Sensorteknologi for måling av normalspenninger i geoteknisk laboratorieforsøk

Abstract

En undersøkelse av alternativer til de tradisjonelle jordtrykkcellene for å måle spenninger i granulære materialer er foretatt. Andre sensoralternativer er ønskelig fordi disse cellene ikke klarer å fange opp spenningsvariasjoner over områder som er små i forhold til størrelsen på cellen samt at stivheten til jordtrykkscellene vil påvirke spenningene i jorda rundt cellen.

Tre alternativer til jordtrykkceller er presentert i oppgaven og vurdert med hensyn til måling av spenningene i jorda rundt en penetrerende CPT-spiss. Av disse tre falt valget på en resistiv trykksensor fra Tekscan Inc. Årsaken til at denne teknologien ble valgt er fordi den er fleksibel, kan måle over store spenningsintervall i tillegg til at den har en relativt høy måleoppløsning på 0,3 målepunkt per kvadratcentimeter.

Sensoren måler i utgangspunktet relative spenninger, og må derfor kalibreres mot kjente trykk eller krefterfør den kan benyttes i en applikasjon. For at sensoren skal måle så nøyaktig som mulig anbefales det i brukermanualen at den kalibreres mot trykkspenninger som er ca 20 % større enn den høyeste spenningen som sensoren forventes å kunne måle i den aktuelle applikasjonen. For å kunne si noe om disse spenningene er derfor Vesic’ (1972) løsning av cavity expansion teori for et Mohr-Coulomb materiale benyttet til å beregne det radielle spenningsfeltet rundt en CPT. For de aktuelle forsøkene ble forventet maksimal radiell spenning 150 kPa. Sensoren ble på bakgrunn av dette kalibrert til å kunne måle spenninger opp mot 156 kPa.

Tidligere forskning med denne sensorteknologien har vist at de målte dataene fra sensoren varierer som en funksjon av tiden som er forløpt siden sensoren ble belastet. Før CPT-forsøket ble derfor de tidsavhengige effektene for den aktuelle sensoren undersøkt ved at sensoren ble belastet med fem forskjellige statiskelaster, som hver stod på sensoren i åtte minutter. Det målte spenningsforløpet ble logget og deretter analysert. Resultatet av denne analysen viste at de målte spenningene allerede etter ca 10 sekundersbelastning følger et veldefinert krypforløp. Det viste seg også at spenningsendringene for hvertspenningsnivå i krypforløpet varierte proporsjonalt med logaritmen av tiden. Proporsjonaliteten ble uttryktav en krypkoeffisient, a. I tillegg ble tiden det tok fra sensoren ble belastet til de målte spenningene var likde pålastede spenningene bestemt. Denne tiden, t’ viste seg å variere eksponentielt med økende spenningsnivå.

CPT-forsøkene ble utført ved at sensormatten ble installert vertikalt i en 0,8 m dyp grop i et sandkar. Gropen ble deretter fylt igjen før CPT-spissen ble trykket ned i sanden 5 cm fra sensormatten. Både for å kunne vurdere de radielle spenningene i sanden ved varierende lagringsdensitet og for å kunne si noe omsensorens respons for et større spenningsintervall, ble det utført et forsøk der sandens relative densitet, Dr =43 % og et forsøk der den var Dr = 100 %. For dybder over 0,5 m ble det funnet en relativt god korrelasjon mellom de målte maksimale radielle spenningene og de beregnede radielle spenningene fra cavity expansionteori. I tillegg viste det seg at de målte maksimale radielle spenningene normalisert for den vertikale overlagringen så ut til å variere rundt en konstant verdi med dybden.

For å undersøke de tidsavhengige effektene på målingene under CPT-forsøket, ble det foretatt et nytt CPTforsøk for begge lagringsdensitetene. I motsetning til det første forsøket ble CPT-spissen stoppet ved jevne mellomrom for å studere variasjonen av sensorens målte spenningsverdier over tid. Tiden, t’ fra de innledende målingene med kjente statiske spenninger ble benyttet til å beregne hvor lang tid det ville ta på hver av disse dybdene før den målte spenningen var lik den faktiske spenningen i jorden. Deretter ble spenningene ved tiden, t’ for det andre forsøket funnet og plottet mot spenningsmålingene i det første forsøket. Ut fra denne analysen ble det anslått at sensoren viste omtrent 13 % for lave verdier for spenningene i det første forsøket.