Show simple item record

dc.contributor.advisorEiksund, Gudmund Reidar
dc.contributor.advisorSørlie, Erik
dc.contributor.authorHartnik, Lukas Okkenhaug
dc.date.accessioned2022-09-22T17:19:31Z
dc.date.available2022-09-22T17:19:31Z
dc.date.issued2022
dc.identifierno.ntnu:inspera:94697965:32158237
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/3020756
dc.description.abstractSamferdselsdepartementet har engasjert Staten Vegvesen til å utvikle et forslag om fergefri E39 mellom Kristiansand og Trondheim. I dag omfatter denne 1100km lange kystkorridoren 8 fergeforbindelser som forener viktige byer og sikrer eksport av varer på vestkysten av Norge. For Bjørnafjorden, en av de planlagte fjordkryssingene, skal det bygges en sideforankret flytebro der fortøyningssystemet skal forankres på den 500m dype havbunnen eksponert mot bratte skråninger. For å bedre forståelsen av de undersjøiske grunnforholdene, relaterte geofarer og brofundamentets integritet mot potensielle undersjøiske skred, utvikles det en beregningsmetodikk og tilhørende numeriske modeller for å kartlegge effekter og prosesser rundt submarin massetransport. Disse modellene er avhengige av representative inputparametere som etableres gjennom modelltesting og eksperimentell analyse av aktuelle løsmasser. Denne oppgaven undersøker skredoppførselen fra initieringsfase til kollisjonfase, i tillegg til effekten av kollisjonskrefter på undersjøiske konstruksjoner fra leirrike undersjøiske skred. Dette er gjort gjennom en omfattende studie basert på småskala modelltester som skal simulerer undersjøiske skred gjennom ulike faser ved bruk av kaolin leire. For å oppnå en forståelse av materialoppførselen gjennom ulike skredfaser og effekten av skredkollisjoner, er det gjennomført en supplerende materialstudie på kaolin. For å demonstrere en kobling til forhold i Bjørnafjorden, har leire fra Bjørnafjorden (BF leire) blitt karakterisert på samme måte som kaolin og sammenlignet i ettertid. Avslutningsvis har skredoppførselen og kollisjonsresponsen blitt karakterisert gjennom dimensjonsløse parametere for sammenligning med litteratur og å kunne skalere opp modellforsøkene til simulering av fullskala skred. Å karakterisere materialoppførselen i et undersjøisk skred gjennom ulike faseoverganger med resulterende kollisojnskrefter, representerer en spesiell utfordring. Styrkeegenskaper i løsmasser blir normalt klassifisert gjennom geotekniske metoder, men i et undersjøisk skred vil skredmassene oppleve en økt omrøring og vanninntrenging. Ettersom skredet utvikler seg, vil vanninntrengingen bli større og de geomekaniske egenskapene endres. Dette fører til at det ellers faste og plastiske materialet vil oppleve en mindre partikkel-partikkel kontakt som gir materialet en mer viskøs oppførsel. På grunn av overgangen fra fast stoff til væske behandles karakteriseringen av løsmasse/væske separat innenfor det mekaniske rammeverket. Dette fører videre til to tilnærminger for å karakterisere materialegenskapene i et materiale, nemlig en geoteknisk og en reologisk tilnærming. For å løse dette ble det gjennomført en omfattende laboratorietesting som omfattet konus, T-bar, viskometer, syklisk DSS og sykliske triaksialforsøk på kaolin og BF leire. Testresultatene har blant annet dokumentert styrke- og tøyningshastighetsavhengigheten til begge materialene. Kartlegging av indeks parametere har blit identifisert gjennom hydrometer, pyknometer og Atterberg grenser. Styrkeegenskapene og rate-avhengigheten for varierende vanninnhold danner, sammen med Herschel Bulkley approksimasjoner, hovedtyngden i denne materialanalysen. Totalt ble det utført 27 konus, 18 T-bar, 9 viskometer, 6 sykliske DSS og 6 sykliske triaksialtester. Kaolin of BF leire er presentert og sammenlignet på likviditetsindeksen (LI) som har vist seg å være en passende normalisering når materialene sammenlignes. Resultatene varierer fra LI:0.21-1.62 for BF-leire og LI:0.82-3.05 for kaolinleire, godt innenfor intervaller som utsetter begge materialene for både en plastisk og flytende materialtilstand. Analyse av resultatene viser klare tendenser mellom kaolin og BF leire. Variasjoner i bruddspenningen og skjærstyrken på grunn av økt vanninntrenging kan beskrives gjennom unike power funksjoner på bakgrunn av LI. Videre ser det ut til at rate-avhengigheten avtar med økende LI. Dette indikerer materialegenskaper som ser ut til å være dominert av overgangen fra fast til flytende tilstand, hvor begge materialer viser ikke-Newtonisk oppførsel for økt skjærhastighet. Modellforsøkene ble undersøkt for kaolin med vanninnhold mellom 80-113% ved bruk av en skredbane utsatt for 2 helninger, 12° og 18°. Totalt ble det gjennomført 3 forsøk for å undersøke utløpsdistanse for skredet, og 18 forsøk ble gjennomført for å undersøke skredkollisjon. Skredoppførselen ble fanget opp gjennom poretrykksmålinger, totalkraftmåler, kollisjonsmåler og videoopptak. Resultatene viser en økt koherens med redusert vanninnhold. Denne materialegenskapen varierte med endring i vanninnhold og kunne variere fra sterkt koherent til svakt koherent materialoppførsel. Et tynt vannlag, identifisert som vannplaning, ble observert for alle testene. En slik mekanisme reduserer friksjonen mellom skredmassene og underlaget som igjen fører til en akselerasjon av skredet etter initiering. Vannplaning og strømningsegenskapene er ytterligere blitt skildret gjennom empiriske relasjoner, hvor resultatene viste godt samsvar med litteraturen. Basert på utløpsforsøkene, kunne man finne en klar relasjon til material-reologi, vannplaning og volumeffekter, hvor økt vanninnhold og større utslippsvolum gir lenger utløpsdistanse forutsatt at vannplaning forekommer. Effekter av skredkollisjoner ble analysert gjennom en reologisk og fluid dynamisk tilnærming ved å etablere en ikke-Newtonisk Reynolds tall-formulering. Den målte kollisjonsresponsen viser en større avhengighet av vanninnhold og utslippsvolum enn hastighet. Kollisjonsresponsen ble videre analysert gjennom en etablert drag-koeffisient og videre validert opp mot empiriske modeller fra litteraturen.
dc.description.abstractThe Norwegian Ministry of Transport has engaged Statens Vegvesen to develop a proposal for a ferry free E39 (coastal highway) between Trondheim and Kristiansand. Today this 1100km coastal corridor accommodates 8 ferry connections uniting important cities and securing export of goods on the west coast of Norway. For Bjørnafjorden, one of the planned fjord crossings, a side anchored floating bridge is to be constructed where the mooring system will be anchored on the 500m deep seabed exposed to steep slopes. To better understand the submarine environment, relating geohazards and the bridge foundations integrity towards possible submarine landslides, computational and numerical models are being developed. These models rely on accurate input parameters, which subsequently are established through experimental model testing and soil analysis. This thesis will investigate the slide behavior from initiation phase until impact phase, and further explore the effects of impact forces on submarine constructions of clay rich submarine landslides through small scale model flume tests using kaolin clay. To form an understanding of the soil behavior through various slide phases and impact, a supplementary soil investigation of kaolin is completed. Finally, to demonstrate a link to field conditions, the slide and impact behavior has been characterized through dimensionless number as well as that rheological and geotechnical properties of kaolin clay and clay from Bjørnafjorden (BF clay) has been compared. Capturing the soil behavior through various phase transitions with the corresponding impact force in a submarine landslide represents a particular challenge. The original soil is typically characterized using traditional geotechnical methods, however, through a submarine landslide the soil will experience increased remolding and water entrainment, converting the soil to a fluid, as the slide progresses. Due to the solid to fluid transition, characterizations of soil/fluid strength are being addressed separately within the mechanical framework, resulting in both a fluid mechanical and a geotechnical approach. To solve this, an extensive soil investigation based on fall cone, T-bar, viscometer, cyclic DSS and cyclic triaxial tests is conducted on kaolin clay and BF clay to investigate the strength and strain rate dependency of both materials. The soil characteristics were further mapped through hydrometer, pycnometer and Atterberg limit tests. Soil strength and strain rate dependency were, together with Herschel-Bulkley approximations, important for displaying the strength behavior with increasing water content. A total of 27 fall cone, 18 T-bar, 9 viscometer, 6 cyclic DSS and 6 cyclic triaxial tests were conducted. Kaolin and BF clay have been presented and compared using the liquidity index (LI), which has proven to be a suitable normalization when comparing both materials. The soil investigation ranged from LI:0.21-1.62 for BF clay and LI:0.82-3.05 for kaolin clay, exposing both soils to the transition of remolded and plastic state to fluid/liquid state. Analysis of the results shows clear tendencies between kaolin and BF clay. The variation in yield stress and shear strength due to water entrainment can be described by unique power functions of liquidity index. Furthermore, the strain rate dependency over the solid to liquid range seems to deteriorate with increased water content, exhibiting a decreased strain rate dependency with increased LI. This results into material characteristics which seems to be dominated by the transition from solid to fluid state where both materials exhibit non-Newtonian behavior for increased shear rate. The model slides were investigated for kaolin at various water contents ranging between 80-113% using 2 slope angles, namely 12° and 18°. In total, 3 experiments were completed investigating slide runout, while 18 experiments were completed investigating impact force responses. The model slides were monitored through pore water pressure measurements, impact force response, total force response and video recordings. The results showed an increased coherency with decreased water content which ranged between strongly coherent flow and weakly coherent flow depending on water content. A thin water layer, identified as hydroplaning, can be observed for all tests as it intrudes underneath the flow head after initiation and provides an efficient lubrication layer causing the slide to accelerate. The hydroplaning and flow coherency were further portrayed through empirical relations showing good agreement with the literature. Based on the 3 slide runout trials, a clear relation towards clay rheology, hydroplaning and volume effects could be found, where increased water content and greater discharge volume implies longer runout distance as long as hydroplaning occurs. The impact forces were analyzed through a fluid dynamic approach using the rheological properties to establish the non-Newtonian Reynolds number. The measured impact force response corresponds to the drag force and exhibits a greater dependency towards water content and discharge volume than velocity. The impact force results were further evaluated through the established drag coefficient which is finally validated through an empirical approximation from literature.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleExperimental Study of Submarine Landslides and Impact Forces on Offshore Constructions
dc.typeMaster thesis


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record