Geoteknisk grunnundersøkelse

En geoteknisk grunnundersøkelse er en undersøkelse som skal gi svar om de byggtekniske egenskapene ved grunnen under terrengoverflaten. Dette avgjøres av geologiens oppbygging, og en geoteknisk grunnundersøkelse skal beskrive geologien gjennom parametere som har betydning for eventuelle konstruksjoner som skal bygges. Grunnens motstand mot penetrasjon ved boring og kornfraksjonsinndeling, samt grunnvann og fjelloverflaten er resultater som hyppig spiller inn. Resultatet fra undersøkelsene danner typisk grunnlag for geoteknisk vurdering og prosjektering, for eksempel gravearbeider eller fundamentering av en konstruksjon. Undersøkelsen blir vanligvis utført med en borerigg som penetrerer grunnen med et hydraulisk bor, og eventuelle påfølgende laboratorieforsøk av seksjonerte prøver som tas opp fra grunnen.

Pickup med påmontert borerigg for prøvetaking. Boringen er utført av det amerikanske Bureau of Reclamation

Feltarbeid

For å oppnå tilstrekkelig kunnskapb, lir det foretatt undersøkelser på stedet. Omfanget blir tilpasset formålet med undersøkelsene, og fastsettes ofte av den som skal gjøre analysene.

Sondering

Det kan utføres flere typer sonderinger:

• Dreiesondering
• Enkel sondering
• Dreietrykksondering
• Totalsondering
• Trykksondering (Engelsk: Cone penetration testing – CPT) bkir utført ved hjelp av en massiv stålsylinder med konisk spiss som presses nedover i jorden hydraulisk. En måler motstanden i spissen (konen) og friksjonen langs sylinderen som sitter like over konen. Som regel måles også poretrykkstilstanden like bak konen (CPTu). Noen ganger måles også andre egenskaper. CPT-dataene korreleres vanligvis mot jordegenskaper fra laboratorieundersøkelser. Resultatene fra CPT-målinger plottes mot dybden, og er svært nyttige for å si noe om lagdelingen og egenskapene til lagene i bakken, spesielt i sand der det er vanskelig å få opp uforstyrrede prøver. Eldre instrumenter fungerer som en hammer, og teller antall slag per lengdeenhet.
• Standard Penetration Test (SPT)

Prøvetaking

Jordprøver tas enten i «omrørt» eller uforstyrret tilstand.

Sylinderprøver

Såkalte uforstyrrede prøver er likevel ikke helt uforstyrrede. En omrørt prøve er når strukturen av jord har blitt endret tilstrekkelig til at tester av egenskapene ikke er representative for in-situ forhold, og bare egenskapene til jordpartikler kan bestemmes nøyaktig. En uforstyrret prøve er når forholdene i jordprøven er nær nok forholdene i jord in-situ til tester av egenskaper for å brukes som omtrentlige egenskaper.

Poseprøver

Jordprøver kan tas ved hjelp av flere typer prøvetakere; noen tar bare masseprøver, mens andre kan ta relativt uforstyrrede prøver. Prøver kan tas med metoder så enkle som å grave ut jord ved hjelp av en spade. Prøver tatt på denne måten er masseprøver. Mer avanserte prøvetaking omfatter split-spoon prøvetakere, stempelprøvetakere, og press-prøvetakere. Standard Penetration Test (CPT) prøvetaker er en split-spoon prøvetaker, og det er tilsvarende prøvetakere med større rør. SPT-testene omgjør en prøve og gir in-situ jorddata. SPT-prøver er omrørte prøver. Stempelprøvetakere er tynn-veggede metallsylindre som har et stempel i tuppen. Prøvetakeren presses ned i bunnen av et borehull med stempelet på jordoverflaten mens sylinderen glir over det. Disse prøvetakere vil gi uomrørte prøver i bløt jord, men er vanskelig å presse ned i sand og stive leirer, og kan bli ødelagt hvis grus påtreffes. Pitcher Barrel-prøvetaker tilsvarer stempelprøvetakere, men uten stempel. Det er trykkavlastningshull nær toppen av prøvene for å hindre trykkoppbygning av vann eller luft over jordprøven.

Instrumentering

Måling av deformasjon

Inklinometer

Et inklinometer er et vanlig brukt måleinstrument til registrering av forflytninger i jordbunnen. Inklinometeret måler posisjonen i forhold til jordens tyngdekraft. Typiske måleobjekter for et inklinometer er bestemmelse av glidesonen til skred, måling av hastigheten og størrelsen på horisontalforflytninger i jordbunnen og jordkonstruksjoner, som i voller i forbindelse med demninger, i voller bygget på mykt underlag og i groper samt måling av forflytninger i støttevegger, påler og støttemurer.

Nivellering

Ved nivellering sammenlignes den vertikale stillingen til måleobjektet med et fastpunkt. Ved nivellering brukes et optisk instrument som plasseres i vater. Ved målingen brukes en målestang til hjelp og med denne kan høydeforskjellen mellom måleobjektene og nivelleringskikkerten måles. En forflytning beregnes som endring i høydeforskjell mellom fastpunktet og målepunktet. Nøyaktigheten som oppnås er i det minste avhengig av nivelleringskikkerten, måleavstanden og forholdene i omgivelsene.

Tachymeter

Ved måling med tachymeter kan forflytninger måles i tre koordinatretninger. Det må være fri siktelinje mellom måleinstrumentet og punktet som skal måles. Tachymetermålinger kan gjøres manuelt eller med et robottachymeter, som gjør det mulig å utføre målingene automatisk og i sanntid.

Setningsplate

Ved hjelp av en setningsplate observeres setningen i jordoverflaten eller jordlaget. Setningsplaten består av en plate som det er festet en stang til. Platen plasseres enten på overflaten eller senkes ned i jorden slik at stangen stikker opp over overflaten. Stangen kan plasseres i et beskyttelsesrør slik at en eventuell setning i fyllingslaget ikke fører til feil måleresultat. Setningen måles ved å sammenligne høyden på stangen med et fast referansepunkt.

Setningsslange

Med en setningsslange er det mulig å måle setningen eller få fram en sammenhengende setningsgraf av tverrsnittet. Setningsslangen plasseres i det nederste jordlaget som skal undersøkes og det bygges en konstruksjon, som for eksempel en voll, oppå dette. Trykket i slangen som er fylt med væske måles med en trykksensor og trykket sammenlignes med et kjent fastpunkt. Trykket i slangen vokser lineært med økende dybde, og ut fra dette kan forflytningen i dybderetning beregnes. Trykksensoren kan være bevegelig eller fast montert i slangen, og da vil flere sensorer kunne monteres i samme slange.

Ekstensometer

Med et ekstensometer måles endringen i avstand mellom to punkter. Ekstensometrene kan ha måleinstrumenter som fungerer etter ulike funksjonsprinsipper, men alle måler bevegelsen til enkeltpunkter i forhold til et bestemt referansepunkt. Med ekstensometeret er det mulig å måle økningen eller reduksjonen i avstand avhengig av apparatet som brukes og disse produseres for flere bruksformål. Vanlige bruksområder er måling av overflatesprekker i betong- og bergkonstruksjoner samt måling av setninger i terrenget og sprekker i fjell i borehullretningen.

Laserskanning

Laserskanning er en målemetode for måling av en tredimensjonal punktsky av et objekt. Ved laserskanningen måles avstanden mellom enkeltvise observasjonspunkter og måleinstrumentet, enten basert på å måle tiden det tar for lyset å nå objektet og returnere tilbake eller basert på faseforskjeller Det kan beregnes koordinater for punktene når utgangsvinkelen til laserstrålen er kjent i tillegg til avstanden. Laserskanneren må velges basert på avstanden, omfanget og den nødvendige nøyaktigheten til objektet som skal måles.

Måling av grunnvann

Målingene brukes blant annet til overvåking av stabiliteten til skråninger og jorddemninger.

Observasjonsrør for måling av grunnvannstand

Observasjonsrør kan brukes for å måle grunnvannstanden i godt drenert jord hvor poretrykket vokser jevnt med dybden. Observasjonsrøret plasseres i et borehull som fylles med sand, og for å hindre at overflatevann kommer inn i røret fylles for eksempel øvre delen av hullet med betong. Observasjonsrøret slipper igjennom vann i hele sin lengde. Hvis jordtypen består av forskjellige lag, representerer vannflaten i observasjonsrøret vanligvis det lag som best drenerer vann. Grunnvannstanden i observasjonsrøret måles med en vannstandsmåler.

Pneumatisk poretrykksmåler

En pneumatisk måler er basert på måling av gasstrykk. I en poretrykksmåler er det plassert to slanger i borehullet som er tettet på oversiden av sensoren. Måleren er basert på en bøyelig mellommembran med poretrykk på den ene siden og gasstrykk på den andre. Ved måling kobles den pneumatiske måleren til endestasjonen eller direkte i røret, hvorfra gass ledes gjennom en tilførselsslange og bak membranen til gasstrykket overstiger poretrykket og gass begynner å lekke forbi mellom-membranen og til returslangen. Tilførselen av gass stanses og gasstrykket synker fram til poretrykket stenger mellommembranen. Gasstrykket leses av på trykkmåleren og det tilsvarer det rådende poretrykket i målepunktet.

Elektriske poretrykksmålere

En poretrykksmåler basert på en vibrerende tråd er et elektrisk måleapparat som egner seg godt for kontinuerlig måling og gir rask responstid. Funksjonen til poretrykksmåleren er basert på at trykket rettet mot mellom-membranen gir spenning i den vibrerende tråden og får den til å svinge med sin egenfrekvens. Frekvensavlesningen omformes på displayenheten til poretrykk.

Måling av jordtrykk

Kraftsensor

En kraftsensor (Load cell) brukes til måling av kraften i ankerstenger og –wirer, fjellbolter og i testing av påler. I tillegg til midlertidig belastning er det mulig å følge og måle belastningen over lengre tid. Kraftsensoren monteres i objektet som skal måles slik at belastningen formidles gjennom denne. En kraftsensor er vanligvis sylinderformet med hull i midten og med strekksensorer på innsiden.

Måling av temperatur

Termistor

En termistor er en temperaturfølsom halvlederresistor hvor temperaturmålingen er basert på endringen i resistans. En avlesning på termistatoren er i ohm, og denne omformes enten ved hjelp av en leser eller en omregningsfaktor til en temperatur. En termistor kan være svært liten og den egner seg derfor til bruk i forskjellige måleinstrumenter.

Motstandstermometer

Et motstandstermoter er basert på endringen i motstand (resistans) i en metalleder i forhold til endringen i temperatur. Den målte motstandsverdien omformes til en temperatur. Termometeret er nøyaktig og egner seg godt for langvarig bruk.

Termometer basert på vibrerende tråd

Et termometer basert på en sensor med vibrerende tråd består av et ytre metallskall. En endring i temperatur forårsaker en formendring i skallet som påvirker spenningen i den vibrerende tråden. Frekvensen til den vibrerende tråden omformes med en omregningsfaktor til en temperatur.

Termometere basert på optiske fibre

Optiske fibersensorer egnet for måling av temperaturer er Fibre Bragg Grating optiske fibersensorer og optiske fibersensorer basert på Brillouin-spredning.

Vibrasjonsmåling

Vibrasjoner forårsakes vanligvis av sprengning i forbindelse med byggearbeider, pæleramming, komprimering av jord, sprengning, knusing av fjell og masseforflytning. For offshore plattformer er det ofte bølger som forårsaker vibrasjonene. Vibrasjoner måles ofte i nærheten er bygninger eller utstyr som kan skades. Vibrasjoner kan også forstyrre mennesker. Vibrasjoner i jord måles vanligvis med geofoner som er koblet til en opptaker. Geofonene plasseres vanligvis i en viss avstand fra vibrasjonskilden samt på steder som er kritiske. Svingehastighetene er ofte viktigst, men det er også ofte mulig å måle akselerasjoner og frekvenser. Ved behov kan det i forbindelse med vibrasjonsmålingen i tillegg måles trykkbølger og lydtrykk.

Målinger av forankringskrefter

Målinger av forankringskrefter gjøres i støttevegger i groper. En uforutsett økning i forankringskreftene i støtteveggene øker ulykkesrisikoen i groper. Ved hjelp av overvåkingen er det likevel mulig å sikre at informasjon om en overskridelse av de tillatte forankringskreftene mottas i tide før det oppstår farlige situasjoner. Kraften må heller ikke reduseres for mye, for da vil ikke ankeret lenger støtte opp veggen. Også slike situasjoner kan forutses ved å benytte overvåking. Forankringskreftene kan måles med Load cell-sensorer.

Andre målemetoder

Strekklapp

Med en strekklapp måles formendringen i et objekt som skal undersøkes, og dette kan være strekk eller sammenpressing. Typiske måleobjekter er formendringer i stål og betong i forskjellige konstruksjoner. De mest brukte strekklappene konverterer en formendring forårsaket av en kraft til et elektrisk signal. I tillegg til formendringen påvirkes måleapparatets avlesning av temperaturen og av hvordan apparatet er festet til objektet som skal måles. Strekk målt med en strekklapp kan omformes til spenning eller kraft.

Georadar

En georadar (Ground Penetrating Radar GPR) er en ikke-destruktiv geofysikalsk metode for å undersøke overflatelagene i jorden. Georadaren sender ut et høyfrekvent elektromagnetisk signal som reflekteres tilbake fra grenseflatene i jordbunnen, fra endringsflatene med elektriske egenskaper. Med en georadar kan det opprettes et kontinuerlig profil av strukturen som skal måles i måleretningen. Med en georadar er det mulig å måle teledybde, for når vannet i jorden fryser, endres jordens elektriske egenskaper, og det er da mulig å observere grenseflaten mellom den frosne og tinte jorden. Jordens relative fuktighet kan også måles med georadar.

Grunnseismikk

Metoden går ut på at man sender en trykkbølge (fra en luftkanon, dynamitt eller en stor vibrator) ned i jorda, deler av denne trykkbølgen blir reflektert av når den kommer til en geologisk grense. Signalet reflekteres tilbake til overflaten etter noen sekunder. Hvor lang tid signalet bruker opp og ned sier noe om hvor langt ned i jorden den geologiske grensen er. Med moderne teknologi kan man lage enorme tredimensjonale kart over undergrunnen.

Metoden brukes i hovedsak for å sjekke hvordan lagdelingene i jorda er. Det er et supplement til andre undersøkelser der en gjør punkundersøkelser. En kan avklare om det mellom mellom målepunktene er for eksempel gamle elveleier, ras eller kanaler.

Symboler for å markere ulike typer undersøkelser på tegning og kart

Norsk Geoteknisk Forening (NGF) angir følgende symboler for aktuelle feltforsøk:

Berg i dagen

Dreietrykksondering

Dreiesondering (vektsondering)

Elektrisk sondering

Enkel sondering (slagsondering)

Fjellkontrollboring

Helningsmåling

In situ permeabilitetsmåling

Kjerneboring

Poretrykksmåling

Prøvebelastning

Prøvegrop

Prøveserie

Ramsondering

Setningsmåling

Standard penetration test, SPT

Skruplateforsøk

Totalsondering

Trykkforsøk (cone penetration test undrained, CPTU)

Vingeboring

Laboratorieforsøk

En lang rekke laboratorieprøver kan gjøres på jord for å måle ulike egenskaper. Noen egenskaper er iboende i sammensetning av jordmatrisen og er ikke påvirket av forstyrrelser av jorda, mens andre egenskaper avhenger av strukturen til jorden i tillegg til sammensetningen, og kan bare testes effektivt på relativt uforstyrrede prøver. Noen jordtester måler direkte egenskaper til jorda, mens "indeks egenskaper" gir nyttig indirekte informasjon om jorda.

• Måling av in situ tetthet av jorda. Denne testen forutsetter uomrørte prøver og måler tettheten av jorda.
• Måling av vanninnhold. Denne testen måler vanninnholdet i jord, normalt uttrykt i prosent av vekten av vannet i forhold til tørrvekten av jorda.
• Analyse av kornfordeling anvender sikter og hydrometer-prøver. Disse testene gjøres på tørket jord og trenger ikke uomrørte prøver, og bestemmer fordelingen av kornstørrelsen i jordprøve.
• Måling av atterbergsgrenser. Det er et mål for tilstanden til en finkornet jord. Avhengig av vanninnholdet kan jord forekomme i fire tilstander: Fast, semi-fast, plastisk eller flytende. I hver tilstand er konsistensen og egeskapene til jorden forskjellig og dermed også ingeniør-egenskapene. Atterbergsgrensen kan brukes for å skille mellom silt og leire, og for å skille mellom ulike typer av disse. Disse testene bestemmer vanninnholdet som andel av jord mindre enn 2 mm kornstørrelse fra et fast stoff til en flytende væske. Resultatet kalles plastisk grense og flytegrense. Atterbergsgrense brukes for å undersøke om jord vil opptre primært som silt eller leire, og om den er høyplastisk.
• I ekspansjonsindeksen (engelsk Expansion Index Test) bruker en omrørt prøve av jord, for å bestemme forventet utvidelse av svellende jord på grunn av endringer i vanninnhold.
• Direkte skjærtest
• Unconfined Compression (UC)
• Treaksialtester
  • CD – konsolidert drenert (engelsk Consolidated Drained)
  • CU – konsolidert udrenert (engelsk Consolidated undrained).
  • UU – ukonsolidert udrenert (engelsk Unconsolidated undrained)
• Ødometerforsøk med konsolidering og svelletester er tester som måler vertikalbevegelsen av jord under ulike belastninger og neddykkingsforhold.
• Sugetest
• Kompaksjonstester gjøres som Standard Proctor eller Modified Proctor. Disse testene brukes for å bestemme tettheten en jordprøve kan sammepresses til, gitt en spesifikk kompaksjonsenergi. Jordprøvene deles opp hvor hver del tilsette vann eller tørking for å få spesifisert vannmengde. Den presses sammen til ved et spesifisert antall av slag med en hammer av standard størrelse and vekt som faller en spesifisert distanse. Tetthet bestemmes med flere fuktighetsinnhold.
• California Bearing Ratio måler virkningen av komprimering.
• R-Value Test måler virkningen på sidetrykk av påførte vertikallast.

Fastsettelse av bæreevnen ved sentrifugetesting

Maskin for sentrifugetesting ved University of California. Radiusen er 9m.

Bæreevnen kan fastsettes ved sentrifugetesting (modellforsøk) av den aktuelle jorda og fundamentet. Formen på bæreevnekurvene for vertikallast, horisontallast og moment har for sand vist seg å ha en parabolsk form, der en for praktiske formål ender opp med kun tre parameter som må tilpasses.

Ved sentrifugetestingen er det mulig å få de samme effektive spenningene i småskala modeller som i fullskala prototyper. Om lengdene i modellen reduseres med en faktor (n) i forhold til prototypen, må gravitasjonsakselerasjonene økes med den samme faktoren (n), for å få de samme spenningene i modell og prototype. For eksempel gir spenningen under et 0,1m tykt lag av modelljord spunnet ved en sentrifugalakselerasjoner på 50 ganger tyngdens akselerasjon, spenninger tilsvarende de som er under et 5m tykt prototypelag jord (n=50) i jordens tyngdekraft.

Modellen settes på enden av sentrifugen, som typisk er mellom 0,2m og 10m i radius. Ved å spinne modellen på sentrifugen økes g-kreftene på modellen slik at spenningene i modellen er lik spenningene i prototypen. Testingen er ikke gjort ved en kjøring, og en må gjøre flere kjøringer under varierende forhold for å undersøke de effektene er ønsker å undersøke. Noe av det en må sikre seg kontroll over, er:

• Det er ikke mulig å få en riktig fordeling av spenningen med dybden i jorda. Det kompenseres for ved dataanalysene i ettertid.
• Testene må foregå lenge nok til at en får samme konsolideringen som i prototypen.

Overvåking av grunnforholdene

Skader på en konstruksjon kan oppstå av forskjellige årsaker, som for eksempel overbelastning, planleggings- og konstruksjonsfeil, forhold som avviker fra planene, svekkelse av konstruksjoner og enkeltkomponenter eller bevisste handlinger. Overvåkingen kan redusere risikoene som skyldes at konstruksjonen eller jordbunnen oppfører seg på en uventet eller skadelig måte. De vanligste risikoene er fysiske skader, tap av menneskeliv og økonomiske skader. Med overvåkingen kan det sikres at funksjonen til konstruksjonen er i henhold til planene og at konstruksjonen under og etter byggingen fungerer som forventet og slik det kreves.

1. Påvise en skade under utvikling
2. Gi advarsel
3. Indikere ukjente faktorer
4. Vurdere kritiske antagelser brukt i planleggingen
5. Vurdere metodene som entreprenøren har brukt
6. Holde skadene på nabokonstruksjoner så minimale som mulig
7. Styre byggingen
8. Styre funksjonen
9. Planlegge korrigerende tiltak
10. Forbedre konstruksjonens funksjon
11. Fremme utviklingen i bransjen
12. Dokumentere konstruksjonens oppførsel som hjelp i vurderingen av skader
13. Informere de impliserte parter
14. Oppfylle myndighetenes krav
15. Redusere antall rettssaker
16. Påvise at alt er i orden

Ved å overvåke er det mulig å få forhåndsvarsel før skadelige endringer skjer, og da er det mulig å gjøre korrigerende tiltak som i betydelig grad reduserer skaderisikoen. Samtidig forbedres sikkerheten da størrelsen på målestørrelsene kan følges i forhold til de tillatte verdiene som er fastsatt på forhånd.

Byggearbeid kan forårsake skade på omkringliggende konstruksjoner. Skader på de nærmeste konstruksjonene kan muligens forhindres og da unngås i tillegg til reparasjonskostnader også rettssaker og de kostnader disse medfører.

Tradisjonelt er overvåkingen blitt utført manuelt, men de fleste av de målbare variablene kan også måles med automatiske måleapparater. Den største nytten av automatisering ligger i måleobjekter som krever hyppige og regelmessige målinger eller apparaturen er installert på et vanskelig tilgjengelig sted. Fordelene med automatiserte måleapparater er eliminering av menneskelige målefeil, mulighet for høy målefrekvens, alarmer ved overskridelse av tillatte verdier og mulighet til fjernovervåking av måleresultatene.

Se også

• Geoteknikk
• Bygningsingeniør
• Effektivspenning
• Geologi
  • Ingeniørgeologi
  • Bergartsklassifikasjon
  • Seismologi
• Jordfysikk
• Jordlære
• Karl von Terzaghi

Kilder

• Holtz, R. and Kovacs, W. (1981), An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0
• Bowles, J. (1988), Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill Publishing Company. ISBN 0-07-006776-7
• Cedergren, Harry R. (1977), Seepage, Drainage, and Flow Nets, Wiley. ISBN 0-471-14179-8
• Kramer, Steven L. (1996), Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-374943-6
• Freeze, R.A. & Cherry, J.A., (1979), Groundwater, Prentice-Hall. ISBN 0-13-365312-9
• Mitchell, James K. & Soga, K. (2005), Fundamentals of Soil Behavior 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc.
• Rajapakse, Ruwan., (2005), "Pile Design ans Construction", 2005. ISBN 0-9728657-1-3
• Fang, H.-Y. and Daniels, J. (2005) Introductory Geotechnical Engineering : an environmental perspective, Taylor & Francis. ISBN 0-415-30402-4
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1986) Design Manual 7.01, Soil Mechanics, US Government Printing Office
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1986) Design Manual 7.02, Foundations and Earth strukturs, US Government Printing Office
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1983) Design Manual 7.03, Soil Dynamics, Deep Stabilization and Special Geotechnical Construction, US Government Printing Office
• Terzaghi, K., Peck, R.B. and Mesri, G. (1996), Soil Mechanics in Engineering Practice 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc.

Eksterne lenker

• Nasjonal database for grunnundersøkelser (NADAG), Norges geologiske undersøkelse
• Kvartærgeologisk kart, Norges geologiske undersøkelse