Stabilitetsanalyse av kvikkleire ved rørpressing med åpen, trykksatt front

Abstract

På Sluppen i Trondheim er det nylig gjennomført et rørpressingsprosjekt i krevende grunnforhold. Området er preget av en vekslende lagdeling med større lommer av kvikkleire. Inngrep i kvikkleire må gjøres med varsomhet grunnet kvikkleirens sprøbruddegenskaper og lave omrørte styrke. Røret vil presses mellom to spuntgroper (pressgrop og mottakergrop) ved hjelp av en hydraulisk pressmaskin. Fronten av røret er åpen, der jordtrykket i leiren stabiliseres av et luftovertrykk i røret. Oppgavens fokus er å analysere frontstabiliteten i kvikkleire i et gitt snitt langs den planlagte traseen på Sluppen. Stabilitetsvurderingene er utført med elementmetodeprogrammene Plaxis 2D og 3D. Et delmål er å modellere kvikkleirens karakteristiske sprøbruddoppførsel på en troverdig måte.

Fra analysene er spenningsforholdene i kvikkleiren vurdert ved et aktivt og passivt brudd (utblåsning). Ved et aktivt brudd vil kvikkleiren kollapse inn i rørfronten, mens ved en utblåsning vil en bruddflate forplante seg fra rørets front opp mot terrengoverflaten. Analysen for aktivt brudd er utført med både materialmodellene Mohr Coulomb og NGI-ADP, mens det passive bruddet kun er modellert med NGI-ADP. Modellenes feilkilder og svakheter er deretter vurdert for å avgjøre hvilken materialmodell som er best egnet for modellering av en gitt bruddsituasjon i kvikkleire.

I analysen med Mohr Coulomb ble det brukt en negativ dilatansvinkel for å tvinge leirens skjærstyrke til å reduseres ved plastiske tøyninger (strain-softening). Her var det store usikkerheter knyttet til valgt dilatansvinkel, siden vinkelen avgjorde hvor fort maksimal skjærspenning ble redusert. Mohr Coulomb er en enkel materialmodell som ikke tar høyde for kvikkleirens anisotrope skjærfasthet. Softening-modeller er i tillegg elementavhengig, noe som betyr at skjærstyrken vil variere med størrelsen på elementinndelingen. Grunnet analysens mange usikkerheter ble resultatene ikke inkludert ved vurdering av nødvendig stabiliserende lufttrykk.

For det aktive bruddet i Plaxis 2D tenderte leiren å mobilisere store deler av skjærstyrken i området nederst ved rørfronten. I disse områdene vil det være større risiko for dannelse av en omrørt sone og en progressiv bruddutvikling. Resultatene i 2D pekte mot at et lufttrykk på 90-100 kPa vil være konservativt for å motvirke et aktivt brudd av leiren. De beregnede resultatene vil være konservative, men ikke representere spenningsforholdet i kvikkleire på en realistisk måte ved de lavere lufttrykkstrinnene. Resultatene stemmer godt overens med håndberegningene som ga et nødvendig lufttrykk på 112-116 kPa. 3D-beregningene ble utført på samme måte som 2D-berengingene av det aktive bruddet. Resultatene viste at det romlige rørtverrsnittet avgrenset utbredelsen av spenningene i det horisontale planet (xy), og økte stabiliteten av leiren ved rørfronten.

Resultatene fra analysen av det passive bruddet ga et maksimalt lufttrykk på 209 kPa. Ved brudd oppstod det store forskyvninger av overflaten, som kan gi alvorlige skader på infrastruktur og bebyggelse. I analysen ble det ikke tatt høyde for at dannelsen av omrørte soner kan skape lokal instabilitet rundt rørfronten; et brudd kan inntreffe ved et lavere lufttrykk enn 209,5 kPa. Grunnet flere usikkerheter vil det være nødvendig å senke den øvre grensen for maksimalt lufttrykk med en akseptabel sikkerhetsfaktor.

In Sluppen Trondheim, a pipe jacking procedure in demanding soil has recently been completed. The ground consist of several types of soil, including quick clay. It is important to handle quick clay with caution because of its low remolded strength and sudden collapse. The pipe is pushed into the ground by an hydraulic jacking device, between two constructed pits. The front shield is open where the soil is stabilized by pressured air. The main focus of this thesis is to analyze the stability of the quick clay at a given point along the path. The stability calculations will be permformed in the FEM program Plaxis 2D and 3D. An intermediate objective is to model the behavior of quick clay in a realistic way.

The stress conditions in the soil are evaluated when an active and passive failure (blow out) occurs in the ground. An active failure occurs when the soil collapses into the open pipe. A blow out will occur when the air pressure in the pipe is too high. The analyzes for the active failure will be modeled with both Mohr Coulomb and NGI-ADP. Then, the models´ shortcomings will be analyzed with the purpose of deciding which model should be used in further work.

A negative dilatance angle is used in the Mohr Coulomb model to get the desired strain-softening behavior in the material. There were great uncertainties related to the chosen dilatance angle, since the angle determined how quickly maximum shear stress was reduced. Mohr Coulomb is a simple material model that does not take into account the anisotropic shear strength of the quick clay. Softening models are also element-dependent, which means that the shear strength will vary with the size of the element size. Due to the many uncertainties of the analysis, the results were not included in the assessment of necessary stabilizing air pressure.

For the active failure in Plaxis 2D, the clay tended to fully mobilize the shear strength in an area in front of the pipe shield. In these areas, there will be a greater risk of a progressive fracture development and a development of a remolded zone. The results in 2D gave that an air pressure of 90-100 kPa would prevent an active failure in the clay. The calculated results will be conservative, but do not represent the stress conditions in the quick clay in a realistic manner (at the lower air pressure stages). The results match well with the hand calculations which gave a required air pressure of 112-116 kPa. The 3D calculations were modeled in the same way as the 2D calculations of the active failure. The results showed that the spatial cross section of the pipe limited the range of the stresses in the horizontal plane (xy), and increased the stability of the quick clay by the pipe shield.

The results from the analysis of the passive failure gave a maximum air pressure of 209 kPa. In the event of a blow out, large surface displacements occurred, which can cause serious damage to infrastructure and buildings. In the analysis, the effect of a remolded zone in front of the pipe shield was not considered. A fracture can occur at a lower air pressure than 209.5 kPa because of the loss of strenght. Due to several uncertainties, it will be necessary to lower the upper limit of maximum air pressure with an acceptable safety factor.