Turvemaan pintakerroksen lujuuden mittalaite piikkisiipikaira. Jari Ala Ilomäki

Transkriptio

1 Turvemaan pintakerroksen lujuuden mittalaite piikkisiipikaira Jari Ala Ilomäki Luonnonvarakeskus, Tuotantojärjestelmät, Maarintie 6, 21 Espoo jari.ala Metsätieteen päivä, Turvemaat Rakenne Pintakerros - juuria, eläviä kasvinosia - heikosti maatunut - huomattava (veto)lujuus Maatunut turvekerros -lujuus yleensä riittämätön ajoneuvoille -renkaan/telan vetovoima pieni, tukkii pinnan kuvion Pohjamaa -yleensä kantavin kerros -usein liian syvällä

2 Turvemaiden lujuuden mittausmenetelmiä Kenttätutkimukseen tavoitteena käsikäyttöinen menetelmä Penetrometri eli tunkeutumismavastusmittari Kartion maahantunkeutumista vastustava voima sekä tunkeutumissyvyys mitataan Käsikäyttöisyys mahdollinen Mittaustulos voima kartion pohjan pinta-alaa kohden eli paine Tulokseen vaikuttavat useat maaperän lujuusominaisuudet: leikkaus-, kokoonpuristus- ja jännityslujuus sekä lisäksi maaperän ja metallikartion välinen kitka tulos ei suora fysikaalinen suure, jonka perusteella voisi laskea kantavuutta v Penetrometrin kärki väistää turvemaan lujuutta muodostavat kasvinosat, joten se ei kovinkaan hyvin mittaa lujuutta

3 Levykuormituskoe Levykuormituskokeessa suon pintaa vasten painetaan levyä, jonka uppoama suohon sekä sitä vastaava painamiseen käytettävä voima mitataan. Voimasta ja pinta-alasta lasketaan vastaava paine. r F A z Pintakerroksen rikkoutuminen johtuu toisaalta kuormituspinnan reunan leikkaavasta vaikutuksesta ja toisaalta pintakerroksen liiallisesta venymisestä erityisesti reunojen alueella Kimmokertoimen laskenta levykuormituskokeen avulla aloitetaan tarkastelu pehmeän pintakerroksen tiivistyttyä z(p=) lineaarisella nousevalla alueella: Wu 1966: P, kpa E z(p=) 1, pr z z(p max ) z, m p bz E 1, p = paine levyn alla br b = p-z -suoran kulmakerroin z = levyn uppoama E = kimmokerroin r = levyn säde

4 Yleinen periaate: kuormituspinnan koon tulisi olla ajoneuvon mittojen mukainen Levyk. laitteen tapauksessa isokokoiset levyt edellyttävät suuria voimia, ei käsikäyttöinen menetelmä Käsikäyttöisen laitteen levykoko pieni, tyypillisesti r =,2...,3 m Siipikaira (Shear vane) Vääntömomentti leikkauslujuus, joko maksimi yhden kierroksen aikana tai kulman funktiona Katkaisee turpeeseen asetettaessa rakenneosat, soveltuu maatuneen turpeen mittaamiseen 8

5 METLAn kehittämä piikkisiipikaira Suunniteltu nimen omaan tärkeän pintakerroksen lujuuden mittaamiseen Asetetaan maahan niin, että ylätaso on turvemaan pinnan tasalla Piikit eivät katkaise juuria Muuten kuten levymallinen siipikaira Aluksi kehitettiin leikkauslujuuden mittauksen Käsikäyttöisyys rajoitti halkaisijaa, sillä näyte on pystyttävä murtamaan Kierto kaupallisella momenttiavaimella, jossa sähköinen momentin ja kulman mittaus L R θ

6 Leikkausmoduli, Shear Modulus, G Palautuvan muodonmuutoksen alueella, näytettä ei tarvitse murtaa piikkisiipikairan mittoja voidaan suurentaa: d= 2 mm h=17 mm Suhteellisen muodonmuutoksen määrittely kulman avulla G F A x l x l tan Piikkisiipikairan tapauksessa laskennassa käytetään mitatun kiertokulman tangenttia. Tarvittava kiertokulma tyypillisesti 1 astetta Leikkausmodulin ja kimmokertoimen yhteys G E 2 (1 ) suppeumakerroin arvoja, kun vesi pääsee poistumaan puristuksessa turve...,1 hiekka,1...,4 (tiheyden mukaan) savi,2...,4 (täysin kyllästynyt maa, josta vesi ei pääse pois, eli kokoonpuristumaton) 12

7 Koe turpeensyvyydeltään vaihtelevalla radalla 2 3 Shear modulus, kpa Depth of peat deposit, cm Location on test track, m Ajo hakkuukoneella testiradalla Liikkuvuustunnusten määritys hakkuukoneen CAN-väylästä Kokeessa sama ura ajettiin kuormatraktorilla, jonka kuljettaja päätti poistua uralta leikkausmodulin saavuttaessa noin kpa tason

8 Toisella saman alueen koeradalla leikkausmoduli selitti 48 % harvesterin yhden ajokerran jälkeisestä raiteensyvyydestä turpeensyvyyden vaihdellessa 33 cm. Toisessa kokeessa mitatulla leikkausmodulilla oli tilastollisesti merkitsevä,8 suuruinen korrelaatio koealan turvenäytteestä mitattujen elävien juurten määrän kanssa. Kivennäismaalla piikkisiipikaira ei useinkaan saa kunnon otetta maaperästä, toimii parhaiten turvemaalla. Kivennäismaalla maan rakenteen särkyminen mittalaitteen asettamisen yhteydessä on usein ongelma. Turvemaan kantavuuteen oleellisesti vaikuttava kasvillisuus vaihtelee suuresti, joten kantavuuden vaihtelu etenkin puustoisella suolla voi olla huomattavaa pienelläkin alueella Leikkauslujuus rämeellä [kpa] 1x1 x 11m m alueella Todellinen vaihtelu suurempaa, sillä piikkisiipikairalla ei pystytty mittaamaan suurimpien juurten lujuusvaikutusta (leikkauslujuus) Leikkausmodulin mittaus olisi toiminut paremmin, joskaan suuremmat juuret eivät mahdu piikkien väleihin 16

9 Lujuuden aukoton selvittäminen mahdoton tehtävä Kyseessä tutkimukseen sopiva työkalu Kuitenkin ainoa tapa selvittää lujuus, tiukan paikan tullen myös käytännössä Leikkauslujuus rämeellä [kpa] 1x1 x 11m m alueella Piikkisiipikairasta lisätietoa Ala-Ilomäki, J Spiked shear vane - a new tool for measuring peatland top layer strength Piikkisiipikaira - uusi väline turvemaan pintakerroksen lujuuden mittaukseen. Suo - Mires and Peat 64(2-3):