Influence of elevated temperature on the deformational behavior of Nyhavna marine clay

Abstract

I Norge er effekten av økte temperaturer i løsmasselag fortsatt lite undersøkt. Dette er noe som fører til usikkerheter ved planlegging av høytempererte ener- gibrønner, slik som det som er planlagt på Nyhavna i Trondheim, og som poten- sielt kan smitte lagret varme over til jordlag. Denne oppgaven kan bidra til å fylle dette kunnskapshullet ved å undersøke deformasjonsatferden til en mettet marin leire fra Nyhavna som respons på varierende temperaturer. Et temperaturmodi- fisert ødometerapparat ble brukt til dette formålet.

Indekstester av opptatte løsmasseprøver inkluderer noen parametere som tilsyn- elatende ikke har vært dokumentert i prosjektområdet før dette arbeidet, derib- lant målinger av plastisitetsindeks, saltinnhold, varmeledningsevne og volumetrisk varmekapasitet for ulike dybder i to borehull.

Ødometerforsøk utført under en konstant, tilnærmet opprinnelig effektivspenning viser en irreversibel, sammentrekkende deformasjon av den mettede leiren når den varmes langsomt opp fra 18 til 65 ◦C og deretter kjøles ned igjen. Størrelsen på de permanente deformasjonene ser ut til å være relatert til leirens plastis- itetsindeks og er målt drastisk mindre i en påfølgende temperatursyklus.

Resultatene fra ødometertester med en kontinuerlig tøyningsrate indikerer en betydelig reduksjon i tolket prekonsolideringsspenning for leirprøver som har blitt varmet opp under lavt trykk før påføring av den kontinuerlige tøyningsraten. I de samme forsøkene er det dessuten observert en liten reduksjon i kompressib- ilitet i overkonsoliderte spenningsområder og en mindre markant endring i kom- pressibilitet i normalkonsoliderte spenningsområder. Resultater fra trinnvis belas- tede ødometertester indikerer raskere konsolidering per lasttrinn for oppvarmede prøver, samt en ubetydelig liten påvirkning av temperatur på krypehastighet for lasttrinn med lang varighet (18-48 timer).

Selv om disse funnene gir verdifull innsikt, er de basert på et begrenset antall tester og bør kun betraktes som indikative inntil ytterligere studier er gjennom- ført. Når det er sagt, anbefales det å unngå å plassere høytempererte energibrøn- ner under bratte skråninger eller store bygninger inntil man vet mer om effekten av sykliske temperaturendringer på poretrykksgenerering og skjærfasthet i jord.

In Norway, the effects of elevated temperatures in soil remain understudied. This knowledge gap leads to uncertainties in planning borehole heat exchanger (BHE) systems, such as the one proposed for Nyhavna in Trondheim, where stored heat potentially can transmit into the layers of soil. This study aims to somewhat fill this gap by investigating the deformational behavior of saturated, marine Nyhavna clay in response to fluctuating temperatures by use of a temperature-modified oed- ometer apparatus.

Index tests conducted on sampled soil reveal some parameters that have appar- ently been undocumented for the project area prior to this work, including meas- urements of the plasticity index, pore water salinity, thermal conductivity, and volu- metric heat capacity for different depth intervals from two locations.

Oedometer tests conducted under a constant, approximate in-field effective stress with varying temperatures reveal an irreversible contractive deformation of sat- urated clays from Nyhavna when heated slowly from 18 to 65 ◦C and then cooled again. The magnitude of the permanent deformations seems to be related to the soil’s plasticity index and appears drastically smaller for a subsequent temperat- ure cycle.

Moreover, results from constant rate of strain (CRS) tests indicate a significant decrease in apparent pre-consolidation stress, a slight decrease in compressibil- ity in overconsolidated stress ranges, and a negligible change in compressibility in normally consolidated stress ranges for clay samples that have been heated at low pressures before the applied constant strain rate. Results from incremental load- ing (IL) oedometer tests indicate faster consolidation per load step upon heating and a somewhat unaffected creep rate for long-duration load steps (18-48 hours).

Overall, while these findings provide valuable insights, they are based on a limited number of tests and should be considered only somewhat indicative until further studies are conducted. That being said, it is advised to avoid locating heat stor- age systems beneath steep slopes or large buildings until more is known about the effects of cyclic temperature changes on pore pressure generation and shear strength in soil.