CPTU-detection of thin clay layers in sand - Results from calibration chamber testing

Abstract

Skred langs kystområdene i Norge forekommer og utgjør stadig en risiko for samfunnet og generell infrastruktur. Studier av tidligere skred har vist at mellomliggende tynne leirelag i breelv- og elveavsetninger ofte fungerer som glideplan, også kalt svake lag, for disse skredene. Dessverre er påvisning av slike tynne lag (dvs. <20 cm) utfordrende med alle konvensjonelle geotekniske feltundersøkelsesmetoder. Dette gjelder også trykksonderinger som generelt er ansett som både pålitelig og presis.

De siste to årene har det pågått et forskningsprogram i det geotekniske laboratoriet ved NTNU i Trondheim. Hensikten ved arbeidet er å identifisere muligheter og begrensninger i påvisning av tynne leirelag avsatt i sand, og bestemmelse av de tynne lagenes egenskaper ut fra trykksondering. I denne masteroppgaven har hovedfokuset vært å videreutvikle de fysiske modelltestene, gjennomføre et omfattende forsøksprogram og å samle inn data for påfølgende tolkning.

Testene ble gjennomført i en betong-kum (diameter: 1,2 m, høyde: 1,5 m) med mulighet for regulering av vertikal påsatt last og regulerbart grunnvannsspeil. Gjennom fire eksperimenter har horisontale leirelag blitt bygget inn i middels tett sand, hvor ulike kombinasjoner av lagtykkelser (2-12 cm) og leiremateriale er blitt benyttet, henholdsvis keramikkleire og kvikkleire. Trykksonderingene ble utført ved å benytte både en standard piezocone-penetrometer (10 cm2) og en mini-piezocone-penetrometer (5 cm2), som registrerte spissmotstand, sidefriksjon og poretrykk.

Resultatene viser at CPTU-responsen i tynne leirelag er påvirket av den omkringliggende sanden, og at 8-12 cm tykke leirelag kan identifiseres ved hjelp av det konvensjonelle CPTU-verktøyet som normalt brukes i bransjen. Den målte spissmotstanden i tynne leirelag gir høyere verdier enn materialets karakteristiske spissmotstand, grunnet at bruddmekanismen rundt spissen av sonden påvirkes av nærliggende sterkere lag. Dette innebærer at estimeringer av skjærstyrken basert på CPTU-data vil overvurdere styrken til svake tynne lag.

Hva angår den lagvise oppbyggingen i kummen viste forsøket på kvikkleire at det er mulig å bygge kumprøver med prøvestykker av kvikkleire inn i sand. Det ble imidlertid målt noe prøveforstyrrelse i kvikkleiren, som dermed hadde endret egenskapene sine noe under forsøket. Prøveforstyrrelsene var imidlertid mindre enn ventet. Laboratorieresultatene viser at de vanlige klassifiseringsdiagrammene ikke fungerer særlig godt for å identifisere tynne lag. For overganger og tynne lag må man betrakte relativ endring av målte parametere.

Denne studien antyder at spissmotstand er den mest fremtredende parameteren i påvisning av tynne leirelag i sand, mens poretrykkavlesninger vil kunne støtte opp om tolkningene. Det er identifisert tre elementer som påvirker tynnlagseffekten i størst grad: geometrien på konusen og sonden; tykkelsen av det mellomliggende laget; og kontrasten i styrke, eller mer spesifikt, kontrasten i materialenes karakteristiske spissmotstander. Når det gjelder de fysiske modelltestene, var det tydelig at kvikkleire er svært sårbart for påvirkning. Bruken av kvikkleire krever derfor god planlegging, forsiktighet og nøye utførelse.

Landslides along the coastal areas of Norway pose a threat to communities and infrastructure. Analyses of past landslides have shown that thin clay layers in sandy shoreline deposits often act as a glide plane, also called a weak layer, for these landslides. Unfortunately, the detection of such thin layers (i.e. < 20 cm) is challenging for all the conventional geotechnical field investigations techniques, including high quality CPTU tests.

During the last two years, a research program with a large-scale model testing facility has been carried out in the geotechnical laboratory at NTNU in Trondheim. The work aims to identify possibilities and limitations in detection of thin layers of clay in sand; and determination of the soil properties of the thin clay layers using the CPTU-tool. In this master’s thesis the main focus has been to improve an existing test setup; design and perform a test program, and consider CPTU-interpretation for the thin layer problem.

Tests were run in a pressurized chamber (diameter: 1,2 m, height: 1,5 m) that allowed regulation of the ground water table. In four experiments, different combinations of thin, horizontal clay layers of 2-12 cm of respectively pottery clay and natural quick clay were built into medium dense sand. The CPTU-soundings were conducted by utilizing both a standard piezocone penetrometer (10 cm2) and a mini-piezocone penetrometer (5 cm2), recording tip resistance, shaft friction and penetration pore-pressure.

The results show that the CPTU-response in thin clay layers is influenced by the surrounding sand, and that 8-12 cm thick clay layers can be identified using the conventional CPTU-tool normally used in practice. The tip resistance in the thin layers do not reach the material’s characteristic tip resistance (as defined by a significantly larger thickness of the same material), since the failure mechanism around the tip will involve both materials. In practice this implies that the shear strength of thin layers is overestimated. Regarding sample preparation, the experiment conducted on quick clay proved that it actually is possible to build easily disturbed quick clay specimens cut from field block samples into the chamber. Only a very moderate disturbance of the quick clay properties could be detected. The lab results illustrates that the regular classification charts cannot be used for detecting thin weak layers, as they only regard measurements at specific depths or time instances. It is apparent that during transitions the relative changes of the measured parameters must be taken into account.

This study suggests that tip resistance is the most prominent parameter in detection of thin clay layers in sand, while pore pressure readings provide a good support for the findings. Three elements have been identified to influence the thin layering effect the most, these are: the CPTU probe diameter; the intermediate layer’s thickness; and the contrast in soil strength, or more specifically, the contrast in the materials’ characteristic tip resistance. Regarding quick clay it is confirmed that such sensitive clays require considerable awareness, precision, and careful execution when thin layers are built from clay sampled by a block sampler at depths in the field.