Temaer for prosjekt- og masteroppgaver

Basert på vår erfaring med veiledning og oppgaver kan vi nedenfor vise eksempler på forslag til prosjekt- og masteroppgaver ved NGI. Selve innholdet vil utarbeides i samarbeid med student, NTNU-veileder og NGIs veileder. En sommerjobb på NGI kan ofte være inngangen til kontakt med fagfolk for valg av slike oppgaver:

  1. Etterregning og modellering av korte stålkjernepeler utstøpt med bentonittsement
  2. Analyse av en brureis som gikk skeis
  3. Nyttegjøring av oppgravd kalk/sementstabilisert leire fra store anleggsprosjekter
  4. Vurdering av 3D effekter ved sammenligning av FEM analyse og analytiske metoder
  5. Egenskaper av kalksementstabilisert leire
  6. Influence of organic matter on the geotechnical properties of silts
  7. Earth pressure at rest (K0) and stress conditions for high clay slopes in Trondheim - in situ and numerical evaluations
  8. Relationships between preconsolidation stress (p'c) and past terrain elevation in clay material
  9. Spudcan punch-through risk in sand over clay soils
  10. Spudcan combined bearing capacity in sand over clay soils
  11. Model to predict equivalent number of cycles from earthquake shaking

___________________________________________________________

1. Etterregning og modellering av korte stålkjernepeler utstøpt med bentonittsement

NGI-veiledere: Thomas Sandene, Jenny Langford, flere NGI-ere ved Trondheimskontoret,

Problembeskrivelse Når det skal benyttes stålkjernepeler under stive konstruksjoner og dybden til berg er relativt liten, får stålkjernene en store tvangskrefter over kort lengde. Stålkjernepeler settes som stålsylindere i en capping av mørtel inne i et foringsrør, og alle de tre elementene får deformasjoner på grunn av kreftene. Mørtelen er i utgangspunktet kun en korrosjonsbeskyttelse for stålkjernen, men påvirker den ferdige pelens stivhet og må tas med i beregningene. Det samme gjelder foringsrøret.

Ved Nytt Nasjonalmuseum er det etablert stålkjernepeler hvor mørtel-cappingen er erstattet med en sement tilsatt bentonitt, for å oppnå et mindre stivt konstruksjonselement. Vi ser for oss at metoden kan utvides og brukes på generelt grunnlag, dersom det kan utarbeides en modell som gjelder flere innspenningstilfeller, lastsituasjoner og mørtelfasthet.

Leveranse Prosjektoppgaven foreslås innledet med en beregningsmessig dokumentasjon av stålkjernepeler utført på tradisjonelt vis med fokus på deformasjon ved ulike innspenningsforhold i topp (ev. også i bunn). Flere standard-dimensjoner kan kartlegges, da mørteltykkelse og foringsrørets tykkelse også varierer for de ulike peledimensjonene som er i handelen.

Videre kan det sees på en utvalgt peledimensjon for å belyse effekter av en mykere mørtel og over hvilken lengde den skal støpes ut. Det er et stort spillerom for variasjoner her. Modellering og beregninger kan utføres i Plaxis og suppleres med GeoSuite for å se hvordan modellen kan integreres her.

Forventet tid 2 semestre, men oppgaven kan tilpasses å være kun prosjekt- eller kun master-oppgave.

Datagrunnlag Data fra blant annet Nasjonalmuseet og andre prosjekter NGI er involvert i.

Studentens bakgrunn Mastergradstudier i tekniske geofag og/eller konstruksjonsfag. Oppgaven kan også løses av to studenter, en med fokus på materialer og en med fokus på statikk.

Budsjett/infrastruktur Veiledning: ca. 50 timer fra NGI.

 

2. Analyse av en brureis som gikk skeis

NGI-veiledere: Einar John Lande/Gunvor Baardvik

Problembeskrivelse Det har oppstått brudd og sammenrasning av stillaser under oppføring av bruer med jevne mellomrom, og dette burde blitt bedre belyst fra flere fagområder. Fra geoteknisk synsvinkel må det undersøkes om man bør ta forholdsregler knyttet til fundamentering og stabilitet.

Ved utbyggingen av E18 gjennom Vestfold er det bygd en overgangsbru like nord for avkjøringen til Barkåker nord for Tønsberg i 2006, Tveiten bru. Brua er fundamentert på stålkjernepeler i meget sensitiv leire i to akser. Under oppføring av stillaset for forskalingen- den såkalte brureisen, oppsto det store deformasjoner i stillaset og arbeidet måtte stoppes,  reisen måtte demonteres og bygges opp på nytt. Dette medførte store ekstrautgifter for entreprenøren. Den gangen ble det antatt at det var et brudd i leira rundt brufundamentene som kunne skyldes poreovertrykk fra en tilløpsfylling som var lagt ut på betongpeler like i nærheten.

I lys av erfaringene fra FOU-prosjektet BegrensSkade er det nærliggende å anta at leira også kunne være påvirket av selve boringen for stålkjernepelene. Hvis det er slik, vil det ha betydning for valg av metode eller til hvilke krav som må settes til utførelse i andre prosjekter. Lastsituasjonen rundt stillas, forskaling og ikke minst selve utstøpingsfasen er kritiske og svært følsomme for deformasjoner i grunnen, og det er nødvendig at dette blir belyst også fra et geoteknisk perspektiv.

Oppgaven vil bestå i en etterregning av situasjonen, hvor man legger inn antatt styrkereduksjon rundt bruaksene i stedet for under tilløpsfyllingen, slik man trodde i utgangspunktet. Avstanden fra peleaksene kan styres av måledata utført i BegrensSkade for å se om man ser en korrelasjon med disse måledataene. 

Leveranse Prosjektoppgave som innledes med et litteraturstudie om odexboring og boring med luft og faren for omrøring (BegrensSkade). Deretter beregninger og systematisering av disse i lys av erfaringene fra BegrensSkade.

Oppgaven kan også omfatte at det sees på hvordan man kan kontrollere poretrykk og angi en initiell styrkereduksjon til bruk i anleggsfasen ved midlertidig anleggsaktivitet i sensitive masser.

Forventet tid 2 semestre, men oppgaven kan tilpasses enten 1 semester prosjektoppgave eller et semester master. Oppgaven kan også utføres i eventuell sammenheng med en analyse av brustillas og egendeformasjoner i fra et konstruksjonsteknisk ståsted.

Datagrunnlag Tveiten bru, Prosjekt 20061532 og andre innmeldte prosjekter til BegrensSkade hvor det er registrert omrøringseffekter på grunn av boring.

Studentens bakgrunn Mastergradstudier i tekniske geofag eller konstruksjonsfag

Budsjett/infrastruktur Veiledning: ca. 50 timer fra NGI.

 

3. Nyttegjøring av oppgravd kalk/sementstabilisert leire fra store anleggsprosjekter

NGI-veiledere: Gunvor Baardvik/Gudny Okkenhaug

Problembeskrivelse For å oppnå bedre byggegrunn, økt stabilitet og økt passivt mothold mot spunt i byggegrop, stabiliseres ofte bløt byggegrunn med peler av innboret kalk og sement. Der det skal etableres kjeller, tunnelpåhugg eller skjæringer, graves den stabiliserte massen ut og kjøres til deponi for inerte masser.

Det er brukt store ressurser og beløp på å stabilisere massene og oppgaven går ut på belyse om slike masser kan benyttes på nytt, enten knyttet til deponiet som geologisk barriere eller som samfunnsnyttige tiltak som støyvoller, landskapsforming eller tilsvarende. Ved utgraving er slik masse meget bløt og lite homogen, siden selve ks-pelene ligger som harde klumper i den bløte og omrørte massen. Hvilke egenskaper bør i tilfellet etterspørres og hvilken behandling bør massen få ved andregangs bruk, slik at den kan nyttegjøres?

Leveranse Prosjektoppgave som innledes med et litteraturstudie om problemstillinger knyttet til kalksementpeler og egenskapene til pelene i byggeperioden. Videre bør det kartlegges hvilke nye bruksområder som kan være aktuelle. Deretter undersøkes det geoteknisk parametere for utgravd, blandet masse i laboratoriet.

Det skal vurderes om det kan være en restreaksjoner fra kalk/sement når pelene knuses og blandes med ren leire, dvs. kan man oppnå en styrkeøkning med tiden for omrørt leire som skyldes tilført kalk og sement? Ut fra måleresultatene er det ønskelig å finne et estimat på tiden det kan ta før massen kan være egnet til nytt bruk.

Forventet tid 2 semestre.

Datagrunnlag Prøvemateriale og analyseresultater fra aktuelle referanseprosjekter.

Studentens bakgrunn Mastergradsstudent i geologi/ tekniske geofag/ anleggsteknikk

Budsjett/infrastruktur Veiledning: ca. 50 timer fra NGI.

 

4. Vurdering av 3D effekter ved sammenligning av FEM analyse og analytiske metoder

NGI-veiledere: Kjell Karlsrud, Stian Kalstad (evt. Hans Petter Jostad)

Problembeskrivelse Det er mange tilfeller hvor 3D effekter har stor betydning i forbindelse med geoteknisk prosjektering, f. eks utgraving i avstivede byggegroper, fundamenter på løsmasse, stabilitet av skråninger/fyllinger. Det finnes analytiske metoder for å ta hensyn til 3D effekter, men dette praktiseres på ulike måter i bransjen, og i mange tilfeller ser man bort fra effektene.

Det foreslås å utføre 3D FEM analyser (eks. Plaxis) av vanlige problemstillinger for å kunne sammenligne mot analytiske metoder. Det kan fortrinnsvis også være aktuelt å knytte analysene opp mot reelle prosjekteksempler. Aktuelle problemstillinger som kan ses nærmere på er:

  • 3D effekter på stag-/stiverkrefter i avstivede byggegroper
  • 3D effekter på stabilitet av avstivede byggegroper, eller skjæringer/fyllinger med begrenset utstrekning
  • Effekt av fundamenter med begrenset utstrekning inntil støttekonstruksjoner (spunt-vegg, støttemur el.lign.) med hensyn på jordtrykk.

Arbeidet bør inkludere vurderinger og anbefalinger av hvordan aktuelle problemstillinger kan løses med forenklede metoder basert på FEM analyser.

Leveranse Prosjektoppgaven bør omfatte et litteraturstudie for å sammenstille og vurdere kjente analytiske metoder, samt eventuelle publikasjoner av 3D analyser knyttet til aktuell valgt problemstilling. Selve masteroppgaven vil omfatte 3D analyser med tilhørende vurdering av resultater av problemstilling som studenten(e) velger.

Forventet tid 2 semestre

Datagrunnlag Eventuelt data fra prosjekter NGI er involvert i.

Studentens bakgrunn Mastergradsstudenten(e) bør være godt kjent med elementanalyser og programvare som Plaxis, Abaqus el. lignende.

Budsjett/infrastruktur Veiledning: ca. 50 timer fra NGI.

 

5. Egenskaper av kalksementstabilisert leire. Fundamentering av vindmøller

NGI-veiledere:  Alf Kristian Lund 

Problembeskrivelse Ved installasjon av kalksementpeler i felt er det oppnådd høyere skjærfasthet i det stabiliserte materialet enn hva som oppnås når en blander inn kalksement i en kjøkkenmaskin på laboratoriet. I enkelte tilfeller, særlig fra innblanding i kvikk og siltig leire i Trøndelag er det observert svært høy fasthet av det stabiliserte materialet.

I denne sammenheng har NGI derfor begynt å etablere en kalksementdatabase hvor det forsøkes å samle inn erfaringer med stabilisert leire.

I forbindelse med byggingen av E6 Jaktøyen-Storler utenfor Trondheim vil det installeres ca. 45 000 kalksementpeler i løpet av den nærmeste perioden og det vil utføres en stor mengde felt- og laboratorieundersøkelser på materialet for å undersøke styrke- og deformasjonsegenskaper av det stabiliserte materialet.

Leveranse Prosjektoppgaven foreslås innledet med litteraturstudie knyttet til egenskaper av kalksementstabilisert leire. I studiet inngår også bruk av NGIs database for å se på mulige korrelasjoner.

Masteroppgaven viderefører arbeidet som er utført i prosjektoppgaven hvor flere ulike problemstillinger kan være relevant. Både behandling av databasen, felt- og/eller laboratorieforsøk på materiale fra E6 kan være aktuelt, avhengig av framdriften til anleggsarbeidene og studentens egne ønsker.

Oppgavebesvarelsen skal inneholde beskrivelse av de gjennomførte analysene, hovedresultater og relevante vurderinger.

Forventet tid 1-2 semestre

Datagrunnlag Data fra en rekke prosjekter NGI har vært involvert i.

Studentens bakgrunn Mastergradstudier i Bygg- og miljøteknikk.

Budsjett/infrastruktur Veiledning: ca. 50 timer fra NGI.

 

6. Influence of organic matter on the geotechnical properties of silts

NGI supervisor(s):  Jean-Sebastien L'Heureux, Ana Priscilla Paniagua

Problem description Intermediate silty soils are challenging materials in geotechnical engineering, and limited information on their engineering properties and how these relate to the geological background is available. This is primarily due to uncertainty in material behaviour, difficulties associated with sampling undisturbed material and the interpretation of in situ and laboratory test data. There is a need to provide guidance to practicing geotechnical engineers regarding characterization of silty material.

The Halden research site is being develop has a reference site for geotechnical characterization of intermediate soil within the SP8-GEODIP and National Geo-Test Site projects. Here, results from in situ investigation and soil testing show that patterns of water content, unit weight, magnetic susceptibility, engineering parameters and cone penetration resistance are affected by subtle changes in organic content. Reasons for these gradual change are not fully understood and further studies are necessary.

Student task The project assignment should start with a broad literature study looking at the influence of organic matter on the behavior of geomaterials such as clay, silt and sand.

Later in the MSc. work, the student should perform laboratory investigations to further test the influence of organic matter on the geotechnical behavior of silt. The laboratory investigation should include, for example, triaxial and oedometer tests, and microscopy analyses. Data from the Halden research site will be available. The data set will be completed with a large database of in situ test results available at the research site (e.g. CPTU data, dissipation test results, etc).

Estimated time 2 semester (prosjektoppgave + master oppgave)

Source of data Data from the Halden Research site and access to NGIs database.

Budget and infrastructure Supervision from NGI: ca. 50 hours. Field work.

 

7. Earth pressure at rest (K0) and stress conditions for high clay slopes in Trondheim - in situ and numerical evaluations

NGI supervisor(s):  Jean-Sebastien L'Heureux, Magne Mehli, Tom Lunne 

Problem description The coefficient of lateral stress, K0, is one of the geotechnical parameters that is most difficult to determine in geotechnical engineering, although several R&D efforts have been reported over the years. This parameter is required for many engineering analyses. It is also necessary as a basis for reliable estimate of "Sigma" h0' for consolidation of triaxial tests.

The purpose of this MSc study will be to evaluate K0 at the bottom of a 70 m high slope in Trondheim (Rosten) using two in situ methods: i) hydraulic fracturing method and ii) the total stress cell. Results will provide a basis for numerical investigation (Plaxis) to reconstruct the stress conditions throughout the geological development of the clay slope at Rosten.

Student task The project assignment should start with a literature review of methods available for estimation of K0 in the lab and in situ. The work should also emphasis on interpretation of in situ data for assessment of K0. At this stage the work will include 

  • In situ field testing and calibration of the hydraulic fracturing method and the total stress cell at a reference test site near Trondheim (National GeoTest Site).
  • Interpretation of in situ test data

Later in the MSc. work, the student should collect data using the same in situ methods at the top and bottom of the 70 m high clay slope at Rosten. Following the interpretation of the data the student should discuss the evolution of stress conditions in the clay slope as a result of river erosion using numerical analyses.

Estimated time 2 semester (prosjektoppgave + master oppgave)

Source of data NGI data at Rosten, in situ field equipment from the National GeoTest Site.

Budget and infrastructure Supervision from NGI: ca. 50 hours. Field work.

 

8. Relationships between preconsolidation stress (p'c) and past terrain elevation in clay material

NGI supervisor(s):  Jean-Sebastien L'Heureux, Vidar Gjelsvik

Problem description Information about maximum past terrain elevation is important to properly assess the geotechnical properties of a clay soils, and for engineering problems such as slope stability and settlement problematics. Clay-rich sediments preserve a record of their history of loading, and their engineering properties are directly linked to this history.

 Provided that the hydro-geological conditions at a site are well defined, one can use the state of pre-consolidation (p'c) of a clay to assess the maximum past terrain elevation at a site. However, NGI has experienced that the correlations are in certain cases difficult. This can be due to aging of the clay, creep and changing hydrogeological situation.

Student task The project assignment should start with a review of long-term consolidation processes in clay with a literature review of methods available for estimation of p'c in the field and laboratory. Thereafter the student should assemble a database of oedometer test results and compare to a best estimate of maximum past terrain elevation at the given sites. The database should comprise sites where erosion has been active to varying degree over the last 10,000 years.

Estimated time 1-2 semester (prosjektoppgave + master oppgave)

Source of data NGI project data, results from the National GeoTest Sites.

Budget and infrastructure Supervision from NGI: ca. 50 hours.

 

9. Spudcan punch-through risk in sand over clay soils. Analyser av jordskjelvbelastning

NGI veiledere:  Youhu Zhang, Vaughan Meyer, Khoa Huynh

Problembeskrivelse Self-elevating jack-up rigs are widely used for offshore drilling activities. The rigs are typically equipped with circular foundations called "spudcan". During installation, the spudcan foundations are penetrated into the seabed under a predetermined "preload" by water ballast.

One of the common challenges during the installation phase is the punch-through risk where the spudcan penetrates rapidly in an uncontrolled manner. This typically occurs when the spudcan penetrates through a strong layer underlain by a weak layer. In many cases with a sand over clay soil profile, punch-through risk is suggested using standard methods recommended in industry guidelines.

Whereas a detailed analysis, for example, by means of running a large deformation finite element analysis, reveals little risk as the load-penetration curve increases monotonically with depth. It is therefore useful to find out what combinations of parameters (spudcan diameter, sand layer thickness, clay strength and etc.) lead to punch-through risk and what combinations rule out the risk.

Leveranse Extensive numerical/experimental studies have been performed in the last decade in related to jack-up punch-through risk in sand over clay soils. This project aims for complementing existing understanding by investigating parameter ranges that have not been studied previously, but are still relevant for practical engineering. The ultimate goal of the project is to come up a simple model that predicts when punch-through risk can be ruled out in a sand over clay soil profile.

The study will involve: 1) a comprehensive literature study, 2) getting familiar with FEM tool, Abaqus CEL, which is suited for modelling the large deformation process during spudcan penetration; 3) developing and benchmarking numerical models; 4) identifying dimensionless parameter groups that control the response and performing parametric analyses; 5) formulating predictive models/recommendations; 6) writing-up thesis/report.

Forventet tid 2 semesters

Datagrunnlag None

Studentens bakgrunn Master student in geotechnical engineering

Budsjett/infrastruktur Supervision: 50 hours from NGI.

 

10. Spudcan combined bearing capacity in sand over clay soils

NGI veiledere: Youhu Zhang, Vaughan Meyer

Problembeskrivelse Self-elevating jack-up rigs are widely used for offshore drilling activities. The rigs are typically equipped with circular foundations called "spudcan". During installation, the spudcan foundations are penetrated into the seabed under a predetermined "preload" by water ballast. In a jack-up site specific assessment which evaluates the suitability of a rig to a certain location, the spudcan in-place stability under storm loading must be assessed. This requires knowledge of the bearing capacity of the spudcan under combined vertical (V), horizontal (H) and moment (M) loading, which is typically expressed in VHM interaction envelopes.

Current industry guidelines provide mathematical formulas for the spudcan capacity envelopes in either pure sand or pure clay soils. For a spudcan embedded on a sand over clay profile, question arises on what bearing capacity envelope should be used? Could preferential failure mechanism develop in the underlying clay layer?

Leveranse The project aims for providing practical recommendation of capacity envelopes for a spudcan embedded on sand underlain by clay.

The study will involve: 

  1. a comprehensive literature study
  2. getting familiar with FEM tool, Abaqus Standard/Plaxis 3D
  3. developing and benchmarking numerical models
  4. identifying dimensionless parameter groups that control the response and performing parametric analyses
  5. formulating predictive models/recommendations
  6. writing-up thesis/report.

Forventet tid 2 semesters

Datagrunnlag None

Studentens bakgrunn Master student in geotechnical engineering

Budsjett/infrastruktur Supervision: 50 hours from NGI.

 

11. Model to predict equivalent number of cycles from earthquake shaking

NGI veiledere:  Brian Carlton

Problembeskrivelse The number of shear strain cycles strongly influences the build-up of pore water pressures during earthquake shaking, which can lead to soil degradation, liquefaction and landslides. There are a wide number of definitions of how to count cycles in a random signal, but relatively few prediction equations for earthquakes.

Leveranse The purpose of this research is to develop a predictive model to estimate the number of shear strain cycles from simple ground motion parameters such as magnitude and distance. The research will use the best available datasets, investigate several different counting methods, and use mixed effects regression to develop the best possible model. This research will provide much needed guidance that will help practicing engineers estimate seismically induced liquefaction and landslide hazards.

There is the possibility for collaboration with the Next Generation Liquefaction (NGL) project getting under way at the Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) in Berkeley, California.

Forventet tid 2 semesters

Datagrunnlag Acceleration time series from the PEER NGA West 2 and NGA East ground motion databases, as well as from the KiK-NET database processed by Dawood et al (2016) and uploaded to the NEEShub. These are all freely available online.

Studentens bakgrunn Masters student in geotechnical engineering or engineering seismology.

Budsjett/infrastruktur Advising: ca. 50 hours from NGI