Quick Clay Indication and Soil Stratigraphy Studies using R-CPTU: Investigating Efficiency and Limitations

Abstract

Kvikkleireskred har historisk sett krevd mange liv og utgjør fortsatt en trussel på grunn av klimaendringer og økt samfunnsutvikling. I dag bor 110.000 mennesker i kartlagte kvikkleiresoner i Norge, og 2,8 millioner bor i områder med potensiell marin leire. Kartlegging av kvikkleireforekomster gjøres hovedsakelig ved hjelp av geotekniske sonderinger og laboratoriearbeid. Denne tilnærmingen kan være ineffektiv, siden tradisjonelle sonderingsmetoder kun baserer seg på mekaniske parametere. Geofysiske elektriske målinger, som dekker større områder og inkluderer resistivitetsparametere, tilfører en ny dimensjon til disse tolkningene. Resistivitet Piezocone Penetration Test (R-CPTU) kombinerer geofysikk og geoteknikk, og skiller mellom utvasket og ikke-utvasket leire. Selv om metoden virker lovende, er det fulle potensialet og begrensningene til R-CPTU for å identifisere kvikkleire og analysere lagdelingen av løsmasser ennå ikke fullt ut forstått. Flere studier har forsøkt å utdype forståelsen av R-CPTU-metoden, hvorav en av de mest omfattende ble utført av statens eget program: Naturskader, Infrastruktur, Flom og Skred (NIFS) i 2015. Forskningen konkluderte med at videre undersøkelser er nødvendige for å kunne forstå det fulle potensialet til R-CPTU, spesielt med hensyn til hvordan ulike faktorer påvirker resistivitetsmålinger. Derfor ble det i denne masteren undersøkt leirprøver fra Dragvoll gjennom indekstester for å avgjøre om korrelasjoner med resistivitet kunne brukes til indikasjon av kvikkleire. Presisjonstester for saltholdighet ble gjennomført for å vurdere presisjon og identifisere svakheter ved utstyret. Elektrisk resistivitetstomografi (ERT) og bulk resistivitetstester ble også utført for å sammenligne med RCPTU-verdier og evaluere presisjonsgrad. I tillegg ble NIFS’14-klassifikasjonsdiagrammet modifisert for å forbedre tolkningen av lagdeling ved hjelp av resistivitetsparameteren.

Presisjonstester for saltholdighet viser at R-CPTU-målingene er presise og samsvarer med konduktivitetsmålinger når saltinnholdet overstiger 1 g/L. Sammenligninger med ERT- og bulk resistivitetstester bekrefter dette. Imidlertid påvirker porevannstemperaturen resistivitetsverdiene betydelig, spesielt ved saltinnhold under 4 g/L. I tillegg bidrar kanteffekter og gradvise overganger mellom lag med betydelige resistivitetskontraster til målevariabilitet ved lave saltinnhold. Denne oppgaven viser at det finnes korrelasjoner mellom resistivitet, omrørt skjærstyrke, sensitivitet og saltinnhold. Disse funnene støtter bruken av R-CPTU for å forutsi tilstedeværelsen av kvikkleire ved å bruke resistivitet som en indikator. Ved å utnytte disse korrelasjonene kan det være mulig å mer nøyaktig indikere steder med kvikkleire ved hjelp av prediktive modeller, slik det er demonstrert i denne oppgaven. Til tross for dette gjør stedsavhengig variasjon og tilstedeværelsen av ikke-kvikk utvasket leire at resistivitet ikke bør være den eneste indikatoren for kvikkleire. Videre viser oppgaven at selv om resistivitet alene er utilstrekkelig for detaljert analyse og klassifisering av løsmasselagdelingen, forbedres nøyaktigheten ved å kombinere resistivitet med CPTU-parametere som poretrykksforholdet i NIFS’14 klassifikasjonsdiagrammet. Denne integrasjonen gir mer presise indikasjoner på kvikkleire og bidrar til å utelukke mindre relevante områder. Til tross for svake korrelasjoner mellom CPTU-parametere og normalisert resistivitet, kan fremtidig forskning bruke disse korrelasjonene til å forbedre klassifikasjonsdiagrammer. Kombinert bruk av ERT og R-CPTU kan også korrigere unaturlig høye verdier nær kontrastfylte lag, forårsaket av ERTs gradientbaserte inversjonsprosess.

Quick clay landslides have historically claimed many lives and remain a threat due to climate change and increased development of society. Over 110,000 people live in mapped quick clay zones in Norway, and 2.8 million live in areas where marine clay may be present. Today, quick clay deposits are mapped using geotechnical soundings and laboratory work. However, this approach can be ineffective, as traditional sounding methods rely solely on mechanical parameters. Geophysical electrical measurements, which cover larger areas and incorporate resistivity parameters, add a new dimension to these interpretations. The Resistivity Piezocone Penetration Test (R-CPTU) combines geophysics and geotechnics, distinguishing between leached and unleached clays. Although seemingly promising, the full potential and limitations of R-CPTU in identifying quick clays and conducting stratigraphic studies are not yet fully understood. Several studies have aimed to deepen the understanding of the R-CPTU method, with one of the most extensive conducted by the government program Nature Hazards, Infrastructure, Flooding, and Landslides (NIFS) in 2015. The research concluded that further investigations are necessary to fully understand R-CPTU’s potential, particularly regarding how various factors affect resistivity measurements. Therefore, this thesis investigated soil samples from Dragvoll through index tests to determine if correlations with resistivity could be used for quick clay indication. Electrical Resistivity Tomography (ERT) measurements and bulk resistivity tests were also performed to compare with R-CPTU values. Salinity precision tests were conducted to assess precision and identify equipment weaknesses. Additionally, the NIFS’14 classification diagram was modified to enhance the interpretation of layering using the resistivity parameter.

Salinity precision tests show that R-CPTU is precise, matching conductivity meter readings when salinity exceeds 1 g/L. Comparisons with ERT and bulk resistivity tests confirm this. However, pore water temperature significantly affects resistivity values, particularly at salinities below 4 g/L. Additionally, edge effects and gradual transitions between layers with significant resistivity contrasts contribute to measurement variability at low salinities. This thesis demonstrates the existence of correlations between resistivity, remoulded shear strength, sensitivity, and salinity. These findings supports the use of R-CPTU for predicting the presence of quick clays using resistivity as an indicator. By utilizing these correlations, it may be possible to more accurately identify locations with quick clay using predictive models, as demonstrated in this thesis. Despite this, site-specific variability and the presence of non-quick leached clays indicates that resistivity should not be the sole indicator for quick clay. Furthermore, the thesis demonstrates that while resistivity alone is insufficient for detailed stratigraphy analysis and classification, combining it with CPTU parameters, such as the pore pressure ratio, improves the NIFS’14 classification diagram. This integration leads to more precise indications of quick clay and helps exclude less relevant areas. Despite the weak correlations between CPTU parameters and normalized resistivity, future research could leverage these relationships to enhance classification charts. Furthermore, integrating ERT with R-CPTU corrects inaccurately high values near contrasting layers, which are caused by ERT’s gradient-based inversion process.