Physical experiments on CPTU thin-layer effects of thin clay layers embedded in sand - With analysis and possible correction of cone resistance in layered profiles

Abstract

Abstract: The cone penetrometer is an excellent tool to characterize stratigraphy and have good abilities for parameter interpretation in homogenous soils. However, in soils with small layer thickness, in terms of cone diameters, this thickness combined with the soil properties of the thin layer compared to the surround layers will greatly impact the measured values. Measured cone resistance is a result of complex flow mechanisms that is dependent on the soils property ahead of and behind the advancing cone. The effect of layer thicknesses of sand with varied density has received significant attention and some studies have also been performed on layered clays. There is however little available research on accurate detection of thin clay layers in sand with the CPTU. Cone resistance measurements in sand normally yields significantly larger values than in clay. Thin clay layers in sand is greatly affected by the surrounding soil and the measurements in these thin layers does therefore not only reflect the clay. Interpretation of properties in clay such as undrained shear strength without taking this effect into consideration will cause overprediction. The magnitude of the overprediction depends primarily on layer thickness and the contrast in strength and stiffness between the clay layer and sand layers above and below. A large scale chamber model was established to allow for CPTU testing of thin clay layers in saturated sand. The chamber had a diameter of 1.2mm and a height of 2.5mm. Procedures to create uniform loose to medium dense sand samples were developed. The samples consisted of homogenous, uniformly graded sand and non-sensitive clay with an undrained shear strength of 27.5kPa. Two samples were made and tested, one of which had clay layers of thicknesses 4, 8 and 12cm. The other had a single thick clay layer to determine the cone resistance unaffected by layering effects, called the characteristic cone resistance. CPTUs were performed using a standard 10cm2 cone. A vertical stress of 11.4kPa was added on top of the sample and vertical stress was recorded in the sample during construction. The stress development in the sample resulted in good approximation of the stress level, which showed significant silo effects by frictions along the chamber walls. The characteristic cone resistance in the clay was between 10% and 20% of that of the sand. In the 4cm clay layers the minimum measured cone resistance was 3.5 times higher than the characteristic value. While the difference decreased with increasing thickness, the effect of thin layers was significant for the 8 and 12cm thick clay layers as well. The cone resistance in sand was influenced by thin clay layers three cone diameters prior to the layer interface. When the cone entered the thin clay layers the cone resistance appeared to be significantly more affected by the sand layer above the clay layer than the one below. This dependence on the layer above is an important factor for the thin layer effects in clays. Detection of clay layers is typically done through interpretation of the pore pressure measurements in practice. However, the results from the experiments showed how excess pore pressure measurements did not reflect the clay layer thickness. In fact, no significant response was seen in the 4cm clay layer. This was due to deformations of the clay layer during penetration. A procedure for simplified numerical cone resistance analysis in layered profiles was developed. It consisted of spatial weighting filters for advanced averaging of the characteristic cone resistance profiles in order to approximate measured profiles. This procedure was applied to the determined characteristic profiles of the physical experiments of this study and the results compared well. Possible methods of correction of cone resistance measurements in thin clay layers in sand was estimated from the procedure together with the results of the physical experiments. Examples of correction is presented. The experimental work performed in this MSc study has provided high quality CPTU data together with detailed information on material properties and soil stresses. The data can be used in further interpretations aiming to accurately interpret measurements of thin clay layers in sand. The experimental work has been comprehensive, but further testing is recommended. Repeating the tests with other combinations of sand density, thin layer thickness and clay strengths would be of interest.

Sammendrag: CPTU er et utmerket verktøy for å karakterisere stratigrafi og målinger kan brukes til parametertolkning i homogene jordarter. Målinger i lagdelt jord med tynne lag, relativt til diameteren på sonden, vil påvirkes betydelig av en kombinasjon av lagtykkelsen og jordegenskapene til det tynne laget sammenlignet med jorden den er omgitt av. Den målte spissmotstanden er et resultat av en kompleks bruddmekanisme som er avhengig av jordegenskapene både foran og bak spissen. Flere studier har blitt utført vedrørende effekten av tynne lag av sand med variert densitet, men få studier er tilgjengelig angående presis detektering av tynne leirelag i sand med CPTU. Målinger av spissmotstand i sand er normalt langt høyere enn i leire. Tynne leirelag i sand er svært påvirket av sanden den er omgitt av som medfører at målingene reflekterer leiren dårlig. Parametertolkning i slike lag uten korreksjon for effekt av tynne lag vil medføre overvurdering av for eksempel den udrenerte skjærstyrken. Graden av overvurdering er avhengig av tykkelsen på det tynne leirelaget og kontrasten i spissmotstandene, upåvirket av nærliggende lag, for leira og sanden den er omgitt av. Et storskala labforsøk i en sylindermodell var etablert for å teste CPTUer i sand med tynne leirelag. Sylinderen hadde diameter på 1.2mm og høyde på 2.5mm. Prosedyrer for å lage homogene prøver av ensgradert sand og ikke-sensitiv leire med udrenert skjærstyrke på 27.5kPa ble utviklet. To prøver ble laget og testet, hvorav en inneholdt tynne lag med tykkelse 4, 8 og 12cm. Den andre inneholdt et enkelt tykt leirelag for å bestemme den spissmotstanden upåvirket av lagtykkelse, kalt karakteristisk spissmotstand. Standard CPTUer med tverrsnittsareal på 10cm2 ble brukt. En spenning på 11.4kPa ble påført på toppen av prøven og vertikalspenninger ble loggført under prøvebyggingen. Detaljert informasjon om spenningsnivået i prøven ble tolket fra dette, som viste at betydelige friksjonskrefter virket langs sylinderveggene. Den karakteristiske spissmotstanden i leira var mellom 10% og 20% av sandens. I det 4cm tykke leirelaget var den minste målte spissmotstanden 3.5 ganger høyere enn den karakteristiske verdien. Mens forskjellen minket med økende tykkelse, var effekten av lagtykkelsene tydelige for de 8 og 12cm tykke lagene også. Spissmotstanden i sand var påvirket av et leirelag tre ganger sondediameteren over det kommende leirelaget. Etter at spissen entret leirelaget framstod målingen av spissmotstanden som langt mer avhengig av sanden over leirelaget enn under. Denne avhengigheten til det passerte laget er ansett som en viktig faktor for tynne lag-effekten i leire. I praksis brukes som regel poretrykksmålingene fra CPTU til å påvise leirelag. Resultatene fra de labforsøkene viste hvordan det målte poreovertrykket ikke gjenspeilet lagtykkelser. I 4cm tykke leirelag viste målingene ingen betydelig respons. Dette skyltes deformasjon av leirelaget fra penetrasjonen. En prosedyre ble utviklet for å analysere spissmotstandsprofil på en forenklet måte. Det bestod av et dynamisk vektingsvindu som gjennom avansert midling av karakteristiske spissmotstandsverdier approksimerte målte profil. Prosedyren ble anvendt på det karakteristiske profilet som representerte prøvene i labforsøkene og resultatene samsvarte godt. Mulige metoder for å korrigere spissmotstand i tynne leirelag i sand ble estimert fra denne prosedyren sammen med resultatene fra de fysiske forsøkene. Eksempler på korreksjon er presentert. Det eksperimentelle arbeidet som ble utført i denne masteroppgaven har gitt CPTU data av høy kvalitet og detaljert informasjon om materialegenskaper og spenninger i prøvene. Dataene kan brukes til videre tolkning med mål om å kunne tolke målinger i tynne leirelag i sand på nøyaktig vis. Labarbeidet har vært omfattende, men videre forsøk anbefales. Det er av interesse å gjenta forsøk med andre kombinasjoner av sanddensitet, lagtykkelser og udrenert skjærstyrke i leire.