Frakturering

5. Geotekniske parametre og problemer

5.1 Beslægtede baggrundserfaringer
5.2 Risici
5.3 Geotekniske parametre

5.1 Beslægtede baggrundserfaringer

Rørsprængning

Fraktureringsmetoden er beslægtet med de geotekniske teknikker, rørsprængning (pipe cracking) og jordstabilisering (ground improvement).

Kendskabet til det naturlige sprækkesystem opbygning, samt in-situ spændingstilstanden i jorden, er af afgørende betydning når de ovenfor nævnte geotekniske teknikker skal anvendes.

I forbindelse med renovering af kloakker kan det ofte betale sig, at lave en renovering uden opgravning (no dig), fordi ledninger ofte ligger under befæstede arealer eller under bygninger.

Renoveringen af kloakker kan foregå efter to principper:

• Knusning af rør efterfulgt af trækning af nyt rør med mindre ydre diameter end det oprindelige, så udvidelse af den oprindelige rørgrav undgås.
• Knusning og udvidelse af rørgrav ved at føre rør med en større rørdimension igennem.

Selve knusningen af de eksisterende rør foregår med en raket, hvorpå der er påmonteret en trykluftshammer. Trykket fra lufthammeren er regulerbar og kan tilpasses de lokale forhold. Vibrationer fra lufthammeren kan imidlertid påvirke nærliggende ledninger og konstruktioner, især hvis de er i dårlig tilstand.

En udvidelse af rørgraven kan ligeledes ved jordfortrængning påvirke nærliggende installationer, således at påvirkningsgraden vil være størst hvis den omgivende jord er fast. Desuden vil påvirkningen være størst på bygningskonstruktioner og underjordiske rørføringer i en dårlig tilstand.

Under befæstede arealer er der i Danmark observeret hævninger af disse og beskadigelse på nærliggende underjordiske ledninger. Skadernes omfang er imidlertid ikke blevet kvantificeret. Hvor vidt der er sket skadelige påvirkninger af bygningskonstruktioner i Danmark er ukendt.

Jordstabilisering

Princippet omkring rørsprængning anvendes også i olieindustrien som retningsstyret underboringer, hvor f.eks. kalk formationer nedbrydes og en udvidelse kan finde sted.

Ved jordstabilisering etableres typisk en boring, hvor der via denne foretages en injektion i undergrunden, med det formål at stabilisere og forbedre dens bæreevne og deformationsforhold. Stabilisering foregår primært via injicering med en kalk- eller cementblanding som pumpes ind under tryk.

Jordstabilisering er hyppigst anvendt i bløde jordarter. I praksis pumpes blandingen ind med et injektionstryk, der ikke må overstige forud bestemt maksimalt tryk, svarende til en maksimal tilladelig "komprimering" og dermed afdræning. Bliver det direkte tryk for stort i de bløde aflejringer eller på de overliggende faste jord-/bjergarter er der risiko for en nettoflytning af jorden (terrænhævning).

Skumbeton

I Østrig er der observeret hævning af jordoverfladen som følge af, at et højtliggende fast lag blev udsat for tryk på undersiden. Hvis det faste lag opfattes som et "uendelige lag" virker dette, som trykoverfører til de overliggende jordlag eller bjergarter, som så havde overført fladebelastningen som et samlet usprækket medie.

Helt analogt til fraktureringsmetoden er det rimeligt at antage, at størrelsen af en midlertidig terrænhævning svarer til den indpumpede stabiliseringsmasses volumen. Da indpumpningsprocessen medfører en vis forstyrrelse af det omkringliggende materiale, vil en del af terrænhævningen reduceres som følge af en rekonsolidering af de forstyrrede jordlag.

Skumbeton finder anvendelse ved sløjfning af både store og små underjordiske ledningsføringer. En forholdsvis lavviskøs skumbeton injiceres under tryk og observationer viser, at utætheder i rørsamlinger og revner, mv. kan lokaliseres på terrænoverfladen omkring rørindgange og brønde, men også i det fritliggende terræn. Dette tages som bevis for, at lunker og sprækker bliver lukket i forbindelse med injektionen af skumbetonen samtidigt med, at det illustrerer sprækkers egenskab som spredningsveje for den injicerede skumbeton.

5.2 Risici

Generelt gælder for de to geotekniske metoder, rørsprængning og jordstabilisering, at jo fastere aflejringer des større er risikoen for, at der kan opstå skader på nærliggende underjordiske ledningsføringer og bygningskonstruktioner imodsætning til blødere jordarter, der har tilbøjelige til at give sig ved konsolidering. Utætte ledninger eller ledninger i anden dårlig forfatning er udsat for en særlig risiko ved, at den injicerede substans til jordstabilisering (grouting) helt eller delvis kan tilstoppe ledningerne, med reduktion af anlæggets funktion til følge.

Hævning af gulve og fundamenter

Som følge af erfaring fra de nævnte processer, vil det være rimeligt at antage, at en terrænhævning kan medføre hævning af gulve og fundamenter, helt afhængig af gulvenes opbygning. Det er også rimeligt at antage, at påvirkningen bliver mindre med stigende injektionsdybde.

Trykudligning i et lukket sprækkesystem

Hydraulisk frakturering med en guargummi gelé under tryk i jorden vil, udvise analoge tendenser med de beskrevne principper for rørsprængning og jordstabilisering:

• I et lukket sprækkesystem kan der opstå et så stort tryk, at hvis sprækkesystemet ligger i faste aflejringer, vil trykket momentant kunne overføres til en konstruktion eller et ledningsanlæg med risiko for brud. Omfanget af skadepåvirkningen på konstruktion eller ledningsanlæg kan ikke kvantificeres, idet det afhænger af den pågældende obstruktions tilstand, fleksibilitet, stivhed etc.
• I et lukket sprækkesystem i faste aflejringer vurderes risikoen for beskadigelse af ledninger at være større end for øvrige konstruktioner i nogenlunde normal sundhedstilstand.

• I et lukket sprækkesystem i blødere aflejringer vurderes risikoen for beskadigelse af ledninger at være mindre end i faste aflejringer. Dette skyldes, at det påførte tryk på de bløde aflejringer ikke overføres momentant til ledninger og konstruktioner, men derimod påvirker de bløde aflejringer ved en tidsafhængig konsolidering indtil det forud definerede maksimale tryk opnås.

I sprækkesystemer med en "uendelig" udstrækning, vil trykket under injektion udlignes til et trykniveau der svarer til trykniveauet i det omgivende ydre miljø og være uafhængig af atmosfæretrykkets variationer. I faste aflejringer vil der,

• Foregå en hævning af jordoverfladen indtil et neutralt trykniveau (= atmosfæretryk) er opnået.

• Foregå en transport af den injicerede gelé via ledningsanlæg og brønde indtil et neutralt trykniveau har indstillet sig.

• Foregå en transport af den injicerede gelé via konstruktioners omkringliggende indbygningsmaterialer, f.eks. dræntæppe inkl. stikdræn (eller lignende under konstruktioners gulve) udvendige drænkasser og videre ud omkring brønde til det neutrale trykniveau er nået.

• Ske en påvirkning af en konstruktion (typisk en bygning) såfremt sprækkesystemet her lokalt ikke kan udlignes til neutralt trykniveau.

• Ske en hævning af terræn, hvis sprækkesystemet er endeligt (begrænset), så en trykudligningen kan finde sted.

• Ske en hævning af gulve i konstruktioner, hvor der ikke er taget foranstaltninger, der tilgodeser almindelige krav til kapillarbrydende lag samt afledningssystemer forbundet hertil.

Sprækkesystemer med begrænset udstrækning

I blødere lag kan samme påvirkninger iagttages som angivet i de fastere aflejringer, men til forskel fra de faste lag vil trykudviklingen nemmere kunne kontrolleres, idet der forinden den skadelige påvirkning er sket, vil foregå en konsolidering af aflejringerne, som foregår over en registrerbar og kontrollabel tidshorisont. Desuden vil påvirkningen være mindre momentan og dermed potentielt mindre skadelig, såfremt der foregår en trykkontrolleret injektion.

I endelige (begrænsede) sprækkesystemer kan trykudviklingen enten være negligeable, forstået sådan, at trykudviklingen kan have direkte tilknytning til neutralt miljø og derfor ikke nogen fysiske konsekvenser for ledningssystemer eller konstruktioner. Eller også kan trykudligningen ikke ske, hvorved trykpåvirkninger kan finde sted.

Har den injicerede zone hydraulisk kontakt til en traditionel bygningskonstruktion via naturlige sprækkesystemer, kan dette medføre et utilsigtet forøget tryk f.eks. på en gulvkonstruktion og / eller tilstopning af drænsystemer. Trykkets størrelse er naturligvis afhængig af det tryk der er påført, reduceret for de tryktab der opstår under vejs (se tidligere i dette afsnit). Der skal i ovennævnte skelnes mellem faste og bløde aflejringer ud fra de hidtidige betragtninger.

Den danske funderingsnorm (DS 415) redegør for, at sætninger af fundamenter for normalt belastede byggerier er i størrelsesordenen 10 – 20 mm anses for at være normalt, gulve noget mindre. Funktionsmæssigt skal der tages hensyn til de indgående materialer og selve udførelsesfasen af byggeriet, før der kan redegøres for konsekvenserne af de nævnte sætninger. Man kan således ikke uden videre overføre registreringer fra f.eks. jordskælvsområder.

Sætninger i størrelsesordnen 10 – 20 mm skal ses i forhold til de berørte byggerier, idet sætninger i denne størrelsesorden som regel tillægges større æstetisk værdi for et bevaringsværdig ejendom end for f.eks. en simpel hal.

Byggerier kan videre gennem tiderne have været udsat for belastninger ved f.eks. trafiklast eller nærliggende entreprenørarbejder, der efterfølgende kan have ændret på de oprindelige statiske forhold så meget, at selv små påvirkninger kan ændre byggeriets tilstand. Der henvises til handlingsplanen, som omtalt i kap. 9.4.5.

5.3 Geotekniske parametre

OCR-værdien

En af de parametre der har betydning for sprækkeudviklingen er overkonsolideringsraten (fremover OCR-værdien). OCR-værdien er større end 1 når den aktuelle jordart belastes med et tryk der overstiger det tryk jordarten maksimalt har været udsat for (forbelastningsspændingen).

Som nævnt tidligere i afsnit 3.6 er jordarten hyppigt karakteriseret ved, at de vandrette spændinger er større end de lodrette spændinger, som følge af senere aflastning på grund af afsmeltning af is.

Mohr-Columb´s brudteori

Hubert og Willis (1957) var nogen af de første, som havde et teoretisk grundlag til beskrivelse af de forhold, der opstår i jorden i forbindelse med induceret frakturering. De forudsatte blandt andet, at bruddet fulgte Mohr – Coulomb´s brudteori.

En vigtig og stadig gældende detalje er, at de inducerede sprækkers orientering vil være vinkelret på den mindste hovedspændings retning. Sprækker vil således være vandrette i overkonsoliderede aflejringer og lodrette i normalkonsoliderede aflejringer (se Fig. 3.5).

For begge konsolideringshistorier er begyndelsestrykket under sprækkedannelsen lig med 1/3 af den respektive in-situ spænding og kan stige op til 3 gange in-situ spændingen (Morgenstern og Vaughan, 1961).

Bestemmelse af OCR ved forsøg.

Den aktuelle OCR-værdi bestemmes via et konsolideringsforsøg, hvor en jordprøve udsættes for en lodret spændingsforøgelse. På baggrund af samtidige aflæsninger af en given spændingstilvækst og dertil hørende deformation kan der optegnes en belastningskurve, der består af to grene:

• En primær gren
• En sekundær gren

Den primære gren illustrerer jordprøvens spændingsafhængige deformationer frem til forbelastningsspændingen s _pc og den sekundære gren illustrerer de spændingsafhængige deformationer ved spændinger ud over s _pc. s _pc kan for en helt uforstyrret prøve tilnærmelsesvis bestemmes ud fra Casagrandes metode, jf. Hansen (1978), som illustreret efterfølgende på figur 5.1. Et belastningsforløb gældende for normalkonsolideret jord er illustreret i figur 5.1.

I figur 5.1 er s _pc (effektiv) ca. 70 kN/m², afhængig af hvor kurvens krumning er størst.

Primær grenen illustrerer den pågældende jords deformationer ("komprimering") ved voksende spændinger (f.eks. injiceringstryk) indtil jorden går i brud. I laboratoriet fortsættes forsøget indtil brudspændingen nås for at få kendskab til hvor jordartens brudspænding er. Dette tryk kan efterfølgende sidestiles med injiceringstrykket.

Den primære og sekundære konsolidering kan illustreres ved optegning af en tidskurve som illustreret i fig. 5.2, jf. Hansen (1961). Den første del af tidsskalaen følger en kvadratrodsskala, mens resten er logaritmisk hovedsageligt på grund af krybning.

OCR-værdien bestemmes på baggrund af forsøgsresultaterne, som forholdet mellem forbelastningsspændingen s _pc og in-situ spændingen s ₀ (8):

(8)

Der benyttes effektive parametre.

In-situ spænding.

In-situ spændingen, s ₀, er afhængig af jordartens rumvægt, dybde og vandspejlsforhold. For den aktuelle grund i Haslev er in-situ spændingen i figur 5.3 optegnet som funktion af dybden. Der er ikke taget hensyn til vægt fra konstruktioner. Vandspejlet er sat til 6 meter under terræn.

Bestemmelse af forbelastningsspændingen

OCR værdien kan også vurderes på baggrund af SHANSAP konceptet, idet s _pc her kan bestemmes (9):

,

(9)

hvor man med rimelighed her kan antage at:

• » 0,85 er en konstant
  

» 0,4 , hvor nc står for normalkonsolideret for danske jordarter.

SHANSAP konceptet (Stress History And Normalized Soil Engineering Parameters), formuleret af Ladd og Foot (1974), er et empirisk koncept baseret på empiriske relationer (ikke naturlige) og skal bruges med stor forsigtighed.

Forskydningsstyrken c_u som funktion af dybden

I Tabel 3 er vist et beregningseksempel, hvorledes forskydningsstyrken c_u (ikke målt) antages at udvikle sig med dybden i en jord der geoteknisk set minder om lerjorden på Vestergade 10 i Haslev.

På denne baggrund kan følgende kurve vist i Figur 5.4 optegnes for OCR værdien som funktion af dybden.

Som det fremgår af Figur 5.4 falder OCR værdien med dybden i lag, hvor c_u er konstant.

Som tillægsspænding kommer trykket fra f.eks. et byggeri. Disse er ikke medtaget i de efterfølgende beregninger af OCR-værdien.

Permeabilitetskoefficienten.

Optegnes tidskurven for primær konsolidering kan man for ler beregne permeabilitetskoefficienten ved ligning (10):

(10)

hvor

• K er konsolideringsmodulet, som bestemmes som tangenthældningen på primær grenen.

• H er prøvehøjde
• t er tiden for 50 % primær konsolidering

• g _W er vands rumvægt

Spændinger fra bygninger

Spændingsudvikling i dybden hidrørende fra en belastning i funderingsniveauet er som følger (11):

(11)

hvor s _Byg er fundamentstrykket, V er den lodrette belastning (nedad), b er bredden af fundamentet, l er længden af fundamentet og z er dybden til det betragtede lag. Forudsætningen er her, at trykket fordeler sig med forholdet mellem vandret og lodret som 1:2 .

Som det fremgår af udtrykket, så falder spændingen i jorden fra en bygningslast med dybden samtidig med at in-situ spændingen stiger.

Fundamentsberegning.

Selve fundamentstrykket per arealenhed (A) bestemmes traditionelt ved (jævnfør Hansen, 1961) (ligning (12)):

(12)

hvor

• g er jordens rumvægt

• b er fundamentsbredden
• N_i er dimensionsløse bæreevnefaktorer afhængig af friktionsvinklen
• s_i og i_i er dimensionsløse formfaktorer
• q er det effektive overlejringstryk
• c er den udrænede forskydningsstyrke

Brudkriteriet er i henhold til Mohr – Coulomb.

Ud fra de geologiske profiler forventes det, at bygningen er funderet direkte i moræneleret, selvom der er registreret op til 2 m fyld, som normalt betegnes som funderingsuegnede aflejringer. I leret er kortidsbæreevnen (ligning (13)):

Tilladelig belastning V/A

(13)

For at kunne bestemme den tilladelige belastning V/A skal den udrænede forskydningsstyrke, c_u , være kendt. Såfremt denne ikke er kendt ud fra eksisterende materiale bestemmes den i forbindelse med den geotekniske undersøgelse, som det fremgår af kap. 9.4.5.

Når fundamentsarealet eller fundamentsbredden per løbende meter fundament er kendt, kan spændingsniveauet som funktion af dybden under fundamentsunderkant beregnes og optegnes.

Denne fremgangsmåde til bestemmelse af maksimale belastninger er ikke den normale, men dog en metode der bestemmer den maksimale lodrette last jorden kan udsættes for, inden den går i brud. Den styrende parameter (c_u – værdien) behøver nemlig ikke nødvendigvis at være udnyttet fuldt ud i projekteringen af byggeriet.

Selvsagt kan der også være en risiko for, at den maksimale tilladelige beregningsmæssige belastning er overskredet, men dette vil være et særtilfælde. En byggeteknisk gennemgang vil redegøre for dette (jævnfør kapitel 9.4.5).

Deformationsberegning

Ved beregning af deformationer anvendes traditionelt følgende udtryk.

Kvadratisk fundament (14):

(14)

og for et stribefundament (15):

(15)

hvor d er tykkelsen af det betragtede lag.

Sammenfatning

Som det fremgår af ovenstående er det i afsnittet tale om en anskueliggørelse af beslægtede påvirkninger, overvejelser over risici og en opstilling af betydningsfulde geotekniske parametre og metoder til belysning af spændings- og deformationsforhold i jorden.