Modul K2.303: Kalk-/sementstabilisering – Prosjektering

Denne modulen forutsetter at

• du har satt deg inn i overordnet informasjon gitt i fase 2: Prosjektering av tiltak mot kvikkleireskred.
• sikringstiltaket er planlagt og blir utført etter tilhørende sider og moduler:
  • fase 1: Planlegging av tiltak mot kvikkleireskred
  • modul K3.303: Kalk-/sementstabilisering – Utførelse
  • fase 4: Forvaltning, drift og vedlikehold av tiltak mot kvikkleireskred.

Kalk-/sementstabilisering benyttes for å øke fastheten i leirvolumet, og kan enten utføres ved å installere kalk-/sementpeler eller som massestabilisering. Metoden er lite benyttet i forbindelse med å stabilisere naturlige skråninger, men kalk-/sementpeler kan installeres for å forbedre skråningsstabiliteten i både naturlige skråninger og skredgroper.  Toppmassene i skredgroper kan stabiliseres ved hjelp av massestabilisering. Kalk-/sementstabilisering er grunnforsterkningstiltak og det stilles krav til absolutt sikkerhetsfaktor etter NVEs veileder 1/2019. I denne modulen er hovedpunktene som omfatter kalk-/sementstabilisering i forbindelse med skråningsstabilitet og stabilisering av skredmasser i skredgroper inkludert.

Kalk-/sementstabilisering utføres ved at en visp roteres ned i leira og spyler ut tørt bindemiddel som blandes sammen med leira. Bindemiddelet kan bestå av en del brent (ulesket) kalk (heretter omtalt kun som kalk) og en del sement. For å redusere klimagassutslippene er det blant annet utviklet bindemiddelkombinasjoner der kalken er erstattet med restprodukter fra kalk- (lime kiln dust (LKD)) og sementproduksjon (cement kiln dust (CKD)).  

Kalk-/sementpeler kan installeres til cirka 20-25 meter dybde. Metoden egner seg derfor ikke til å stabilisere skråninger som er høyere enn 20 meter.

Kalk-/sementpeleriggene kan bevege seg i terreng med maksimal helning på 1:10. Dette medfører at de kun kan installere kalk-/sementpeler i aktiv og passiv sone der terrenget er relativt flatt, se figur 1. Den bratte delen av skråningen står uberørt, så lenge det ikke gjøres tiltak for adkomst inn i skråningen, se modul K3.303: Kalk-/sementstabilisering – Utførelse.

Massestabilisering utføres med en vispetrommel påmontert en gravemaskin. Helningsbegrensning må avklares med utførende entreprenør. Stabiliseringen kan utføres ned til 5-7 meter dybde, og kan dermed være egnet for å lage for eksempel anleggsvei gjennom en skredgrop med bløte, omrørte masser.

Dersom kalk-/sementpeler benyttes som stabilisering av naturlige skråninger, må det tas høyde for at installasjonsfasen fører til økt poretrykk og dermed midlertidig redusert stabilitet. Behovet for midlertidige stabiliserende tiltak i form av motfylling/avlastning må alltid vurderes, se figur 2 og modul K2.301: Motfylling og terrengavlastning i kvikkleireområder – Prosjektering.

Poretrykksmålere med fjernovervåking og minne skal installeres i skråningen for overvåking av poretrykket under installasjon. I tillegg kan det installeres helningsmålere med fjernovervåking for overvåking av deformasjoner.

I aktiv sone må avstanden mellom kalk-/sementribben og selve skråningen vurderes for å unngå at poretrykksøkning i toppen av skråningen utløser skred.

Kalk-/sementpeler kan enten installeres som enkel eller dobbel ribbe, gitter eller som blokk (se figur 1-7-3 i Statens vegvesens håndbok V221). For å øke sikkerheten i naturlige leirskråninger og skredgroper, installeres pelene i ribber parallelt med skråningshelningen (se figur 1a). Gitter og blokk benyttes først og fremst til traubunnsforsterkning for eksempel i forbindelse med fundamentering og veibygging.

I skråninger anbefales det å avslutte pelene ved ulik dybde for å unngå at det dannes en ny glideflate under ribbene. Se side 13-16 i NGFs Veileder for grunnforsterkning med kalksementpeler for utfyllende informasjon.

I henhold til Statens vegvesen håndbok N200 – Vegbygging, skal maksimal avstand mellom ribbene være 3,0 m. Dette for å unngå utglidning av ustabiliserte masser mellom ribbene.
Diameteren på pelene i ribber er som oftest 600-800 mm. Pelene installeres med en innbyrdes overlapp i ribbene på 10-15 cm for å sikre god kontakt mellom pelene.

Stabilitetsberegning med sammensatt glideflate langs soner der det er fare for redusert fasthet, må vurderes. For eksempel langs bunnen av kalk-/sementpelene. Stabiliteten under de mest kritiske fasene i anleggsarbeidet beregnes. I stabilitetsberegningene må plassering av rigg vurderes og inkluderes på toppen av skråningen dersom aktuelt.

I mange tilfeller med naturlige skråninger kan ikke en midlertidig reduksjon av stabilitet aksepteres. Det må da utføres midlertidige eller permanente stabiliserende tiltak i form av motfylling/avlastning. Tiltakene må ferdigstilles før installasjonsarbeidene starter.

For å unngå utspyling av bindemiddel i omgivelsene, tilsettes bindemiddel normalt ikke i den øvre 0,5-1,0 meter. Fasthet og stivhet reduseres ved boring gjennom soner der det ikke tilføres bindemiddel. I naturlige skråninger anbefales det derfor å tilføre bindemiddel helt opp til overflaten for å unngå overflateglidninger. Det må påses at dette kan utføres uten utblåsing av bindemiddel på overflaten, eller at det settes opp tette gjerder for å unngå at bindemiddelet sprer seg over et stort område.

Kalk-/sementpeler kan få en grovere struktur enn omkringliggende leire, og kan dermed føre til drenering av vann opp langs pelene. Det må påses at stabiliseringsarbeidene ikke medfører setningsskader på naboområder som på vei, jernbane og bebyggelse.

Grenseverdi for maksimalt tillatt poretrykksøkning

Installasjon av kalk-/sementpeler fører til økt poretrykk og dermed redusert skråningsstabilitet. Det kan ta fra dager til flere måneder å utjevne poreovertrykk som oppstår som følge av installasjonsarbeidene. Økt poretrykk reduserer fastheten i leira mellom pelene. Fastheten vil likevel øke i selve pelene grunnet pågående herdeprosess. Den største fasthetsøkningen inntreffer i løpet av de første 28 døgnene etter installasjon. Med dagens praksis oppnås ofte høy fasthet i pelene allerede i løpet av den første uken etter installasjon. Midlere fasthet for hele jordvolumet vil derfor øke etter hvert som tiden går og fastheten i pelene øker og poretrykket avtar.

Hvor lang tid det tar før poretrykket reduseres, avhenger av lokale grunnforhold. Det skal utføres følsomhetsstudier for å avdekke hvor følsom stabiliteten av skråningen er for massefortrengning og poreovertrykk. Det utarbeides grenseverdier for maksimalt tillatt poretrykksøkning som legges til grunn for oppfølging av installasjonsarbeidene. Arbeidene stanses dersom poretrykksøkningen når eller øker raskt opp mot den beregnede grenseverdien.

Grenseverdien kan fastsettes basert på stabilitetsberegninger, hvor man tar høyde for poretrykkets negative innvirkning på udrenert skjærfasthet i beregningene på totalspenningsbasis, og økt poretrykk i beregningene på effektivspenningsbasis. Dette må beregnes for lokale og globale bruddsituasjoner.

Poretrykket i skråningen skal overvåkes kontinuerlig under installasjon ved hjelp av poretrykksmålere med fjernavlesing og minne. Ved oppfølging av poretrykksmålinger er det viktig å se området under ett. Man må ha flere målere og det kan være at stabiliteten er tilfredsstillende selv om en enkelt poretrykksmåler i nærheten av installert pel viser poretrykk over grenseverdien.

For å redusere risikoen for høye poreovertrykk kan man:

• legge inn rekkefølgebestemmelser for installasjonsarbeidene
• installere vertikaldren mellom ribbene.

For å unngå poretrykksoppbygging over et stort område, kan man planlegge hvilken rekkefølge ribbene skal installeres i. Riggen flyttes da i større avstand fra ribben den nettopp har installert, og kommer tilbake for å installere naboribben når poretrykket har sunket/dissipiert.
Installasjon av vertikaldren mellom ribbene vil kunne bidra til å at poreovertrykket reduseres/dissipierer raskere (kapittel 1.6 i Statens vegvesens håndbok V221 og Statens vegvesens teknologirapport nr. 2496), og dermed begrense poretrykksoppbygging i skråningen. Dette er blant annet tidligere utført i forbindelse med sikring etter kvikkleireskredet i Kattmarka i 2009 (NGI, 2009), se figur 3. 

Kalk-/sementstabilisering er egnet til bruk i

• bløte leirer og siltige leirer
• kvikkleire
• middels faste leirer (udrenert skjærfasthet 25-50 kPa) og lav omrørt skjærfasthet
• torv og gytje (massestabilisering med sement)

Kalk-/sementstabilisering egner seg godt i normalkonsoliderte leirer/siltig leire og kvikkleirer da innblandingen krever lite energi, og styrkeoppbyggingen er høy. I leirer med udrenert skjærfasthet over 30 kPa krever innblandingen mer energi, og styrkeoppbyggingen er lavere. Innblandingsarbeidet blir vanskeligere dess fastere, og mer plastisk leira er. Dess høyere andel silt og sand i leira, desto mer energikrevende er innblandingsarbeidet, og det er vanskeligere å etablere homogene peler. Omrørt skjærfasthet spiller også en viktig rolle for å oppnå et godt resultat. Erfaringsmessig er det enklere å oppnå homogene peler i lavplastisk kvikkleire enn i leirer med høyere omrørt skjærfasthet og plastisitet. Les mer om innblandingsarbeid i modul K3.303: Kalk-/sementstabilisering – Utførelse.

Kalk-/sementstabilisering er ikke egnet der det er dypt til sprøbruddmaterialet/kvikkleira, eller der det er lag med høy fasthet som må forseres i grunnen. Vispen vil kunne forsere 1-2 meter tørrskorpe og 0,5 meter sand/grus (Statens vegvesens håndbok V221). I områder der toppmassene består av svært faste masser eller der topplagene er mektige, kan det være nødvendig å fjerne eller å utskifte masser før installasjon.

Det kan være stor variasjon i geotekniske parametere, kornfordeling og mineralogi i løsmasser klassifisert som leire og silt. Løsmasser fra ulike lokasjoner vil dermed kunne reagere ulikt på ulike bindemiddelkombinasjoner. Det bør derfor utføres innblandingsforsøk på laboratoriet for å finne ut hvilken bindemiddelkombinasjon som er best egnet for å oppnå ønsket fasthet i løsmassene som skal stabiliseres.

Kalk-/sement består som oftest av en del sement og en del enten kalk eller restprodukt som pipestøv eller bypasstøv fra enten produksjon av sement (CKD) eller kalk (LKD). Bruk av restproduktene CKD og LKD gir gunstigere utslag på klimagassberegningene. Det bør undersøkes nærmere hvorvidt utlekking fra stabilisert område kan påvirke nærliggende områder og resipienter negativt.

Ofte blandes 50% kalk eller CKD og 50% sement (50/50 kalk/sement), men sammensetninger 25/75 og 75/25 forekommer også avhengig av løsmassenes beskaffenhet. I henhold til side 113-123 i Statens vegvesens håndbok V221 – Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger bør sementandelen økes ved økende silt-, salt-, sulfidinnhold eller organiske innhold. 

Valg av kalk/sement-forhold avhenger også av ønsket sluttprodukt. Peler med høy andel kalk er seigere enn peler med høy andel sement. I skråningsstabilitet er det gunstig med en noe seigere oppførsel enn ved for eksempel brufundamentering og avstiving mellom spuntvegger. 

Kalken utvikler varme og dette vil i starten akselerere fasthetsutviklingen i sementen. Erfaringsmessig ser det ut til at CKD/sement har en noe saktere fasthetsutvikling grunnet lavere temperaturutvikling i starten av herdeforløpet. Over tid vil man som oftest oppnå samme fasthet ved å bruke CKD/sement som kalk/sement. Dette må imidlertid verifiseres med laboratorie- og/eller feltforsøk. 

Nødvendig mengde for å oppnå ønsket fasthet varierer fra en lokasjon til en annen. Anbefalte mengder finnes på side 43 i NGFs Veileder for grunnforsterkning med kalksementpeler og side 123 i Statens vegvesens håndbok V221 – Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger. Erfaringer fra de seneste årene viser at man også oppnår høy fasthet ved lavere innblandingsmengder enn det som er oppgitt i anbefalingene. Det anbefales å optimalisere mengde bindemiddel til de lokale grunnforholdene ved laboratorie- og helst også feltforsøk. Det er viktig å være klar over at det med dagens innblandingsutstyr er begrensninger for hvor lav innblandingsmengde det er mulig å tilføre i felt, og samtidig oppnå homogen pel. Begrensningene til innblandingsutstyret bør avklares med utførende entreprenør.

Større mengde tilsatt bindemiddel kan i tillegg medføre større volumøkning i grunnen. For stabilisering i kvikkleiresoner vil det være gunstig å velge en lav innblandingsmengde for å redusere faren for poretrykksoppbygning.

Nedre grense for nødvendig mengde bindemiddel avhenger av:

• kornfordeling
• vanninnhold
• humus-, salt- og sulfidinnhold
• type bindemiddel
• innblandingsutstyr- og arbeid
• herdeforhold

Forsøksstabilisering for bestemmelse av karakteristisk skjærfasthet

Før bindemiddel velges skal det utføres enten laboratorie- eller helst også feltforsøk for å verifisere at ønsket fasthet oppnås (NS-EN 14679).

Ved store prosjekter bør det installeres peler med ulik bindemiddelkombinasjon som grunnlag for valg av bindemiddel og mengde. Resultater fra prøvepelingen legges til grunn for dimensjoneringen, og kan også benyttes for å optimalisere bindemiddelmengden til de lokale grunnforholdene. Poretrykksmåling i forbindelse med prøvepeling vil også kunne gi en indikasjon på poretrykksoppbygging under installasjon, og dermed kunne benyttes til å planlegge avbøtende tiltak.

Oppnådd fasthet i felt er ofte høyere og fasthetsutviklingen skjer raskere enn i laboratorieforsøk. Dette skyldes blant annet at herdetemperaturen er høyere i pelene enn det som har vært tidligere praksis for herding av laboratoriepreparerte prøver (ca. 8 ^oC). I tillegg herdes laboratorieprøvene uten omslutningstrykk. I NGFs beskrivelsestekster for grunnundersøkelser (2020) er det nå spesifisert at bindemiddelstabiliserte prøver aldri skal lagres kjølig.

Etter cirka fire ukers herding kan en i norske forhold forvente en fasthet på 100-400 kPa i stabilisert materiale i pelen. Pelene kan være inhomogene, og kan derfor kun ta opp aksiallaster og skjærkrefter. I Statens vegvesens prosjekter benyttes det derfor styrketak for ulike installasjonsmønster (Figur 1-7-11 i Statens vegvesens håndbok V221):

• Dersom laboratorieforsøkene viser høyere styrke enn styrketaket så skal likevel styrketaket benyttes som karakteristisk fasthet i det bindemiddelstabiliserte materialet i pelen. Dersom laboratorieforsøkene viser lavere skjærfasthet, reduseres skjærfastheten i pelen tilsvarende.
• Dersom måling av oppnådd fasthet ved prøving av prøvepelene i felt viser høyere skjærfasthet enn styrketaket, så kan høyere skjærfasthet i pelene benyttes.

Hvilken fasthet som oppnås i pelen er avhengig av

• type bindemiddel
• mengde bindemiddel
• innblandingsmetode (visp, rotasjonshastighet, stigehøyde, tilførsel av luft)
• herdeprosess (tid, temperatur, sidetrykk)
• leiras egenskaper

Kalk-/sementstabilisering kan også benyttes for å stabilisere skredgroper. Dette kan enten utføres ved å installere kalk-/sementpeler i ribber, eller ved massestabilisering.

Kalk-/sementpeler i ribber benyttes for å stabilisere skredgropen, og sikre rask gjenoppbygging av området.

Massestabilisering har begrenset rekkevidde på cirka 5-7 meter dybde, og kan være egnet for å lage for eksempel anleggsvei gjennom en skredgrop der helningen er liten. Ved massestabilisering føres en vispetrommel opp, ned og sideveis slik at sement og eventuell kalk blandes inn i leira, se figur 4. Massestabilisering kan også utføres i ribber eller gittermønster. Dersom massene inneholder mye organisk materiale eller silt, anbefales det å bruke sement som bindemiddel.

I prosjekteringsfasen er det viktig å tenke på utførelsesfasen. Se modul K3.303: Kalk-/sementstabilisering – Utførelse for viktige arbeidsoperasjoner du må tenke på når du prosjekterer. I de følgende avsnittene omtales noen viktige momenter som må tas hensyn til i prosjekteringen.

Tillatt marktrykk for rigger

Kalk-/sementpeleriggene er relativt store og tunge, se figur 5. For å redusere marktrykket, er de fleste riggene beltegående.

Leverandørene har ulike typer rigg og nødvendig tilleggsutstyr. Vekt på maskin, beltetrykk og nødvendig areal for riggplass må avklares med valgt entreprenør. Det må enten stilles krav til maksimalt marktrykk i prosjekteringsforutsetningene, eller kontrolleres at prosjekteringsforutsetningene ikke endres som følge av tilgjengelig utstyr.

Norsk geoteknisk forening's kalk- og sementveiledning (NGF, 2012) oppgir følgende:

• Vekt på maskin: 15-50 tonn
• Marktrykk fra maskin: 24-50 kPa
• Marktrykk fra materialtankvogn: 40-60 kPa

Adkomst

Adkomst kan være utfordrende ved sikring av kvikkleireskråninger og skredgroper. Adkomst kan ha stor betydning for prosjekteringen og må derfor vurderes nøye tidlig i planleggingsfasen.

Det må påses nødvendig adkomst i forhold til gjennomføring av sikringstiltaket, tilgjengelighet for tankbiler med kalk/sement (aksellast, snuplass, riggplass/parkering), stabilitet under utførelse og HMS. Tilkomstveger til anlegget må ha tilstrekkelig vegkurvatur, tillatt maksimal høyde og aksellast for bilene som frakter riggen.

Dersom toppmassene er bløte, kan det være nødvendig å etablere et bærelag for riggen. Avhengig av stabiliteten, så kan dette enten gjøres ved masseutskifting, eller ved å etablere en gruspute. Type masser må avklares med entreprenør for å sikre at vispen klarer å bore seg gjennom massene. Erfaringsmessig kan bærelaget bestå av en opptil 1 m tykk gruspute.

Se figur 6 for et eksempel på overflatestabilisering. Se også modul K0.001: Anleggsvei og riggområde i kvikkleireområder.

Riggplass

I prosjekteringen må det påses at det er plass til tanker for lagring av kalk og sement (cirka 10 x 20 meter) og eventuell oppsamling av slam. Dersom riggplassen forverrer stabiliteten, så må det utføres kompenserende tiltak. Vekten på riggen, blandetanker og annet utstyr som oppholder seg på toppen av skråningen må tas inn som en del av prosjekteringsforutsetningene, se modul K0.001: Anleggsvei og riggområde i kvikkleireområder og modul K0.003: Deponering og mellomlagring av masser.

Oppfølging under installasjon av kalk-/sementstabilisering

Poretrykksmålere med fjernavlesning og minne installeres i skråningen for kontinuerlig overvåking av poretrykket under installasjonsarbeidene. Helningsmålere med fjernavlesing kan installeres i skråningen for å kunne oppdage begynnende bruddutvikling. Instrumentene installeres i god tid før oppstart av installasjonsarbeidene starter. Dette for å sikre stabile referanseverdier. Målerne følges opp kontinuerlig for å avdekke poretrykksøkning og deformasjoner.

Arbeidene stoppes umiddelbart dersom det oppstår:

• Deformasjoner
• Poretrykk tilsvarende grenseverdiene for maksimalt tillatt poretrykksøkning
• Rask poretrykksøkning opp mot grenseverdien

Disse modulene utdyper noen temaer som er relatert til modulen over:

• Modul K0.001: Anleggsvei og riggområde i kvikkleireområder
• Modul K3.303: Kalk-/sementstabilisering - Utførelse

Eurokode 7-1 Geoteknisk prosjektering – Del 1: Allmenne regler (NS-EN 1997-1:2004+A1:2013+NA:2020). Standard Norge.

Eurokode 7-2 Geoteknisk prosjektering – Del 2: Regler basert på grunnundersøkelser og laboratorieprøver (NS-EN 1997-2:2007+NA:2008). Standard Norge

Helle, T. E. et al. (2021) Ny laboratorieprosedyre for innblandingsforsøk av bindemiddelstabilisert leire, i Bjøru S. et al. (red.) 2021 Fjellsprengningsdagen, bergmekanikkdagen, geoteknikkdagen. Tilgjenglig på https://nff.no/wp-content/uploads/sites/2/2021/12/Fjellsprengningsbok-2021.pdf, side 45.1.

Kitazume, M. og Terashi, M. (2013) The deep mixing method. 1.utg. USA: CRC Press.

NGI (2009) Kvikkleireskred i Kattmarka, Namsos. Vurdering av stabilitetsforhold og sikringstiltak i Kattmarka. Rapport nr. 20091257-00-4-R. Datert 26. mai 2009. Oslo: NGI

Norsk Geoteknisk Forening (2012) Veiledning for grunnforsterkning med kalksementpeler. 1.utg. Oslo: Norbok

Norsk Geoteknisk Forening (2020) NGFs beskrivelsestekster for grunnundersøkelser. Melding nr. 10, Rev. nr. 2. Oslo: NGF

NS-EN 14679 Utførelse av spesielle geotekniske arbeider - Dypstabilisering - (innbefattet rettelsesblad AC:2006. (14679:2005). Standard Norge.

Statens vegvesen (2007) E18 Kopstad – Gulli. Erfaringer med bruk av vertikale dren. Statens vegvesens teknologirapport nr. 2496. Oslo: Vegdirektoratet.

Statens vegvesen (2014) Grunnforsterkning, fyllinger og skråninger – Håndbok V221. Oslo: Vegdirektoratet.

Statens vegvesen (2016) Laboratorieundersøkelser – Håndbok R210. Oslo: Vegdirektoratet. 

Statens vegvesen (2021) Vegbygging – Håndbok N200. Oslo: Vegdirektoratet.

Wiersholm P. (2018) Temperatureffekter i kalksementstabilisert leire. Masteroppgave. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet.

Åhnberg, H. og Holm, G. (1987) «Om inverkan av härdningtemperaturen på skjuvhållfastheten hos kalk og cementstabiliserad jord». SGI rapport nr. 30. Statens Geotekniska Institut, Linköping.

Åhnberg H. et al. (1995) «Cement och kalk för djupstabilisering av jord». SGI rapport no. 48. Statens Geotekniska Institut, Linköping.