Constructing sustainable structures in rock that satisfy all predefined technical specifications requires rational and effective construction methods. When the geotechnical behaviour is hard to predict, the Euro­pean design code, Eurocode 7, suggests application of the observational method to verify that the performance is acceptable. The basic principle of the method is to accept predefined changes in the design during con­struction to comply with the actual ground conditions, if the current de­sign is found unsuitable. Even though this in theory should ensure an effective design solution, formal application of the observational method is rare. Investigating the applicability of the observational method in rock en­gineering, the aim of this thesis is to identify, highlight, and solve the aspects of the method that limit its wider application. Furthermore, the thesis aims to improve the conceptual understanding of how design deci­sions should be made when large uncertainties are present. The main research contribution is a probabilistic framework for the observational method. The suggested methodology allows comparison of the merits of the observational method with that of conventional design. Among other things, the thesis also discusses (1) the apparent contradiction between the preference for advanced probabilistic calculation methods and sound, qualitative engineering judgement, (2) how the establishment of limit states and alarm limits must be carefully considered to ensure structural safety, and (3) the applicability of the Eurocode defini­tion of the observational method and the implications of deviations from its principles. / För att kunna konstruera en anläggning i berg, som uppfyller satta tek­niska krav, krävs det en rationell och effektiv konstruktionsmetod. När konstruktionens beteende är svårt att förutsäga, erbjuder den europeiska standarden Eurokod 7 den så kallade observationsmetoden. Denna metod tillåter i förväg förberedda förändringar i designen under konstruktions­tiden, om observationer av konstruktionens beteende indikerar att så behövs. På så vis anpassas konstruktionen till de faktiska förhållandena i marken. Trots att detta tillvägagångssätt i teorin ger en rationell design, används metoden sällan i enlighet med Eurokod 7. Denna doktorsavhandling undersöker tillämpbarheten av observa-tionsmetoden när man bygger i och på berg. Målet är att belysa de aspekter som begränsar dess användning och i dessa fall föreslå förbätt­ringar som ökar tillämpbarheten. I ett vidare perspektiv syftar avhand­lingen även till att förbättra den konceptuella förståelsen för hur beslut bör fattas i designprocessen när det finns stora osäkerheter. Avhandlingen visar hur observationsmetoden kan användas i ett san­nolikhetsbaserat ramverk. Metodiken ger användaren möjlighet att jäm­föra för- och nackdelarna med observationsmetoden och konventionell dimensionering. Avhandlingen diskuterar bland annat även (1) den skenbara motsatsen mellan användandet av sannolikhetsbaserade beräkningsmetoder för att lösa komplexa dimensioneringsfrågor och kvalitativa ingenjörsmässiga bedömningar, (2) hur larmgränser och brottgränstillstånd bör definieras för att ge tillräcklig säkerhetsmarginal, samt (3) hur Eurokod 7:s strikta definition av observationsmetoden påverkar dess användbarhet. / <p>QC 20160926</p>

Kungsängen är ett centralt beläget område i Uppsala. Området har stora mäktigheter av lera som når drygt 100 meters djup på sina håll. För att bygga på denna typ av jord måste långtidssättningar såsom konsolidering och krypning tas i beaktning. Att fastställa och beräkna krypningens storlek är dock svårt på grund av att det är en matematiskt komplicerad process. Det råder även oenigheter gällande när krypning inträder under sättningsförloppet samt gällande lämplig beräkningsmetod. För att erhålla en djupare förståelse för Kungsängslerans krypning samt för att finna en lämplig beräkningsmetod togs detta arbete fram i samarbete med Bjerking. Höjdavvägningar från dubbar och fixpunkter belägna i Kungsängen sammanställdes och resultaten visade att byggnader i Kungsängen som byggdes för 80–170 år sedan utsätts för krypning än idag. Medelvärdet av den relativa krypsättningen erhölls till 0,134 promille av lermäktigheten per år för dubbavvägningarna respektive 0,067 för fixpunktsavvägningarna. Ytterligare påvisade resultaten att både tid och lermäktighet var två drivande faktorer bakom Kungsängslerans krypning. Den europeiska standarden Eurokod 7 undersöktes för att finna förslag på beräkningsmetoder för krypning. Standarden hade dock inga konkreta förslag utan hänvisade till allmänt erkända metoder. Av denna anledning undersöktes tidsmotståndsteorin samt Chalmersmodellen med kryp. Tidsmotståndsteorin beräknade både realistiska och överskattade krypsättningar beroende på typ av lera. Vissa lerprover antydde att laster under cirka 45 kPa gav en försumbar krypning med andra lerprover indikerade annorlunda. Tidsmotståndsteorin har dock potential att vara en lämplig metod för beräkning av Kungsängslerans krypsättning. Chalmersmodellen med kryp tillämpades för att modellera ödometerförsök och resultaten visade att modellen generellt överskattade den totala deformationen och underskattade kryphastigheten. För att kunna förkasta eller verifiera modellen som lämplig vid beräkning av krypsättningar för Kungsängslera bör dock utförligare studier genomföras. / Kungsängen, a central area in Uppsala of Sweden, has a considerable depth of clay which stretches down to 100 m at some sites. In order to build at this type of soil one has to take long-term settlements into consideration, such as consolidation and creep. However, methods for calculating the latter aren’t straight forward since the mathematics behind the process is complicated. The starting time of creep is still unsettled and this is also the case regarding calculation methods. In order to enhance the understanding of creep of Kungsängen clay this study was developed in collaboration with Bjerking AB. Altimetry data from studs and fixed points from Kungsängen was compiled and the results showed that buildings in Kungsängen are experiencing creep even though some of them were built 80–170 years ago. The mean value of relative creep was found to be 0,134 per mille/year for the stud data and 0,067 per mille/year for fixed points. Another finding was that time and depth of clay were two factors behind the creep of Kungsängen clay. Another aim of the study was to investigate creep calculations methods in Eurocode 7. However, it was found that no method was proposed in the standard and therefore some other methods such as the time resistant theory and the Chalmer’s model with creep were investigated. It was found that the time resistant theory predicted creep realistically but with an overestimation in some cases, depending on the type of clay. Some clay specimen gave a negligible creep for loads under 45 kPa and other specimen indicated otherwise. All in all, this suggests that the time resistant theory might be an appropriate creep calculation method for the clay of Kungsängen. The Chalmer’s model with creep overestimated the total deformation but underestimated the creep when modelling odometer loads. Even so, the study of the model was not detailed enough in order to reject it or not. Therefore, a more detailed study of the model should be considered.

Tunneling involves large uncertainties. Since 2009, design of rock tunnels in European countries should be performed in accordance with the Eurocodes. The main principle in the Eurocodes is that it must be shown in all design situations that no relevant limit state is exceeded. This can be achieved with a number of different methods, where the most common one is design by calculation. To account for uncertainties in design, the Eurocode states that design by calculation should primarily be performed using limit state design methods, i.e. the partial factor method or reliability-based methods. The basic principle of the former is that it shall be assured that a structure’s resisting capacity is larger than the load acting on the structure, with high enough probability. Even if this might seem straightforward, the practical application of limit state design to rock tunnel support has only been studied to a limited extent. The aim of this licentiate thesis is to provide a review of the practical applicability of using reliability-based methods and the partial factor method in design of rock tunnel support. The review and the following discussion are based on findings from the cases studied in the appended papers. The discussion focuses on the challenges of applying fixed partial factors, as suggested by Eurocode, in design of rock tunnel support and some of the practical difficulties the engineer is faced with when applying reliability-based methods to design rock tunnel support. The main conclusions are that the partial factor method (as defined in Eurocode) is not suitable to use in design of rock tunnel support, but that reliability-based methods have the potential to account for uncertainties present in design, especially when used within the framework of the observational method. However, gathering of data for statistical quantification of input variables along with clarification of the necessary reliability levels and definition of “failure” are needed. / <p>QC 20170407</p>