Påvirkning av vibrasjoner på nærliggende områder med kvikkleire- Dynamisk analyse av sprengning i Steinvik

Abstract

Norge er et land med både mye berg, men også med betydelige områder med kvikkleire. Dette skaper unike utfordringer for bygge- og anleggsprosjekter, spesielt når det gjelder sprengning langs vegskjæringer og i tunneler i nærheten av kvikkleireforekomster. En potensiell utfordring er at vibrasjonene direkte kan føre til økt poretrykk i leira, som vil redusere styrken. En annen mulig risiko er at likvifaksjon genereres i tynne sand- eller siltlag mellom leira. For å håndtere risikoen for kvikkleireskred ved slike tilfeller, setter gjeldende retningslinjer (NS 8141-3) en grenseverdi på 25mm/s for den maksimale frekvensveide svingehastigheten. Med stadig flere veiprosjekter som krever sprengning, er det avgjørende å forstå og kontrollere vibrasjonenes effekter for å beskytte miljø, samfunn og infrastruktur.

Denne hovedoppgaven presenterer et case-studie om virkningene fra sprengningsvibrasjonene på kvikkleireskredet i Steinvik våren 2021. En dynamisk analyse i PLAXIS 2D har blitt gjennomført. Analysen simulerer sprengningen og leirens oppførsel i ettertid. Det er også gjort en case med implementering av et sandlag i modellen. Dette ble gjort ved bruk av jordmodellen PM4SAND for å kunne generere likvifaksjon.

Resultatene viser relativt små forskyvninger og tøyninger etter sprengningen. Dette er interessant, da skråningen virker til å tåle vibrasjonshastigheter på rundt 210mm/s, betraktelig over dagens grenseverdi. Disse funnene understreker at videre forskning på ulike tilfeller og geometrier er viktig for å forstå hvilke faktorer som bør tas hensyn til ved en eventuell fastsettelse av ny grenseverdi.

Noen av resultatene fra analysen viste seg å være utfordrende å tolke på grunn av observasjoner av refleksjoner fra vibrasjonsbølgene. Disse refleksjonene, i tillegg til flere antagelser og usikkerheter i modellen, gjør det vanskelig å anvende resultatene direkte. De numeriske beregningene gir imidlertid innsikt i bølgepropageringens effekter og leirens oppførsel, og kan gi en forståelse som kan være vanskeligere å oppnå gjennom laboratorietester. Å trekke ut nøyaktige verdier fra en slik analyse er utfordrende, da det alltid er flere feilkilder, både knyttet til metoden, programvaren og jordmodellene.

For en dynamisk last Q = 3.9GPa (med vertikale vibrasjoner på ca. 133mm/s) ble det beregnet et syklisk spenningsforhold (CSR) på 0.0863 under den dynamiske belastningen. Verdien ble regnet for overgangen mellom berg og løsmasser, der skjærtøyningene var størst. En syklisk motstandsfaktor (CRR) på 0.1281 ga en sikkerhetsfaktor for likvifaksjon (CRR/CSR) på 1.48, noe som indikerer at likvifaksjon ikke vil oppstå for denne lasten. Resultatene viser videre at en last høyere enn Q = 6 GPa (vertikale vibrasjoner på ca. 210mm/s) trolig vil generere likvifaksjon. For denne spesifikke skråningen ser det ut til at tynne lag av sand/silt ikke påvirker utfallet av skredet ved de påførte vibrasjonene. Den dynamiske analysen med PM4SAND ville ikke kjøre gjennom alle fasene i PLAXIS. Det er derfor tatt utgangspunkt i beregninger av CSR og CRR angående problemstillingen for å evaluere likvifaksjonspotensialet. Feilsøkingen av modellen i PLAXIS er systematisk beskrevet i diskusjonskapittelet.

Norway is a country with both extensive bedrock and significant areas of quick clay. This creates unique challenges for construction projects, particularly concerning blasting along road cuts and in tunnels near quick clay deposits. One possible concern is that the vibrations directly lead to increased pore pressure in the clay, which reduces its strength. Another possibility is that liquefaction is generated in thin sand or silt layers within the clay. To manage the risk of quick clay landslides in such scenarios, current guidelines (NS 8141-3) set a threshold value of 25 mm/s for the maximum frequency-weighted vibration velocity. With an increasing number of road projects requiring blasting, it is crucial to understand and control the effects of vibrations to protect the environment, society, and infrastructure.

This thesis presents a case study on the effects of blasting vibrations on the quick clay landslide in Steinvik in the spring of 2021. A dynamic analysis in PLAXIS 2D has been performed. The analysis simulates the blasting, and the subsequent behavior of the clay is analyzed. Additionally, a case with the implementation of a sand layer in the model was carried out using the PM4Sand soil model to potentially generate liquefaction.

The results show relatively small displacements and strains after the blasting. This is interesting, as the slope appears to withstand vibration velocities around 210 mm/s, significantly above the current threshold. These findings underscore the importance of further research on various cases and geometries to understand which factors should be considered in potentially establishing a new threshold value.

Some results from the analysis proved challenging to interpret due to observations of reflections from the vibration waves. These reflections, along with several assumptions and uncertainties in the model, make it difficult to apply the results directly. However, the numerical calculations provide insights into wave propagation effects and clay behavior, offering an understanding that can be harder to achieve through laboratory tests. Extracting precise values from such an analysis is challenging, as there are always multiple sources of error related to the method, software, and soil models.

For a dynamic load of Q = 3.9 GPa (with vertical vibrations of approximately 133mm), a cyclic stress ratio (CSR) of 0.0863 was calculated under a dynamic load at the transition between bedrock and soil. A cyclic resistance ratio (CRR) of 0.1281 yielded a factor of safety against liquefaction (CRR/CSR) of 1.48, indicating that liquefaction would not occur for this load. A higher load than Q = 6 GPa (vertical vibrations of approximately 210mm) would be necessary to generate liquefaction. For this specific slope, it appears that thin layers of sand/silt do not affect the outcome of the landslide under the applied vibrations. The dynamic analysis with PM4Sand would not run through all phases in PLAXIS. Therefore, calculations of CSR and CRR were used to evaluate the liquefaction potential. The troubleshooting of the model is systematically described in the discussion chapter.