Ny doktorgrad: Måler grunnforsterkning med fiberoptikk
Grunnforsterkning med sement gjør bløt leire trygg å bygge på, men overforbruk av sement gir unødvendig høye klimautslipp. Ved å støpe tynne fiberoptiske kabler ned i jorda, har Sølve Hov nå dokumentert nøyaktig hvordan grunnen deformeres under belastning.
Sølve Hov er geotekniker og forsker ved NGIs kontor i Trondheim. Doktorgradsarbeidet hans viser at fiberoptiske sensorer kan gi langt mer presise målinger av sementkolonner enn tradisjonelle metoder. ( Per Olav Solberg / NGI)
Når det skal bygges vei, jernbane eller boliger på områder med bløt leire, er dypstabilisering en vanlig løsning. En boremaskin blander sement, kalk eller andre bindemidler inn i leiren for å skape stabiliserte søyler under bakken. Metoden har vært brukt i flere tiår og sikrer at grunnen tåler vekten av konstruksjonene. Utfordringen har vært at ingeniørene mangler presise data på hvordan disse søylene faktisk presses sammen over tid. Denne usikkerheten fører til at prosjektene ofte overdimensjoneres.
– Vi har veldig dårlig forståelse for hvordan stabilisert grunn oppfører seg. Det handler om å bygge forståelse for materialoppførselen, slik at vi kan optimalisere metoden og ikke overforbruke sement, som har et høyt klimaavtrykk, sier Sølve Hov, geotekniker og forsker ved Norges Geotekniske Institutt (NGI).
Måler deformasjoner med laser
Gjennom sitt nylig avlagte doktorgradsarbeid ved NTNU har Hov brukt fiberoptiske sensorer for å hente ut måledata. I stedet for å basere seg på tradisjonelle punktmålinger på toppen av søylene, installeres de fiberoptiske kablene direkte i sementblandingen. Teknologien bygger på det samme prinsippet som brukes i høyhastighetsinternett, der et lasersignal sendes gjennom en kjerne av glass.
– Vi sender et lyssignal gjennom en kjempetynn kjerne av et glassmateriale i fiberkabelen, tynnere enn et menneskehår. Akkurat som når du kikker ut gjennom et vindu og ser refleksjoner i glasset, skjer noe tilsvarende inne i kabelen. Når signalet reflekteres tilbake til måleenheten, kan vi prosessere dataen for å måle tøyning, altså deformasjoner, temperatur og vibrasjoner langs hele kabelen, forklarer Hov.
Fanger opp lokale svakheter
Den store fordelen med fiberoptikk er at teknologien gir en oppløsning på millimeternivå. Tradisjonelt har man overvåket slike sementsøyler med instrumenter nedover i jorda som kun gir målinger for hver halve eller hele meter, eller man har målt hvor mye selve overflaten synker.
– Med fiberoptikk sitter målepunktene så tett at man får data for nesten hver eneste centimeter langs kabelens fulle lengde, sier Hov.
Dette detaljnivået er avgjørende fordi en sementsøyle dypt nede i bakken sjelden er en perfekt blanding av leire og sement. Styrken og stivheten i søylen varierer kraftig på svært korte avstander. Den høye oppløsningen gjør det mulig å fange opp små, lokale svakhetssoner som konvensjonelle undersøkelser ofte glatter ut og overser. I et av feltforsøkene på Onsøy avslørte for eksempel fiberoptikken en 20 til 30 centimeter tykk svakhetssone på 5,5 meters dyp.
– Når vi får et så nøyaktig bilde av hvordan søylene faktisk trykkes sammen og reagerer under belastning, kan de forbedre beregningsmodellene og dermed kutte ned på sementbruken betydelig i ulike prosjekter, sier han.
Fiberoptiske sensorer utnytter refleksjoner av lyssignaler inne i en glassfiber tynnere enn et menneskehår til å måle tøyning, temperatur og vibrasjoner langs hele kabelen. ( Illustrasjon: Dall E / Open AI)
Utviklet ny testmetode
For å kunne stole på resultatene Hov gjorde i felt, måtte samspillet mellom kabelen og jorda dokumenteres. Dette grensesnittet avgjør om målingene er reelle.
– I starten tenkte jeg at det ikke kunne være så vanskelig. Vi måler jo det vi måler. Men er vi virkelig sikre på at det er oppførselen til jorda vi måler, og ikke bare støy i kabelen? spør han.
Tradisjonelt har man brukt uttrekkstester for å måle kabelens friksjon i jorda. Doktorgradsarbeidet viste at slike tester ga misvisende parametere, ettersom de simulerer strekk i stedet for trykk. Hov utviklet derfor en ny kompressiv testmetode i laboratoriet for å gjenskape hvordan jorden faktisk presser på kabelen ute i felten.
– Vi gjorde forsøk på NTNU i Trondheim, i NGIs lab i Oslo og på University of California, Berkeley. Det krevde mye samarbeid for å komme fram til at vi faktisk måler riktig, sier han.
Feltforsøk kutter utslipp
Etter at testmetodikken var etablert, ble det gjennomført fullskala feltforsøk på Lilleby og Tiller-Flotten i Trondheim og Onsøy i Østfold. Målingene bekreftet at kablene ikke glir i jorda, men gir presise data om hvordan søylene deformeres over tid og hvordan de reagerer på ulik belastning. Sensorene fanget opp deformasjonsegenskaper som tidligere har vært vanskelige å tallfeste.
Når beregningsmodellene oppdateres med disse dataene, kan sementmengden reduseres. Samtidig åpner det for trygg testing av alternative og mer miljøvennlige bindemidler.
– I et feltforsøk brukte vi papiraske fra Norske Skog på Skogn i stedet for sement. Det gikk kjempebra, og det ble verifisert med fiberoptikken. Dette er aske som ellers legges på deponi, forklarer Hov.
I tillegg kan de fiberoptiske kablene detektere vibrasjoner, det vil si at den i prinsippet kan omvandles til en serie av mikrofoner.
– Dette brukte vi i feltforsøk for å undersøke søylenes bølgehastighet, som vi igjen kan koble opp mot andre egenskaper via korrelasjoner etablert i laboratorium. På den måten kunne vi undersøke egenskapene over tid, sier han.
Kunnskapen fra doktorgradsarbeidet gir bygg- og anleggsbransjen et konkret verktøy for å redusere materialbruk uten at det går på bekostning av sikkerheten. Rammeverket for å tolke de fiberoptiske signalene er generelt og kan også brukes til å overvåke naturlig grunn og andre fundamenteringsteknikker. Arbeidet er i seg selv et eksempel på hvordan forskning kan løse praktiske utfordringer.
– Det som er bra, er kombinasjonen av rådgivning og forskning som NGI står for og etterstreber. Jeg har lyst til å forske mer, men ikke på fulltid. Og jeg vil gjerne at det knyttes opp mot rådgivningsprosjekter, for da får man direkte nytte av forskningen, avslutter Hov.
