Seismic Cross-Hole Method and Assessment of the Small Strain Stiffness, Gmax.

Abstract

Small strain skjær modulus, G_max er en viktig parameter, nyttig for analyse av mange problemer innenfor geoteknikk og geodynamikk, i tillegg til bruk i avansert finite element modellering. G_max er en karakteristisk egenskap for jord, og kan brukes til identifisering av en jordarts oppførsel. Small strain skjær modulus er påvirket av flere ulike parametre, hvor de viktigste er tøyningsamplitude, spenningsforhold, void ratio og intrapartikulære sammenknyttning mellom korn. G_max kan bestemmes gjennom laboratorie testing eller fra feltundersøkeler. Denne Masteroppgaven fokuserer i hovedsak på seismic cross-hole testing, seismic dilatometer testing (SDMT). I tillegg vil noen verdier fra multichannel analysis of surface waves (MASW) bli inkludert.

Cross-hole testing ble utført på NGTS sitt testfelt for kvikkleire på Flotten, utenfor Trondheim sentrum, Norge. Cross-hole undersøkelser ble gjort for 5 meters dyp. Flere tester ble utført med vertikale slag på kildestag, og horisontale slag med ulik retning. Testene gav skjærbølgehastigheter i leiren mellom 128 og 156 m/s. Resultater fra seismisk dilatometer på samme dyp gav gjennomsnittshastighet på ca. 129 m/s. Cross-hole respons fra signaler produsert med vertikale slag og horisontale slag med retning parallelt med mottakere gav verdier som stemte godt overens med verdien fra seismisk dilatometer. de tre SDMT testene utført på 5 m dybde viste stor spredning i skjærbølgehastighet, og kan derfor avvike en del fra gjennomsnittsverdien grunnet høy usikkerhet. Resultater fra MASW ga betydelig høyere skjærbølgehastighet for den undersøkte dybden med skjærbølgehastiheter opp mot 165 m/s.

Både cross-hole konfigurasjon og oppsett og prosessen for bestemmelse av skjærbølgehastighet og G_max har flere feilkilder tilknyttet. Mest viktig er manglende beskyttelsesrør rundt kildestag for å eliminere forstyrrelser og støy på produsert seismisk signal. Mottakerene var plassert på innsiden av plastrør, noe som vil lede til demping av signal før respons blir mottat. Disse effektene kunne blitt redusert ved hjelp av et oppsett som tillater mottaker å løsnes fra overhengende rør.

G_max verdier for undersøkt leire på Flotten testfelt ble vurdert til en størrelsesorden på 31-40 MPa gjennom cross-hole testing, 29 MPa basert på SDMT resultater, og 50 MPa basert på MASW. Alle de nevnte verdiene tilsvarer karakteristiske verdier for myk leire i Trondheimsområdet.

The small strain shear modulus, G_max is an important engineering property for many geotechnical and geodynamic problems, and is also used for advanced finite element modelling. The G_max is characteristic property of the soil, and can be used for identification of soil. The small strain modulus is affected by many different parameters, with the most important being strain amplitude, confining stress, void ratio and interparticle bonding. The G_max can be determined from laboratory testing, or from in situ field tests. This thesis is mainly focused seismic cross-hole field testing, as well as seismic dilatometer testing. values from multichannel analysis of surface waves are also mentioned.

Cross-hole testing was conducted on the NGTS quick clay test site on Flotten, in the outskirts of Trondheim, Norway. Cross-hole surveying was done at 5 meters depth using vertical impact on the source, as well as four different horizontal impact directions. The cross-hole test yielded shear wave velocity values in the range 128 m/s < v_s < 156 m/s. Results from seismic dilatometer testing (SDMT) at the same depth gave an average value of v_s around 129 m/s. The cross-hole tests with signals produced by vertical impact and horizontal impact directions parallel to receiver configuration gave values that agreed very well to the findings from SDMT testing. However, large scatter in the SDMT results from this depth, give high uncertainty in the accuracy of the test data. Results from multichannel analysis of surface waves give significantly higher shear wave velocity at 5 meters depth.

Both the cross-hole setup and shear wave velocity determination process has many sources of error attached to it. Most importantly, no protective casing around the source rod, result in disturbed responses at the receiver. receivers embedded inside plastic tubes, can lead to attenuation of seismic waves, before the signals are recorded. A setup with possibility to separate the receiver tip from the rest of the pipe is adviced for future testing.

G_max values for the Flotten clay at 5 meters depth are in the order of 31-40 MPa based on cross-hole results, 29 MPa based on SDMT, and about 50 MPa based on the MASW method. All of which correspond to typical characteristic values for Trondheim clays.