Geoteknikk

Geoteknikk er ingeniørvitenskapen som omhandler jorden når en bygger i eller på den, som regel i form av anleggs- og fundamenteringsarbeider. Det er altså en anvendt vitenskap, der forståelse av jordens oppbygning og endring (geologi) og bevegelse (mekanikk) er mest sentrale naturvitenskapelige grener. Fagspesialisten betegnes som geotekniker (typisk rådgivende ingeniør geoteknikk, RIG). Geoteknikken i Norge fokuserer generelt på sedimenter (løsmasser over berg), mens man ellers i verden skiller mindre mellom fast fjell og sedimenter.

Geotekniske grunnundersøkelser omfatter kartlegging av grunnens styrkeparametere som er nødvendige for å estimere setninger og stabilitet til bygninger. Slike undersøkelser danner som regel grunnlag for vurderinger i alle prosjekter.

 Jordmekanikk 
I geoteknisk ingeniørfag vurderes jord å være et materiale bestående av i tre uavhengige faser: Faste bergarts- eller mineralpartikler, flytende vann og luft. Porerommet mellom faste partikler består av vann og luft, helt eller delvis.

Forskere
Karl Terzaghi (1883 - 1963) regnes som far for moderne lære om grunnens mekaniske oppførsel.Soil Mechanics, Lambe,T.William and Whitman,Robert V., Massachusetts Institute of Technology, John Wiley & Sons., 1969.

Norsk geoteknikk fikk en kraftig oppsving som følge av de store investeringene i Nordsjøen. Kjente norske forskere er:
Kaare Høeg
Laurits Bjerrum (Opprinnelig dansk)
Nilmar Janbu

Parametere
Geoteknikken benytter et antall parametere som beskriver jordens egenskaper, blant annet:
 Tyngdetetthet, γ Samlet vekt av de faste partiklene, vann og luft i  materialet per enhet volum. Merk at luft ofte regnes som vektløst.
 Tørrvekt: Vekten av faste partikler i jorda per volumenhet.
 Mettet tyngdetetthet: Vekten av  jorda når alle hulrommene er fylt med vann per volumenhet, og luft ikke er tilstede. Merk at dette forekommer typisk under vannspeilet
 Porøsitet Forholdet mellom porerommet (luft eller vann) i jord og totalvolumet av jord uttrykt i prosent. Porøsitet på 0% betyr at det verken er luft eller vann i jorda. 
 Poretall er forholdet mellom volumet av hulrom og volumet av faste partikler i jord. Poretallet er matematisk knyttet til porøsitet og uttrykker det samme. Normalt er porøsitet mer brukt i norsk litteratur, mens amerikansk litteratur bruker som hovedregel poretallet.
 Permeabilitet Mål for jordens evne til å tillate gjennomstrømning, uttrykt i kvadratmeter. Den hydrauliske konduktiviteten tar også hensyn til fluidets viskositet og oppgis som hastighet.
 Konsolidering Som substantiv; tilstanden for jorda i forhold til tidligere belastningsforhold; jord kan være normalkonsolidert eller overkonsolidert. 
 Som verb; prosess der vann presses ut av jorda eller forflyttes i jorda ved belastninger. Kornene overtar belastning fra vannet, og jorda deformeres med tiden og er årsaken til setninger.
 Udrenert skjærfasthet, su Den skjærspenning som er mobilisert i et uomrørt, udrenert materiale når dette går til brudd.
 Omrørt skjærfasthet, sur Den skjærspenning som er mobilisert i et omrørt, udrenert materiale når dette går til brudd.
 Sensitivitet, 
Forholdet mellom uforstyrret og omrørt skjærstyrke - St = su/sur
Se også kvikkleire.
 Atterbergsgrense Flytegrense, plastisitetsgrense og krympegrense, knyttet til jordens plastisitet. Brukt ved beregning av egenskaper, byggearbeid i jord og i jordklassifisering.

Generelle problemstillinger
Skråningsstabilitet

I forbindelse med byggearbeid stilles det krav til nødvendig stabilitet av ulike naturlige og menneskeskapte skråninger. Denne stabiliteten utgjør skråningens sikkerhetsmargin mot en mulig utglidning, med sammenligning av opptredende skjærspenning og skjærstyrken av jorden. Det kan utføres geoteknisk stabilitetsanalyse etter ulike metoder. En tidligere stabil skråning kan være påvirket av faktorer som gjør en skråning ustabil over tid. Av utløsende årsaker til skred kan nevnes: oppbløting av jorda av nedbør eller tining av tele, hevet grunnvannsnivå spesielt i høst og vår-månedene, vann på avveie for eksempel på grunn av tette stikkrenner og lekkasjer på vannledninger, menneskeskapte skjæringer og fyllinger som er for bratte, fjerning av trær og busker i skråninger, erosjon langs kanten av bekker og elver.

Skred kan skyldes økning i skjærspenning. Alternativt kan skjærstyrke reduseres ved forvitring, endringer i porevannstrykk og organisk materiale. En utløsende mekanisme som har fått økt oppmerksomhet innen forskningen de siste årene er progressiv bruddutvikling, hvor en ser for seg at brudd utvikler seg sakte over tid, det kan være snakk om flere tiår eller kanskje hundreår, før det til slutt raser ut.

Geosynteter er et fellesord for en rekke av syntetiske produkter brukt for å hjelpe til å løse geotekniske problemer.  Ordet omfatter i hovedsak fem hovedprodukter; geotekstiler, geogitter, geomembraner, geokompositter og geoskum (engelsk geofoam).  Syntetisk materiale er nyttig for bruk der lang varighet er nødvendig. Geosynteter er tilgjengelige i en rekke former og materialer for forskjellige bruksområder og er brukt i byggearbeider som veier, flyplasser, jernbaner, kantsoner, reservoarer, kanaler, dammer, landfyllinger, kantsonebeskyttelse og kystbyggearbeid.

Grunnens bæreevne

Setning


Setninger er tidsavhengige vertikalbevegelser av en konstruksjon. 
Setninger kan også omtales som subsidens, men subsidens brukes mest i forbindelse med sammenpressing av olje- eller gassreservoarer.

 Grunnundersøkelser 

Et typisk geoteknisk prosjekt begynner med grunnundersøkelser, hvor jordens egenskaper, grunnfjell, grunnvannsnivå og jordlag på et planområde kartlegges.

Geotekniske ingeniører utfører geotekniske undersøkelser for å få informasjon om fysiske og mekaniske egenskaper av jord (løsmassene over berg) under eller ved siden av et sted for å designe jordarbeider og fundamenteringer for planlagte strukturer og for reparasjon av jordarbeider og konstruksjoner som er ødelagte. En geoteknisk undersøkelse omfatter overflateundersøkelse og undersøkelse av jordlagene på et sted. Noen ganger brukes geofysiske metoder for å innhente data om steder. Undersøkelse av undergrunnen omfatter jordprøver og laboratorieundersøkelse av jordprøver.

For å innhente informasjon om jordforhold er grunnundersøkelser nødvendige. Feltundersøkelser som undersøker jordens egenskaper in situ er som regel mindre arbeidskrevende og derfor billigere og utføres i relativt stort omfang for et byggeområde. Feltundersøkelser omfatter metoder som totalsondering, trykksondering, dreisondering og vingeboring. Videre tas som regel en eller flere jordprøver fra en eller flere dybder for å undersøke jorden grundigere ved hjelp av laboratorieundersøkelser. Resultatene fra felt- og laboratorieundersøkelsene sammenlignes og korreleres. Lagdeling, dybde til fjell, poretrykk, mekaniske og fysiske egenskaper estimeres og utgjør grunnlaget for den geologiske modellen som geoteknikeren gjør sine beregninger i.

Jordprøvene kan være sylinderprøver og blokkprøver. Blokkprøver er sjelden brukt på grunn av kompleksitet og kostnad, men er enkelte ganger nødvendig for visuell inspeksjon av jord- og bergartsstratigrafi in-situ for særlige sensitive jordarter som kvikkleirer. Sylinderprøver brukes for samme formål, men siden er billigere enn blokkprøvene og brukes mer. Det er mulig å ta jordprøver fra større dyp ved hjelp av sylinderprøver enn ved hjelp av blokkprøver.

Geofysiske undersøkelser kan også være aktuelle; geofysiske teknikker som brukes for undergrunnsundersøkelse omfatter måling av seismisk bølge (trykk, skjær, og Rayleighbølge), ved hjelp av overflatebølge-metoder og/eller borehullsmetoder, og elektromagnetiske målinger (magnetometer, resistivitet og georadar).

En geotekniker vurderer ut fra resultatene fra grunnundersøkelsene hvordan fundamentene bør utformes, hvordan jordarbeidene må utføres og om jorden tåler belastningen fra inngrepet. Jordens egenskaper setter begrensningene for hvilke(n) fundamenteringsløsninger som kan velges. Tyngden av konstruksjonen vil nødvendigvis også spille inn. Fundamentering omfatter grunne og dype fundameneringer og peling. Støttekonstrukturer omfatter jordfylte dammer og støttemurer. Jordarbeider omfatter voller, tunneler, strandflater, kanaler, vannreservoarer, avfallsplass for miljøfarlig avfall og sanitærfyllinger.

 Tiltak 
Det finnes et antall tiltak og konstruksjoner som omtales som geotekniske ved at de etableres i kontakt med jorden, og ofte dimensjoneres av geoteknikere.
 Fundamenteringsarbeider 
En bygnings fundament fordeler belastninger fra bygninger og/eller konstruksjoner til jord. Geoteknisk ingeniører utformer fundamenter basert på belastningene og egenskaper til jord eller grunnfjell på stedet.

Sentrale vurderinger for fundamenterings-arbeider er bærekapasitet, setninger og grunnbevegelser under fundamentering. Bærekapasitet er evnen til jord å stå imot belastninger som blir påført av bygninger eller konstruksjoner. Setninger forekommer ved all fundamentering i alle jordforhold, selv om lette konstruksjoner eller berggrunn kan utsettes for ubetydelige setninger. For tyngre konstruksjoner eller bløtere undergrunn kan både setninger relativt til ubebygde områder eller nabobygninger og differensielle setninger under en enkel konstruksjoner være alvorlige. Av spesiell betydning er setninger som foregår over tid, siden umiddelbar setning kan kompenseres for under byggingen. Grunnbevegelse under et fundamnet kan forekomme på grunn av inntørking eller svelling av ekspanderende jord på grunn av klimaforandringer, frostsprengning av jord, smelting av permafrost, skråningustabilitet eller andre årsaker. Alle disse faktorer må tas med i betraktning under utforming av fundamentet.

Mange bygningsstandarder spesifiserer grunnleggende parametere for enkle forhold. Det kan variere med ulike standarder, men slike designteknikker er normalt begrenset til visse typer av bygninger og visse typer av jord, og er ofte svært konservative.

I områder med grunnfjell kan fundamentet stå direkte på grunnfjell; i andre områder kan jord gi tilstrekkelig styrke for konstruksjoner. I områder med grunnfjell som ligger dypt, og med bløt overliggende jord brukes dype fundamenter for å støtte konstruksjoner direkte på grunnfjell; i områder hvor grunnfjell ikke er økonomisk tilgjengelig, brukes i stedet stive "bearing layers" eller pæler for å støtte dype fundamenter.


 Pilarer 
Pilarer (ofte kalt støttepilarer fordi de sprer belastning) er konstruksjoner som overfører  belastninger til grunnen ved direkte kontakt. Pilarer kan være isolerte pilarer for punkt- eller kolonnebelastninger, eller strip-pilarer for mur eller for linjelast. Pilarer er normalt laget av armert betong direkte på jord, og er vanligvis presset inn i  grunnen for å penetrere sonen for frostbevegelse eller for å oppnå ytterligere bærekapasitet.

Sålefundamentering
En variant av støttepilarer er å ha hele konstruksjonen på en enkelt såle av betong under hele konstruksjoner. Sålen må være tykk nok til å gi tilstrekkelig stivhet for å spre bærebelastninger og for å minimere setninger over fundamentet. I noen tilfelle tillates bevegelser og bygninger er konstruert for å tolerere små bevegelser i  fundamentet. For små konstruksjoner, som eneboliger, kan sålen være mindre enn 30 cm tykk; for større konstruksjoner kan sålefundamentet være flere meter tykt.

Dype fundamenter

Dype fundamenter brukes for konstruksjoner eller tunge laster når grunne fundamenter ikke gir tilstrekkelig kapasitet. De kan også brukes for svake jordlag for å forebygge setninger. Det er mange typer av dypfundamenteringer som rammede pæler, borede pæler, tønner fylt med betong, påler og jordstøttede pæler. Eksisterende bygninger kan utsettes for setninger, og i slike situasjoner brukes pæler for å understøtte eksisterende konstruksjoner.

Installasjoner på havbunnen
Risiko for skred og jordskjelv er større under vann enn i luft på grunn av høyere poretrykk. Prinsippene og mekanismene er de samme for jord under vann som for jord på fastland, men tilgjengeligheten er som regel lavere. Grunnundersøkelser blir derfor vesentlig vanskeligere. Høyere poretrykk og generelt dårligere egenskaper for jord på havbunnen øker også kompleksiteten. Fagområdet kalles ofte for marin geoteknikk for å tydeliggjøre en viss forskjell fra tradisjonell geoteknikk for jord på fastlandet.

 Oljeplattform
 Rørledning
 Enheter for produksjon av olje og gass på havbunnen

 Jordforbedring 
For å bedre de geotekniske egenskapen kan en gjøre en lang rekke tiltak. Noen av dem er:James K. Mitchell: Meeting Today's Ground Improvement Challenges, Norges Geotekniske forening, Oslo, 2014.
 Fortetting - som å bruke vibratorer på jorda.
 Konsolidering - som å ved å forlaste jorda og eller ved å sende inn salt ved osmose.
 Lastreduksjon - som å sette fundamentet på en plate som kan fordele lasten over et større areal.
 Forsterkning - som å sette inn forsterkninger i jorda som pæler eller armeringsstenger, eller gi sideveis støtte.
 Kjemisk behandling - som å øke egenvekten ved å fylle tomrom.
 Termisk stabilisering - som ved å fryse jorda eller tørke den ut.
 Biotekniske stabilisering - som ved å plante busker eller gras.
Støttekonstruksjoner
Det finnes et antall geotekniske støttekonstruksjoner, som enten kan være midlertidig eller permanent situasjon. Støttekonstruksjoner som etableres samlet for å muliggjøre byggearbeider i trygge omgivelser på et lavere planum enn opprinnelig terreng, eksempelvis for et nybyggs kjeller, omtales samlet som en byggegrop.

Støttemur
Utformingen av støttemurer avhenger av trykket bakfra. Støttemurer vil ofte ha en liten helning, for å forbedre stabiliteten.

Murene motstår horisontaltrykket ved friksjon ved bunnen.

Spunt
Oppstøtting av bygegroper krever ofte en støttekonstruksjon som hindre jorda bak å rase ut. Vanlige metoder for oppstøtting er bruk av spuntvegger. Spunt er en form for pæling av lange korrugerte stålplater. De installeres før en tar til å grave, enten ved pæling eller i borete hull. Etter hvert som det graves nedover installeres horisontale tømmer- eller stålbjelker, som støtte mot jorda.

 Sideveis jordstøttestrukturer 
En støttemur er konstruksjoner som holder tilbake jord. Støttemurer stabiliserer jord og fjell fra bevegelser eller erosjon, og gir støtte for vertikal eller nær-vertikal endringer.

Kofferdammer og vegger for å holde tilbake vann, kan betraktes av støttemurer.

Geoteknikk i Norge
Norsk Geoteknisk Forening (NGF) er geoteknikkens bransjeforening i Norge. NGF ble stiftet i 1950.

På grunn av landhevingen etter istiden er store områder på østlandet, i Trøndelag og langs kysten i Nord-Norge dominert av marine leirer avsatt i saltvann. Etter hvert som saltet vaskes ut med tiden blir leirstrukturen ustabil og leiren får en kvikk oppførsel. Kvikkleire har ikke nødvendigvis lavere styrke enn annen leire, men viser sprø oppførsel ved brudd. Dette betyr at leiren viser få eller ingen tegn til svakhet før brudd. Etter brudd mister kvikkleire praktisk talt all styrke og blir en tykk, flytende "suppe". Mindre kvikkleireskred forekommer årlig i Norge, men faren for større skred er vedvarende i mange folkerike områder. Sverige har også store områder dekket av marine leirer.

Det er en rekke mindre firmaer som tar på seg geotekniske undersøkelser og prosjektering. Mye av prosjekteringen gjøres også i de større entreprenørselskapene.

Geoteknikk-utdannelsen er typisk et femårig sivilingeniørstudium fra bygg- og miljøteknikkprogrammet ved NTNU. NTNU tilbyr også et toårig, internasjonalt masterprogram i Geotechnics and Geohazards. Universitetet i Oslo (UiO) tilbyr også masterprogram med fordypning i geoteknikk. USA videreutdanner ingeniører som er uteksaminert fra en ABET-skole, har flere års arbeidserfaring og bestått ingeniør-eksamen. California har i tillegg et lisensprogram for geotekniske ingeniører som på forhånd er utdannet til sivilingeniører.

Norske etater og bransjeforeninger innen geoteknikk:
 Norsk Geoteknisk Forening
 Norges geologiske undersøkelse

Se også
 Geoteknisk grunnundersøkelse

Relaterte fag:
 Geofysikk
 Seismikk
 Hydrologi
 Byggeteknikk
 Ingeniørgeologi

Standarder:
 Eurokode 7 Dimensjonering av geokonstruksjoner (1997-1+NA)

Referanser

Litteratur
 Krynine and Judd, 1957, Principles of Engineering Geology and Geotechnics: McGraw-Hill, New York.
 Richard E. Goodman: Engineering Geology for Civil Engineers. John Wiley and Sons, New York, 1993. Oxford &IBH publishers, 1996, India D.Venkat Reddy

Eksterne lenker
 NGI