Setninger Forårsaket av Boring av Geotermiske Energibrønner i Norge

Abstract

Geotermiske energibrønnsystemer øker i popularitet for oppvarming og avkjøling av bygninger i Norge og resten av verden, og er en løsning på høye energipriser og klimaendringene. De siste årenes rettssaker i Norge angående setningsskader på grunn av energibrønner har imidlertid reist behovet for å vurdere de langsiktige effektene på grunnsetninger, spesielt når de gjøres i områder med bløt leire. Mulige årsaker på grunn av boring og installasjon av grunnarbeider fra innsamlet litteratur og casestudier er overboring, forstyrrelse og poretrykks-tap. Risiko knyttet til installasjon av grunnarbeid er spesielt høyere for lufttrykksboring i grovere løsmasser med høye hydrauliske gradienter. Poretrykksreduksjoner kan også skyldes økt tilsig til berggrunnen via bergsprekker, eksisterende eller forårsaket av boring, eller gjennom dårlig plugg i foringsrør-berg overgangen. Simuleringer av hypotetiske scenarioer for installasjon av energibrønner for å finne parameter- og setnings forhold ble gjort for ulike overtrykk og hydrostatiske poretrykkprofiler.

Den endimensjonale analytiske løsningen og PLAXIS 2D ble brukt for å gi tid vs. setningskurver for generelle løsmasseprofiler basert på Oslo-leire på grunn av et permanent/langvarig poretryk- kstap ved berg for endimensjonal drenering. Resultatene for 1D-drenering viser at et poretrykk- stap under hydrostatisk trykk er avhengig av dybden til berggrunnen, tykkelsen på tørrskorpe/forvitret leire og spenningshistorikken til leirene. Et likt poretrykkstap i et overtrykk lineært over hydrostatisk for hele lengden under grunnvannslinjen drenert til hydrostatisk, er også avhe- ngig av spenningshistorien, men er mer alvorlig i forhold til det under hydrostatiske poretrykks- tapet og mye mindre avhengig av dybden til berggrunnen. Økende dybder gir større setninger i det lange løp. Vanskeligheten med 2D-aksesymmetrisk modellering og ukjente grenseforhold gjør imidlertid kartleggingen av dette flerdimensjonale drenerings- og påvirkningsområdet van- skelig og resulterende figurer ikke-generelle. Dybde til berggrunn, infiltrasjon samt utstrekning eller mangel på et morene/permeabelt lag over berg bestemmer influensområdet.

Resultatene viser at de generelle leirene i Oslo kan gi betydelige setninger dersom de er normalt konsolidert og tilstedeværelsen av dypere bløte leirlag over berggrunnen forsterker dette. En myk leire eller leire med lavere permeabilitet gjør påvirket område mer avhengig av ytre grenser/infiltrasjon i morenen. En svakhetssone / forsenkning med bunnen fylt med morene øker risikoen for differensialsetninger og dermed skader på bygninger og deres overganger.

En stor 3D-modell der jordlagdelingen (spesielt morene) og berggrunns topografi kartlegges bør gjøres fra sak til sak, da jordlag, grensebetingelser og dybde til berggrunn varierer for mye til å bruke en generell modell for mer enn én dimensjonal drenering. Bruk av det produserte 1D analytiske løsningsverktøyet for målte poretrykksreduksjoner i permeabel jord over berggrunn anbefales for raske vurderinger av endimensjonal drenering i leire. Tilstedeværelsen av et drenere-nde permeabelt lag som morene anses nødvendig for endimensjonal drenering og dens utelatelse kan gi langsommere, mindre setninger og påvirkningsområde.

Geothermal energy well systems are increasing in popularity for heating and cooling buildings in Norway and the rest of the world, and are one viable solution to high energy prices and climate change. However the recent years court cases in Norway regarding ground settlement damage due to energy wells, have raised the need to properly assess the long term effects on the settlements when done in areas with soft clays. Possible causes due to drilling and installation of general ground works from the gathered literature and case studies were found to be overboring, disruption of the soils and pore pressure loss. Risks related to ground works is in particular higher for air pressure drilling in coarser soils with high hydraulic gradients. Pore pressure reductions can also be due to increased seepage to bedrock by fractures caused by drilling or through a bad plug in the soil bedrock transition. Simulations of hypothetical scenarios of energy well installation to find the parameter and settlement relationships was done for different overpressure and hydrostatic pore pressure profiles.

The one dimensional analytical solution and PLAXIS 2D used in this thesis was to give time vs. settlement curves for general soil profiles based on Oslo clay due to a permanent/long term pore pressure loss at bedrock for one dimensional drainage. The results for 1D drainage show that a pore pressure loss below hydrostatic is dependent on the depth to bedrock, the thickness of dry crust/ weathered clay and stress history of the clay. An equal pore pressure loss in an overpressure linearly above hydrostatic for the entire length below the water table drained to hydrostatic is also dependent on stress history, but is more severe relative to the below hydrostatic pore pressure loss and much less dependent on the depth to bedrock. Increasing the depth results in greater settlements long term. The difficulty in 2D axisymmetrical modeling and unknown boundary conditions however, makes the mapping of this 3D drainage and influence area difficult and resulting in figures that are non-general. The depth to bedrock, inflow of water as well as extent or lack of a moraine/permeable layer determines the area of influence.

The results show that the general clays in Oslo can give substantial settlements if normal consolidated and the presence of a deeper soft soil above bedrock amplifies this. A soft clay or clay with lower permeability makes the area of influence more dependent on the outer boundaries/infiltration into the moraine. A clay trench/depression with the bottom filled with moraine increases the risk of differential settlements and thus damage to buildings and their transitions.

A large 3D model where the soil layering (especially moraine) and bedrock topography is mapped should be done on a case by case basis, as the soil layering, boundary conditions and depth to bedrock varies too much to use a general model for more than one dimensional drainage. Using the produced 1D analytical solution for measured pore pressure reductions in permeable soils above bedrock is recommended for quick assessments of one dimensional drainage in clays. The presence of a drainage/permeable layer as moraine is deemed necessary for one dimensional drainage and its omission can result in slower, smaller settlements and influence area.