Derivation of CPTu Cone Factors for Undrained Shear Strength and OCR in Finnish Clays

Abstract

Tieto maan lujuudesta on oleellista monessa geoteknisessä ongelmassa kuten stabiliteettilaskennassa, kantokestävyydessä ja syvien kaivantojen mitoituksessa ja sen takia sen virheellinen arviointi voi johtaa ylimitoitukseen ja kalliisiin ratkaisuihin tai lisääntyneeseen murron todennäköisyyteen. Suomessa, suljettua leikkauslujuutta on yleensä mitattu siipikairauskokeella. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu, että saven suljettua leikkauslujuutta on voitu selvästi aliarvioida, kun siipikairauskoe on suoritettu vanhalla laitteistolla huonoja toimintatapoja käyttäen.

CPTu kairauskoe on laajasti käytetty maaperän tutkimustapa. Suomessa sen käyttö muutama vuosi sitten oli harvinaista varsinkin maan ominaisuuksien arvioinnissa, vaikka CPTu kairauskoe tarjoaa lähes jatkuvia mittaustuloksia suurella tarkkuudella. CPTu kokeen aikana mitataan kärkivastusta, vaippakitkaa ja huokospainetta. Maan lujuutta ei mitata suoraan CPTu kokeella, mutta kärkivastus on hyvin riippuvainen siitä. Täten, monia korrelaatioita ja teoreettisia ratkaisuja on esitetty maan lujuuden arvioimiseen kärkivastuksesta. Empiiriset korrelaatiot toimivat paikallisissa olosuhteissa, mistä data korrelaatiolle on kerätty. Täten, muualle esitetty empiirinen korrelaatio pitäisi kalibroida suomalaisille maille tai empiirinen korrelaatio perustuen omiin korkealaatuisiin tuloksiin tulisi luoda. Johtuen kärjen tunkeutumisen kompleksisuudesta, teoreettiset ratkaisut maan lujuuden arvioimiseen eivät välttämättä vielä tarjoa tarkkaa ratkaisua.

Työn tarkoituksena on luoda käytännöllinen ja riittävän tarkka ratkaisu suljetun leikkauslujuuden tulkintaan CPTu tuloksista. Lisäksi tutkimus pyrkii arvioimaan ensimmäistä kertaa Suomessa suljetun leikkauslujuuden anisotropiaa.

Tämä tutkimus keskittyy pehmeisiin sensitiivisiin maihin, joissa maan häiriintyminen voi aiheuttaa suuren initiaalilujuuden menetyksen. Täten näytteenottimen pitää olla sovelias, jotta näytteenotin ei aiheuta maan häiriintymistä. Uusi putkinäytteenotin kehitettiin ja testattiin tämän tutkimuksen aikana. Tulosten perusteella näytteet voidaan laadun osalta luokitella useimmiten parhaimpaan luokkaan.

Kenttäkokeina käytettiin puristinkairausta huokospainemittauksella (CPTu) sekä siipikairausta. Näytteille tehtiin laboratoriossa CRS-, DSS-, kolmiaksiaalisia veto- ja puristuskokeita sekä lukuisia indeksikokeita. Tutkimuskohteiden määrä on viisi. Nämä viisi kohdetta ovat epäorgaanisia savimaita, joissa plastisuus vaihtelee mittausten perusteella 15 ja 60 välillä sekä sensitiivisyyden osalta välillä 15–100.

CPTu- ja siipikairauskokeet suoritettiin laitteistoilla, joiden mittaustarkkuus on hyvin suuri. CPTu-laitteiston osalta suuri mittaustarkkuus on saavutettu rajoittamalla kärjen kuormituskapasiteetti 7,5 MPa. Tyypillisesti kärkivastukset vaihtelivat mittauksissa välillä 150–300 kPa. Siipikairaukset suoritettiin laitteistolla, jossa siiven pyöritys ja momentin mittaus tapahtuu läheltä siipeä. Isoa siipikokoa (75 x 150 mm) käytettiin, jotta momentin mittaus tapahtuu tarkalta mittausalueelta.

Laboratoriossa näytteistä mitattiin initiaalilujuus suljetussa tilassa. Initiaalilujuuden menetyksen välttämiseksi näytteet konsolidoitiin myötöjännitystä pienempään jännitystilaan. Tuloksista voitiin arvioida lujuuden anisotropiaa suomalaisissa savissa vertailemalla puristuslujuutta DSS:llä määritettyyn lujuuteen sekä vetokoelujuuteen. Tuloksista määritettiin SHANSEP (Stress History And Normalized Soil Engineering Properties) -parameterit. Indeksikokeiden tulosten vaikutusta arvioitiin normalisoituihin tuloksiin.

Koska CPTu kokeella ei mitata suoraan maan lujuutta, empiiriset korrelaatiot määritettiin korkealaatuisten tulosten välille. Lisäksi esikonsolidaatiolle määritettiin myös korrelaatio. Tulosten perusteella korrelaatiolla määritetyt tulokset ovat hyvin tarkat sillä RSE (Relative Standard Error) -arvot voivat olla alle 10 %.

Information about soil strength is vital in many geotechnical problems, such as stability, bearing capacity and the design of deep excavations. Its false assessment could cause both overdesign and expensive solutions or an increased probability of failure. In Finland, undrained shear strength is commonly measured using the field vane test. Recent studies have shown that the undrained shear strength of clays can be significantly underestimated when old field vane devices with poor execution has been used.

The CPTu test is very widely used soil investigation method in many countries. In Finland, few years back it was very rarely used, especially for assessing soil properties, even though CPTu provides almost continuous measurement data with high accuracy. During CPTu test, cone resistance, sleeve friction and pore pressure are measured. The strength of the soil is not measured directly by CPTu, but the cone resistance is highly dependent on it. Thus, many correlations and theoretical approaches have been proposed to assess the soil strength from cone resistance. Empirical correlations work generally for the local conditions they have been derived to. Thus, proposed empirical correlation should be calibrated for Finnish soil conditions or new empirical correlation should be derived using own high-quality data. Due to the complexity of the cone penetration, theoretical approaches for assessing soil strength may for the moment not solely offer accurate solutions.

The aim of this study is to create practical and sufficiently accurate solutions for interpreting undrained shear strength from CPTu results. In addition, the study aims at evaluating, for the first time, the anisotropic nature of the undrained shear strength of Finnish clays.

This study is focused on soft sensitive soils where disturbance of the soil could cause a great loss of initial strength in the soil. Hence, the sampling process should be of very high quality, in order to receive reliable results for comparison from undisturbed soil samples in the laboratory. A new tube sampler was developed and tested during this study. The developed tube sampler was capable of obtaining samples that could be classified to be of the highest class.

Piezocone (CPTu) and field vane tests were conducted on five test sites. The laboratory tests contained CRS, DSS, triaxial extension and compression tests and determination of index properties. The five sites can be categorized as non-organic clay sites having a plasticity index between 15 and 60 and a sensitivity between 15 and 100.

The CPTu and field vane tests were performed with high accuracy equipment. The sensitive CPTU cone had a maximum capacity of 7.5 MPa, and the cone resistances varied typically between 150 – 300 kPa. The field vane tests were conducted with apparatus that rotated and measured the torque right above the vane. A large vane size (75mm x 150mm) was used to improve the accuracy by measuring the torque at a higher loading range.

In the laboratory, the in-situ undrained shear strength was determined by several means. To avoid loss of initial strength, samples were consolidated close to in-situ stress, securing that the initial yield stresses were not exceeded. From the results, it was possible to assess the anisotropy of Finnish clays by comparing the compression strengths to DSS strengths and extension strengths. SHANSEP (Stress History and Normalized Soil Engineering Properties) parameters were defined based on the results. The influence of the index properties to the anisotropy ratio was determined.

As CPTu does not directly measure the strength of the soil, empirical correlations based on high quality results were defined. Additionally, an empirical correlation for OCR (overconsolidation ratio) was also determined. Based on the results, the correlations seem to be accurate as the RSE (Relative Standard Error)values are mainly under 10 %.