Udrenerte effektivspenningsbaserte stabilitetsanalyser av naturlige skråninger

Abstract

Kvikkleire er et velkjent problem i Norge og så sent som i desember 2020 gikk det et stort kvikkleireskred på Gjerdrum som krevde 10 menneskeliv og ett ufødt barn. På grunn av den overhengende faren for nye skred er det viktig å beregne sikkerheten mot skred. Sikkerheten mot skred kvantifiserer hva skråningsstabiliteten er, og blir differensiert mellom kort- og langtidsstabilitet. Det er ulike krav for hvor stor sikkerheten mot skred skal være i kort- og langtidstilfeller. I de aller fleste tilfellene blir korttidsstabiliteten beregnet med totalspenningsanalyse og langtidsstabiliteten med effektivspenningsanalyse. Når en skråning står på brudd og stabiliteten i skråningen er kritisk lav (F=1,00), skal begge analysene vise denne sikkerheten. Det er i flere geotekniske rapporter observert at dette ikke er tilfellet og at korttidsstabiliteten er kritisk lav, samtidig som langtidsstabiliteten er betydelig høyere og godt innenfor kravet.

Hensikten med denne masteroppgaven er å undersøke korttidsstabiliteten til naturlige skråninger ved bruk av effektivspenningsanalyser, samt sammenligne langtidsstabiliteten med den udrenerte korttidsstabiliteten. For å gjøre det brukes en jordmodell (ESAU) i det geotekniske beregningsprogrammet PLAXIS. ESAU-modellen er utviklet av Geir Svanø og implementert i PLAXIS av Gustav Grimstad. Jordmodellen tar inn Janbus poretrykksparameter, D, som er et mål på dilatans. I utgangspunktet var ikke modellen testet i stor grad i PLAXIS. Jordmodellen ble derfor innledningsvis testet ut på et hypotetisk skråningsprofil for kvalitetskring og for å avdekke feil og mangler. Videre er kvikkleireskredene ved Kråknes, Skjeggestad, Byneset og Kattmarka tilbakeregnet. Det er gjort for å undersøke hvilken verdi av Janbus poretrykksparameter, D, som er nødvendig for at skråningene skal nå en bruddtilstand. Avslutningsvis blir ESAU-modellen brukt i modelleringen av to naturlige skråninger ved Moss og Grorud, der det er funnet stor forskjell i kort- og langtidsstabilitet.

Resultatene fra beregningene viser at ESAU-modellen fungerer godt til å analysere stabiliteten i skråninger. Langtidsstabiliteten i skråningen blir identisk representert av ESAU-modellen som Mohr-Coulomb i de fleste tilfeller, og er, i motsetning til korttidsstabiliteten, uavhengig av poretrykksparameteren D. Det er funnet ut at jordmodellen ikke er så robust og at modifisering av modellen er nødvendig for at den skal fungere fullverdig i alle tilfeller. Korttidsstabiliteten blir også likt representert hvis det brukes en lav positiv verdi for poretrykksparameteren, D. Dersom D reduseres og blir stadig større negativ, reduseres korttidsstabiliteten helt til den konvergerer mot en endelig verdi. Det er også funnet ut at effektivspenningsanalyse kan brukes i beregninger for å finne korttidsstabiliteten til skråninger, men at resultatene ikke nødvendigvis er tilsvarende de fra en totalspenningsanalyse. Grunnen til at analysene beregner ulik stabilitet kommer hovedsaklig fra at analysene bruker ulike jordparametere for beregning av styrken til jorden. Når totalspenningsanalyse brukes, er det viktig å bruke den faktiske udrenerte skjærstyrken for jordmaterialet. På den annen side er det viktig å vite poretrykksfordelingen når effektivspenningsanalysen brukes for å beregne representativ skråningsstabilitet.

Quick clay is a well-known problem in Norway, and as recently as December 2020 there was a major quick clay landslide in Gjerdrum. Because of the imminent danger of new landslides, it's important to calculate the safety against these. This safety is called slope stability and is divided into short-term and long-term stability. There are different requirements to how great the safety must be for the two different methods. It is common to calculate the short-term stability with a total stress approach and undrained strength, while the long-term stability is calculated based on effective stresses. A slope near collapse should, according to theory, show the same stability with a safety factor of F=1,00 for both methods. It has been observed in several geotechnical reports that this is not the case and that the short-term stability is critically low while the long-term stability is well within the requirements.

The main goal with this master thesis is to examine the short-term stability of natural slopes on an effective stress basis. To do this, a soil model called ESAU will be used in the geotechnical software PLAXIS. The ESAU model is developed by Geir Svanø, and implemented in PLAXIS by Gustav Grimstad from NTNU. The soil model has Janbus pore pressure parameter, D, as input parameter. This parameter is a measure of dilatancy. Initially, the soil model will be used to uncover defects with the model, and to assure that the quality of the model is sufficient. Furthermore, the slopes in Kråknes, Skjeggestad, Byneset and Kattmarka is recalculated. This is done do find out which value of D is needed for the slopes to reach a critical condition. Finally, the ESAU model will be used in two natural slopes to find out whether an effective stress analysis with D as input will give the same short-term stability as analysis based on total stresses.

The results from the analysis shows that the ESAU model works well when it comes to calculate slope stability. The long-term stability is identical for both ESAU and Mohr-Coulomb, independent of the value D. The model does also need some modifications to be even more robust and reliable in every case. The pore pressure parameter needs to be slightly positive if ESAU is to give same answers as Mohr-Coulomb. The safety factor is reduced with a reducing value for D, before it converges towards a final value. The results show that it's possible to use effective stress analysis to calculate the short-term stability in natural slopes, even though they don't show the exact same results as total stress analysis. The reason for this is the different input parameters used to calculate the strength. It's important to know the actual undrained shear strength when doing analysis based on total stresses. For the effective stress analysis, it's important to have the actual pore pressure distribution to get representative values for the safety factors.