A Laboratory Study on the Use of Non-Destructive Testing for Evaluation of the Strength and Deformation Properties of Stabilized Soil
Abstract
Prosessen med å stabilisere jord ved bruk av bindemidler er en vanlig brukt metode for å for-bedre styrke- og deformasjonsegenskapene til myke jordtyper i Norge. De vanlige metodenefor å teste den oppnådde styrken i stabiliserte jordpeler er normalt destruktive. Ved å relateregeofysiske egenskaper som seismisk bølgehastighet og elektrisk resistivitet til styrke og stivhettil stabilisert jord kan man ta i bruk ikke-destruktive metoder for en mer bærekraftig måte åteste styrke på. I denne masteroppgaven har det blitt utført en laboratoriestudie for å under-søke seismiske bølgehastigheter og elektrisk resistivitet i stabilisert jord, og om disse paramet-erne kan relateres til styrke og stivhet.
For å undersøke seismiske bølgehastigheter og resistivitet i stabilisert jord ble det laget 108prøver i laboratoriet. Prøvene bestod av myk leire fra Onsøy og kvikkleire og torv fra Tiller-Flotten som var stabilisert med sement kombinert med bi-produktene: ladle slag (LS1), bottomash (BA), paper sludge ash (PSA) og biochar (BC1 og BC4). P-bølge hastighet, S-bølge hast-ighet og elektrisk resistivitet ble målt dag 3, 7, 14, 21 og 28 etter prøvene ble preparert forå undersøkte hvordan disse parameterne varierer med herdetiden. Etter 28 dager herdingble enaksiale trykkforsøk utført for å bestemme styrke og stivhet til prøvene. Deretter ble detundersøkt om styrke og stivhet korrelerte med P-bølge og S-bølge hastighetene og elektrisk res-istivitet. S-bølge hastighetene ble målt med både bender elementer og med et Pundit-apparat.Disse to metodene for å måle S-bølge hastighet ble deretter sammenlignet for å se om brukenav et Pundit-apparat er en pålitelig metode for å måle skjærbølgehastighet i stabilisert jord.Pundit-apparatet ble også brukt til å måle P-bølge hastighetene. For å måle elektrisk resistivitetble et oppsett med to elektroder brukt.
Generelt økte P-bølge hastigheten med herdetiden for de fleste prøvene. Det ble funnet enkorrelasjon hvor en økning i P-bølge hastighet korrelerer med økning i styrke og stivhet.Denne korrelasjon er derimot påvirket av stor spredning. Skjærbølgehastigheten hadde enklart økende trend over herdetiden. Det ble også funnet en god korrelasjon mellom økendeskjærbølgehastigheter og økende styrke og stivhet i de stabiliserte prøvene, for alle typer jordog bindemidler. Skjærbølgehastighetene målt med Pundit-apparatet var konsekvent høyereenn de som ble målt med bender elementene. Pundit-apparatet utstyrt med 40 kHz tørr-punktskjærbølgetransdusere indikerte en nedre grense på rundt 200 m/s for måling av skjærbøl-gehastigheter. Pundit-målingene over 200 m/s viste tydelige likhetstrekk sammenlignet medtidligere studier, noe som indikerer at målingene er pålitelige.Elektrisk resistivitet viste ikke konsekvent oppførsel og variasjon med herdetiden. Resistiv-iteten korrelerte ikke med styrke og stivhet for de stabiliserte kvikkleireprøvene. For prøveneav stabilisert myk leire og til en viss grad torv var det en trend hvor økende resistivitet kor-relerte med økende styrke og stivhet. Resistivitetsmålingene i denne studien er antatt påvirketav varierende kontaktmotstand på grunn av oppsettet med to elektroder som ble brukt tilmålingene. The process of stabilizing the ground with binders is a widely used method to improve thestrength and deformation properties of soft soils in Norway. The current methods of testing thestrength in stabilized soil piles are usually destructive. By relating geophysical properties suchas seismic wave velocities and electrical resistivity to the strength and stiffness of stabilizedsoils, the use of non-destructive testing can be applied as a more sustainable method of testing.In this master’s thesis, a laboratory study has been carried out to investigate the seismic wavevelocity and electrical resistivity of stabilized soil and if they could be related to important soilparameters like strength and stiffness.
To study the seismic wave velocity and resistivity in stabilized soil a total of 108 samples weremade in the laboratory. The samples consisted of soft clay from Onsøy and quick clay and peatfrom Tiller-Flotten, which was stabilized using cement combined with the by-products: ladleslag (LS1), bottom ash (BA), paper sludge ash (PSA), and biochar (BC1 and BC4). The P-wavevelocity, S-wave velocity, and electrical resistivity were measured on day 3, 7, 14, 21, and 28after preparation, to study how these properties varied with the curing time. After 28 days ofcuring, unconfined compression tests were performed to determine strength and stiffness tocompare, and correlate, with P-wave and S-wave velocities, and electrical resistivity. The S-wave velocities were measured using bender elements and a Pundit device. The two methodsof measuring S-waves were then compared to see if the Pundit device can be used as a reliablemethod to measure shear waves in stabilized soil. The Pundit device was also used to measurethe P-wave velocities. For the resistivity measurements, a two-electrode setup was used.
The P-wave velocity generally increased with the curing time for most samples. An increasein the P-wave velocity showed to correlate with an increase for both the unconfined com-pression strength and the secant stiffness. However, the correlation is affected bymuch scatter. The S-wave velocity clearly showed an increasing trend with the curing time.It was found a good correlation between increasing S-wave velocities and increasing strengthand stiffness of the stabilized soil samples, independent of the types of soil and binders be-ing used. The shear wave velocities measured with the Pundit device were consistently largerthan those measured with bender elements. The Pundit device equipped with 40 kHz dry-pointshear wave transducers indicated a lower measuring limit at around 200 m/s when measur-ing shear wave velocities. Pundit measurements above 200 m/s showed clear similarities toprevious studies, which indicates that the measurements are reliable.The electrical resistivity did not show consistent behavior and variations with the curing time.Measurements of electrical resistivity were not found to correlate with the strength and stiff-ness of the stabilized quick clay samples. The samples of soft clay and to some degree thepeat samples had a tendency where an increase in resistivity correlated with an increase instrength and stiffness. The resistivity measurements are believed to be affected by varyingcontact resistance due to the use of a two-electrode setup.