NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred SVV Teknologidagene 2013 Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Innhold: – Gjennomgang av utvalgte sonderingsmetoder Utstyr og forsøksprosedyrer Indikasjon på sprøbruddsmateriale Begrensninger, feilkilder og påvirkningsfaktorer Videre utvikling – nye prosedyrer – Eksempler på detektering av sprøbruddsmaterialer Lagdelt (varvig) leire med silt- og sandlag Sprøbruddsmateriale med liten overdekning Sprøbruddsmateriale med fast, mektig topplag Artesisk poretrykk – Detektering av kvikkleire med resistivitet Metoder for måling av resistivitet (ERT, R-CPTU, AEM) – hvilke muligheter har vi? Tidligere og planlagte arbeider med R-CPTU – Scenarier for fremtidig praksis

Arbeidshypotese: Noen ganger blir vi lurt av sonderingsprofiler som indikerer kvikkleire, mens laboratorieforsøk viser ikke-sensitiv leire. Andre ganger er det motsatt! Hva skyldes dette, og kan vi finne forklaringer? Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Hvilket profil inneholder kvikkleire?

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Aktiviteter i NIFS – Multiconsult/SINTEF: – SM6.4.2 Innledende rapport NIFS 46/2012: Detektering av kvikkleire fra ulike sonderingsmetoder, Multiconsult/SINTEF – Tesfaye Kerlos Tilahun, masteroppgave NTNU: The identification of quick clay layers from various sounding methods – Alberto Montafia, masteroppgave NTNU: Influence of physical of marine clays on electric resistivity and basic geotechnical parameters – SM6.6.4 Detektering av kvikkleire ved hjelp av R-CPTU 2013: State-of-the-art rapport 2014: Planlagt utvidet studie med feltundersøkelser på utvalgte forsøksfelt

Detekteringsmetoder og -prinsipper Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Aktuelle detekteringsmetoder : – Feltundersøkelser Dreiesondering Dreietrykksondering/Totalsondering Vingeboring Trykksondering med poretrykksmåling (CPTU) – Spesielle feltundersøkelser Trykksondering med resistivitetsmåling (R-CPTU) 2D overflateresistivitetsmåling AEM Airborne Electromagnetic Measurements – Prøvetaking og laboratorieundersøkelser Konus (uforstyrret/omrørt) Viskositetsmåling

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Aktuelle detekteringsprinsipper - feltundersøkelser: – Dreiesondering Synk av borstang ved redusert belastning Helning på sonderingsprofil (halvomdreininger pr. 20 m synk) – Dreietrykksondering/Totalsondering Helning på sonderingsprofil (konstant/avtagende penetrasjonkraft mot dybde) Størrelsen på nedpressingskraften (usikker metode, påvirkes av grunnforholdene) – Vingeboring Størrelsen på omrørt skjærfasthet s rv Påvirkes av friksjon – Trykksondering med poretrykksmåling Helning på sonderingsprofil (spissmotstand q t, netto spissmotstand q n ) Poretrykksforhold B q =  u/q n Målt sidefriksjon f s eller friksjonsforhold R f = f s /q n Diagram for jordartsidentifikasjon (basert på kombinasjon av målte og avledede størrelser)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Helning på F DT – z kurve indikerer kvikke eller sensitive leirer Dreietrykk- og totalsonderingsprofiler

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Vingeboring – uforstyrret og omrørt måling (elektrisk)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Arbeidskurve uforstyrret Arbeidskurve omrørt Vingeboring – uforstyrret og omrørt måling (elektrisk)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Arbeidskurve uforstyrret Vingeboring – vurdering av arbeidskurve med energibetraktninger Energibetraktninger: Tilfelle A: minst energi Tilfelle C: mest energi Viktig informasjon ved stabilitets- og utløpsvurderinger

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Trykksondering med poretrykksmåling - CPTU Spissmotstand q t, q n Sidefriksjon f s Poretrykk u 2 Poretrykksforhold B q

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale q t - R f q t - B q CPTU - jordartsidentifikasjon Empirisk baserte diagrammer Vekslende erfaringer mhp sensitive materialer Gir svar på materialoppførsel, ikke nødvendigvis jordart

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Utnytter vi alle mulighetene med CPTU i dag?

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Utnytter vi alle mulighetene med CPTU i dag? N m = q n /(  vo ’ + a)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Korrelasjoner mellom helning av sonderingskurve og sensitivitet (omrørt skjærfasthet) DreiesonderingDreietrykksondering TotalsonderingCPTU

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bestemmelse av friksjonsgradient i CPTU (SGI) Studier av stangfriksjon: Total nedpressingkraft + stangvekt -spisskraft = Mobilisert stangfriksjon (kN). Sammenlignes med stangfriksjon tilsvarende 1 kPa sidefriksjon (KN) Der helning av mobilisert friksjonskraft < helning tilsvarende 1 kPa sidefriksjon antas kvikkleire (andre friksjonsmål kan brukes?) Meget gode erfaringer i svenske leirer (Gøta älvs utredningen), men noe overestimering av kvikkleire rapportert

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bestemmelse av omrørt skjærfasthet ved repeterte penetrasjonssykler i CPTU

400 g 100 g60 g10 g NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Rutineundersøkelser lab – konus uforstyrret og omrørt Udrenert skjærfasthet ved konus-forsøk Benyttes i dag til verifisering av kvikkleire og sprøbruddsmateriale Bestemmelse av omrørt skjærfasthet usikker? Sensitivitet fra konusforsøk kan være påvirket av prøveforstyrrelse (S t = c u /c r )

Påvirkningsfaktorer Eksempler fra praksis Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Eksempler fra praksis – når (mis)lykkes vi med detekteringen? Følgende grunnforholdstilfeller er vurdert: – Laminert leire med sand- og siltlag – Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – Sprøbruddsmateriale under fast og mektig topplag – Leire med artesisk poretrykk – Løs, vannmettet silt/sand – Effekt av avtagende overkonsolidering Forhold knyttet til forsøksprosedyre (behandles ikke her) – Effekt av spyling – Effekt av sjøboring

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Laminert leire med silt- og sandlag - dreietrykksondering Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Antatt kvikk-/sensitiv leire Eksempel fra Meråker sentrum (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – totalsondering/lab Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Antatt kvikk-/sensitiv leire Eksempel fra Holte-Minsås, Verdal (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – totalsondering/lab Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Påvist kvikk-/sensitiv silt Kvikkleire Kvikksilt Eksempel fra E6 Øst Møllenberg (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – CPTU/lab Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Påvist kvikk-/sensitiv silt Eksempel fra E6 Øst Møllenberg (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Antatt kvikk-/sensitiv leire Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – CPTU/lab Eksempel fra Kaldvelladalen (Tesfaye Tilahun 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Tørrskorpe, silt Kvikk-/sensitiv leire Antatt kvikk-/ sensitiv leire Ikke kvikk-/ sensitiv leire Påvist kvikk-/sensitiv leire Antatt kvikk-/sensitiv leire Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – CPTU/lab Eksempel fra Kaldvelladalen (Tesfaye Tilahun 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – CPTU/lab Eksempel fra Åby, Telemark (Tesfaye Tilahun 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Tørrskorpe, silt Kvikk-/sensitiv leire Antatt kvikk-/ sensitiv leire Fast lag/berg Påvist kvikk-/sensitiv leire Antatt kvikk-/sensitiv leire Sprøbruddsmateriale under tynt topplag – CPTU/DT/lab NB!Høy B q Eksempel fra Åby, Telemark (Tesfaye Tilahun 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Mektig og fast topplag over sprøbruddsmateriale Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Antatt kvikk-/sensitiv leire Eksempel fra Hage-Gylland (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Mektig og fast topplag over sprøbruddsmateriale Påvist kvikk-/sensitiv leire lab Antatt kvikk-/sensitiv leire Eksempel fra Åfjord (Multiconsult)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Ikke-kvikk leire med artesisk poretrykk Antatt kvikk-/sensitiv leire Ikke-sensitiv, siltig, sandig leire Poretrykk Eksempel fra Spillumsstranda, Namsos (Multiconsult)

Detektering av kvikkleire med resistivitetsmåling Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Måling av jordens resistivitet  Jorden påføres kjent strøm mellom to elektroder, potensialfall måles mellom to naboelektroder. Flere mulige elektrodekonfigurasjoner benyttes.  Prinsippet benyttes ved 2D overflatemålinger (ERT), 1D R-CPTU og luftbårne elektromagnetiske målemetoder (AEM)  Bruk i forhold til kvikkleirekartlegging er basert på tidligere studier og erfaringer fra Norge, Sverige og Canada  Spesifikk resistivitet antas å være påvirket av lokale variasjoner i mineralogi, kornfordeling, saltinnhold, densitet, porevannskjemi, metningsgrad, organisk innhold etc.  Resistivitetsverdier viser gradvis overgang og overlapping mellom ulike jordarter: »Salt, marin leire: 1-10 Ωm »Utvasket leire/mulig kvikkleire: Ωm »Silt: 80 – 200 Ωm »Tørrskorpe, grove materialer: over 100 Ωm »Berg: flere tusen Ωm

Geo-elektriske målinger – utstyr, gjennomføring og muligheter Elektrode Elektrode-konfigurasjon 2D resistivitetsmåling på overflaten (ERT Electrical Resistivity Tomography)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Eksempel på tolkning av ERT resistivitetsprofil – E6 Haga-Skjerdingstad Kvikkleire fra sondering/lab

Elektrode Elektrode-konfigurasjon Resistivitetsmåling fra luften (AEM Airborne Electromagnetic Measurements) Resistivitetssoner Bird med transmitter og receiver Helikoptertransport

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bruk av R-CPTU (1D resistivitetsmåling)  Spesial resistivitetsmodul montert i tilknytning til konvensjonell CPTU-sonde  Strøm påføres mellom de to ytterste elektrodene, potensialfall måles mellom de to innerste (Wenner-  konfigurasjon)  Kontinuerlig resistivitetsmåling og CPTU-data i en boring  Ubetydelig mertid i felt sammenlignet med ordinær CPTU  Lite jordvolum bidrar til en mer lokal måling enn ved 2D ERT. Gir mer nøyaktig oversikt over resistivitet i borpunkt  1D og 2D resistivitetsmålinger kan kombineres og sammenlignes:  Relativt godt samsvar i måleverdier for homogene grunnforhold  Større avvik kan forekomme ved inhomogene grunnforhold og innflytelse av 3D effekter (avhengig av inverteringsmetodikk)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bruk av resistivitetsmåling i CPTU Eksempel fra Rissa (Aasland 2010)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Eksempel fra Leira, Trondheim (Montafia 2013) Bruk av resistivitetsmåling i CPTU – sammenligning mellom sonder

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bruk av resistivitetsmåling i CPTU R-CPTU profil Leira, Trondheim – dimensjonsløse forhold

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Bruk av resistivitetsmåling i CPTU Resistivitet i eksisterende identifikasjonsdiagram (Robertson (1990)) kvikk Eksempel fra norske leirer (Montafia 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Dragvoll, Trondheim Sammenligning mellom 1D R-CPTU og 2D ERT i profil Forholdsvis homogent profil Brukbart samsvar i resistivitetsverdier mellom R-CPTU og ERT R-CPTU ERT i profil Sammenligning mellom R-CPTU og ERT ERT i linje Eksempel fra Dragvoll, Trondheim (Montafia 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Sammenheng mellom porevanns- resistivitet og resistivitet bulk prøve Porevannets resistivitet synes å være den viktigste faktor for materialets resistivitet Gjelder tilsynelatende opp til en porevannsresistivitet på ca. 11 Ωm For høyere verdier er det foreløpig uklart hva som styrer materialets resistivitet Foreløpig mangelfulle data, mer forskning nødvendig! Innflytelse av geokjemi på resistivitet Eksempel fra norske leirer (Montafia 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Sammenheng mellom saltinnhold og resistivitet bulk prøve For saltinnhold lavere enn ca. 1 g/l synes det å være andre faktorer som styrer materialets resistivitet Foreløpig mangelfulle data, mer forskning nødvendig! ~1 g/l~300 mg/kg Innflytelse av geokjemi på resistivitet Eksempel fra norske leirer (Montafia 2013)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Geokjemi – viktige erkjennelser: – Lave resistivitetsverdier i ikke-utvasket leire skyldes høyt innhold av Na + og Cl - i porevannet. Gir god elektrisk ledningsevne. – I kvikk eller sensitiv leire har Cl- blitt vasket ut av porevannet, mens Na+ ioner som vaskes ut til en viss grad blir erstattet fra leirpartiklenes overflate – Høy resistivitet i kvikk eller sensitiv leire skyldes høyt innhold av Na + og karbonater (CO3 - ), som kjennetegner en pågående utvaskingsprosess – Utvaskede leirer med høy resistivitet, men som ikke er kvikke eller sensitive, viser som regel høyt innhold av magnesium i porevannet – Disse leirene har omtrent samme resistivitet som utvaskede kvikke leirer – Det kan derfor være nødvendig å gjennomføre geokjemiske analyser for bedre å kunne forstå utførte resistivitetsmålinger i et leirmateriale

Forslag til videre utvikling Detektering av kvikkleire Feltmetoder, prinsipper og resultater

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Aktuelle tema til videre utvikling – Etablering av forsøksfelt Eksisterende kvikkleirefelt kan utnyttes – kan benyttes i flere aktiviteter Variasjon i geotekniske egenskaper (OCR, kornfordeling) Utførelse av referanseforsøk med utvalgte metoder (DT, TOT, FVT, CPTU, R-CPTU, 2D RES, LAB) – Dreietrykk- og totalsondering Systematisering av praktiske eksempler Etablering av erfaringsdiagram basert på korrelasjoner mellom kurvehelning og omrørt skjærfasthet – Trykksondering med poretrykksmåling (CPTU) Måling og systematisering av total nedpressingskraft - friksjonsanalyse (ref. svenske prosedyrer) Videre studier av prosedyre med repeterte penetrasjonssykler under nedpressing – Detaljert analyse av vingeboring Bestemmelse av omrørt skjærfasthet ved elektrisk vingebor Sammenligning med laboratoriedata Omrøringsenergi og utløpspotensiale – Bruk av resistivitetsmåling R-CPTU Systematisering av dagens erfaringer med R-CPTU og 2D overflatemåling Kombinasjon av konvensjonelle CPTU data og resistivitetsmålinger med R-CPTU Bedre forståelse av sammenhengen mellom geokjemi og resistivitet Revisjon av identifikasjonsdiagram – kombinasjon mellom ordinære CPTU- forhold og resistivitet

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Planer for videre forskning på R-CPTU – NIFS Multiconsult/SINTEF – Høst 2013: Utarbeidelse av state-of-the-art rapport R-CPTU Rapportering av dagens kunnskap og bruk innen detektering av kvikkleire – Hvilke faktorer påvirker måling av resistivitet – erfaringer? – Utstyr, kalibrering, forsøksprosedyrer og presentasjon av resultater – Potensiale for bruk i kartlegging av sprøbruddsmaterialer – Sammenligning med øvrige metoder for resistivitetsbestemmelse (primært ERT og AEM) – Eksempler på og resultater fra utførte forskningsprosjekter i Norge og Norden – 2014: Feltstudier med bearbeiding av resultater Utførelse av R-CPTU på utvalgte felter i Trøndelag/på Østlandet – Godt dokumenterte testområder med spredning i egenskaper (kornfordeling, mineralogi, saltinnhold, overkonsolideringsgrad etc) – Utførelse av R-CPTU, elektrisk vingeboring, prøvetaking med geotekniske og geokjemiske analyser. Kombinasjon med ERT. – Samarbeid med andre miljøer (NGI, NGU, NTNU, SGI)

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Scenario for fremtidig praksis - detektering av sprøbruddsmateriale – Resistivitetsmålinger utføres i et tidlig stadium av kartleggingen ERT egner seg godt i område- trasékartlegging og i terreng med vanskelig tilgjengelighet for borrigger Vanlig kartstudie utføres i forkant, eventuelt i kombinasjon med undersøkelser fra luft (AEM), for å legge riktig strategi for målinger Indikerer områder med mulig kvikkleireforekomster – Resultater fra ERT/AEM benyttes til planlegging av geoteknisk sonderingsprogram Ordinære sonderinger og CPTU/R-CPTU R-CPTU bør prioriteres i alle borpunkt, marginal mertid i forhold til ordinær CPTU Utførelse av R-CPTU i nøkkelpunkt gir et utfyllende og mer detaljert bilde av kvikkleireforekomstene R-CPTU kan også benyttes til å forbedre tolkning av ERT-resultater (kjent lokal resistivitet) – Ved utførelse av CPTU/R-CPTU må total nedpressingskraft måles Gir mulighet for bestemmelse av friksjonsgradient med kvikkleireidentifikasjon Meget godt supplement til resistivitetsmåling – Prøvetaking utføres i utvalgte punkter for verifikasjon av kvikkleire Lokalisering baseres på resultater fra ERT, sonderinger, CPTU/R-CPTU Konusforsøk fremdeles viktigste metode for verifisering Her er det også rom for utførelse av forsøk med elektrisk vingebor Geokjemiske analyser kan være viktige for å forstå og tolke resistivitetsmålingene

NIFS Naturfare-infrastruktur, flom og skred Detektering av sprøbruddsmateriale Takk for oppmerksomheten!