Grovkorniga jordars mekaniska egenskaper: laboratorietester med storskalig skjuvapparat

Sammanfattning: Inom geotekniken har under en lång tid fokus legat på finkorniga jordar och
deras mekaniska egenskaper. Orsaken har inte bara varit att finkorniga
jordar representerar svårigheter vid byggande, till exempel i form av
sättningar och tjälskador, utan också för att det inte funnits möjligheter
att göra laboratorieförsök på material av grövre fraktioner på grund av
laboratorieutrustningens ringa storlek. Metodiken vid laboratorieförsök av
blandjordar har varit att plocka bort grövre fraktioner och enbart testa
jordens finare fraktioner.

Den vanliga metodiken med att enbart testa jordens finare fraktioner
fungerar i regel. Men ju mindre finmaterial som finns i det undersökta
materialet desto mer kan metodiken ifrågasättas. För att undvika denna
problematik och testa hela materialen oavsett fraktionsindelning behövs
storskaliga skjuvapparater. En stor skjuvapparat har tidigare tagits fram
vid LTU för studier av bland annat gummiklipps mekaniska egenskaper. I
detta examensarbete användes den storskaliga skjuvapparaten för att
undersöka de mekaniska egenskaperna hos tre grovkorniga material.
Materialen var en singelballast 16-32mm, ett krossmaterial från LKAB 0-
30mm, samt en blandjord (morän) 0-150mm från E.ON:s damm i Edensforsen.
Materialens egenskaper bestämdes och den storskaliga skjuvapparaten
utvärderades utifrån testerna.

Skjuvapparaten är en direkt skjuvapparat som skalats upp. Provdiametern är
hela 64cm vilket möjliggör studier grovkorniga material med partiklar upp
till cirka 200mm. Små förbättringar av försöksuppställningen har genomförts
under studiens gång och dessa redovisas. Ett antal tänkbara förbättringar
för att minska ledtider och effektivisera försöksförfarandet inför framtida
studier presenteras dessutom.

Materialegenskaperna har utvärderats med stöd av Mohr-Coulombs brotteori,
vilken beskrivs i teorikapitlet. Utöver detta behandlas fenomenen dilatans
och kontraktans samt låsningens, portalets, kornformens och
kornstorleksfördelningens inverkan på skjuvhållfasthet. Dagens etablerade
metoder för skjuvhållfasthetsbestämning samt ödometertestet beskrivs.

Utifrån utförda kompressionstester på singelballasten och krossmaterialet
utvärderades materialens kompressionsmodul, spänningsexponent och
kompressionsmodultal. För singelballasten erhölls en spänningsexponent på
0,92 samt kompressionsmodultal i storleksordningen 178-294. De motsvarande
värdena för krossmaterialet var 0,72 och 0,96 respektive 31-111 (m) för ej
packat och 83-107 (m) för packat prov. För blandjorden utfördes inte något
kompressionstest utan spänningsexponenten och ödometermodultalet
utvärderades enbart teoretiskt med utgång från d50-värde och porositet. För
det ej packade provet erhölls värden på 0,76 (beta) och 102 (m). För
blandjordens packade prov erhölls ett beta på 0,76 och m i
storleksordningen
102-103.

De uppmätta värdena på friktionsvinkeln för de undersökta materialen var
28° för singelballasten, 21,4° för krossmaterialet från LKAB samt 23°
respektive 24° för blandjorden från E.ON Edensforsen. Dessa värden är lägre
än de som redovisas i litteraturen men inte orimligt låga. I litteraturen
anges värden på friktionsvinklarna för liknande material till 30° och
uppåt. De uppmätta resultaten visar antingen på ett metodproblem relaterat
till skaleffekter eller på att litteraturen överskattat friktionsvinklarna
för grovkorniga material. Spänningsintervallet har betydelse för
friktionsvinkeln och detta kan vara en orsak till skillnaderna. I
examensarbetet studerades jordarnas beteende under relativt höga
normalspänningar, 50-500kPa. Jordmaterial har som regel lägre
friktionsvinkel vid höga spänningar jämfört med vad som erhålls för låga
och detta kan vara orsaken till de relativt låga värden som erhållits.