Sweco Norge AS, 2010)
Totalt er det blitt installert 213 000 løpemeter kalksementpeler til dette prosjektet. I dette tallet inngår både peler med 600 mm og 800 mm diameter. Det lave innblandingsforholdet over endelig gravenivå har gitt enorme besparelser økonomisk, samt miljømessige fordeler. Ved installasjon av pelene er det brukt pinnevisp med rotasjonshastighet på 200 omdr/min og en stigehastighet på 20 mm/omdr.
I arbeidet med masteroppgaven og prosjektoppgaven er det blitt tatt ut prøver fra forskjellige variabler med stabilisert materiale. Det er tatt ut prøver både fra stabilisert kvikkleire og leire.
Fra kvikkleiresonen er det tatt ut prøver fra områder med både lavt og høyt
innblandingsforhold. Det lave innblandingsforholdet som er brukt til dette prosjektet er det lite erfaringer ved. Sammenligningen av den lave og den høye bindemiddelsmengden vil være meget viktig. En stor del av oppgaven har vært å ta ut prøver fra pelen til rett prøvestørrelse for videre laboratoriet forsøk.
I hovedsak går dette studie ut på å undersøke styrkeparametere ut fra kalksement stabilisert materiale. Normalt blir styrkeparametere vurdert ut i fra enaksiale trykkforsøk. Siden denne forsøksmetoden har sine begrensinger ble det valgt å kjøre treaksialforsøk. Det ble gjort forsøk i drenert og udrenert tilstand. Dette ble gjort for å observere spenningsstien ved de forskjellige forsøksmetodene. Det ble tatt ut prøver i vertikal og horisontal retning ut av pelen for å undersøke isotropien til det stabiliserte materiale. Hvor samtlige forsøk ble testet som aktive forsøk.
4 Det ble også vurdert å kjøre ødometer forsøk tatt ut i både vertikal og horisontal retning av pelen. Den høye fastheten gjorde det svært vanskelig å bearbeide disse prøvene. Slik at man ikke ville fått trimmet prøven godt nok som ville medført ujevn kontakt med ødometerringen.
Fra starten av materoppgaven var det planlagt å utføre en etterregning av spuntveggens deformasjon. Denne etterregningen skulle basere seg på deformasjonsmålinger utført under anleggsperioden. Målet var så å sammenligne tilbakekalkulasjonen med resultater funnet fra laboratoriet arbeidet. Dette ville gitt en god indikasjon på samvirke mellom stabilisert og ustabilisert materiale. Lastcellene til innvendige stiverne så ikke ut til å stemme ved dette prosjektet. Dette gjorde at man måtte tatt noen antagelser i forhold til kreftene stiverne ville tatt opp. Det ville vært en del forenklinger som måtte blitt gjort for å få til denne
tilbakekalkulasjonen. Basert på de forenklingene som måtte blitt gjort for å få gjennomført tilbakekalkulasjonen, ville det bli for upresist og dermed ville sammenligningsgrunnlaget frafalt. Samtidig ville denne prosessen vært for tidkrevende som da hadde gått utover laboratorieforsøkene. Det ble valgt å prioritere å ta ut prøver fra høy innblandingsmengde, som ble vurdert til å være en viktigere del av studiet.
På bakgrunn av disse vurderingene og avgrensningene, består oppgavens problemstilling av følgende spørsmål:
Hvordan kan det tas ut prøver på en måte som gjør at prøvene i minst mulig grad forstyrres?
Hva karakteriserer materialets sammensetning og oppførsel med hensyn til styrke og stivhet?
Hvilke forskjeller gir bruk av lav og høy bindemiddelsmengde i kalksementpeler?
5
2 Dypstabilisering
Dypstabilisering er et felles begrep for in situ stabilisering av grunnen ved hjelp av
bindemiddel. Ved bruk av denne metoden vil man forbedre grunnforholdene, spesielt med tanke på styrkeparametere. Metoden blir oftest brukt til stabilisering av leire, men brukes også for siltig leire, sulfidholdige jordarter, torv og gytje.
Stabilisering av jord ved hjelp av kalk, er en metode som er brukt over lang tid. Utviklingen av dypstabilisering med kalkpeler startet på midten av 1970-tallet og har hovedsakelig funnet sted i Sverige og Japan. I dag brukes dypstabilisering de fleste steder rundt om i verden.
Utviklingen av denne metoden har ført til at forskjellige bindemidler og
bindemiddelskombinasjoner er tilpasset forskjellige grunnforhold. Fra midten av 1980-tallet, er kombinasjonen av kalk og sement vært det mest brukte bindemiddelet.
Installasjonsmønster, avstand mellom pelene, samt pelenes lengde og diameter, er blitt forbedret og tilpasset i takt med at forskjellige bruksområder er blitt implementert (Larsson, 2006). Norge blir kalksementstabilisering hovedsakelig brukt i bløt til middels fast leire og kvikkleire (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
Kalksementpeler blir i hovedsak brukt for å oppnå en styrkeforbedring av grunnen.
Bruksområder for kalksementpeler (Statens vegvesen, Vegdirektoratet, 2008):
Økning av bæreevne, til bruk under fyllinger og anleggsveger
Setningsreduksjon under fyllinger eller setningsutjevnende tiltak under tilløpsfyllinger mot bruer fundamenter til fast grunn
Forsterkning av fundamenter i ledningsgrøfter
Forbedring av stabiliteten av skjæringer, naturlige skråninger og utgravninger Andre bruksområder er vibrasjonsdempning, innvendig avstivning av spuntvegger,
motvirkning av bunnoppressing, stabilisering under vann og stabilisering av forurenset grunn (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
2.1 Installasjon av kalksementpeler
Installasjon av kalksementpeler utføres ved at en visp blir ført ned til ønsket dybde. Vispen er montert på en borstang som vil bestemme den totale dybden på pelen. Det finnes rigger som når dybder opptil 30 m. Når vispen føres ned, er det med forholdsvis langsom rotasjon. Når vispen er ført ned til ønsket dybde, vil rotasjonshastigheten økes samtidig som bindemiddel pumpes ut ved hjelp av trykkluft. Installasjonstrykket tilpasses den aktuelle dybden. Trykket varierer fra 3 til 15 bar, og det er viktig ikke å bruke høyere trykk enn nødvendig, da dette kan påvirke poretrykksoppbygningen for omkringliggende materiale. Fra tidligere prosjekter er det kjent at poretrykksoppbygningen kan vedvare flere måneder (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
6 Rotasjonshastigheten på vispen skal normalt være mellom 150 og 175 omdr/min. Nedføring av vispen bør tilpasses grunnforholdene, og maksimal nedføring er anbefalt til 100 mm/omdr (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Stigningen ved installasjonen bør tilpasses hvert enkelt prosjekt, variasjonsområdet er 10–35 mm/omdr.
Diameteren på pelen vil bli bestemt av diameteren på vispen. Normal diameter på vispen er 400–1000 mm. Vispen kan i enkelte tilfeller ha stor betydning for resultatet av stabiliseringen.
Det finnes mange typer visper, både med tanke på form og plassering for utpumping. Når vispen nærmer seg 0,5–1,0 m fra terrengoverflate, vil man stoppe utpumpingen av
bindemiddelet av hensyn til helse, miljø og sikkerhet. Figur 5 viser en prinsippskisse for installasjon av kalksementpeler. Innslag av stein og blokk kan påføre vispen skader. Det kan også føre til dårlige innblanding med lommer med mye bindemiddel, og også områder med mindre bindemiddel (Christenseen, Watn, Nordal, & Emdal, 1998). Det er i slike tilfeller viktig å tilpasse både diameter på pelene, rotasjonshastighet og stigningshastighet.
Figur 5 Installasjon av kalksementpeler (Norges Geotekniske Institutt, 2011)
Kalksementriggene er beltegående rigger hvor operatøren sitter i førehus og styrer installasjonen av pelene. Mange av de nyere riggene styrer stabiliseringen ved hjelp av datamaskin, noe som gjør dokumentasjon lettere og mer ryddig. Posisjoneringssystem som GPS er vanlig hos nyere rigger. Dette vil være helt avgjørende for installasjon av
kalksementpeler under vann, hvor installasjonen vil skje fra en flåte. Det er også begrenset fremkommelighet på de største riggene, og maksimal terrenghelning er i størrelsen 1:10 (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Terrenglasten som kommer fra riggene kan i enkelte tilfeller også være en begrensning.
Bindemiddelet oppbevares i tanker som enten er påmontert riggen eller som en ekstern vogn som er følger maskinen. I de tilfellene hvor det er flere typer bindemiddel, vil det enten være en tank med ferdig blanding eller én tank til hvert bindemiddel. Tidligere var det et krav at bindemidlene skulle blandes rett før stabiliseringen. Oppbevaringen av bindemiddelet bør tas
7 hensyn til, spesielt med tanke på fukt og store temperaturendringer. Figur 6 viser de to mest brukte visptypene til høyre. Til venstre vises det at pinnevispen gir bedre resultater ved ellers like grunnforhold (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
Figur 6 Forskjellige visptyper (Norges Geotekniske Institutt, 2011)
2.2 Installasjonsmønstre
Til de forskjellige bruksområdene blir det brukt forskjellige installasjonsmønster, se figur 7.
Enkle og doble ribber blir ofte brukt til forbedring av skråningsstabilitet. Valget av enkle eller doble ribber blir valgt ut i fra mekanisme og ønsket stabilitet. Kalksementpeler har vært lite brukt til stabilisering av naturlige skråninger. En av grunnene til dette er at man tidligere ikke har kommet dypt nok med kalksementpeler, mens man i dag har mulighet til å installere pelene ved dybder på inntil 25–30 m. Ved installasjon av pelene vil materialet ha en
styrkereduksjon før det igjen vil få en styrkeøkning etter en viss tidsperiode. Maskinen som installerer pelene vil ha en fremkommelighetsbegrensning. For de største maskinene bør ikke terrenget være brattere enn 1:10 (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Bedring av
skråningsstabiliteten blir i enkelt tilfeller brukt i sammenheng med setningsreduserende tiltak.
Figur 7 Installasjonsmønster for kalksementpeler (Egeland Sanda, 2011)
For avstivning av byggegroper kan det brukes enkle eller doble ribber og blokkmønster.
Hovedprinsippet er at man vil få avstivet byggegropen, samtidig som man vil forbedre
8 sikkerheten med tanke på bunnoppressing og fremkommeligheten i byggegropen. Ved bruk av ribbemønster kan det være gunstig å installere noen ekstra peler for å få overført kreftene på best mulig måte, se figur 8. Til grøftesikring kan det brukes ribber. Hovedmålet er å oppnå en stabil grøft. Man vil også oppnå en mer stabil grøftebunn, noe som er ønskelig med tanke på de ledningene og rørene som skal ligge der (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
Figur 8 Ekstra peler mellom ribbe og spuntvegg (Norges Geotekniske Institutt, 2011)
Enkeltpeler kan settes i forskjellige mønstre, og kan brukes til stabilisering av anleggsveier og setningsreduserende tiltak. Andre anvendelsesområder er stabilisering av grunnen under sjøbunnen. Det finnes lite erfaring med dette området, men enkeltpeler er blant annet brukt i forbindelse med et kaianlegg i Stockholm. Det finnes også eksempler hvor
kalksementstabilisering er brukt i sammenheng med miljøteknisk stabilisering. Potensialet for kalksement er stort og metodens bruksområder er mange. Til de forskjellige mønstrene kan også diameteren til pelenes diameter varieres fra 400-1000 mm.
9
2.3 Bindemiddel
Tradisjonelt har det vært mest vanlig å bruke kun kalk som bindemiddel til dypstabilisering.
På slutten av 80-tallet ble det mer vanlig å bruke en kombinasjon av sement og kalk, se figur 9. Kombinasjonen av disse bindemidlene har gitt svært gode resultater over lang tid og brukes også i dag til de fleste prosjektene innen dypstabilisering. Fra midten av 90–tallet begynte man å eksperimentere med forskjellige typer bindemiddel. Bindemidler som slagg, gips, silika og flyveaske er blitt brukt, gjerne i kombinasjon med kalk eller sement. De mest vanlige kombinasjonene av bindemiddel er kalk/sement og sement/slagg. Kombinasjoner av kalk/sement/gips og kalk/slagg blir også brukt (Johansson, Åhnberg, & Pihl, 2006). Under presenteres de forskjellige bindemidlene.
Figur 9 Utvikling i bruk av bindemiddel i Sverige (Åhnberg , 2006)
Kalk
Både lesket og ulesket kalk kan benyttes som bindemiddel ved dypstbilisering. Kalk binder vann og fører til uttørking. Ulesket kalk egner seg best til jordarter med høyt vanninnhold, mens lesket kalk egner seg bedre til jordarter med lavere vanninnhold. Begge typer tilvirkes ved brenning av kalkstein og inneholder opptil 95 % CaO (ulesket kalk), som er meget reaktivt. Ved tilsetting av vann, reagerer kalken under en sterk varmeutvikling og danner Ca(OH)2 (kalsiumhydroksid) (Christenseen et al., 1998). Reaksjonen frigir varme tilsvarende 1163 kJ/kg (Boynton, 1980). Kornstørrelse og brenningsgrad vil påvirke reaksjonsvarmen.
Vanlig kornstørrelse er 0 – 0,2 mm. Reaksjonsvarmen fører til en hurtigere påfølgende kjemisk reaksjon. Deretter starter ionebytte i mineralene, som igjen setter i gang flokkulering av mineralene som bidrar til en grovere struktur og høyere styrke. PH- verdien for det
stabiliserte materialet vil øke til om lag 12,5 (Janz & Johansson, 2002).
10 Sement
Sement er et bindemiddel som herder ved kontakt med vann. Reaksjonsproduktene av vann og sement er CSH (kalsiumsilkathydrater) som blir beskrevet som finkornig gel og Ca(OH)2
(Johansson et al., 1998). I hovedsak benyttes det Standard Portland sement hvor kalkstein er den viktigste råvaren. Fremstillingen av sement består av klinkerproduksjon hvor kalkstein og ofte et jernrikt steinmateriale sintrer sammen. Dette blir i etterkant oppmalt. Vanlig
kornstørrelse ved Standard Portland sement er 0–0,2mm. I likehet med kalk, vil sementens kornstørrelse påvirke varmeutviklingen, vanlig varmeutvikling hos sement er 450 kJ/kg (Christenseen et al., 1998). For at sementen skal herde, er det behov for høy temperatur. Ved bruk av en kombinasjon av kalk og sement som bindemiddel, vil varmeutviklingen hos kalken fremskynde herdetiden til sementen. Sement fremstilt av kalkstein og bauksitt brukes også i noen sammenhenger og blir omtalt som høy aluminiumsoksid sement. Denne typen sement gir en svært rask hydratisering, som igjen gir tidlig fasthet. Fordi sement er et hydraulisk bindemiddel, kan det binde sammen alle typer materialer, noe som er en fordel når det gjelder for eksempel torv (Johansson et al., 1998). Høy andel organisk materiale samt lav andel pozzolanepartikler, tilsier bruk av høyere andel sement (Janz & Johansson, 2002).
Multicem
Multicem er et bindemiddel som er blitt mer brukt den siste tiden (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Bindemiddelet blir oftest kombinert med sement. Vanlig blandeforhold er 50/50. Bindemidlet fremstilles i forbindelse med produksjonen av sement, og har et høyere innhold av brent kalk.
Flyveaske
Aske fra forskjellige forbrenningsprosesser kan brukes som delkomponenter i
bindemiddelsblandinger. Flyveaske er et eksempel på dette. Ved forbrenning av eksempelvis kull, blir flyveasken fanget opp ved hjelp av filtre. Flyveaske er et veldig finkornet materiale med en partikkelstørrelse på 0 – 200 μm. Dette gjør materialet lite permeabelt, noe som kan være fordelaktig dersom man er avhengig av lite vanngjennomstrømning. Det finnes også biomasseaske som utvinnes ved forbrenning av blant annet tre, torv og skrå (Janz &
Johansson, 2002). Før et slikt bindemiddel tas i bruk, bør man kontrollere hva slags reaktivitet som er ventet. Bujulu (2008) brukte i sin studie en kombinasjon av kalk og flyveaske fra papirproduksjon. Optimal bindemiddelskombinasjon viste seg å være 50 % av begge bindemidlene for leire fra Tiller. Bindemiddelskombinasjonen viser seg å ha en tregere fasthetsutvikling sett i forhold til kalksement som bindemiddelskombinasjon.
Silika
Silika utvinnes fra produksjon av silisium og ferrosilisum. Fra røykpartiklene utskilles silika, som kan beskrives som et finkornet materiale med en kornstørrelse på 0,15 μm. Materialet reager lett med Ca(OH)2 og danner CSH (Johansson et al., 2006). Tilsetning av silika vil, i likhet med flyveaske, føre til et mindre permeabelt materiale.
11 Gips
Når en kombinasjon av gips og kalk reagerer med vann, blir ettringitt dannet. Ettringitt har høy densitet og fyller hulrommet til for eksempel en leire (Janz & Johansson, 2002). Holm, Tränk og Ekström (1987) sammenlignet gipskalkblandinger med kalk alene, både ved
felttester og laboratorietester. Testene fra laboratoriet viste en hurtigere styrkeøkning ved bruk av gipskalkblanding, mens det ved felttestene ikke var noen forskjell mellom de to
forskjellige blandingene. Det skal her nevnes at felttestene ble gjort noen måneder etter installasjonen. Gips inneholder sulfat som kan bli brukt til å aktivere flyveaske, slagg og sement med høyt innhold av aluminiumoksid. Ved å blande gips i sement med høy
aluminiumsoksidinnhold, vil man få en hurtig styrkeøkning grunnet formasjonen av ettringitt (Janz & Johansson, 2002). Bruk av gips som delkomponent har vist gode resultater, spesielt ved sulfidholdig jord (Larsson, 2006).
Slagg
Slagg utvinnes ved foredling av jernmalm til råjern. Malmens silikatandel tilsettes kalkstein i smelteovn, reaksjonsproduktet kalles slagg (Johansson et al., 2006). Som hos flere av de andre bindemidlene, vil mindre kornstørrelse gi større reaktivtitet. Slagg har mange av de samme egenskapene som sement, men med et lavere innhold av kalsium. Slagg vil derfor gi mindre reaksjon enn sement. I kombinasjon med gips, kalk eller sement, vil slagg være mer reaktivt. Reaksjonsproduktene vil også her være CSH.
2.4 Grunnforhold
Grunnforholdene vil i stor grad påvirke valg av både mønster, innblandingsforhold og kombinasjon av bindemiddel. Innblandingsforhold og kombinasjon av bindemiddel vil bli bestemt av jordforholdene. I den sammenhengen vil mineralsammensetning, innslag av organisk materiale, kornfordeling og jordartstyper være avgjørende.
Kornfordelingen vil ha stor påvirkning på jorden ved innblanding av kalksement. Dette vil i stor grad påvirke effekten av innblanding og omrøringsegenskaper, altså hvor lett det er å oppnå en god innblanding (Christenseen et al., 1998). Stabilisering av grunnen ble tidligere gjort ved at man stabiliserte leire med kalk. I dag kan alle typer jord stabilieseres, som leire, kvikkleire, siltig leire, silt, sulfidholdig leire, gytjeholdig leire, torv og gytje. Nedenfor presenteres de ulike jordtypenes stabiliseringsevne.
Leire
Stabilisering av leire gir veldig gode resultater ved dypstabilisering, og både kalk og kalksement er velegnet. Stabiliseringseffekten er normalt 10–50, og varierer med mengde bindemiddel, leirinnhold og vanninnhold (Christenseen et al., 1998).
Kvikkleire
Stabiliseringseffekten ved kvikkleire er stort sett meget god. Grunnen til god
stabiliseringseffekt, er sensitiviteten til materialet; sensitivt materiale gir fullstendig omrøring, som igjen vil gi en homogen pel. Stabiliseringseffekten forventes å ligge mellom 10 og 50 (Christenseen et al., 1998).
12 Leire med siltsjikt, siltig leire
For denne jordarten vil også stabilisering med kalk og kalksement gi gode resultater. Ved økt siltinnhold oppnår man bedre resultat med kombinasjonen av kalk og sement.
Stabiliseringseffekten er normalt 10 – 30 (Larsson, 2006).
Gytjeholdig leire
For å oppnå best mulig stabiliseringseffekt, anbefales det å bruke kalksement eller sement og slagg. Stabiliseringseffekten vil variere fra 10 til 20. Fasthetsutviklingen er en del lavere enn ved for eksempel leire. Normalt bør man vente minst tre måneder før pelene belastes
(Larsson, 2006).
Gytje
Stabilisering med kun kalk som bindemiddel har gitt lav stabiliseringseffekt, men i kombinasjon med sement eller slagg har man oppnådd langt bedre resultater.
Stabiliseringseffekten er vanskelig å forutse da gytjen kan ha forskjellige egenskaper,
samtidig som mengde og sammensetningen av bindemiddel spiller inn. Fasthetsutviklingen er normalt tregere enn ved andre løsmasser (Larsson, 2006).
Torv
Torv forekommer ofte i lagdeling hvor leire og gytje kan representere de andre sjiktene.
Tilpasser man bindemiddelet til leiren, vil man ikke få tilstrekkelig stor stabiliseringseffekt.
Massestabilisering eller cellstabilisering er metoder som vil kunne gi gode utfall ved stabilisering av torv. Ved disse metodene benyttes det sementbasert bindemiddel med store bindemiddelsmengder. Stabiliseringseffekten varierer fra 10 til 20 ganger høyere enn opprinnelig skjærstyrke (Larsson, 2006).
Sulfidholdig leire
Det finnes ingen generelle erfaringer med hvordan sulfid påvirker innblandingen av kalk.
Sement, kalksement og sement/slagg i store mengder har gitt forholdsvis bra
stabiliseringseffekt. I enkelte tilfeller har innblanding av gips i bindemiddelet gitt gode resultater. Som med gytje vil fasthetsutviklingen være langsom (Larsson, 2006).
Silt og sulfidholdig silt
Det er generelt gjort lite erfaring med disse materialene. Det anbefales å bruke bindemiddel som sement, kalksement eller sementbaserte bindemiddel. Ved lavt vanninnhold bør det vurderes å gå bort fra tørrinnblanding (Larsson, 2006).
13
2.5 Valg av stabiliseringsmateriale
Valg av bindemiddelskombinasjon og mengde bindemiddel blir gjort på grunnlag av
laboratorieundersøkelser. I tilegg til vanlige rutineundersøkelser, skal det undersøkes spesielt for (Statens vegvesen, Vegdirektoratet, 2008):
Humusinnhold
Saltinnhold (dersom leira ikke er kvikk)
Effekt av innblandet bindemiddel
Modulen, dersom setningene er av betydning
Effekten av bindemiddeltype og -mengde måles ved enaksiale trykkforsøk på prøver med ulike mengder og typer bindemiddel etter 7, 28 og eventuelt 90 døgn. Disse testene
sammenlignes med opprinnelige tester før stabilisering (Statens vegvesen, Vegdirektoratet, 2008). For fremstillingen av det stabiliserte materialet, blir bindemiddelet vispet inn ved bruk av kjøkkenmaskin. Det er her viktig at vanninnholdet ikke blir endret. Materialet blir så stampet lagvis i en 54 mm plastsylinder, høy nok til at prøven kan trimmes til enaksialtforsøk.
Prøven lagres så i klimarom med en temperatur på 7 C. Unntaket er ved prøving av torv, hvor prøvene skal lagres ved romtemperatur med forbelastning og i spesielt vannbad (Larsson, 2006). Tabell 1 viser til vanlige bindemiddel og bindemiddelsmengder til forskjellige jordtyper. Det er viktig å nevne at dette kun er veiledende. Man er i tilegg nødt til å utføre laboratorietester. Samtidig er det viktig å kartlegge erfaringer ved lignende grunnforhold.
Tabell 1 Vanlige bindemiddel og bindemiddelsmengder til ulike jordtyper (Larsson, 2006)
Tørrdensiteten er, sammen med vanninnholdet, utgangspunktet for hvor mye bindemiddel det er nødvendig å blande inn i laboratorieprøvene. I leirer med et vanninnhold på 30-80 %, gir en kalkmengde tilsvarende 6 -7 vektprosent av tørrdensiteten erfaringsmessig maksimal
trykkfasthet (Statens vegvesen, Vegdirektoratet, 2008). Lavt vanninnhold gir som oftest høyere fasthet enn høyt vanninnhold ved ellers like forhold. På samme måte som hos betong,
14 vil et lavt vannsementforhold gi høyere fasthet (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Er
vanninnholdet såpass lavt at alt bindemiddelet ikke vil reagere, vil dette gå ut over kvaliteten.
Ved dypstabilisering finnes det også alternativer med innblanding av vann som bør vurderes dersom vanninnholdet er meget lavt.
Ettersom man som oftest ikke har homogent grunnforhold, vil man se til at bindemiddelet gir gode resultater for de forskjellige lagdannelsene, både med tanke på endelig styrke og hvor fort man vil oppnå den ønskede styrken. Det er derfor viktig å teste for de forskjellige lagdannelsene. I noen tilfeller er det kun i visse lag man ønsker en drastisk endring i
materialoppførelsen. Dette hensynet vil vektlegges, da man av praktiske årsaker kun ønsker en bindemiddelskombinasjon per pel.
Jordmateriale som blir testet ved innledende laboratorieforsøk, er ment å være en representativ del av det materialet som skal stabiliseres i felt. Det anbefales å verifisere laboratorieresultatene med et prøvefelt før man stabiliserer hele det aktuelle området (Haglund & Nilsson, 2001). Dette vil spesielt gjelde prosjekter der det er strenge krav med tanke på udrenert skjærstyrke. I den sammenheng vil man kunne sammenligne udrenert skjærstyrke fra felt og laboratorium.
Haglund og Nilsson (2001) sammenlignet udrenert skjærstyrke målt i felt og i stabilisert materiale fremstilt i laboratorium for 13 forskjellige prosjekter. Det ble konkludert med at udrenert skjærstyrke fra felt oftest er like høy som, eller høyere enn, skjærstyrke hos laboratorieprøver med samme herdetid.
2.6 Laboratorieforsøk
Etter stabilisering vil materialet ha en annen oppførsel enn før stabilisering. Ved bløte jordarter vil man få en endring i vanninnhold og massetetthet. Dette fører til en endring i skjærstyrke, stivhet og permeabilitet (Åhnberg, 2006). Skjærstyrken vil stort sett være den parameter hvor man ønsker en endring. Den udrenerte skjærstyrken kan ha en
stabiliseringseffekt opp til 50 ganger opprinnelig skjærstyrke. Skjærstyrken vil variere avhengig av jordslag, type bindemiddel, mengde bindemiddel, bindemiddelkombinasjon, herdetid og temperatur. For kalksementstabilisert leire i Norge kan det oppnås en skjærstyrke på 100-1000 kPa (Norges Geotekniske Institutt, 2011).
Ved prosjektet Nordre avlastningsveg, Ila i Trondheim er det tatt ut prøver in situ seks måneder etter installasjon. Det ble tatt ut tre prøver fra kalksementpel og fra en pel blandet med flyveaske, kalk og sement. Prøvene ble testet med en gjennomsnittlig enaksial
trykkfasthet på 500 kPa for pelen blandet med flyveaske, kalk og sement. Kalksementpelen viste en gjennomsnittlig trykkfasthet på 2300 kPa og en maksimal trykkfasthet på 3300 kPa (Statens vegvesen, Vegdirektoratet, 2007). Det skal her nevnes at det for begge bindemidlene ble tatt ut prøver fra de delene av pelen som hadde best kvalitet.
15 2.6.1 Enaksiale trykkforsøk
Ved dypstabiliseringsprosjekter bestemmes udrenert skjærstyrke og stivhet i hovedsak ved hjelp av enaksiale trykkforsøk. Det finnes både fordeler og ulemper ved bruk av denne metoden. Fordelen er at det er en rask og enkel metode som gir et godt inntrykk av
stabiliseringseffekten. Ulempen er at den horisontale spenningen ikke blir tatt høyde for, noe som vil føre til et unøyaktig resultat.
Enaksiale trykkforsøk kan gi villedende høye styrkeparametre. For stabiliserte jordarter med forholdsvis lav styrke, vil udrenert styrke fra treaksialforsøk med lavt celletrykk
sammenlignet med styrken fra enaksiale trykkforsøk være forholdsvis lik (Åhnberg, 2006).
Når styrken øker, vil styrken som er blitt determinert fra enaksiale trykkforsøk være høyere enn fra udrenerte treaksialforsøk (ibid.). Figur 10 viser eksempler på forskjeller i trykkstyrke i enaksiale trykkforsøk og i udrenert treaksialforsøk, med celletrykk satt til null for
treaksialforsøk.
Figur 10 Forskjeller i trykkstyrke evaluert fra enaksiale trykkforsøk og udrenerte treaksialforsøk med høyt og lavt baktrykk (Åhnberg, 2006)
Opptil ca 300 kPa trykk styrke gir både treaksiale og enaksiale forsøk tilnærmet like verdier.
Ved høyere styrke viser enaksiale trykkforsøk langt høyere styrke enn treaksialforsøk (ibid.).
Det er flere grunner til at det er oppnådd høyere styrke ved enaksiale trykkforsøk.
Treaksialforsøkene er utført med forskjellig tøyningsrate og metningsgrad. Forsøk med lav metningsgrad, som enaksiale trykkforsøk eller treaksialforsøk med lav metningsgrad får lavere poretrykk som også tilsvarer høyere styrke (ibid). Når styrkenivået øker, vil stivheten til materialet øke. Dette fører til at innflytelsen av små luftbobler i porene øker. Tøyningsraten ved treaksialforsøk og enaksiale forsøk er også forskjellige. I studiet til Åhnberg (2006) fremkommer det at tøyningsrate gir minimal forskjell i styrke i størrelsesorden 10 %, eller mindre. Bruddtøyningen ble observert til å være betraktelig lavere ved stabilisert materiale med høy styrke.
16 2.6.2 Treaksialforsøk
Treaksialforsøk er en lite brukt forsøksmetode innen dypstabilisering. Metoden blir ofte valgt bort fordi den er tidkrevende og kostbar (Christenseen et al., 1998). Siden man tar hensyn til horisontal spenning, gir denne metodem et mer korrekt resultat av det stabiliserte materialets styrke enn hva som er tilfellet ved bruk av enaksialforsøk. Åhnberg (2006) har gjort forsøk drenert og udrenert for å undersøke strykeforskjellen ved ulike dreneringsforhold og
spenningsforhold. Ved drenerte forsøk er det en markant økning i bruddtøyningen ved økende celletrykk, mens det ved udrenerte forsøk ikke er noen distinkt forskjell i bruddtøyning.
Udrenerte forsøk med høy styrke og lavt celletrykk viser også en sprø oppførsel med signifikant styrkereduksjon etter brudd.
Figur 11 viser et utvalg av forsøkene som ble utført som både drenerte og udrenerte. For de udrenerte forsøkene vises hele spenningsstien, mens kun bruddspenningene vises for de drenerte forsøkene. Både drenerte og udrenerte forsøk viser at de er avhengige av celletrykket, noe som indikerer at det stabiliserte materialet er spenningsavhengig (ibid.). Bujulu (2008) viser i sin studie også at det stabiliserte oppfører seg spenningsavhengig. Åhnberg (2006) undersøkte effekten av å lagre prøvene under trykk. Det viste seg at denne lagringsprosedyren ga materialet med høyere styrke.
Figur 11 Treaksiale forøk med forskjellige bindemiddel, testet etter 28 døgn (Åhnberg, 2006)
Figur 12 viser forsøk som er utført både i passiv og aktiv tilstand. Det er også tatt med forsøk utført på ustabilisert leire. Prøvene er ikke lagret under trykk, som er vanlig
lagringsprosedyre. Resultatene er blitt tolket til å vise en tilnærmet isotropisk
spenningstilstand, som kan beskrives med en jordtrykkskoeffisient tilnærmet lik en. Samme friksjonsvinkel blir brukt til å beskrive stabilisert og ustabilisert materiale. Derimot er
kohesjonen markant høyere ved stabilisert enn ved ustabilisert materiale. Kohesjon varierer i høy grad med tid og bindemiddelstype, samt jordmaterialets opprinnelige materialdata.
Kohesjonen øker med tiden i lik grad som udrenert styrke (Åhnberg, 2006).
17
Figur 12 Aktive og passive treaksialforsøk på leire fra Linköping herdet 28 døgn med 70 kg/m3 bindemiddel (Åhnberg, 2006)
Åhnberg (2006) viser at drenerte forsøk med en for høy tøyningsrate påvirker
poretrykksutligningen. Tøyningsrate på 0,02 %/min viste seg å være rett med tanke på poretrykksutligningen. For høy tøyningsrate ved udrenerte forsøk kan gi noe høyere styrke siden poretrykket rekker å bygge seg opp tilstrekkelig.
Åhnberg (2006) bruker i sin studie forskjellige baktrykk. Med baktrykk menes det at
celletrykket justeres opp samtidig som man justeres opp poretrykket i topp- og bunnstykket.
Når trykket justeres opp parallelt skal effektiv spenningene være den samme under denne prosedyren. Udrenerte forsøk viser seg å ha stor påvirkning av forskjellig baktrykk. Det blir målt høyere styrke ved høyt baktrykk enn ved lavt baktrykk. Ved lav metningsgrad, som er resultatet ved lavt baktrykk, er oppførelsen ved stabiliserte materiale nærmere drenert. I samme studie anbefales det å bruke høyt baktrykk for å mette prøven, som igjen vil gi mer nøyaktige poretrykksresultater. Baktrykk ga ingen bestemt innvirkning på poretrykket eller styrken til de drenerte forsøkene (ibid.). Dette indikerer at tøyningsraten er lav nok.
Kontraktant oppførsel vil si at materialet minker i volum under testing. Dilatant oppførsel betyr at materiale øker i volum under testing. Kontraktiv oppførsel ble observert ved
stabilisert materiale med lav styrke og høyt celletrykk, mens dilatant oppførsel ble observert ved middels til høy styrke og lavt celletrykk (ibid.).
Figur 13 viser effektiv friksjonsvinkel presentert sammen med styrke av stabilisert materiale.
Åhnberg (2006) viser til en friks onsvinkel som varierer fra 2 til avhengig av bindemiddel og jordmateriale. Friksjonsvinkelen viser ingen forskjell før og etter
stabiliseringen. Bujulu (2008) viser i sin studie at både friksjonsvinkelen og kohesjonen øker etter stabiliseringen.
18
Figur 13 Styrke av stabilisert materiale mot effektiv friksjonsvinkel (Åhnberg, 2006)
2.6.3 Ødometerforsøk
Ødometerforsøk kan utføres på alminnelig måte som for vanlige jordarter (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Forsøksmetoden kan brukes for å determinere stivhet og permeabilitet hos stabilisert materiale. Dersom det er ønskelig å gjøre ødometerforsøk ved innledende laboratorieforsøk, anbefales det å lage prøven direkte i prøveringen slik at man oppnår god kontakt mellom prøven og prøveringen (ibid). Figur 14 viser variasjon av modul med økende spenning. Etter flyt minker modulen betraktelig før den øker igjen. Ved økningen kan man betrakte modulen som vanlig ustabilisert materiale (Åhnberg, 2006). Det stabiliserte materialet kan beskrives med et kvasi-prekonsolideringstrykk.
Figur 14 Ødometerforsøk (Åhnberg et al., 1995)
19 Permeabilitet
Permeabilitet vil være av interesse for poretrykkresponsen, både ved pålastning og for å bestemme når man kan se på problemet som en effektiv spenningsanalyse. Strukturen etter stabilisering vil endre seg og den vil bestemmes av kornstørrelsen på jorden og
bindemiddelet. Etter hvert som herdingen pågår, vil man også få en endret struktur og tetthet.
Permeabiliteten vil derfor også endres med hensyn på tiden, som igjen vil være avhengig av jord, bindemiddel, bindemiddelkombinasjon og bindemiddelmengde. Stabilisert leire får i hovedsak en økning i permeabilitet etter installasjon, men vil med tid få en minkning i permeabilitet (Åhnberg, 2006). Endringen i permeabilitet rett etter stabilisering skyldes innblanding av bindemiddel, partikler i jorden, flokkulasjon av jordpartikler og komprimering av jorden. Minkningen av permeabiliteten skyldes trolig i hovedsak forskjellige
sementeringsprosesser.
Ved innledende laboratorietester vil det være vanskelig å gjenskape den samme
permeabiliteten som in situ. Resultatet fra laboratoriet er forventet å være lavere enn hva man kan vente in situ (ibid.). Forsøk av stor skala i felt, testet på peler, har vist høyere verdier sammenlignet med et mer homogent materiale i laboratorium.
Et grovt estimat for endring i permeabilitet for homogen stabilisert jord, kan gjøres på basis av endring av vanninnhold og den stabiliserte jordens styrke, se figur 15 (ibid.). Kstab står for permeabiliteten til det stabiliserte materialet og ksoil er permeabilitet av ustabilisert jord. W0 er opprinnelig vanninnhold og w er vanninnhold etter stabilisering. Figuren viser at høyere styrke eller lavere endring i vanninnhold vil gi en mer homogen prøve, og dermed også lavere permeabilitet.
Figur 15 Endringer i permeabilitet etter stabilisering (Åhnberg, 2006)
20
2.7 Fasthetsøkning
Generelt vil det være en fasthetsøkning som vil pågå over lang tid. Man har sett eksempler på tilvekst i fasthet så lenge som 10 år etter at stabiliseringen fant sted (Norges Geotekniske Institutt, 2011). Det er flere parametre som vil avgjøre økningen i fasthet; jordmateriale, bindemiddel, bindemiddelforhold, bindemiddelmengde, vanninnhold, temperatur og ikke minst tid. Økning av fasthet vil også være avhengig av temperaturen i jorden; ved lave temperaturer kan fasthetsøkningen forsinkes eller stoppes opp.
Figur 16 viser en styrkeøkning med hensyn på tiden. Det er brukt to forskjellige leirer med forskjellige bindemiddelkombinasjoner. Bindemiddelforhold og mengde bindemiddel er fastholdt. Ved leire (a) ser vi at både kalksement- og kalkslaggblandingene har oppnådd ca samme fasthet etter 100 døgn, mens testene som er blitt utført i etterkant viser at
kalkslaggblandingens fasthetsøkning stiger. Ved alle bindemidlene vil det være en forholdsvis tidlig fasthetsøkning, men fasthetsøkningen etter 100 døgn vil også være viktig å vurdere til enkelte prosjekter.
Figur 16 Målt styrke med forskjellige typer bindemiddel m.h.p.. tid. (a)Löftabro leire og (b) Linköping leire med sement, kalk og andre bindemiddel, bindemiddelforhold 50:50, 100 kg/m3. c = sement, l =kalk, s = slag, f = flyveaske (Åhnberg, 2006).
Ved leire (b) ser man helt klart at ikke alle bindemidlene har reagert like godt med jorden.
Kalk og kalkslagg har gitt dårlig tidlig fasthet ved 100 døgn og har heller ikke vist noen særlig økning med tiden. Kalksement og sement har derimot gitt en god tidlig fasthet og viser også en forholdsvis god økning med tiden. Figuren viser viktigheten av å tilpasse rett
bindemiddel til de aktuelle jordforholdene.
21
2.8 Levetid
Under de rette forholdene kan stabilisert materiale ha lang levetid, akkurat som
betongkonstruksjoner. Levetiden kan også senkes betraktelig ved enkelte grunnforhold.
Det øverst laget av det stabiliserte materialet kan, som andre løsmasser, bli utsatt for tele (Janz
& Johansson, 2002). Når vann fryser utvides det med opptil 9 %. Denne utvidelsen kan føre til at materialet sprekker opp, noe som kan påvirke materialets egenskaper. Om det er tilstrekkelig luftporer, vil det ikke være fare for oppsprekking. Porevolumet er vanskelig å forutsi etter at grunnforsterkningen er gjort.
Om grunnvannet inneholder syre, kan utvasking av bindemiddel forekomme. Denne
prosessen kan kun forekomme ved jevn innstrømning av vann med syreinnhold, samtidig som det er utstrømning (ibid.). Permeabiliteten vil altså være utslagsgivende. I dypstabilisert materiale vil det normalt være lav permeabilitet. Lagdannelser med innslag av mer permeable masser kan derimot være et problem med tanke på utvasking. I tilfeller hvor man har brukt dypstabilisering til bedring av skråningsstabilitet, kan dette være meget kritisk. Salt som ammonium og magnesium reagerer med hydroksidioner, som gir lavere pH-verdi, som kan også betraktes som syreangrep.
Sulfatholdig jord kan forsinke ettringittformasjon. Ettringittformasjon gir en volumøkning i materialet. Siden det stabiliserte materialet antagelig har høy nok porøsitet, er det lite sannssynlig at dette påvirker stabiliseringen (ibid.).
2.9 In situ-kontroll
Ved dypstabiliseringsprosjekter blir det innledningsvis utført laboratorietester for å undersøke stabiliseringseffekten av jorden. Det finnes også flere typer felttester som kan utføres enten som forundersøkelse eller for dokumentasjon til det aktuelle prosjektet. Aktuelle tester er kalkpelsondering, omvendt kalkpelsondering, CPT, kjerneprøver, 54 mm prøvetaker, utgravning og opptak av hel pel.
KPS – kalkpelsondering
En sonde med vinger føres ned i sentrum av pelen, kraften som registres ved nedtrykkingen brukes til å beregne udrenert skjærstyrke. KPS kan benyttes til peler med diameter 500 – 800 mm. Det er visse begrensinger med KPS. Maksimal pellengde er 8 m og maksimal
skjærfasthet er 150 kPa. Ved forboret hull (diameter på 44 mm) i senter av pelen kan metoden brukes opp til en skjærstyrke på 300 -350 kPa. Ulempen ved bruk av denne metoden er at sonden har en tendens til å dra seg ut av pelen, slik at man ikke får dokumentert hele lengden av pelen (Svenska Geotekniska Föreningen, 1995).
