9 Geotekniske undersøgelsesmetoder
Dette afsnit beskriver metoder til geotekniske forundersøgelser af jordbunds- og grundvandsforhold i relation til projektering og udførelse af et bygværks fundamenter.
Forundersøgelserne omfatter dels 'indledende undersøgelser', der består af en systematisk indsamling af allerede foreliggende oplysninger, dels 'projektundersøgelser', der gennemføres på selve arealet med henblik på det konkrete projekt.
Indledende undersøgelser er beskrevet i afsnit 2.3.1, Indledende undersøgelser.
Projektundersøgelserne kan eventuelt opdeles i 'forberedende undersøgelser' på projektets indledende stade og 'detailundersøgelser', når projektet er helt fastlagt, bl.a. med hensyn til placering.
Både forberedende undersøgelser og detailundersøgelser kan udføres med anvendelse af enten indirekte eller direkte undersøgelsesmetoder.
Indirekte metoder består i indhentning af måleresultater fra jorden med forskellige former for udstyr anvendt fra terrænoverfladen.
Indirekte metoder omfatter:
- Seismiske og geoelektriske målinger
- Mekaniske sonderinger, fx tryksondering og dreje- eller rammesondering.
Direkte metoder omfatter bestemmelse af jordens art og egenskaber ved udtagning af prøver og udførelse af forsøg i gravninger eller prøveboringer.
Direkte metoder består for eksempel af:
- Gravning
- Vingeforsøg
- Håndboring
- Boring med hydraulisk boreværk.
I de følgende afsnit 9.1 og 9.2 beskrives de forskellige indirekte og direkte metoder nærmere.
9.1 Indirekte metoder
Seismiske og geoelektriske målinger
Til de indirekte metoder hører seismiske og geoelektriske målinger. Sådanne målinger kræver tolkning af specialister og anvendes sjældent i forbindelse med mindre bygninger.
Mekaniske sonderinger
Mere anvendt er mekaniske sonderinger med særligt udstyr. Det kan for eksempel være en standardiseret stålstang eller rør, der udstyret med en specialspids bringes ned igennem jordlagene ved drejning, tryk eller vibration. Samtidig måles passende størrelser, som kan give indtryk af jordens styrke og stivhed.
Tryksondering
Den bedste sonderingsmetode er tryksondering (Cone Penetration Test, forkortet CPT), som er illustreret i figur 29, figur 30 og figur 31. Ved denne metode anvendes en sonde, som presses ned i jorden med en kraft på op til 200 kN (20 t), og som måler nogle fysiske størrelser, der gør det muligt at fastslå, om sonden har penetreret sandet eller leret jord, samt fastlægge disse lags styrke. Der findes også sondetyper, som samtidig kan måle vandtrykket i jordens porer.
Med CPT er der i dag indvundet en omfattende erfaring i at tolke danske jordarters egenskaber. Det betyder, at CPT i dag er et af geoteknikerens vigtige værktøjer.
Figur 29. Ved forberedende undersøgelser kan jordens egenskaber vurderes ved hjælp af tryksondering (kaldet CPT), hvor en sonde presses ned i jorden ved hjælp af hydrauliske donkrafte.
Figur 30. Sonden er monteret i en speciel bil med hul i vognbunden (ved rød cirkel); bilen virker som modvægt. Under nedpresningen måles spidsmodstand qc og kappemodstand fs.
Dreje- eller rammesondering
Tidligere blev sonderinger normalt udført ved drejesondering med belastet spidsbor eller rammesondering.
Ved drejesondering registreres modstanden under en belastning på 1 kN (100 kg), og modstanden angives som antallet af halve omdrejninger, der skal præsteres for at få en snoet stålspids monteret på en stang til at synke 200 mm.
Ved rammesondering rammes en tilspidset sonde ned ved hjælp af lette ramslag, og modstanden måles ved at registrere antallet af slag pr. 200 mm nedsynkning.
Metoderne har en række svagheder, der betyder, at drejesonderinger nu kun sjældent bliver anvendt i Danmark. Dels søges jordens styrke bedømt ved en modstand, der ikke nødvendigvis står i noget bestemt forhold til den søgte egenskab, dels bliver der ikke optaget jordprøver eller indmålt vand-spejlsniveau.
Tolkningen af resultaterne er følgelig behæftet med stor usikkerhed, og det må derfor stilles som en ufravigelig betingelse for anvendelsen, at typiske sonderingsforløb sammenlignes med resultatet af geotekniske boringer, der er udført de samme steder.
Når forsøgene på trods af disse forbehold alligevel beskrives, skyldes det, at de fortsat finder anvendelse i områder, hvor der af pladshensyn ikke er adgang for andet udstyr.
Figur 31. Afsat som funktion af dybden udgør spidsmodstanden, qc, og kappemodstanden, fs, samt friktionsforholdet Rf = fs /qc ·100 %, forsøgets resultat. Herudfra kan der udledes oplysninger om lagfølge og laggrænser, styrke- og deformationsparametre samt lejringstæthed.
9.2 Direkte metoder
Gravning
Den simpleste metode til en direkte undersøgelse er en gravning af et lille hul, der for eksempel er 0,5 eller 1 meter dybt. Der kan fra dette hul optages jordprøver og opnås et direkte indtryk af jordlagene.
Vingeforsøg
Gravning kan med fordel suppleres med forsøg med vingeboret. Vingeboret er vist på figur 32 og består af en ca. 1,5 meter lang stålstang, der forneden er forsynet med fire vingeblade. Foroven er den forsynet med et målearrangement med en fjedervægt, som muliggør en måling af jordens modstand langs den cylinderflade, der vil fremkomme, når vingekorset langsomt drejes rundt. I kohæsionsjord kan den målte værdi direkte omsættes til vingestyrken, cv, der i de fleste kohæsive jordarter er identisk med den udrænede forskydningsstyrke, cu.
Vigtige undtagelser herfra er sprækkede lerarter, se afsnit 10.2, Jordartsbeskrivelse.
Undtaget er også jord med gytje eller tørv, hvor den målte vingestyrke er meget større end jordens forskydningsstyrke.
I friktionsjordarter er målinger af vingestyrken ikke direkte brugbare, men de kan indirekte belyse lejringstæthed og ensartethed.
Vingeforsøg repræsenterer (sammen med tryksondering) den bedste og sikreste metode til måling af kohæsionsjords forskydningsstyrke på en lokalitet og bør derfor indgå i alle direkte undersøgelser.
Figur 32. Vingeboret er en ca. 1,5 meter lang stålstang, som forneden er udstyret med fire vingeblade af passende stivhed og foroven er forsynet med en momentmåler i form af en fast arm og en drejearm samt en fjedervægt. Vingeboret slås ned i jorden, og for hver 0,2 meters dybde drejes boret langsomt rundt, idet man på fjedervægten aflæser jordens modstand mod forskydning langs cylinderfladen, som dannes af de fire vingeblade. Aflæsningen kan direkte omsættes til jordens forskydningsstyrke i de fleste kohæsionsjordarter (ler), men ikke i sprækkede lerarter. I friktionsjordarter (sand) kan målingerne give oplysninger om lagenes lejringstæthed og ensartethed. Vingeforsøgene er en velegnet metode til vurdering af de lerede jordarters bæreevne og bør derfor anvendes ved alle direkte undersøgelser.
Håndboring
Med håndbetjent boreudstyr, fx som vist i figur 33, kan der udføres uafstivede (uforede) borehuller til 2 til 3 meter under terræn.
Der skal udvises stor påpasselighed for at undgå, at materiale fra forskellige dybder bliver sammenblandet i det uforede borehul. Vingeforsøg kan udføres pr. 0,2 meter fra terræn til ca. 1,4 meter under bund af borehul, fordi den i figur 34 viste fremgangsmåde sikrer, at vingestangen højst er jorddækket langs 1,4 meter. Det er det maksimalt tilladte, fordi friktionen på stangen indgår som en fejlkilde i forsøget.
Der udtages prøver af jorden i alle jordlag, og laggrænsernes beliggenhed noteres. Prøvematerialet kan enten være omrørt (forstyrret), hvorefter det opbevares i lukkede plastposer, eller intakt, idet materialet gemmes indelukket i de prøverør, der er anvendt ved prøveudtagningen. På grundlag af prøverne beskrives jordarten, og den geologiske alder bestemmes.
Hvis der iagttages frit vand i gravningen, indmåles det. Med henblik på senere observationer kan der eventuelt efterlades et pejlerør. Dette kan bestå af et 32 mm plastrør, som forneden er hullet eller slidset. Udvendigt er det omgivet med sand eller grus, der forhindrer indtrængning af jord i røret.
Figur 33. Håndboreværktøj: Pælebor, spadebor og letvægtsboreudstyr med forskellige boreværktøjer.
Boring med hydraulisk boreværk
Hvor den nødvendige boredybde er større, gennemføres prøveboringerne normalt med hydrauliske borerigge monteret på terrængående lastbiler eller bæltekøretøjer.
De hydrauliske rigge skal (bør) kunne bore både med og uden foringsrør. For boredybder større end ca. 6 meter samt ved boring i sand under grundvandsspejlet anvendes altid foringsrør, men for at undgå sammenblanding med nedfalden jord anbefales det dog generelt at anvende foring, medmindre der er tale om relativt fast kohæsionsjord, hvor borehullets sider kan stå intakte uden støtte.
Figur 34. Udførelse af uforet håndboring med vingeforsøg.
- Først bores til ca. 1,4 meter og der udføres et håndvingeforsøg ved siden af borehullet.
- Med en ca. 3 meter lang håndvinge udføres et vingeforsøg fra bunden af borehullet. Vingens kurs vælges lidt skævt så fortsættelsen af borehullet ikke kommer til at ske i jord, der er forstyrret af vingen.
- Boredybden er øget til ca. 3 meter. Der er mulighed for at udføre vingeforsøg med forlænget håndvinge til i alt ca. 4,4 meter under terræn.
Håndboring uden foringsrør foregår normalt i dimensioner mellem 6 og 10 centimeter, og de kan udføres i lerede jordarter både over og under grundvandsspejlet samt i sand over grundvandsspejlet. Metoden er ikke anvendelig i sand under vandspejlet, fordi det uforede borehul straks falder sammen.
Boring med en hydraulisk rig sker efter samme principper som håndboring, dvs. ved hjælp af værktøj monteret på stænger, der roteres og presses nedad – og trækkes op igen – af riggens borehoved. Redskaberne kan for eksempel i sammenhængende jordarter bestå af kopbor eller snegl.
De fleste hydrauliske borerigge er desuden udstyret med et hydraulisk slagværk, der er i stand til at sætte stålwiren fra riggens spil i nogle små op- og nedadgående bevægelser, mens wiren er ført ned i borehullet med et redskab i enden. Denne form for boring kaldes også slagboring, og den er velegnet i sand under vand. Foringsrør er altid nødvendigt. Det mest benyttede slagboreredskab er et ventilbor (også kaldet sandspand).