Stabilitet av kvikkleireskråninger med lokale udrenerte- og globale drenerte soner

Abstract

I dagens praksis ligger det til grunn at påføring av ekstra laster på en skråning fører til at hele skråningenbør beregnes som udrenert. Dette kan være noe for konservativt forslag og fører til at unødvendige store motfyllingerblir oppført for å komme inn under dagens sikkerhetskrav. Store motfyllinger er negativt både medtanke på økonomi og byggetid, men også siden grunnen blir påført store ekstra laster. Spesielt i kvikkleireområderer det uheldig med store fyllinger som eventuelt kan føre til overbelastninger på leira. Ved å benytteseg av tankegangen at kun den delen av skråningen som faktisk blir utsatt for spenningsendringer oppførerseg udrenert, kan man noen ganger tilfredsstille sikkerhetskravene som stilles uten store motfyllinger.Hypotesen om Lokalt udrenert - Globalt drenert (LUGD), baserer seg på at ved kun lokale pålastinger på enskråning, trenger man ikke å ta hensyn til at hele skråningen kommer i en udrenert tilstand. Kun de sonenesom blir utsatt for spenningsendring blir her betegnet som udrenerte.

For å komme fram til hvilke spenningsendringer som er kritiske for å oppnå en udrenert tilstand, er detblitt utført noe teoretisk studie. Men ettersom teorien i hovedsak baserer seg på at all spenningsendringsom skjer raskere enn poretrykket klarer å forsvinne er udrenert, er hoveddelen av hypotesen basert pådiskusjoner mellom fagfolk ved Statens vegvesen og NTNU Geoteknikk. En har i denne oppgaven tenkt segat all pålastning skjer momentant og at permeabiliteten til materialene er lik null. For å komme fram til ommaterialet oppfører seg udrenert eller ikke, er det tenkt at en prosentvis endring i spenningene er kritisk. Deter ikke kommet fram til en endelig løsning på hva som bør regnes som drenert eller udrenert. Istedenfor erdet utført flere forskjellige beregninger på ulike reelle og tenkte skråninger. Beregningene som er blitt utførtviser responsen som en får ved å endre grensekravet mellom drenert og udrenert tilstand. Som alternativtkrav mellom udrenert- og derenert sone ble det også forsøkt å benytte den reelle endringen i de volumetriske tøyningene.

Det er blitt utført analyser på 6 ulike skråninger, hvorav 5 er reelle. Disse skråningene er lokalisert i Sør-Trøndelag, hvor to er fra Lensvik, to fra Rissa og en fra Heimdal. Profilene har generelt en lav sikkerhetsfaktor, slak helning og ligger i kvikkleiresoner. Det er planlagt utbedring av eksisterende veg eller bygging av ny veg ved alle profilene. Det er derfor hentet inn resultater av tidligere stabilitetsberegninger utført av SVV ogNGI.

Størrelsen på det udrenerte området avhenger av størrelsen på den påførte lasten ved vegbygging og er også delvis avhengig av dybden til fjell, materialene i grunnen og størrelsen på dagens sikkerhetsfaktor. Analysene har hovedsakelig blitt utført med elementmetodeprogrammet Plaxis men for noen tilfeller harogså likevektsprogrammet GeoSuite Stability blitt benyttet.

Dersom veglinjen ligger ved foten av skråningen, viser beregningene at spenningsendringene sprer seg lite oppover i skråningen og de mest kritiske delen av profilet kan betraktes som drenert. Ettersom de udrenerte sonene generelt blir forholdsvis små, unngår man de lange skjærflatene og det er hovedsakelig de lokale glideflatene som blir kritiske.

Generelt vil sikkerhetsfaktoren til skråningene øke dersom en benytter seg av en LUGD-analyse istedenfor en ren su-analyse. Dette vil føre til at størrelsen på motfyllingene kan minskes, eventuelt elimineres behovet for disse. Dette vil igjen føre til en økonomisk gevinst som muliggjør gjennomføring av hittil avlyste prosjekt. Å minske størrelsen på eventuelle motfyllinger, fører til at kvikkleira ikke vil bli utsatt for større belastninger enn nødvendig.

The hypothesis about Locally Undrained - Globally Drained (LUGD) is based on that only parts of the slope are behaving undrained with local loading. Only those zones exposed to stress change is considered as undrained. Common practice today is based on the entire slope will behave undrained due to external loading. This approach could be too conservative and lead to the construction of too large retaining fills to satisfy the standards of today. Huge fills are negative due to both economics and construction time, but also because of to the extra load placed on the ground. Especially in areas with quick qlay is it unfortunately to construct huge fills that can cause collapse in the structure of the clay. Based on the hypotheses that onlythe part of the slope that is exposed to changes in the stress is behaving undrained, could sometimes the safety criteria be satisfied without the large retaining fills.

To decide which changes in the stress is the critical to achieve undrained behavior, some theoretical studies has been done. But most of the theory is manly based on that all changes in the stress in the material which happends faster than the pore pressure is disappearing is considered undrained. Most of the hypothesis based on discussions between employees in Statens vegvesen (The Norwegian Public Roads Administration) and the geotechnical department of NTNU (Norwegian University of Science and Technology). This thesis is based on that every extra loading is happening momentarily and the permeability of the materials in the groundare equal to zero. The definition of undrained behavior of the material is based on that a change in the stress in percent is critical. A conclusion for what to be considered as undrained behavior is not done. Instead has calculations on different slopes been made. The calculations show the response of changing the limits between undrained- and drained behavior. As an alternative limit between the zones, was also the effective change in the volumetric strains considered.

There have been preformed 6 analyses on different slopes, were five of them are real slopes. The slopes are located in Sør-Trøndelag County in Norway. Two is taken from Lensvik, two from Rissa and one from Heimdal.

The profiles have in general a low factor of safety, low inclination and lay in quick clay areas. There is planed rectification on existing roads or constructing of new roads in all the profiles. Results from earlier analysis preformed by NGI (Norwegian Geotechnical Institute) and Statens vegvesen is collected.

The size of the undrained area depends of the size of the force from the new loads after construction. Also the depth to the bedrock, the soil materials and todays factor of safety comes into consideration. For analyzing the slopes has the finite element program Plaxis been used and in some cases GeoSuite Stability which is based on force-equilibrium.

If the road is constructed at the foot of the slope, there are only a limited spreading of the undrained zone uphill. Then in many cases most of slope can be considered to be in drained conditions. Since most of the undrained zones is relativity small the long global slide planes are avoided and only the local slide planes are critical.

In general will the factor of safety rise if a LUGD-analysis (Locally Undrained, Globally Drained) is preformedinstead of an su-analysis. This will minimize the size of the retaining fills, and in some case remove the need for them. This could make constructing prizes go down and make earlier cancelled project feasible. Smaller retaining fill also minimize the extra force applied on the quick clay.