Physical Modelling of Silt in Relation to Offshore Wind Turbines

Offshore vindenergi er en bæredygtig energiform der kan være med til at reducere udledningen af drivhusgasser og hæve andelen af vedvarende energi. For at offshore vindenergi kan fortsætte med at være en konkurrencedygtig energiform i forhold til andre former for vedvarende energi, er det vigtig at teknologien fortsat optimeres. Funderingen af havvindmøller udgør omkring 20-30% af de samlede omkostninger, hvorfor der er stor interesse i at minimere omkostningerne forbundet med funderingen af havvindmøller. Designet af havvindmøller er ofte styret af vanddybden og jordbundsforholdene på lokaliteten, hvilket er årsagen til at det er essentielt at være i stand til at bestemme de aktuelle jordbundsforhold med stor nøjagtighed. Nordsøen er det foretrukne sted til opførelse af havvindmølleparker idet der er forholdsvis lavvandet med en relativ kort afstand til kysten. Undergrunden i Nordsøområdet indeholder mange meter af sand- og siltaflejringer, hvormed der især er fokus på at optimere havvindmølledesign funderet på sand eller silt. Især silten volder store problemer når jordbundsforholdene skal vurderes og jordparametre skal fastlægges.

Denne afhandling vedrører bestemmelse af jordbundsforhold for siltet jord ligesom at CPT’en (Cone Penetration Test) er den in situ undersøgelsesmetode som der fokuseres på, idet denne er den mest anvendte på verdensplan. Det overordnede mål med denne afhandling er at forbedre den viden der er inden for området vedrørende tolkning af CPT-udførelse i siltet jord og dermed gøre det muligt at bestemme jordbundsparametrene mere præcist sådan at konkurrenceevnen for havvindmøller kan forbedres.

Udførelse af in situ-forsøg offshore er særdeles bekostelig, hvorfor der i forbindelse med dette projekt udelukkende er udført in situ-forsøg på land. Til formålet blev der fundet en mark beliggende i Dronninglund, hvor undergrunden primært består af siltet jord og grundvandsspejlet er placeret højt sådan at marken er sammenlignelig med offshore forhold. På marken er der i forbindelse med projektet både optaget store poseprøver til udførelse af laboratorieforsøg samt udført CPT og SCPT (Seismic Cone Penetration Test).

Afhandlingen er baseret på en række videnskabelige artikler der beskæftiger sig med forskellige problemstillinger inden for jordbundsundersøgelser i silt. Afhandlingen består af tre dele, hvor del I omhandler problemstillinger vedrørende klassificering af silt ud fra laboratorieforsøg. Del II omhandler tolkningen af CPT i siltet jord udført under delvis drænede forhold, mens del III omhandler tolkningen af SCPT i silt. Hver del er baseret på et forsøgsprogram som er nærmere beskrevet i starten af hver del.

Klassifikationen af silt kan være vanskelig eftersom grænsen mellem siltet sand og sandet silt samt mellem siltet ler og leret silt ofte ikke er enkel at præcisere. Derudover er der på verdensplan heller ikke enighed om definitionen af silt. Del I af afhandlingen undersøger derfor den uenighed der er i klassificering af silt med henblik på at give et bud på hvordan silt bedst klassificeres. Til formålet er der i laboratoriet udført klassifikationsforsøg som vandindhold, kornvægtfylde, kornstørrelsesfordeling (sigte- og hydrometeranalyse) og konsistensgrænser i form af plasticitetsgrænse og flydegrænse (Fall cone og Casagrande cup). Resultatet af forsøgene viser, at silt ikke bør klassificeres ud fra konsistensgrænserne men i stedet bør kornstørrelsesfordelingen anvendes, idet plasticitetsgrænsen og flydegrænsen (især Casagrande cup metoden) er behæftet med personlig vurdering.

Del II omhandler som nævnt tolkningen af CPT i siltet jord udført under delvis drænede forhold. Normalt udføres CPT-forsøg med en hastighed på 20 mm/s. Denne hastighed vil i ler forårsage udrænede forhold, mens den i sand vil forårsage drænede forhold. I silt vil en hastighed på 20 mm/s medføre, at CPT’en udføres under delvis drænede forhold, hvilket giver anledning til tolkningsproblemer, idet de eksisterende empiriske korrelationer enten er udviklet for fuldt drænede forhold (sand) eller fuldt udrænede forhold (ler). I forbindelse med del II er der derfor udført 15 CPT med hastigheder på ca. 60, 20, 5, 1 og 0,5 mm/s (3 af hver). Resultaterne viser, at når CPT-hastigheden sænkes, forøges spidsmodstanden, poretrykket reduceres og overflademodstanden er upåvirket. Dette er som følge af det faktum, at der ved en lavere hastighed generes et lavere poreovertryk. Derudover tyder resultaterne fra CPT-forsøgene på, at når spidsmodstanden er målt under delvis drænede forhold underestimeres den med en faktor på ca. 1,4 i forhold til hvis den var målt under fuldt drænede forhold.

Til design af fundamenter til havvindmøller er jordens stivhedsparametre essentielle, hvorfor der er stor interesse i at kunne bestemme siltens forskydningsmodul in situ. Denne kan bestemmes ved hjælp af den forholdsvise nye Seismic CPT. Ved SCPT fortages der normalt målinger med 1 meters intervaller hvormed det antages at jorden er homogen imellem de to målinger. Silt er dog sjældent homogen, og derfor er der i forbindelse med del III udført fem "down-hole" SCPT hvor tre er udført med 1,0 meters interval og to er udført med 0,5 meters interval for at undersøge om der kan opnås mere præcise og pålidelige resultater ved at anvende en afstand på 0,5 i stedet for 1,0 m. Til at undersøge hvor pålidelige resultaterne er, er der fortaget mindst 8 målinger i hver dybde. Resultaterne viser overraskende, at selv om silten er inhomogen, vil mere tætliggende data øge variabiliteten. Af denne grund kan det ikke anbefales at udføre SCPT med en indbyrdes afstand på mindre en 1,0 m. Derudover viser resultaterne, at SCPT-målingerne er uafhængige af dissipationsprocessen som startes hver gang der udføres SCPT (fordi CPT’en stoppes), og det er derfor uden betydning om der foretages målinger 1 eller 5 minutter efter at CPT’en stoppes.

De tre dele i ph.d.-afhandlingen har ført til en bedre forståelse af CPT-udførelse i siltet jord samt tolkningen heraf, og dermed bidrager forskningen til at kunne udføre en mere nøjagtig bestemmelse af jordbundsparametrene i silt som dermed kan føre til øgede økonomiske fordele for fremtidens offshore vindenergi.