In situ detection of quick clay with the Ball Penetration Test

Abstract

Detektering av kvikkleire involverer vanligvis en kombinasjon av laboratorieanalyser og feltundersøkelser som blant annet Trykksondering med poretrykksmåling (CPTU). Feltundersøkelsene kan bare antyde at kvikkleire er tilstede, mens laboratorieanalysene blir utført for å verifisere disse antagelsene. Behovet for laboratorieanalyser gjør detektering av kvikkleire både kostbart og tidkrevende. Derfor vil et sonderingsinstrument som kan påvise kvikkleire in situ vært fordelaktig. Som svar på dette behovet, ble en roterende CPTU (DRTCPT) utviklet og testet i 2023. Resultatene var lovende, men ikke nøyaktige nok. Dermed, for å imøtekomme ideen om et slikt ideelt instrument, måtte videre forskning og utvikling til.

Hovedmålet med denne masteroppgaven er å utføre videre forskning på et instrument som raskt og effektivt kan detektere større mengder kvikkleire in situ, og dermed redusere behovet for ytterligere laboratorieanalyser. Basert på tidligere studie av DRTCPT, presenterer denne oppgaven en nyutviklet sonderingsmetode, som består av en CPTU-sonde og en kuleformet (ballformet) spiss med diameter 60 mm, kalt kulepenetrasjonstest (BPT). I tillegg ble det laget en ring designet for å passe til friksjonshylsen, og BPTen ble testet både med og uten denne ringen. Ideen bak denne ringen, er å mekanisk forbedre oppløsningen på friksjonshylsen, mens kulespissen primært er valgt basert på dens evne til å omrøre jorden i større grad enn spissen på DRTCPT-enheten og konen på en standard CPTU. En grunnleggende idé i denne studien var at kulen skulle måle maksimal udrenert skjærstyrke ($s_u$), mens friksjonshylsen skulle måle en omrørt udrenert skjærstyrke i nærheten av grensen for kvikkleire ($s_{ur}<0.33$ kPa). En kuleformet spiss er i tillegg forsket mye på med eksisterende studier, hvilket gjør det til et fornuftig og kostnadseffektivt valg sammenliknet med å utvikle et helt nytt instrument. De tidligere studiene kan også bidra til videre utvikling av BPTen.

Flere tester med ulike kombinasjoner av utstyr ble utført på totalt fire forskjellige lokasjoner i og rundt Trondheim: Tiller-Flotten, Dødens Dal, Bakklandet og Klæbu. Data fra de utførte testene ble analysert ved hjelp av et regneark utformet av Statens Vegvesen for standard CPTU-testing, hvor teori introdusert i denne oppgaven ble implementert for at regnearket skal fungere på tilsvarende måte for BPT-data. I tillegg til feltundersøkelser, ble indekstester utført på en prøveserie fra Dødens Dal for å sammenlikne resultatene fra feltundersøkelsene. I tillegg, har numeriske simuleringer av BPTen med Material Point Method (MPM) blitt utført av seniorforsker ved NTNU, Quoc-Anh Tran. Simuleringene ble primært utført for å finne en teoretisk kulefaktor ($N_{ball}$) for å beregne maksimal skjærstyrke fra BPT-data. Disse numeriske simuleringene bidro imidlertidig også til å øke forståelsen av samspillet mellom jorden og BPTen med den ekstra ringen, samt i hvilken grad kulespissen var i stand til å omrøre jorden.

For å detektere kvikkleire, ble definisjonen av kvikkleire, i tillegg til anbefalte parametere fra NIFS-rapporten og klassifikasjonsdiagrammer (Robertson 90-diagrammer med reviderte parametere og NIFS-diagrammer), brukt. Data fra de utførte testene gir varierende resultater. Resultatene fra Tiller-Flotten indikerer en generelt bedre ytelse av BPT sammenlignet med CPTU, spesielt når man vurderer de anbefalte parametrene fra NIFS og definisjonen av kvikkleire. Imidlertid er BPT-resultatene fra spesielt Bakklandet og Klæbu noenlunde like CPTU-resultatene, noe som indikerer at BPT sliter med å skille sensitiv leire fra kvikkleire. Dette antyder at BPT muligens ikke er så lovende som antatt etter de innledende testene på Tiller-Flotten. I tillegg tyder resultatene fra Tiller-Flotten på at ringen montert på friksjonshylsen øker hylsens oppløsningsevne. Resultatene fra de tre andre teststedene støttet derimot ikke denne antydningen.

Resultatene fra de numeriske simuleringene er noe motstridende sammenliknet med feltundersøkelser og ytterligere teorier angående kulefaktoren for BPT. Kulefaktoren avslører forholdet mellom penetrasjonsmotstanden og maksimal skjærstyrke. Følgelig ble kulefaktoren nødvendig for å oppnå maksimal skjærstyrke i jorden ved Tiller-Flotten funnet å være 16 i lineært-elastisk-perfekt-plastisk materiale og 10 i kvikkleire, hvilket viser en reduksjon i verdi med økt sensitivitet. Imidlertid antydet feltundersøkelser en kulefaktor betydelig lavere enn forventet fra numeriske simuleringer i området 3-4. Til tross for at dette ikke er viktig med tanke på deteksjon av kvikkleire, kan denne forskjellen være interessant å utforske videre.

Resultatene indikerer at BPT viser potensiale for forbedret ytelse i spesifikke jordforhold, til og med bedre enn standard CPTU. Dette er tydelig ved Tiller-Flotten, hvor resultatene viser en klar forskjell mellom jordlagene, og BPT gir svært lovende resultater. Imidlertid er slike lovende resultater ikke observert ved de andre teststedene. Disse funnene antyder at selv om BPT kan gi mer nøyaktig deteksjon under visse forhold, er effektiviteten sterkt avhengig av lagdelingen og egenskapene til jorden på teststedene. Studien fant at BPT ikke klarer å skille mellom sensitiv leire og kvikkleire, en begrensning som er spesielt tydelig ved Bakklandet og Klæbu. Dette indikerer at kvikkleiren på Bakklandet og Klæbu muligens trenger en høyere omrøringsenergi sammenliknet med Tiller-Flotten. Følgelig bør mulig design av et nytt penetrometer, som kan omrøre jorden inntil sonden i større grad, prioriteres. Dette, med formål å måle en friksjon mer nærliggende den omrørte udrenerte skjærstyrken. I tilleg anbefales videre testing av BPT både med og uten ringen.

Detection of quick clay typically involves sounding methods such as Cone Penetration Test with pore pressure measurement (CPTU), in combination with laboratory work. While sounding methods can indicate the presence of quick clay, accurate detection relies on subsequent laboratory analysis. The additional laboratory work is both time-consuming and costly. Therefore, a sounding device capable of detecting quick clay in situ would be desirable. In response to this need, a Rotational CPTU (DRTCPT) was developed and tested in 2023. The tests conducted yielded promising results. However, the results were not accurate enough and the device and idea needed further research.

The main objective with this thesis, is to perform further research regarding a device that can rapidly and effectively detect large scale quick clay deposits in situ, thereby reducing the need for additional laboratory work. Based on previous study on the DRTCPT, this thesis presents a newly developed sounding method, which is a combination of a CPTU probe and a ball penetrometer, with a diameter of 60 mm, referred to as the Ball Penetration Test (BPT). An additional ring designed to fit the friction sleeve was also created, and the BPT was tested both with and without this ring. The additional ring is intended as a mechanical improvement of the friction sleeve as an attempt to improve its resolution.

The ball penetrometer is mainly chosen based on its ability to remould the soil to a greater extent, compared to the DRTCPT device and a standard CPTU. A fundamental idea in this study was that the ball would measure peak undrained shear strength ($s_u$), while the sleeve would assess a remoulded undrained shear strength close to the threshold for quick clay ($s_{ur}<0.33$ kPa). Additionally, ball penetrometers are well-researched, making it a sound and cost-effective choice compared to developing an entirely new device. This existing knowledge can also accelerate the development and refinement of the BPT.

Several tests with different combinations of equipment were conducted at a total of four different sites in and around Trondheim: Tiller-Flotten, Dødens Dal, Bakklandet, and Klæbu. The collected data was analysed using a spreadsheet created by Statens Vegvesen for standard CPTU testing, where theory introduced in this thesis was implemented to accommodate the BPT. In addition to field investigations, index testing was performed on soil samples collected from Dødens Dal, for comparative analysis with the sounding results obtained from field investigations. Furthermore, Senior Researcher at NTNU, Quoc-Anh Tran, conducted numerical simulations of the BPT with the Material Point Method (MPM) using the Uintah Software. Simulations were initially performed to obtain a theoretical ball factor ($N_{ball}$) to compute the peak shear strength from the BPT. However, these numerical simulations also enhanced the understanding of the interaction between the soil and the BPT with the additional ring, as well as the extent to which the ball penetrometer could remould the soil.

To detect quick clay, the definition of quick clay, along with recommended parameters from Natural hazards - infrastructure, floodings and slides (NIFS) report and classification charts (Robertson 90 charts with revised parameters, and NIFS charts), were utilized. The data from the conducted tests, yield varying results. Results from Tiller-Flotten indicate an overall better performance of the BPT compared to the CPTU, especially when considering the recommended parameters from NIFS and the definition of quick clay. However, the BPT results from particularly Bakklandet, and Klæbu are somewhat similar to the CPTU results, indicating that the BPT is struggling to differentiate sensitive clay from quick clay. This suggests that the BPT may not be as promising as presumed after the initial testing at Tiller-Flotten. In addition, the results from Tiller-Flotten seems to imply that the ring assembled to the friction sleeve improved the resolution of the friction sleeve. However, results from the three other test sites dismissed this implication.

Results from the numerical simulations were somewhat contradictory from field investigations and additional theories regarding $N_{ball}$ for the BPT. The ball factor needed to reach peak shear strength at Tiller-Flotten is found to be 16 in linear-elastic-perfectly-plastic material and 10 in quick clay, indicating a decrease in value with increased sensitivity. However, field investigations suggest a $N_{ball}$ significantly lower than anticipated by numerical simulations, falling within the range of 3-4. Although $N_{ball}$ is not significant for the overall detection of quick clay, it could be of interest in future studies.

Results prove that the BPT has potential for improved quick clay detection in specific soil conditions, even outperforming the standard CPTU. This is evident at the Tiller-Flotten site, where the results show a distinct difference between the soil layers, and the BPT yield highly promising results. However, such promising results were not observed at the other test sites. These findings suggest that while the BPT can provide more accurate detection under certain conditions, its effectiveness is highly dependent on the layering and characteristics of the soil. The study found that the BPT is unable to differentiate between sensitive clay and quick clay, a limitation which is evident at Bakklandet and Klæbu. This indicates a need of a higher remoulding energy in some quick clays. Accordingly, possible designs of a new penetrometer, which could remould the soil to a greater extent, should be a priority. This would enable more accurate recordings of sleeve friction, which would be closer to representative values of the remoulded undrained shear strength. Additionally, further testing of the BPT, both with and without the ring, is also recommended.