A laboratory study of the mechanical behavior of Tiller-Flotten quick clay

Abstract

Resultatene fra denne masteroppgaven supplementerer laboratoriedata og identifiserer kollaps- og fytekarakteristikk for kvikkleire fra Tiller-Flotten. Spesiell vekt er lagt for å undersøke og identifisere materialoppførsel for kvikkleira gjennom en serie av ødometer- og treaksialforsøk. For å kunne gi relevante og pålitelige resultater må leirprøvene før testing bringes til en tilstand som representerer in situ forhold. Det er derfor gjennom laboratorieforsøkene utprøvd ulike prosedyrer for rekonsolidering til in situ spenningsnivå, både anisotropt og isotropt til effektiv middelspenningsnivå, p’. En forbedring av metning og poretrykksrespons er i tillegg studert gjennom ulike prosedyrer for såkalt B-verdi testing. Felt- og laboratoriearbeidet er gjennomført både på moderne miniblokkprøver og på tradisjonelle 54 mm stempelprøver. Kvikkleira fra Tiller-Flotten viser en karakteristisk materialoppførsel for høysensitive leirer.

Udrenerte- og drenerte treaksialforsøk viser en særlig kontraktiv oppførsel og kollaps etter styrketaket nås. Bruddet utvikles ofte i et lokalisert skjærbånd. CRS ødometerforsøk gjennomført med ulike tøyningshastigheter avdekker rateavhengighet for både stivhet og prekonsolideringsspenning. Dette fremkommer av ulik stivhet og prekonsolideringsspenning ved CRS ødometerforsøk.

Flere ødometerforsøk viser en signifikant kollapsmekanisme rundt prekonsolideringen som preges av avtagende effektivspenning og poreovertrykk etter oppnådd prekonsolidering for kvikkleira fra Tiller-Flotten. Dette fremstår som et ''snap-back'' og viser hvordan kvikklera oppfører seg i et ødometer når den tøyningskontrollert og tilstrekkelig raskt bringes forbi prekonsolideringsspenningen. Leira viser etter ''snap-back'' igjen en økende stivhet. Dette skjer etter leira har mistet porevann tilsvarende 5 til 15 % av sitt opprinnelige prøvevolum. Denne oppførselen er særlig tydelig ved testing av blokkprøver på kvikkleire, men er i mindre grad synlig på prøver tatt med 54 mm prøvetaker. Dette skyldes etter alt å dømme prøveforstyrrelsen ved stempelprøvetakingen.

Ved treaksialforsøk ser en også betydelige forskjeller mellom blokkprøver og 54 mm prøver. Spenningsstiene fra udrenerte treaksialforsøk på miniblokkprøvene viser en markant, temporær dilaterende oppførsel før bruddtaket nås og prøven kollapser kontraktant. Skjærforsøk gjennomført på stempelprøver viser distinktivt en kontraktiv oppførsel etter oppnådd bruddtak. Bruddtaket er markert lavere for prøver tatt med stempelprøvetaker enn for prøver tatt med blokkprøvetaker. Sammenlignet med miniblokkprøvene avdekkes det en omtrentlig 75 % høyere bruddtøyning for stempelprøvene.

Prekonsolideringsspenningen i fra ødometerforsøkene kan forstås som et flytepunkt, d.v.s. et punkt på en flyteflate. Flyteflaten er også forsøkt identifisert i udrenerte og drenerte skjærforsøk. Videre er det gjennomført drenerte K’0 belastningsforsøk for tolkning av flytepunkter og flytekarakteristikk. Resulterende flytepunkter sammenfaller omtrentlig med tidligere foreslåtte flyteflater for leirer med omtrentlig lik friksjonsvinkel. Manglende isotrope trykkforsøk og skjærforsøk i strekk gjør det problematisk å definere hele flyteflatens form.

Vedrørende sammenligningsstudien for isotrope og anisotrope rekonsolideringer til kvikkleiras effektive middelspenningsnivå, p’, viser studien at høykvalitets miniblokkprøver oppnår omtrentlig lik udrenert skjærstyrke uavhengig av valg av konsolideringstype. I motsetning viser 54 mm stempelprøver høyere udrenert skjærstyrke for anisotropt konsoliderte prøvestykker. Likt for både stempelprøver og miniblokkprøver er en gjennomgående høyere bruddtøyning for prøvestykker isotropt konsolidert til p’. Disse resultatene støtter bruken av anisotrop konsolidering og antyder at selv om isotrop konsolidering til samme midlere effektivspenning er enklere og gir relativt like resultater, så er anisotrop konsolidering bedre og bør foretrekkes.

Det er en gjennomgående konklusjon i dette studiet at blokkprøver er av betydelig bedre prøvekvalitet enn 54 mm stempelprøver.

For prøvestykker som initielt viste utilfredsstillende metning ved gjennomføring av udrenerte skjærforsøk, ble det foretatt en påfølgende oppjustering av baktrykket. I etterkant av oppjustering av baktrykket fra 700 kPa til 1000 kPa, fikk leirprøvene hvile under oppnådd baktrykk i 180 minutter før neste B-test ble foretatt. Samtlige prøvestykker viser en forbedret poretrykksrespons etter nevnte tiltak. Akseptable B-verdier på omtrent 0.95 ble normalt oppnådd. Luftbobler i ventiler og kraner bidrar til utilfredsstillende poretrykksrespons og vurderes å bære mye ansvar for lave B-verdier. Kraner og ventiler som reduserer faren for å fange luftbobler bør brukes. Gode prosedyrer for å mette opp kraner, ventiler og slanger er viktig. Bruk av et betydelig baktrykk med en påfølgende hvilefase etter påført baktrykk anbefales.

The results from this master thesis supplement laboratory data and identify collapse and yield characteristics for quick clay from Tiller-Flotten. Special emphasis on the identification and determination of the material behavior for the quick clay through an extensive geotechnical laboratory study with oedometer and triaxial tests. Regarding the responsibility of laboratory work and the reliability of results, different procedures for reconsolidation to in situ conditions are studied as a comparison of isotropic versus anisotropic to p’. An improvement of saturation and corresponding pore pressure response during undrained conditions are as well studied through different procedures during the B-value tests. The field and laboratory work are carried out with both traditional 54 mm piston samples and modern mini block samples. The quick clay from Tiller-Flotten shows a characteristic material behavior for highly sensitive clays.

Undrained and drained triaxial tests reveal an especially progressive behavior and collapse after reaching the ultimate strength. The failure does often develop in a localized shear band. CRS oedometer tests conducted with various strain rates uncover rate dependencies for the quick clay, both in terms of stiffness and the preconsolidation yield plateau.

Several oedometer tests also reveal a peculiar decrease of the effective stress after reaching the preconsolidation level by a pore overpressure at collapse. This is perceived as a ''snap-back'' and shows how quick clay behaves in an oedometer when it's strain-controlled and sufficiently fast brought past the preconsolidation stress. The clay reveals an increasing stiffness after the ''snap-back'' effect. This happens when the sample has lost around 5 - 15 % of its initial sample volume. The ''snap-back'' behavior is especially clear when testing the mini block samples on quick clay, but less visible for the piston samples. By all accounts, this has to do with the sample disturbance caused by the piston sampling method.

The triaxial test series also reveal significant differences between mini block and 54 mm piston samples. The obtained stress paths from undrained triaxial tests on mini block samples reveal a distinctive, temporary dilative behavior prior to reaching the ultimate strength and contractive collapse. Shear tests conducted on piston samples distinctively reveal a pure contractive behavior when reaching the ultimate strength. The ultimate strength is substantially lower for piston samples than for the mini block samples. An approximately 75 % higher failure strain is also observed for the piston samples.

The preconsolidation obtained from the oedometer tests may be understood as a yield point, i.e. a point on a yield surface. The yield surface is attempted to be identified through various triaxial tests, both undrained and drained. Shear tests, as well as drained K’0 compression tests, are conducted to interpret yielding and yield characteristics for the quick clay. The resulting yield points coincide approximately with earlier proposed yield surfaces for clays with roughly the same friction angle. Missing isotropically compression tests and triaxial extension tests during this laboratory study makes it difficult to define the total form for the Tiller-Flotten quick clay yield surface.

Concerning the comparative study of isotropic versus anisotropic reconsolidation to in situ effective average stress, p’, the study reveals that the high-quality mini block samples accomplish roughly the same undrained shear strength independently of the two procedures. On the contrary, piston samples indicate higher undrained strength values for the anisotropically consolidated samples. Similar for both sample types are higher failure strains for the isotropically consolidated to p’. These findings corroborate the use of the anisotropic reconsolidations to in situ conditions and suggest that even if isotropic consolidations to the same average stress level are simpler and yield relatively similar results, anisotropic reconsolidations are superior.

During this study, it is a consistent conclusion that block samples exhibit significantly better sample quality than 54 mm piston samples.

During undrained triaxial tests, subsequent increases of the back pressure were done if the system and specimen revealed unsatisfactory saturation. Following the back pressure increase from 700 to 1000 kPa, the clay specimens were allowed to rest for 180 minutes prior to the next B-test being conducted. Each sample subjected to this procedure showed an increased pore pressure response. Acceptable B-values around 0.95 was normally achieved. Air bubbles in vents and cranes contribute to unsatisfactory pore pressure response and are considered to be accountable for low B-values. Effective procedures for satisfactory saturation of cranes and vents together with substantial back pressure and resting time for the specimen are recommended.