<p>Most of the city of Uppsala rests on postglacial clay with a varying content of sulphur. The sulphur occurs naturally in the clay in reduced form as sulphide and the clay is for that reason usually called “sulphide clay”. Excavation during construction activities gives rise to large amounts of excavation material, of which the sulphide clay is a considerable part.</p><p>When the clay is exposed to air and water, an oxidation of the sulphides occurs which may produce an acid leachate and the mobilisation of heavy metals bound in the clay or underlying material. The aim of the work has been to improve our understanding of the behaviour of sulphide clays and produce a basis for risk assessment in the future handling of excavation material with high sulphide content. After sampling had been carried out in two places, batch tests were performed to examine the long-term acidification potential of clays with different calcium carbonate content. The tests were performed with continuous air supply and during the experiment leachate water was analysed with respect to pH, alkalinity, dissolved sulphate and mobilised metals. The results from the laboratory study showed that a clay with a high calcium carbonate content and thus a high net neutralisation potential (NNP) will consume the generated acid and prevent against a lowering of the pH.</p><p>In clay lacking calcium carbonate, the pH dropped significantly and caused a mobilisation of chiefly Cd, Mn, Co, Ni, Ca and As. Regardless of the changes in pH over time, a large production of sulphur was observed as a result of the sulphide oxidation. In a risk assessment, it is suggested that the NNP should be determined by methods agreed upon to facilitate future comparisons and because different methods may give different results. A clay with a NNP<5 kg CaCO3/ton should be further analysed with respect to metal content to establish the leachate generation potential and estimate the future environmental influence of the excavation material.</p> / <p>Uppsala stad vilar till stor del på postglacial lera med varierande svavelhalt. Svavlet finns naturligt i leran i reducerad form som sulfid och leran kallas därför vanligtvis för ”sulfidlera”. Vid schaktningsarbete i samband med byggnation uppkommer stora mängder schaktmassor varav en betydande del är sulfidlera.</p><p>Då leran exponeras för luft och nederbörd sker en oxidation av sulfiderna som kan ge upphov till surt lakvatten och läckage av tungmetaller bundna i leran eller underliggande material. Syftet med arbetet har varit att öka kunskaperna om hur sulfidleror beter sig och ta fram ett underlag för riskbedömning i samband med den framtida hanteringen av sulfidhaltiga schaktmassor i Uppsala. Efter genomförd provtagning på två platser utfördes skaktest för att undersöka den långsiktiga försurningspotentialen hos lera med varierande kalkinnehåll. Testerna utfördes med kontinuerlig tillförsel av luft och löpande under försökets gång togs lakvatten ut för analys avseende pH, alkalinitet, löst sulfat och utlakade metaller.</p><p>Resultaten från den laborativa studien visade att en kalkhaltig lera med hög nettoneutralisationspotential (NNP) kan förbruka den bildade syran och därigenom genereras ingen pH-sänkning. I lera som saknar kalk sjönk pH kraftigt och föranledde läckage av framförallt Cd, Mn, Co, Ni, Ca och As.</p><p>Oavsett utvecklingen av pH observerades en stor utlakning av svavel till följd av oxidationen av sulfider. I en riskbedömning föreslås att lerans NNP bestäms enligt överenskomna metoder för att underlätta framtida jämförelser och för att olika tekniker kan ge olika resultat. En lera med NNP-värde < 5 kg CaCO3/ton bör analyseras vidare avseende metallinnehåll för att fastställa den potentiella utlakningen och bedöma schaktmassans framtida naturpåverkan.</p>

Most of the city of Uppsala rests on postglacial clay with a varying content of sulphur. The sulphur occurs naturally in the clay in reduced form as sulphide and the clay is for that reason usually called “sulphide clay”. Excavation during construction activities gives rise to large amounts of excavation material, of which the sulphide clay is a considerable part. When the clay is exposed to air and water, an oxidation of the sulphides occurs which may produce an acid leachate and the mobilisation of heavy metals bound in the clay or underlying material. The aim of the work has been to improve our understanding of the behaviour of sulphide clays and produce a basis for risk assessment in the future handling of excavation material with high sulphide content. After sampling had been carried out in two places, batch tests were performed to examine the long-term acidification potential of clays with different calcium carbonate content. The tests were performed with continuous air supply and during the experiment leachate water was analysed with respect to pH, alkalinity, dissolved sulphate and mobilised metals. The results from the laboratory study showed that a clay with a high calcium carbonate content and thus a high net neutralisation potential (NNP) will consume the generated acid and prevent against a lowering of the pH. In clay lacking calcium carbonate, the pH dropped significantly and caused a mobilisation of chiefly Cd, Mn, Co, Ni, Ca and As. Regardless of the changes in pH over time, a large production of sulphur was observed as a result of the sulphide oxidation. In a risk assessment, it is suggested that the NNP should be determined by methods agreed upon to facilitate future comparisons and because different methods may give different results. A clay with a NNP&lt;5 kg CaCO3/ton should be further analysed with respect to metal content to establish the leachate generation potential and estimate the future environmental influence of the excavation material. / Uppsala stad vilar till stor del på postglacial lera med varierande svavelhalt. Svavlet finns naturligt i leran i reducerad form som sulfid och leran kallas därför vanligtvis för ”sulfidlera”. Vid schaktningsarbete i samband med byggnation uppkommer stora mängder schaktmassor varav en betydande del är sulfidlera. Då leran exponeras för luft och nederbörd sker en oxidation av sulfiderna som kan ge upphov till surt lakvatten och läckage av tungmetaller bundna i leran eller underliggande material. Syftet med arbetet har varit att öka kunskaperna om hur sulfidleror beter sig och ta fram ett underlag för riskbedömning i samband med den framtida hanteringen av sulfidhaltiga schaktmassor i Uppsala. Efter genomförd provtagning på två platser utfördes skaktest för att undersöka den långsiktiga försurningspotentialen hos lera med varierande kalkinnehåll. Testerna utfördes med kontinuerlig tillförsel av luft och löpande under försökets gång togs lakvatten ut för analys avseende pH, alkalinitet, löst sulfat och utlakade metaller. Resultaten från den laborativa studien visade att en kalkhaltig lera med hög nettoneutralisationspotential (NNP) kan förbruka den bildade syran och därigenom genereras ingen pH-sänkning. I lera som saknar kalk sjönk pH kraftigt och föranledde läckage av framförallt Cd, Mn, Co, Ni, Ca och As. Oavsett utvecklingen av pH observerades en stor utlakning av svavel till följd av oxidationen av sulfider. I en riskbedömning föreslås att lerans NNP bestäms enligt överenskomna metoder för att underlätta framtida jämförelser och för att olika tekniker kan ge olika resultat. En lera med NNP-värde &lt; 5 kg CaCO3/ton bör analyseras vidare avseende metallinnehåll för att fastställa den potentiella utlakningen och bedöma schaktmassans framtida naturpåverkan.

In this thesis, some aspects concerning building embankments founded on sulphide clay are studied, with special reference to ground improvement by preloading in combination with prefabricated vertical drains (PVD’s). The main purpose of the research was to increase empirical knowledge of the mechanical behaviour of sulphide clays subjected to embankment loadings and of the interaction between vertical drains and sulphide clays. Important aspects related to ground improvement with PVD’s in more general terms are also treated, in particular how various uncertainties regarding the properties of the clay and the clay-drain interaction imposed in the design phase can be addressed. The benefits of using theobservational method for handling these uncertainties are discussed, and a description of how the method was used in an embankment project is presented. The results from the research are presented in one conference paper and two papers submitted to peer-reviewed international journals, which are appended. The design of PVD’s involves describing the consolidation characteristics of the clay and the interaction between the drains and the clay. Primarily, the rate of consolidation is determined by the hydraulic conductivity (permeability) of the clay in the horizontal direction. Hence, accurate determination of this material property is of paramount importance in making reliable design predictions. As conventional laboratory tests for assessing the consolidation characteristics of a clay only provide information about its properties in the vertical direction, one is often left to make assumptions about the horizontal properties based on empirical correlations. Reliable empirical knowledge of these correlations for a certain clay is there forevital. A large number of CRS tests were performed on horizontal and vertical samples ofsulphide clay in order to investigate the correlation between the horizontal and verticalhydraulic conductivity and coefficient of consolidation. The results show that there is very small anisotropy in these parameters and that the scatters in the results are large. For designpurposes, sulphide clays should therefore be assumed to be isotropic in this respect. In orde rto handle the variation in properties, several parallel tests should be made and partial factors of safety should be introduced in the design. Introducing partial factors of safety in the design of PVD’s is one of the main topics suggested for further research. Regarding the clay-drain interaction, a study of the disturbance effects (smear effects) during the installation of drains in sulphide clays was performed. Back-calculations of measurements of pore pressure dissipation were made via a parameter study. It was shown that smear affects the consolidation rate to some extent but that the natural (undisturbed) hydraulic conductivity is more significant. The undrained shear strength su of a clay is dependent on the preconsolidation pressure σ 'p . As the clay consolidates under a loading, the effective stress increases, possibly to magnitudes surpassing the initial preconsolidation pressure and thereby leading to increased undrainedshear strength of the clay. The relation between su and σ 'p, i.e. the ratio su /σ 'p for asulphide clay, was investigated based on results from a large number of in situ tests andlaboratory tests. There were large scatters in the measurements, but su /σ 'p =0.25 is suggested as being relevant in the direct shear zone for design purposes in sulphide clays. / <p>QC 20101101</p>

I detta examensarbete har en geoteknisk utredning utförts för att bedöma ifall grundläggning aven bro över Fyrisån i Uppsala kan utföras på enklaste sätt, genom plattgrundläggning. Arbetethar grundats på att undersöka hur grundläggningen styrs av den postglaciala lerans tekniskaegenskaper. Problemformuleringen har varit, att undersöka hur den geotekniska projekteringenav bron, dels skulle kunna genomföras, dels ska genomföras utifrån beaktande och värderingav tekniska och i viss mån ekonomiska aspekter. De frågeställningar som behandlas är: Vilkautmaningar finns det med att bygga bron på den aktuella platsen? Vilka svårigheter finns detmed att bygga bron enligt enklaste sätt, Vilka ytterligare grundläggningsmetoder kan användasför att grundlägga bron samt hur ska dessa tillämpas? Arbetet har utförts med en inledandelitteraturstudie via Malmö Universitetsbibliotek, sökmotorn Libsearch och SGI:s bibliotek. Enfallstudie har utförts av jordlagerförhållandena vid Fyrisån, där utvärderingen baseras påanalyser av data från tillgängliga fältundersökningar i området. Handberäkningar hargenomförts för att överslagsmässigt kontrollera de geotekniska förutsättningarna i brott- ochbruksgränstillståndet. Handberäkningarna har jämförts med datorberäkningar från Plaxis 2D.Teorin som ligger till grund för beräkningarna baseras på etablerade standarder somkontrolleras mot flertalet källor. Undersökningarna visar att djupet till berg är ca 55 m underbefintlig markyta. Jordlagerföljden består generellt av fyllning på siltig torrskorpelera påsulfidlera på lera/silt på friktionsjord. Utmaningen med grundläggningen av bron kansammanfattas till den potentiellt miljöfarliga sulfidhaltiga leran som leder till svårigheter ibruksgränstillståndet, eftersom den har en benägenhet att ge stora sättningar vid belastning,kombinerat med det stora djupet till berg.Handberäkningar visar att bron inte kan grundläggas på platta på mark eftersom jorden går ibrott när den belastas av fundamentet för odränerade förhållanden, dvs. korttidstillståndet. Ävenberäkningar med Plaxis 2D indikerar att jorden går i brott. Handberäkningar ochplaxisberäkningar har också genomförts för att undersöka de sättningar som kan utbildas vidgrundläggning på platta på mark. Det tillåtna värdet för sättningar är 0,050 m medanhandberäkningarna ger en sättning på 0,52 m och Plaxis 2D 0,41 m. För att bron ska kunnagrundläggas på den postglaciala leran används istället pålar med en geoteknisk bärförmåga på725 kN. Pålarnas knäcklast har beräknats till 5254 kN. Totalt krävs 18 pålar för att grundläggabrofundamentet. Pålning används då det råder osäkerhet hur användningen av övrigagrundläggningsmetoder interagerar med sulfidhaltig lera, bland annat hur reaktionen mellankalk/cement och sulfidjorden fungerar, om t ex kalk-cement-pelare skulle ha använts istället förpålar, samt resultaten av en eventuell försurning av omkringliggande miljö. Sulfidhaltig lerasänker pH-värdet i jord vid exponering för syre.Handberäkningarna och datorberäkningarna visar liknande resultat, vilket tyder på att deterhållna resultatet är rimligt. Förutsättningarna som används för beräkningarna är baserade påempiriska samband, som vid jämförelse med resultat från genomförda sonderingar visar på engod överensstämmelse. Avvikelser i sonderingarna bedöms vara ett resultat bl. a av deskalrester som finns i jorden, vilket beaktas vid värdering av resultatet. Resultatet från denutförda studien visar, att grundläggning av platta på mark inte är möjlig, främst på grund av destora sättningar som kan förväntas utbildas. Grundläggning med pålning väljs utifrånmiljömässiga och tekniska krav. / In this thesis, a geotechnical investigation has been performed to assess if the foundation of abridge over Fyrisån, Uppsala, can be founded by plate foundation. The work has been based oninvestigating how the postglacial clay affects the construction based on the current groundconditions. Questions being answered are: what challenges there are in building the bridge atthe current location, what difficulties there are in building the bridge according to conventionalmethods and what foundation methods can be used to construct the bridge and how these shouldbe applied. The work has been carried out through a literature study. A case study has beenperformed of the soil conditions in Fyrisån which shows that the soil consists in general offilling on silty dry clay crust on sulfide clay on clay/silt on friction soil. The depth to rock is 55meters.The main challenge with this specific soil are the large compression, which is a result of largedepth and the fact that the soil consists of sulfide clay. The calculations by hand correspond thecalculation done in Plaxis 2D where the results show that the soil breaks in the undrained stateand the compression is 0,41m, 0,52 m by hand, compared to the maximum requirement of 50mm. The choice of foundation is piling due to the uncertainty of reaction betweenlimestone/cement and sulfide and the risk of acidification.The condition on which the calculations are based on is compared to completed probes whichshows a good correspondence. Any abnormalities are concluded to be a result of the soil’scontent of residual of shell. In conclusion the study shows that the foundation cannot be donewith a plate foundation and the soil has to be reinforced due to the large compression of thesoil.