Modul K3.304: Saltstabilisering – Utførelse

Denne modulen forutsetter at

• du har satt deg inn i overordnet informasjon gitt i fase 3: Utførelse av tiltak mot kvikkleireskred.
• sikringstiltaket er planlagt og prosjektert etter tilhørende sider og moduler:
  • fase 1: Planlegging av tiltak mot kvikkleireskred 
  • modul K2.304: Saltstabilisering – Prosjektering
  • fase 4: Forvaltning, drift og vedlikehold av tiltak mot kvikkleireskred.

Saltstabilisering av kvikkleire er en relativt ny metode der kvikkleiren stabiliseres ved bruk av saltet kaliumklorid (KCl). Denne metoden kan benyttes til å forhindre utvikling av store kvikkleireskred ved at saltet skaper sterkere kjemiske bindinger i leira slik at den ikke lenger er kvikk. Denne modulen handler om hvordan denne metoden utføres i praksis. 

Det finnes per i dag ingen standard prosedyre for installasjon av saltbrønner. I Norge ble saltbrønner installert i forbindelse med følgende prosjekt nevnt i avsnittet Tidligere installastjonsarbeider.

Installasjonsprosedyrene skal være beskrevet som en del av prosjekteringsdokumentasjonen.

Følgende må tas hensyn til ved planlegging av installasjonsarbeidene:

• Høye poretrykk må unngås under installasjon.
• Poretrykksmålinger følges opp slik at poretrykk ikke overstiger beregnede grenseverdier for poretrykksoppbygging.
• KCl-brønnene må tettes i områder med underhydrostatisk poretrykk og/eller hengende grunnvannsnivå.
• KCl-brønner anbefales ikke installert i områder med artesisk poretrykk.
• KCl skal ikke søles ut på terrengoverflaten under installasjon.
• KCl-brønner skal ikke føre til forurensning av drikkevannskilder (Drikkevannsforskriften, 2016).
• KCL-brønner skal ikke føre til økt saltholdighet på terreng/i vann som kan være til skade for flora og fauna (Forurensningsloven § 7, 1981).

Poretrykksøkning kan skje som følge av installasjonsarbeid. Dette kan føre til redusert stabilitet. Det anbefales derfor at installasjonsprosedyren som velges først prøves ut og overvåkes (kontinuerlig fjernovervåking av poretrykket under installasjon) i et område med kvikkleire som ikke er skredutsatt. Dersom dette ikke er mulig, anbefales det å begynne installeringen i det minst kritiske området med kontinuerlig overvåkning av poretrykksutviklingen.

Under prosjekteringen utarbeides det grenseverdier for maksimalt tillatt poretrykksøkning. Det må påses at poretrykket ikke overstiger grenseverdiene under installasjon. Installasjonen må utføres svært skånsomt slik at trykkøkning i grunnen minimeres eller helst unngås som følge av for eksempel massefortrengning, eller høyt påført trykk under boring eller tilførsel av salt.

Lufttrykk skal ikke benyttes i kvikkleire da man har mindre kontroll med luft enn med vann.

KCl-brønnene må tettes ved underhydrostatisk poretrykk 

Dersom brønnene installeres i områder der det er hengende grunnvann og underhydrostatisk trykk (Figur 1a), så vil installasjon av saltbrønner medføre punktering av tette lag mellom det hengende grunnvannet og dypereliggende lukkede akviferer (vannførende lag). Dermed blir det påsatt et vannspeil i brønnen som er i nivå med det hengende grunnvannsspeilet. Følgen av dette er et høyere poretrykk i omkringliggende masser enn opprinnelig (Figur 1b). For å unngå dette, må brønnene tettes med for eksempel bentonitt etter at saltet er installert.

Miljøulemper

Salt skader vegetasjonen. Det må derfor passes på at utslipp av KCl på terrengoverflaten unngås under installasjon (Figur 2). Dersom det benyttes KCL-slurry, så må boreslammet samles opp i egne tanker.

Slam fra forboringen må forhindres fra å renne ut i vassdrag.

Grundig hydrogeologisk kartlegging må utføres før installasjonsarbeider for å avdekke eventuelle permeable lag som kan føre til økning av kloridinnhold i nærliggende drikkevannskilder. Det bør tas vannprøver fra nærliggende drikkevannskilder, elver og bekker under installasjonsarbeidene. Arbeidene avsluttes dersom kloridkonsentrasjonen øker.

Ulike installasjonsprosedyrer for saltbrønner er tidligere prøvd ut (se avsnitt "Tidligere installasjonsarbeider"). Kostnadene knyttet til disse installasjonsmetodene er store. Skånsomme og kostnadseffektive installasjonsprosedyrer for saltbrønner må utvikles. Skånsom installasjon med lav poretrykksrespons og minimale miljøulemper er mulig ved å:

• forbore med spyleboring
• installere saltet som staver med sammenpresset kaliumklorid
• tette borhullet med bentonitt

Overflateforurensning unngås ved å installere saltet som staver med sammenpresset salt i stedet for som slurry. Saltstaver gir også homogen fordeling av saltet over hele dybden.

Videreutvikling av installasjonsprosedyrene bør tilfredsstille følgende:

• minimere poretrykksoppbygging i leira
• installasjon av minimum 5 kg KCl/m brønn, men helst 10 kg KCl/m brønn
• minst mulig brønndiameter
• installasjonen kan utføres til 25-30 m dybde
• forboring, installasjon av salt og tetting med bentonitt utføres i en operasjon

Ved å benytte større borerigger, som for eksempel rigger for installasjon av vertikaldren, vil en trolig kunne installere saltbrønner mer effektivt. Installasjon av saltbrønner med lette borerigger, som for eksempel geotekniske grunnundersøkelsesrigger, har fortrinn ved at:

• de kommer til i ulendt terreng,
• det trengs ikke å anlegges bærelag før installasjon,
• det kan utføres i områder der det er plassbegrensning.

Endringer i poretrykk, porevannskjemi og geotekniske egenskaper skal følges opp for å sikre at:

• installasjonsarbeidene ikke medfører redusert skråningsstabilitet,
• ønsket stabiliseringseffekt oppnås.

Poretrykksoppfølging

Poretrykksutviklingen skal overvåkes kontinuerlig under installasjon både i flere ulike lokasjoner på området som skal stabiliseres, og i ulike dybder.

Det utarbeides grenseverdier for maksimalt tillatt poretrykksøkning i prosjekteringsfasen i forkant av installasjon av saltbrønnene. Poretrykksmålere med fjernovervåking og minne installeres som et minimum langs det mest kritiske profilet i skråningen, og plasseres mellom saltbrønnene som installeres i en avstand fra saltbrønnene på maksimalt 1 m. Se Modul K2.304: Saltstabilisering – Prosjektering.

Følgende må følges opp under installasjonsarbeidene:

• Poretrykksutviklingen overvåkes kontinuerlig under installasjon og de første seks timene etter ferdig installasjon.
• Poretrykket logges hvert minutt under installasjon og de første 24 timer etter ferdig installasjon.
• Poretrykksutvikling følges opp fram til poretrykket har stabilisert seg, og over minimum tre måneder etter installasjon ved å logge poretrykket en gang i døgnet.

Grunnvannsprøver

Filterspisser for grunnvannsprøver installeres i leirvolumet i ulik avstand fra KCl-brønnene, fortrinnsvis 0,5 m og 1,0 m fra saltbrønnene. Grunnvannsprøver tas opp minimum en gang i halvåret for å overvåke hvordan porevannskjemien endrer seg over tid. Informasjonen benyttes for å kontrollere hvor fort leirvolumet stabiliseres.

Grunnundersøkelser

Resistivitetsmålinger kan benyttes for å kartlegge hvordan saltet sprer seg rundt brønnene. Trykksondering med resistivitetsmåling (RCPTU-sonderinger) utføres i området for å kartlegge hvordan saltet sprer seg og for å tolke geotekniske egenskaper. Udrenert skjærfasthet øker ikke i saltstabilisert leire (Helle, 2019). Tolking av skjærfasthet fra CPTU-resultater kan indikere en økning også i udrenert skjærfasthet grunnet økt spissmotstand i saltstabilisert leire. Dette er ikke tilfelle. Den økte spissmotstanden og friksjonen som observeres fra CPTU-sonderingene skyldes den økte plastisiteten i saltstabilisert leire. Tolket økt normalisert spissmotstand og redusert poretrykksrespons i saltstabilisert leire indikerer forbedring av leirens omrørte egenskaper.

Resistivitetsmålinger fra terreng (Electrical Resistivity Tomography) har vist seg å ha for lav oppløsning med dybden til å kunne detektere endringer i resistivitet over såpass små diametere (Bazin et al., 2016).

Uforstyrrede prøver skal tas opp fra leirvolumet for å dokumentere at ønsket effekt er oppnådd. Det anbefales å ta opp 54 mm stålsylinderprøver for rask (maksimalt 1 døgn etter prøvetaking) utskyving og testing på laboratoriet. Saltstabilisert leire er veldig seig, og det er derfor vanskelig å ta opp høykvalitetsprøver med større diameter.

Saltstabilisering ved introduksjon av høye konsentrasjoner av KCl fører til permanent endret ionekomposisjon i porevannet. Til tross for utvasking som med tiden vil føre til reduksjon i saltinnholdet, så vil leira aldri bli kvikk igjen. Det er derfor ikke behov for FDV-tiltak.

Saltbrønner er hittil installert ved først å forbore, for så å fylle salt i borhullet. Forboring er utført ved spyleboring og ramboring. Saltet er fylt i borhullet enten som finmalt salt, saltslurry, eller som sammenpressede saltkuber.

De ulike installerte saltbrønnene er kort beskrevet i avsnittene under. Du kan lese mer om i: 

• Fullskala i forbindelse med uttrauing for ringvei gjennom Ulvensplitten, Oslo i 1972 som beskrevet i
  • Stability of excavations improved by salt diffusion from deep wells (Eggestad og Sem, 1976)
  • Long-term-effect of potassium chloride treatment on improving the soil behavior of highly sensitive clay – Ulvensplitten, Norway (Helle et al., 2016)
  • Stabilisering av kvikkleirer med kaliumklorid - Langtidseffekt Ulvensplitten og Dragvoll (Helle, 2019)
• Doktorgradsavhandling med feltforsøk på Dragvoll, Trondheim 2013
  • Quick-clay landslide mitigation using potassium chloride (Helle, 2017)
• FoU-prosjekt Saltstabilisering av kvikkleire (SAK) på Norwegian GeoTest-Site Tiller-Flotten (NGTS), Trondheim 2018/2019
  • Saltstabilisering av kvikkleire – Arbeidspakke 1: Installasjonsmetoder (Helle et al., 2019)

Erfaringer og anbefalinger til installasjon er beskrevet i rapport for arbeidspakke 3 i FoU-prosjektet

• • Saltstabilisering av kvikkleire (SAK) – Arbeidspakke 3: Evaluering og anbefalinger (Helle, 2021)

Spyleboring og saltslurry eller saltstaver, NGTS Tiller-Flotten 2018/2019

Ulike skånsomme installasjonsprosedyrer for saltbrønner er prøvd ut i FoU-prosjektet Saltstabilisering av kvikkleire (SAK) (2018-2019). Prosedyrene innebar forboring av borhull ved hjelp av spyleboring med borkroner tilpasset boring i leirer (figur 3 og figur 4). KCl ble deretter tilsatt enten ved å pumpe ned KCl-slurry, eller ved å dytte ned forhåndsproduserte staver av sammenpresset KCl (se videoene under).

Poretrykksresponsen som følge av installasjonsarbeidene var liten, med et forbigående poreovertrykk som vedvarte noen fåtalls timer (2-9 timer) før poretrykket sank til lavere nivåer enn opprinnelig. Følgende ble observert (Helle et al., 2021):

• 0,5 m fra saltbrønn: maksimalt poreovertrykk på 2,3-8,7 kPa ble observert 3,5-5,5 timer etter start av installasjonsarbeidene.
• 1,0 m fra saltbrønn: maksimalt poreovertrykk på 0,6-4,4 kPa ble observert 1,1-9,6 timer etter start av installasjonsarbeidene.
• Lavest poreovertrykk ble observert for installasjon av KCl-staver.

Installasjonsprosedyren med forboring, installasjon av salt og tetting av borhull er imidlertid svært ressurskrevende. Installasjonsarbeidet er mest effektivt og risiko for overflateforurensning minimeres, ved å installere saltet kaliumklorid som staver med sammenpresset salt. Det bør tilstrebes å installere mest mulig salt i brønner med minst mulig diameter. Det anbefales å installere minimum 5 kg KCl/m brønn, og helst 10 kg KCl/m brønn.

Video 1: Forboring i leire. 90 mm hull ble forboret ved hjelp av spyleboring for å unngå kollaps av borhull. Hullene ble deretter fylt med enten saltslurry eller saltstaver. (Video: Statens vegvesen)

Video 2: De forborede hullene ble fylt med tyktflytende saltslurry. (Video: Statens vegvesen)

Video 3: Montering av 1 m lange saltstaver med gjenger i endene slik at de enkelt kunne monteres på stedet. (Video: Statens vegvesen)

Ramboring og spyleboring, Ulvensplitten i Oslo 1972

Saltbrønnene på Ulvensplitten ble installert med boremetoder benyttet for installasjon av sanddren, ramboring og spyleboring, se figur 5. Det ble installert totalt 2629 brønner i rutenett med senter-til-senter avstand på 1,5 m over et relativt flatt område på omtrent 6000 m². Brønnene hadde en diameter på 15 cm og ble installert til 15-16 m dybde. Totalt forbruk av KCl var på omtrent 640 tonn. Installasjonsarbeidene varte fra 4. april til 25. september 1972.

Spyleboringen førte til svært mye slam på overflaten. Borehullene ble tømt for vann og fylt med KCl ved å helle saltet ned i hullet, helt til det nådde terrengoverflaten.

Ramboringen ble utført med stålrør med et lokk i enden for å hindre at leirmasser fylte røret. Saltet ble helt direkte i stålrørene før det ble trukket opp. Saltet festet seg i stålrøret, og ble med opp under trekking av rørene. Det ble derfor satt på et lufttrykk i toppen av røret for å få saltet ut. Ramboringen førte til massefortrening.

Det ble ikke målt hvordan poretrykket ble påvirket under installasjon. Det ble heller ikke kontrollert om saltet ble homogent fordelt over hele brønnens dybde.

Miljøbrønnrør med mulighet for etterfylling, Dragvoll 2013

Det ble installert seks brønner fylt med KCl i kvikkleira på Dragvoll i Trondheim. Borehullene ble forboret med naver. Miljøbrønnrør i polyetylen (PE-rør) med ytre diameter 63 mm ble fylt med KCl og installert i borehullene. Brønnene ble installert til 8 m dybde, med en perforert seksjon fra 4 til 8 m dybde, se figur 6. En geotekstil ble surret rundt den perforerte seksjonen for å hindre leirmasser å komme inn i brønnen og for å sikre at saltløsningen kom i kontakt med leira rundt hele omkretsen. Brønnene ble etterfylt med KCl jevnlig for å opprettholde mettet løsning med KCl i brønnen.

Det ble ikke målt hvordan installasjonen påvirket poretrykket. 

Disse modulene utdyper noen temaer som er relevante for modulen over:

• Modul K2.304: Saltstabilisering – Prosjektering
• Modul F0.101: Miljøtilpassing av sikring i vassdrag

Bazin, S., Anschütz, H., Sauvin, G., Helle, T.E., Gribben, S., Donohue, S. og Long, M. (2016) Geophysical characterisation of marine and quick clay sites: field and laboratory tests, i Lehane, B., Acosta-Martinez, H.E. og Kelly, R. (red.) Proceedings of the 5th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization (ISC’5), vol. 2. Australia: Australian Geomechanics Society, s.  831-836.

Drikkevannsforskriften. Forskrift 22. desember 2016 nr. 1868 om Forskrift om vannforsyning og drikkevann. 

Eggestad, A.og Sem, H. (1976) Stability of excavations  improved by salt diffusion from deep wells. Proceedings of the 6th European conference on soil mechanics and foundation engineering, Vienna, Austria. Austria: ISSMFE Austrian National Committee, s. 211-216.

Forurensningsloven. Forskrift 13. mars 1981 nr. 6 om Lov om vern mot forurensninger og om avfall.

Helle T.E., Nordal S., Aagard P., Lied O.K. (2016)  Long-term-effect of potassium chloride treatment on improving the soil behavior of highly sensitive clay – Ulvensplitten, Norway. Canadian Geotechnical Journal. 53. 410-422. Doi: 10.1139/cgj-2015-0077

Helle, T.E. (2017) Quick-clay landslide mitigation using potassium chloride. Doktoravhandling. Trondheim: Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet.

Helle T.E. (2019) Stabilisering av kvikkleirer med kaliumklorid - Langtidseffekt Ulvensplitten og Dragvoll. Statens vegvesen rapport nr. 223. Oslo: Vegdirektoratet. Tilgjengelig fra: https://vegvesen.brage.unit.no/vegvesen-xmlui/handle/11250/2616707 (Hentet: 14.11.2022)

Helle T.E. (2021) Saltstabilisering av kvikkleire – Arbeidspakke 3: Evaluering og anbefalinger. Oslo: Vegdirektorat. Tilgjengelig fra: https://vegvesen.brage.unit.no/vegvesen-xmlui/handle/11250/2725174 ( Hentet: 14.11.2022)

Helle T.E., Kirkevollen O.V., Bache B.K.F. og Le T.M.H. (2019) Saltstabilisering av kvikkleire – Arbeidspakke 1: Installasjonsmetoder. Oslo: Vegdirektoratet, Tilgjengelig fra:  https://vegvesen.brage.unit.no/vegvesen-xmlui/handle/11250/2725161 ( Hentet: 14.11.2022)

Helle T.E., Kvennås M., Kirkevollen O.V., Hamel B., Bache B.K.F., Strand S.A., Svanø G., Gylland A., Haugen E., Wiig T. og Horn A. (2021) Quick-clay landslide mitigation using potassium-chloride wells: Installation procedures and effects. Proceedings of the 18th Nordic Geotechnical Meeting, Helsinki, Finland, 2021.