Udrenert skjærfasthet (cᵤ) – styrken i leire ved rask belastning

Parameteren oppgis i kilopascal (kPa) og er sentral ved vurdering av stabilitet i skråninger, utgravinger og fyllinger. Her forklarer vi hva verdiene betyr, hvordan udrenert skjærfasthet bestemmes, og hvorfor riktig tolkning er avgjørende for geotekniske beregninger.

Hva er udrenert skjærfasthet?

Udrenert skjærfasthet er jordas motstand mot skjærbrudd under udrenerte forhold. I tilnærmet vannmettet leire innebærer dette at porevannet ikke rekker å strømme ut når belastningen endres. Vanninnholdet og volumet forblir da tilnærmet uendret under belastningen, mens poretrykket kan endres betydelig.

Udrenert skjærfasthet betegnes vanligvis med cᵤ, men også sᵤ brukes i faglitteraturen. Styrken uttrykkes i kPa, der 1 kPa tilsvarer 1 kN/m².

I forenklede totalspenningsanalyser kan udrenert skjærfasthet representeres med én styrkeparameter. Verdien er likevel ikke en konstant materialegenskap. Den påvirkes blant annet av spenningsnivå, spenningshistorie, jordstruktur og hvordan belastningen påføres.

Begrepet må ikke forveksles med skjærspenning. Skjærspenning beskriver belastningen som virker langs et plan, mens skjærfasthet beskriver hvor stor motstand jorda kan mobilisere før brudd. En bredere forklaring finnes i artikkelen om skjærstyrke i jord.

Udrenert skjærfasthet og udrenert skjærstyrke brukes i norsk geoteknikk i hovedsak som synonymer.

Figur: Udrenert skjærfasthet i sprøbruddleire fra 15 meters dybde i Oslo – reelle forsøksdata fra Geotekniker AS. Kurven viser resultatet fra et enaksialt trykkforsøk, der leirprøven oppnår en maksimal skjærspenning på ca. 27 kPa ved 2,5 % aksial tøyning. Deretter avtar styrken gradvis til ca. 18 kPa ved 12 % tøyning. Denne tøyningsmykningen illustrerer hvordan udrenert skjærfasthet kan reduseres etter at maksimal styrke er mobilisert. Resultatet understreker betydningen av å vurdere bruddutvikling, prøvekvalitet og valg av styrkeparametere ved stabilitetsberegninger. Klassifisering som sprøbruddleire krever imidlertid også dokumentasjon av omrørt skjærfasthet, eksempelvis ved konusforsøk.

Hva er typisk udrenert skjærfasthet i leire?

Udrenert skjærfasthet kan variere betydelig, både mellom forskjellige leiravsetninger og innenfor samme grunnprofil.

Norsk Geoteknisk Forening (NGF), melding nr. 2, angir følgende klassifisering av leire etter udrenert skjærfasthet:

Udrenert skjærfasthet, cᵤ	Klassifisering
Under 10 kPa	Meget bløt leire
10–25 kPa	Bløt leire
25–50 kPa	Middels fast leire
Over 50 kPa	Fast leire

Klassifiseringen gir et uttrykk for leiras konsistens, men er ikke en direkte vurdering av stabilitet eller bæreevne. En leire med 25 kPa kan inngå i både stabile og ustabile grunnforhold, avhengig av blant annet geometri, belastning, poretrykk og styrkefordeling.

I mange norske marine leiravsetninger øker den udrenerte skjærfastheten med dybden. Tørrskorpeleire nær terrengoverflaten kan imidlertid ha betydelig høyere styrke enn underliggende bløt leire. Derfor er det viktig å vurdere hele lagdelingen og ikke bare enkeltmålinger.

Hva er forskjellen mellom drenert og udrenert skjærfasthet?

Forskjellen mellom drenert og udrenert skjærstyrke handler om hvorvidt porevannet rekker å strømme gjennom jorda under belastningen.

Ved udrenerte forhold kan poretrykket endres uten at vannet rekker å drenere ut. Ved drenerte forhold får poretrykket anledning til å utjevnes, og jordas skjærfasthet vurderes vanligvis ut fra effektivspenningsparametere, særlig friksjonsvinkel og eventuell kohesjon eller attraksjon.

Det er ikke bare tiden som avgjør hvilken tilstand som oppstår. Jordas permeabilitet, dreneringslengde og belastningshastighet har også betydning.

Sand og grus har vanligvis så høy permeabilitet at ordinære belastningssituasjoner behandles som drenerte. I leire kan udrenerte forhold være dimensjonerende ved relativt raske terrenginngrep, for eksempel oppfylling eller utgraving.

Ved oppfylling på bløt leire kan korttidsstabiliteten være kritisk, mens konsolidering etter hvert kan øke styrken. Ved utgraving og avlastning kan utviklingen være annerledes, og langtidstilstanden kan bli dimensjonerende.

En geoteknisk vurdering må derfor avklare hvilke dreneringsforhold og belastningstilstander som er relevante for det aktuelle tiltaket.

Aktiv, direkte og passiv udrenert skjærfasthet (ADP)

Udrenert skjærfasthet er ikke nødvendigvis lik i alle retninger. Denne egenskapen kalles skjærfasthetsanisotropi og er særlig viktig ved stabilitetsberegninger i leire.

I geoteknisk prosjektering skilles det vanligvis mellom tre skjærtilstander:

• Aktiv skjærfasthet (A): Bestemmes normalt ved treaksialt kompresjonsforsøk.
• Direkte skjærfasthet (D): Bestemmes ved direkte skjærforsøk, ofte DSS-forsøk.
• Passiv skjærfasthet (P): Bestemmes normalt ved treaksialt ekstensjonsforsøk.

I mange norske leirer er den aktive udrenerte skjærfastheten høyere enn den direkte og passive. Hvor store forskjellene er, avhenger blant annet av plastisitet, spenningshistorie og leiras struktur.

Ved stabilitetsberegning av en skråning kan ulike deler av en glideflate mobilisere forskjellige skjærtilstander. Dersom aktiv skjærfasthet benyttes ukritisk langs hele glideflaten, kan beregningen overvurdere tilgjengelig motstand.

ADP-analyser brukes derfor for å beskrive forskjellen mellom aktiv, direkte og passiv skjærfasthet. Anisotropiforholdene bør fastlegges ut fra relevante laboratorieforsøk, stedsspesifikke data og dokumenterte korrelasjoner, ikke bare generelle standardforhold.

Dette er særlig viktig ved vurdering av stabilitet i kvikkleire og andre sprøbruddmaterialer.

Hvordan bestemmes udrenert skjærfasthet?

Udrenert skjærfasthet kan undersøkes både i felt og laboratorium. Ulike metoder gir forskjellige typer informasjon, og resultatene må tolkes samlet.

CPTU-sonderinger gir kontinuerlige målinger av spissmotstand, sidefriksjon og poretrykk under nedpressing av en sonde. Resultatene kan tolkes til en udrenert skjærfasthetsprofil ved hjelp av empiriske sammenhenger og relevante konfaktorer.

Konfaktorene er ikke universelle. Valg av faktor må vurderes mot blant annet jordart, spenningshistorie og tilgjengelige laboratorieforsøk.

Vingeboring gir målinger av udrenert skjærfasthet direkte i grunnen. Resultatene kan være nyttige som supplement, men påvirkes av blant annet jordart, anisotropi og forsøksforhold. Målingene må derfor tolkes og eventuelt korrigeres før prosjekteringsbruk.

I laboratoriet kan skjærfastheten bestemmes gjennom konusforsøk, enaksialforsøk, treaksialforsøk og direkte skjærforsøk.

Konusforsøk på uomrørte og omrørte prøver gir blant annet grunnlag for å bestemme sensitiviteten, som uttrykker forholdet mellom styrken før og etter omrøring.

Den omrørte skjærfastheten, cᵤ,r, er særlig viktig ved identifisering av sprøbruddmaterialer. NVE definerer sprøbruddmateriale med omrørt skjærfasthet på høyst 2,0 kPa etter NS 8015, tilsvarende 1,27 kPa etter ISO 17892-6:2017.

Materialets egenskaper og betydningen for områdestabilitet behandles nærmere i artikkelen om sprøbruddleire.

Udrenert skjærfasthet og dybde – hvordan velges en styrkeprofil?

Ved geoteknisk prosjektering er det vanligvis ikke tilstrekkelig å kjenne skjærfastheten i ett enkelt punkt. Det må etableres en representativ styrkefordeling gjennom de aktuelle jordlagene.

I normalkonsolidert leire vil udrenert skjærfasthet ofte øke med dybden som følge av økende effektivspenning. Overkonsolidert leire kan ha høyere normalisert styrke som følge av tidligere belastningsforhold.

Styrkeprofilen fastlegges ved å sammenstille resultater fra feltundersøkelser, laboratorieforsøk og kunnskap om grunnforholdene.

CPTU kan gi et detaljert bilde av variasjonen med dybden, mens laboratorieforsøk bidrar til å vurdere styrkenivå, anisotropi og jordas spenningshistorie.

En viktig del av vurderingen er å skille mellom reell variasjon i jordas egenskaper og forskjeller som skyldes forsøksmetode eller prøvekvalitet. Tørrskorpe, svakere lag og lokale avvik må vurderes særskilt.

Den valgte styrkeprofilen skal være faglig begrunnet og representativ for problemstillingen. Det betyr ikke nødvendigvis at den skal ligge under alle måleresultater, eller følge gjennomsnittet av dem.

Resultater fra en geoteknisk datarapport er derfor ikke automatisk ferdige prosjekteringsparametere. Det kreves en geoteknisk tolkning for å fastlegge hvilke verdier som skal benyttes videre.

Hvorfor kan forskjellige undersøkelser gi ulik skjærfasthet?

Det er ikke uvanlig at CPTU, konusforsøk, vingeboring og treaksialforsøk gir ulike styrkeverdier fra tilsynelatende samme leirlag.

Forskjellene kan skyldes at metodene mobiliserer styrken på forskjellige måter, men også variasjoner i spenningsnivå, prøvekvalitet og belastningshastighet.

Prøveforstyrrelse kan ha stor betydning, særlig i sensitive leirer. Selv om en prøve fremstår som intakt, kan opptak, transport og preparering ha påvirket jordstrukturen.

En geotekniker må derfor vurdere resultatene samlet. Valg av karakteristisk skjærfasthet handler om å fastsette et forsiktig og representativt anslag for den aktuelle beregningssituasjonen, ikke om å velge én vilkårlig måling.

Udrenert skjærfasthet i stabilitetsberegninger

Udrenert skjærfasthet er en sentral parameter i stabilitetsberegninger for leire.

Ved totalspenningsanalyse vurderes stabiliteten ut fra jordas udrenerte styrke. I analyser med anisotrop styrke fordeles aktiv, direkte og passiv skjærfasthet i samsvar med valgt beregningsmodell.

Beregnet sikkerhet avhenger både av styrkeparameterne og av hvordan terrenggeometri, jordlagdeling, poretrykk og belastninger representeres.

For områder med kvikkleire eller andre sprøbruddmaterialer stiller NVE særskilte krav til dokumentasjon av stabilitet. Kravene til sikkerhetsfaktor og eventuell prosentvis forbedring avhenger blant annet av tiltakskategori, eksisterende sikkerhet og om tiltaket forverrer stabiliteten.

Denne artikkelen omhandler først og fremst styrkeparameteren. Selve beregningsmetodikken og dokumentasjonen av sikkerhet behandles i artikkelen om stabilitetsberegning.

Når bør udrenert skjærfasthet vurderes av en geotekniker?

Har du en geoteknisk datarapport med resultater fra CPTU eller laboratorieforsøk, er det viktig å avklare om verdiene kan brukes direkte, eller om det er nødvendig med videre tolkning og supplerende undersøkelser.

Dette er særlig aktuelt ved utgraving, oppfylling, fundamentering og terrenginngrep i områder med leire.

Geotekniker AS kan bistå med geoteknisk vurdering av rapportgrunnlaget, tolkning av styrkeparametere og geoteknisk prosjektering. Vi vurderer hvilke undersøkelser og beregninger som er nødvendige for det aktuelle tiltaket.

Ta kontakt dersom du har en geoteknisk rapport eller trenger vurdering av stabiliteten i grunnen.

Ofte stilte spørsmål om udrenert skjærfasthet

Hva betyr udrenert?

Udrenert betyr at porevannet ikke rekker å strømme ut av jorda under belastningen. I vannmettet leire kan dette medføre endringer i poretrykket, mens volumet forblir tilnærmet uendret.

Hva er forskjellen på drenert og udrenert skjærfasthet?

Udrenert skjærfasthet beskriver jordas styrke når porevannet ikke rekker å drenere ut. Drenert skjærstyrke beskriver styrken under forhold der poretrykket kan utjevnes, og vurderes vanligvis med effektivspenningsparametere.

Hva er en vanlig udrenert skjærfasthet i leire?

NGF klassifiserer leire med udrenert skjærfasthet under 10 kPa som meget bløt, 10–25 kPa som bløt, 25–50 kPa som middels fast og over 50 kPa som fast. Faktiske verdier varierer med grunnforholdene.

Hva er forskjellen på udrenert skjærfasthet og skjærstyrke?

I norsk geoteknisk fagspråk brukes begrepene i hovedsak om samme egenskap: jordas motstand mot skjærbrudd under udrenerte forhold.

Kan jeg bruke cᵤ-verdiene fra en geoteknisk rapport direkte?

Det avhenger av hvordan verdiene er presentert. En datarapport kan inneholde målte og tolkede forsøksresultater, mens en prosjekteringsrapport kan angi valgte styrkeparametere. Før verdiene brukes i nye beregninger, må det kontrolleres om de er representative for den aktuelle problemstillingen.

Kilder

• Norsk Geoteknisk Forening – melding nr. 2: Symboler og definisjoner i geoteknikk, revidert 2011
• NVE – veileder 1/2019: Sikkerhet mot kvikkleireskred
• NVE/NIFS – rapport 14/2014: En omforent anbefaling for bruk av anisotropifaktorer i prosjektering i norske leirer