ESSI AUVINEN SULJETUN LEIKKAUSLUJUUDEN MÄÄRITTÄMINEN SUODATTIMELLA VARUSTETULLA CPTU-KAIRALLA. Diplomityö

Transkriptio

1 ESSI AUVINEN SULJETUN LEIKKAUSLUJUUDEN MÄÄRITTÄMINEN SUODATTIMELLA VARUSTETULLA CPTU-KAIRALLA Diplomityö RAKO- Tarkastaja: Professori Tim Länsivaara Tarkastaja ja aihe hyväksytty Talouden ja rakentamisen tiedekuntaneuvoston kokouksessa 7. lokakuuta 2015

2

3 ii TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma AUVINEN ESSI: Suljetun leikkauslujuuden määrittäminen rakosuodattimella varustetulla CPTU-kairalla Diplomityö, 117 sivua, 1 liitesivu Joulukuu 2015 Pääaine: Yhdyskuntarakentaminen Tarkastaja: professori Tim Länsivaara Avainsanat: CPTU-kairaus, rakosuodatin, suljettu leikkauslujuus CPTU-kairauksessa kärkivastusta, vaippakitkaa ja huokospainetta mittaavaa kärkeä puristetaan vakionopeudella maahan. Kärkien mittaustarkkuus on kehittynyt viime vuosina merkittävästi, mikä on lisännyt CPTU-kairauksen käyttömahdollisuuksia etenkin pehmeillä savimailla. Monissa maissa, kuten Norjassa, CPTU-kairaus onkin syrjäyttänyt vanhan siipikairausmenetelmän maan lujuuden määritysmenetelmänä. Tässä diplomityössä tarkastellaan CPTU-kairausmenetelmää, sen taustoja ja käytettävää laitteistoa. Kirjallisuuden pohjalta pyritään löytämään CPTU-kairauksen ongelmakohtia ja virhelähteitä. Työssä keskitytään konsulttien paljon käyttämään rakosuodattimella varustettuun CPTU-kärkeen. Rakosuodattimellisella huokospaineen mittauselementillä saadaan tutkimuksissa luotettavia mittaustuloksia, kunhan kärjen nestetäyttö suoritetaan asianmukaisesti ja kärjellä ei pyritä läpäisemään dilatoivaa maakerrosta, kuten tiivistä kuivakuorikerrosta. Menetelmän toistettavuutta tutkittiin rinnakkaisilla kairauksilla. Kairausten mittaustulokset vastasivat toisiaan hyvin. Kairaustuloksista tehtiin seitsemällä eri menetelmällä suljetun leikkauslujuuden tulkinnat. Saatuja tuloksia verrattiin siipikairauksella saatuihin sekä yhdessä kohteessa myös ödometrikokeella arvioituihin suljetun leikkauslujuuden arvioihin. Parhaat korrelaatiot saatiin ruotsalaisen Larssonin kokonaiskärkivastukseen perustuvilla tulkintamenetelmillä. Siipikairaukseen verrattuna CPTU-kairauksella saadaan huomattavasti yksityiskohtaisempaa tietoa koko tutkimuksen matkalta. Eri maakerrokset ovat menetelmällä havaittavissa selkeämmin, kuin muilla tutkimusmenetelmillä. Lisäksi CPTU-kairaus on nopeamman suorituksensa vuoksi huomattavasti siipikairausta tehokkaampi tutkimusmenetelmä. Työssä on myös selvitetty hyviä suorituskäytänteitä ja laadittu näistä ohjeet maastotyöntekijöille. Tulosten käsittelyä varten on myös annettu muutamia suunnitteluohjeita.

4 iii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Civil Engineering AUVINEN ESSI: Interpretation of undrained shear strength from CPTU equipped with a slot filter Master of Science Thesis, 117 pages, 1 Appendix page December 2015 Major: Municipality Engineering Examiner: Professor Tim Länsivaara Keywords: CPTU, slot filter, undrained shear strength In CPTU test, a probe that measures cone resistance, sleeve friction and pore pressure, is pushed into the ground at a constant rate. Measuring accuracy of the probes has developed significantly in past few years which has increased use of CPTU especially in soft clay. In many countries, such as Norway, CPTU has superseded the old field vane test as a primary soil strength determination method. In this thesis CPTU test, background of the method and equipment used is studied. Basis of literature, it is aspired to find issues and sources of error related to the CPTU test. The focus of the thesis is in CPTU device equipped with a slot filter which is widely used by consultants. The study shows that the pore pressure measurement system, that contains the slot filter, produces reliable pore pressure results as long as saturation of the probe is done adequately and dilative soil layers, such as dry crust, is not temped to penetrate. Repeatability of the test is studied by performing two CPTU s parallel. The measuring results were very equivalent. Obtained test results were used to define undrained shear strength by seven different theories. Results were compared to the result received from a field vane test and in one area of experiment from CRS oedometer tests. The best correlations were obtained from Swedish Larsson s solutions which are based on total cone resistance. Compared to the vane test, CPTU acquires significantly more detailed information from the whole investigation. Different soil layers are more clearly noticeable than in other investigation methods. In addition CPTU test is faster to conduct and therefore more effective soil investigation method compared to field vane test. In this thesis, good practice of performing CPTU test was also studied. Based on the findings, new instructions for the field personnel were established. Some new design guidelines are also given for processing and analysing the test results.

5 iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Ramboll Finland Oy:lle ja sitä rahoittamassa on ollut Liikennevirasto. Haluan kiittää työni ohjaajaa Juho Mansikkamäkeä Ramboll Finland Oy:stä, joka on kärsivällisesti auttanut työni edistymisessä sekä antanut palautetta ja neuvoja. Työtäni ohjaamassa on ollut myös Jani Lepistö Ramboll Finland Oy:stä, jota haluan kiittää kiinnostuksesta aiheeseen ja hänen antamastaan mahdollisuudesta tämän diplomityön tekemiseen. Kiitos myös Liikenneviraston Panu Tollalle ja Veli-Matti Uotiselle heidän kommenteistaan liittyen työn maastotyöohje -osaan. Lisäksi haluan kiittää Tampereen teknilliseltä yliopistolta professori Tim Länsivaaraa hänen kommenteistaan ja työni tarkastamisesta. Erityiskiitokset antamistaan neuvoista ja huomioista kuuluvat TTY:n Juha Selänpäälle, joka tekee ansiokasta tutkimustyötä CPTU-kairauksen parissa. Haluan myös kiittää ystäviäni, etenkin Niinaa ja Saaraa, unohtumattomista opiskeluvuosista ja vertaistuesta loppumattomilta tuntuvien harjoitustöiden parissa. Lopuksi haluan lämpimästi kiittää Villeä ja perhettäni, jotka ovat tukeneet minua koko opintojeni ajan. Lahdessa Essi Auvinen

6 SISÄLLYS Termit ja niiden määritelmät... vii 1 Johdanto Lähtökohdat Suomen maaperä Maan leikkauslujuus Tehokkaat jännitykset Kokonaisjännitykset Suljetun leikkauslujuuden määritys Kolmiaksiaalikoe Suora leikkauskoe Kartiokoe Siipikairaus Nykyiset suunnittelu- ja tutkimusohjeet CPTU-menetelmällä määritettävä suljettu leikkauslujuus CPTU-menetelmä Kairauslaitteisto Virhelähteet Oikean kaluston valinta Kärjen kulumisen vaikutus Puristusnopeuden vaikutus Kairauksen kaltevuuden vaikutus Maan kerroksellisuuden vaikutus Huokosvedenpaineen suodattimen kylläisyyden vaikutus Lämpötilan vaikutus Kairauksen onnistumisen arviointi ja kärjen kalibrointi Soveltaminen muissa maissa Suljetun leikkauslujuuden arviointimenetelmät Suljetun leikkauslujuuden määritys ruotsalaisella menetelmällä Suljetun leikkauslujuuden määritys norjalaisella menetelmällä Suljetun leikkauslujuuden määritys Robertsonin mukaan Suljetun leikkauslujuuden määritys Lunnen, Robertsonin ja Powellin mukaan Tulkintaohjelmat Tutkimusmenetelmä ja aineisto Tutkimuksessa käytetty kalusto Tutkimuskohteet Lahti Turku Vantaa Orimattila Kairausten suorittaminen v

7 vi 5 Tulokset CPTU-kairaustulosten sisäinen vaihtelu Kärkivastusten vaihtelu Vaippakitkojen vaihtelu Huokospaineiden vaihtelu Vaikutukset suljettuun leikkauslujuuteen Kairauksen kaltevuus Suljettu leikkauslujuus Vertailu CPTU- ja siipikairausten välillä Siipikairauksesta aiheutuvat erot CPTU-kairauksen soveltuvuus eri olosuhteisiin Menetelmäohjeet Suunnittelu Maastotyö Alkuvalmistelut Muut tutkimukset Kairavaunun ankkurointi Kuivakuori- ja täyttökerroksen tutkiminen ja avaus Kärjen lämpötilan tasaus Rakosuodattimen nestetäyttö Nollalukemat Tutkimuksen suoritus Kokeen päättäminen Johtopäätökset ja yhteenveto Lähteet Liite

8 vii TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT a = A n /A c Kärjen nettopinta-alasuhde A c Kärjen poikkipinta-ala A n Kärjen kuorma-anturin (load cell) poikkipinta-ala A s Kitkahylsyn pinta-ala c Koheesio c Tehokkaiden parametrien koheesio C inc Kaltevuuden korjausparametri f s Mitattu vaippakitka F r Normalisoitu kitkasuhde F s Kitkahylsyyn vaikuttava voima H Maakerroksen paksuus I p Plastisuusluku K c Ohuiden maakerrosten kärkivastuksen korjauskerroin l Kairauksen pituus (m) N c Teoreettinen kärkikerroin N kt Empiiristen tulkintojen kärkikerroin OCR Konsolidaatioaste S t Sensitiivisyys s u = c u Suljettu leikkauslujuus u = u 0 Vallitseva huokosvedenpaine u = u 0 + Δu CPTU-kairalla mitattu huokosvedenpaine u 2 CPTU-kairan kartio-osan takaa mitattu huokosvedenpaine u 3 CPTU-kairan kitkahylsyn takaa mitattu huokosvedenpaine Δu = u u 0 Huokospainelisäys q c Mitattu kärkivastus q c1 Tiiviin maakerroksen kärkivastus q c2 Tiivistä maakerrosta ympäröivän maan kärkivastus q t Korjattu kärkivastus Q c Kartiokärkeen kohdistuvaa aksiaalivoima w L Maan juoksuraja z Kairauksen syvyys (m) α Mitattu pystysuoran akselin ja kairakärjen välinen kulma asteina β Kulman α tasoa kohtisuorassa tasossa mitattu pystysuoran akselin ja kairakärjen välinen kulma asteina θ Leikkausjännityksen ja horisontaalitason välinen kulma σ Normaalijännitys σ Tehokas normaalijännitys

9 viii σ' 1 Tehokas suurin pääjännitys σ' 3 Tehokas pienin jännitys σ' f Leikkausjännityksen normaalijännitys σ v0 Maassa vallitseva pystysuora jännitys σ 0 In-situ kokonaisjännitys τ f Leikkausjännitys φ Leikkauskestävyyskulma φ Tehokkaiden parametrien leikkauskestävyyskulma

10 1 1 JOHDANTO Suomessa hienorakeisten maiden suljettua leikkauslujuutta on perinteisesti määritetty 50-luvulla kehitetyllä, hyvin yksinkertaisella siipikairausmenetelmällä. Menetelmässä tiedetään olevan ongelmia. Se ei ole erityisen tarkka ja samassa kohteessa määritetyt lujuuden arvot voivat poiketa toisistaan hyvinkin paljon. Viimeaikaisten tutkimusten mukaan epätarkkuuden lisäksi siipikairaus pyrkii usein aliarvioimaan saven lujuutta. Saadut lujuuden arvot ovat tavallisesti 20 % todellista lujuutta pienempiä, mutta ne voivat olla jopa puolet todellisesta lujuudesta. CPTU-kairaus on maailmalla yleinen pohjatutkimusmenetelmä. Modernissa CPTUkairauksessa kairatankojen päähän asennettu kärki mittaa tutkimussyvyydeltä kärkivastusta, vaippakitkaa ja huokospainetta. Koska kärkien mittaustarkkuus on viime vuosina parantunut merkittävästi, on CPTU-kairauksesta muodostunut luotettava tutkimusmenetelmä myös pehmeille savimaille. Norjassa CPTU-kairaus onkin syrjäyttänyt vanhan siipikairauksen maan suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmänä. CPTU-kärjen suodatinelementti voidaan varustaa kahdella eri suodatintyypillä, huokossuodattimella tai rakosuodattimella. Huokossuodattimen laajempi tarkastelu on rajattu pois ja työssä keskitytään konsulttien suosimaan rakosuodattimella varustettuun CPTUkärkeen sekä sillä tehtäviin kairauksiin ja tulosten tulkintaan. Työn teoriaosuudessa käydään läpi suomalaisten pehmeikköjen ominaisuuksia, pehmeiden savimaiden lujuuden määritystä sekä tarkastellaan nykyisin käytössä olevia suunnittelu- ja tutkimusohjeita. Kirjallisuustutkimuksena on tarkasteltu CPTUkairausmenetelmää ja sen taustoja sekä selvitetty CPTU-kairauksessa käytettävää laitteistoa, menetelmän mahdollisia rajoitteita ja virhelähteitä. Lisäksi on selvitetty menetelmän käyttöä muissa maissa. Teoriaosuudessa on esitetty seitsemän eri suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmää, joita sovelletaan työn empiirisessä osuudessa. Empiirisessä osuudessa pyritään havainnoimaan menetelmän luotettavuutta, tulosten toistettavuutta ja tarkkailemaan rakosuodattimen toimintaa. Tehdyistä laadukkaista kairauksista arvioidaan suljettua leikkauslujuutta ja verrataan saatuja tuloksia muihin kokeisiin. Työssä on myös laadittu maastotutkimusohjeet sekä tehty joitain huomioita suunnittelua varten.

11 2 2 LÄHTÖKOHDAT 2.1 Suomen maaperä Suomen maaperästä on 97 % irtomaalajien tai vesistöjen peitossa, eli kallioperää on näkyvissä vain noin kolme pinta-alaprosenttia. Maalajit muodostavat kallioperän päälle vaihtelevan paksuisen kerroksen, joka koostuu sarjasta erilaisia maalajeja. Tavallisesti alimmaiset kerrostumat ovat jääkauden aikaiset moreenit ja sorat. Moreenin päällä sekä soraharjujen tuntumassa voi olla syvään veteen kerrostuneita sedimenttejä, eli savea ja silttiä. Syvän veden sedimenttien jälkeen muodostuneet matalan veden ja vesirajan sedimentit saattavat olla melko karkearakeisia. Ylimpänä kerroksena ovat järvien liejumaat sekä soiden turpeet. (Salonen et al. 2002) Kallion päällä olevan maalajipeitteen paksuudessa on melko suurta vaihtelua. Sen paksuus on keskimäärin noin 3-4 metriä, mutta joillain alueilla maalajikerrostumien paksuus voi olla kymmeniä metrejä. Paksuimmat maakerrostumat ovat korkeiden harjujen kohdin ja savikkoalueilla. Hienorakeisia maita esiintyy tyypillisesti Etelä- ja Lounais- Suomen sekä Pohjanmaan rannikkoalueilla, kuten nähdään kuvasta 1. Etenkin Etelä- Suomessa esiintyy monin paikoin savikkoja, joiden kerrospaksuus on metriä. Aurajoen tuntumassa ja Kempeleessä on tavattu jopa yli sadan metrin paksuisia savikoita. Koska Suomessa asutus on keskittynyt maan etelä- ja lounaisosien alaville rannikkoseuduille, joilla esiintyy runsaasti savi- ja silttikerrostumia, korostuu näiden maalajien merkitys geoteknisestä näkökulmasta (Löfroth et al. 2010). (Rantamäki et al. 1992; Salonen et al. 2002)

12 3 Kuva 1 Savikerrostumat Suomessa (Kujansuu & Niemelä 1984, yksityiskohta) Vuosina kerätyn maanäyteaineiston perusteella suomalaiset hienorakeiset maat ovat pääasiassa lujuudeltaan kohtuullisen alhaisia, tavallisesti välillä 0-40 kn/m 2. Ne ovat siis enimmäkseen hyvin pehmeitä, pehmeitä tai sitkeitä. Savi- ja silttimailla tavattiin myös yksittäisiä korkeampia, kovaksi maakerrokseksi luokiteltavia, suljetun leikkauslujuuden arvoja. (Ronkainen 2012) Pehmeät, hienorakeiset maat ovat rakennettavuudeltaan heikkoja, sillä niiden kantavuus on huono ja kuormituksen alla ne painuvat paljon ja tämä painuminen tapahtuu hitaasti. Hienorakeisille maille tunnusomaista on suuri sensitiivisyys, mikä vaikeuttaa niiden kaivettavuutta, läjitettävyyttä, tiivistettävyyttä ja kuljetettavuutta. Tämän vuoksi ne ovat haastava rakennusalusta. (Rantamäki et al. 1992) Suomessa sijaitsevat Euroopan suurimmat happamat sulfaattimaaesiintymät. Maailmalla happamia sulfaattimaita esiintyy useimmin tropiikissa, pääasiassa Kaakkois-Aasiassa, Afrikan länsi- ja Etelä-Amerikan koillisosissa (Beek et al. 1980). Kuvan 2 mukaan Suomessa sulfaattimaat sijoittuvat pääasiassa Pohjanmaan rannikolle, mutta niitä esiin-

13 4 tyy myös muilla rannikkoalueilla. Esiintymät sijoittuvat erityisesti muinaisen Litorinameren alueille, jotka Perämeren rannikkoalueilla ulottuvat merenpinnasta noin 100 metrin korkeustasoon ja Etelä-Suomen rannikoilla noin metrin tasoon. (GTK 2009; Edén et al. 2013) Kuva 2 Sulfaattimaiden mahdolliset esiintymisalueet Suomessa (Auri & Putkinen 2011) Happamat sulfaattimaat ovat muodostuneet Litorina-meren aikana, kun kasvillisuutta kertyi merenpohjaan ja hapettomissa oloissa bakteerit pelkistivät meriveden sulfaattia meren sulfidiksi (GTK 2009). Merkittävin ongelma, joka aiheutuu sulfaattimaista, on maan hapettumisen myötä syntyvät happamat ja metallirikkaat valumavedet, ja niiden aiheuttamat ympäristöongelmat, kuten kalakuolemat ja pohjaveden pilaantuminen. Sulfaattimaan hapettuessa maaperässä oleva sulfidi muuttuu rikkihapoksi, joka happamoittaa vesiä ja liuottaa metalleja maaperästä. Maaperän hapettumista aiheuttavat muun muassa ojitus, turvetuotanto ja rakentaminen. (Edén et al. 2013) Merkittäviä happamia sulfaattimaaesiintymiä löytyy myös Pohjanlahden toiselta puolen, Ruotsista, Norlannin rannikolta. Ruotsissa onkin tehty paljon sulfaattimaihin liittyvää tutkimusta. Larssonin et al. (2007b) mukaan sulfaattimaiden tutkimisesta tekee haastavaa niiden koostumuksen suuri vaihtelu. Sulfaattimaissa orgaanista ainesta voi olla jopa niin paljon, että maa on luokiteltavissa liejuksi. Tavallisesti sulfiittimaiden koostumus

14 5 kuitenkin vaihtelee liejuisesta siltistä liejuiseen saveen. Koostumuksen lisäksi vaihtelua aiheuttavat sulfiittimaiden voimakas kerroksellisuus ja kerrosten väliset suuret rakenneerot. Suurta vaihtelua omaavien ja suhteellisen pienistä näytteistä määritettävien parametrien, kuten irtotiheyden, vesipitoisuuden ja juoksurajan arvot, eivät täten edusta sulfaattimailla koko maamassaa. Sulfaattimaat ovat rakenteeltaan usein kohtuullisen huokoisia. Maapartikkelien väliset huokoset ovat täyttyneet huokosveden lisäksi orgaanisesta materiaalista ja rautasulfidista, joiden uskotaan myötävaikuttavan sulfaattimaiden avoimeen rakenteeseen. Sulfaattimaat ovat tyypillisesti erittäin kokoonpuristuvia ja niiden hiipuma on merkittävä. Niillä on tavallisesti myös hyvin alhainen suljettu leikkauslujuus, jonka arvo tyypillisesti on noin kpa. Sulfaattimaat ovatkin tavallisesti rakennettavuudeltaan heikkoja. (Westerberg & Andersson 2013) 2.2 Maan leikkauslujuus Maaperän lujuusominaisuuksia kuvailtaessa leikkauslujuus nousee merkittävimpään asemaan. Perustusten, maarakenteiden ja maaperän jännitysten vuoksi maaperään syntyy leikkausjännityksiä. Leikkausjännitysten vuoksi maahan muodostuu pintoja, joita myöten maa pyrkii leikkautumaan murtuman tapahtuessa. Kun leikkausjännitykset kasvavat yhtä suuriksi maan leikkauslujuuden kanssa, tapahtuu murtuminen. (Rantamäki et al. 1992, s. 122; Jääskeläinen 2009, s. 98) Tehokkaat jännitykset Maan leikkauslujuus esitetään perinteisesti Coulombin kaavan avulla: jossa τ f = c + σ tan φ (1) τ f = leikkauslujuus c = koheesio σ = leikkauspinnassa vaikuttava normaalijännitys φ = maan sisäinen leikkauskestävyyskulma (kitkakulma) Maan leikkauslujuus muodostuu kaavan 1 mukaan koheesiosta ja sisäisestä kitkasta. Koheesio aiheutuu maapartikkelien välisistä kiinnevoimista sekä partikkeleiden ja partikkeleita ympäröivien vesivaippojen välisistä sähköstaattisista voimista. Tyypillisesti koheesiota esiintyy ikääntyneillä ylikonsolidoituneilla savikerrostumilla, joilla on tapahtunut lievää hiukkasrungon "sementoitumista". Yleinen käsitys on, että normaalikonsolidoituneilla savilla koheesio on hyvin pieni. (Rantamäki et al s. 123; Länsivaara 2011)

15 6 Termillä φ ilmaistavan leikkauskestävyyskulman suuruus muodostuu rakeiden välisestä kitkasta sekä tiiviillä mailla siitä, että maan leikkautumisen yhteydessä maarakeiden on osittain kiivettävä toistensa yli (dilataatio). Leikkauskestävyyskulman suuruuteen vaikuttaa maan raekoko ja -jakauma, raemuoto sekä maan tiiveys. Sisäinen kitka ilmaistaan leikkauskestävyyskulman tangenttina ilmoitettavan kitkakertoimen ja partikkelien kosketuspinnoilla vaikuttavan normaalijännityksen tulona. (Rantamäki et al s. 123; Länsivaara 2011) Terzaghin mukaan täysin vedellä kyllästetyn maan leikkauslujuus on riippuvainen murtopinnassa vaikuttavan kokonaisnormaalijännityksen σ sijaan tehokkaasta normaalijännityksestä σ, jota kutsutaan myös raepaineeksi. Vedenpinnan alla murtopinnalla kokonaisjännitys ei ole vain rakeiden välistä jännitystä, vaan myös maan huokosissa olevaa veden painetta u. Kokonaisnormaalijännityksen ja tehokkaan normaalijännityksen sekä huokosvedenpaineen yhteys esitetään seuraavasti: σ = σ, + u (2) Koska vain maarakeiden väliset tehokkaat jännitykset vastustavat maan leikkautumista, kaava 1 tarkentuu muotoon: eli τ f = c, + σ, tan φ, (3) τ f = c, + (σ u) tan φ, (4) joissa τ f on leikkauslujuus c on koheesio σ on tehokas normaalijännitys σ on normaalijännitys u on huokosvedenpaine φ on leikkauskestävyyskulma (Rantamäki et al. 1992; Craig 1997; Jääskeläinen 2009) Mohr-Coulombin murtokriteeri käsittelee maan potentiaalisten murtopintojen jännitystiloja. Coulombin lain mukainen kaava 4 määrittelee σ' τ koordinaatistossa leikkauslujuuden kuvaajasuoran. Maan jännitystilaa voidaan kuvata Mohrin jännitysympyrän avulla samassa koordinaatistossa, kuten kuvasta 3 nähdään. Maan sisäisen jännitystilan tarkastelussa oletetaan, että maassa olevaa pistettä kuormittaa kolme toisiaan kohtisuoraa pääjännitystä σ' 1, σ' 2 ja σ' 3, joista σ' 1 on jännityksistä suu-

16 7 rin, pystysuuntainen pääjännitys ja σ' 2 = σ' 3. Pisteeseen vaikuttaa murtotason ja suurimman pääjännityksen tason välisessä kulmassa θ leikkausjännitys τ f ja sen normaalijännitys σ' f. (Rantamäki et al. 1992; Craig 1997) Kuva 3 Leikkauslujuus ja jännitystila kuvattuna Mohrin ympyrällä (Craig 1997) Mohr-Coulombin mukaan maassa tapahtuu murtuma, kun maan jännitystilaa kuvaava Mohrin ympyrä koskettaa Coulombin kaavalla määritettävä leikkauslujuutta kuvaavaa suoraa. Leikkauspisteen koordinaatit voidaan laskea seuraavien kaavojen avulla: τ f = 1 2 ( σ 1 σ 3 ) sin 2θ (5) σ f = 1 2 ( σ 1 σ 3 ) ( σ 1 σ 3 ) cos 2θ (6) Kaavoissa 5 ja 6 esiintyvä murtopinnan kaltevuuskulma θ voidaan kuvan 3 perusteella esittää muodossa: θ = 45 + φ 2 (7) Murtotilanteessa pääjännitysten σ' 1 ja σ' 3 sekä maan lujuusparametrien φ' ja c' välisen riippuvuuden ja kuvassa 3 esitetyn trigonometrian mukaan voidaan todeta: sin φ = 1 2 ( σ 1 σ 3 ) c cot φ ( σ 1+σ 3 ) (8) Täten: σ 1 = σ 3 tan 2 (45 + φ 2 ) +2c tan(45 + φ ) (9) 2

17 8 Kaava 9 on pääjännitysten ja lujuusparametrien välinen murtumisehto, jota kutsutaan Mohr-Coulombin murtokriteeriksi. Kun tiedetään maalle useita jännitystasoja, jotka tuottavat leikkausmurtuman, voidaan murtokriteerin mukaan piirtää tangentti sivuamaan jokaista maan jännitystilaa kuvaavaa Mohrin jännitysympyrää. Näin saadaan selvitettyä Coulombin lain mukainen murtosuora, joka on esitetty kuvassa 4. (Rantamäki et al s. 126; Craig 1997, s. 104) Kuva 4 Leikkauslujuus ja jännitystila murtotilanteessa (Länsivaara 2011) Kokonaisjännitykset Hienorakeisissa, heikon vedenläpäisevyyden omaavissa maissa muodostuu niin sanottu suljettu tila, kun niitä kuormitetaan nopeasti. Tällöin maapartikkelien välissä oleva huokosvesi ei ehdi purkautumaan ja tilavuuden muutoksen sijaan tapahtuu huokosvedenpaineen kasvua. Avoimessa tilassa maata kuormitetaan niin hitaasti, että maapartikkeleiden välinen huokosvesi ehtii purkautua pois. Maan ollessa suljetussa tilassa voidaan lujuus ilmaista tehokkaiden jännitysten sijaan kokonaisjännitysten avulla. (Craig 1997). ( Länsivaara 2011) Suljetussa tilassa olevan maan jännitystilan kasvattaminen kasvattaa saman verran maassa vallitsevaa huokosvedenpainetta. Huokosvedenpaine ei vaikuta jännitysten erotukseen eikä leikkausjännityksiin, joten Mohrin ympyröillä kuvattu huokosvedenpaineen kasvu siirtää kokonaisjännitysten ympyrää jännitysakselilla eteenpäin, mutta ei vaikuta ympyrän säteeseen, kuten kuvassa 5 nähdään. Kuvassa 5 esitetyn tehokkaiden jännitysten ympyrä (E) voidaan täten liittää lukuisiin jännitysakselia myöten siirrettyihin kokonaisjännitysten ympyröihin (T 1, T 2, ). (Wood 1990; Länsivaara 2011)

18 9 Kuva 5 Tehokkaiden jännitysten ja kokonaisjännitysten Mohrin ympyrät (Wood 1990) Hienorakeisilla mailla lujuuden kuvaamiseen käytetty suljettu leikkauslujuus s u, joka toisinaan ilmoitetaan myös c u, on Mohrin ympyröiden säde. (Wood 1990; Länsivaara 2011) τ f = s u (10) Maassa ei esiinny yhtä suljetun leikkauslujuuden arvoa vaan se vaihtelee maan anisotropiasta, murtomekanismista, kuormitusnopeudesta ja kuormitushistoriasta riippuen (Powell & Lunne 2005). Suljettuun leikkauslujuuteen vaikuttaa merkittävästi maan konsolidaatiotila. Empiirisesti on todettu, että saven suljettu leikkauslujuus on riippuvainen maan konsolidaatiojännityksestä, joten saven suljettu leikkauslujuus tavallisesti kasvaa syvyyden suhteen. Kuormitusnopeuden vaikutus suljettuun leikkauslujuuteen on havaittavissa tutkimuksin, joissa saadaan nopealla leikkauksella suurempia lujuuden arvoja. (RIL ; Lehtomäki 2011) Savikerrostumien suljetun leikkauslujuuden anisotropia on laajalti tunnettu ilmiö, joka voidaan jakaa kahteen eri tyyppiin; jännitystilasta riippuvaan sekä maakerrokselle ominaiseen, syntytavasta johtuvaan anisotropiaan. Hienorakeisen maakerroksen syntyessä litteät, pitkänomaiset maapartikkelit pyrkivät maan painovoiman vaikutuksesta asettumaan vaakasuuntaisesti kerrostuessaan. Tämä aiheuttaa syntytavasta johtuvan anisotropian. Jännitystilasta riippuva anisotropia syntyy, kun tehokas konsolidaatiojännitys ei ole kaikissa suunnissa yhtä suurta. (Ladd et al. 1977, Löfrothin 2008 mukaan)

19 10 Kuva 6 Baltian jääjärven, Yoldia ja Litorita merien sijainnit (Tikkanen & Oksanen 2002) Korhonen ja Leskelä (1970) ovat tutkineet siipikairauksin Suomalaisten savien anisotropiaa. Tutkimuksen mukaan homogeenisissa Litorina ja Yoldia merien aikaisissa savissa (kuva 6) vaakasuoran leikkauspinnan lujuus on pystysuuntaisen leikkauspinnan lujuutta suurempi. Sen sijaan, esimerkiksi Baltian jääjärven aikaisissa (kuva 6), kerrallisissa savissa vaakasuuntainen leikkauslujuus voi usein olla noin % pienempi verrattuna pystysuuntaiseen leikkauslujuuteen. Sortuman tapahtuessa liukupinta seuraa yleensä mahdollisimman pitkään heikkoja vaakasuoria maakerroksia. Tämän vuoksi jälkimmäiseen anisotropiaan tulee kiinnittää erityistä huomiota, kun arvioidaan liukupinnalla toimivaa keskimääräistä leikkauslujuutta. Päätelmät ovat perustuneet eri muotoisilla siivillä tehtyihin siipikairauksiin, jotka eivät välttämättä ole täysin luotettavia. Täten luotettavaa tietoa suomalaisten savien anisotropiasta ei ole. (katso RIL ) 2.3 Suljetun leikkauslujuuden määritys Maan suljetun leikkauslujuuden mittaustavat voidaan jakaa in-situ -mittausmenetelmiin ja laboratoriokokeisiin. Laboratoriokokeissa tulee huomioida, että näytteiden tulee olla edustavia. Häiriintymättömien näytteiden otossa, käsittelyssä ja varastoinnissa tulee käyttää erityistä tarkkuutta, jotta ne säilyttävät in-situ -rakenteensa ja -vesipitoisuutensa.

20 11 Suomessa suljettu leikkauslujuus perinteisesti määritetään maastossa siipikairalla tai vaativissa kohteissa häiriintymättömistä maanäytteistä laboratoriossa kolmiaksiaalikokeella. (Korhonen et al. 1974; Craig 1997) Koska suljettu leikkauslujuus on riippuvainen myös kuormitussuunnasta (saven anisotropiasta), on esitetty, että liukupinnan eri osilla vaikuttava leikkauslujuus tulisi määrittää eri tavoin. Liukupinnan eri osille tulisi valita kokeet siten, että jännityksen muutoksen suunta on sama niin kokeessa kuin luonnossakin. Kuvassa 7 on esitetty tilanne, jossa liukupinnan yläosassa, kuormituksen alla vaikuttava leikkauslujuus arvioidaan puristuskokeella, jossa kasvatetaan pääjännitystä σ 1. Liukupinnan alaosassa leikkauslujuuden arviointiin käytetään suoraa leikkauskoetta ja liukupinnan loppuosan leikkauslujuus määritetään vetokokeella (σ' 1 < σ' 3 ). Tämän näkökannan mukaan siipikairalla ja kolmiaksiaalikokeella määritettyjen suljettujen leikkauslujuuksien ei tulisikaan olla samoja. (RIL ; Länsivaara 2011) Kuva 7 Suljetun leikkauslujuuden riippuvuus kuormitussuunnasta (RIL ) Siipikairalla määritetyn suljetun leikkauslujuuden oletetaan edustavan koko liukupinnan matkalla esiintyvää keskimääräistä leikkauslujuutta, joten tavallisesti annetaan koko murtopinnan leikkauslujuudelle yksi siipikairalla määritetty arvo. Tämä arvo korjataan kokemusperäisellä korjauskertoimella, mikä on alun perin laskettu tapahtuneista sortumista. (RIL ) Kolmiaksiaalikoe Kolmiaksiaalikokeessa maanäytettä kuormitetaan kolmen toistensa suhteen kohtisuoran akselin suunnassa, jolloin näytteen jännitystilanne vastaa mahdollisimman hyvin luonnossa olevaa tilannetta. Se soveltuu kaikille maalajeille ja halutusta kuormitustavasta riippuen sillä voidaan määrittää leikkauslujuus konsolidoitumattomana-suljettuna, konsolidoituna-suljettuna tai avoimena kokeena. (Rantamäki et al. 1992; Craig 1997)

21 12 Kuva 8 Esimerkki kolmiaksiaalikojeesta (CEN ISO/TS ) Kokeessa sylinterinmuotoinen, kumisukalla reunoiltaan verhottu näyte asetetaan läpinäkyvään selliin päätylevyjen väliin. Isotrooppisessa kokeessa sellissä näytteen ympäröivän nesteen avulla synnytetään yhtä suuret pääjännitykset σ 1 = σ 2 = σ 3 kaikissa kolmessa akselisuunnassa. Pystysuuntainen lisäjännitys Δσ 1 saadaan aiheutettua puristamalla tasaisella nopeudella näytettä kokoon päätylevyjen avulla. Huokosvedenpaineen muutoksia mitataan suljetussa kokeessa päätylevyn huokoskivilevyihin yhteydessä olevan huokospaineanturin avulla. (Rantamäki et al. 1992; Jääskeläinen 2009) Koheesiomaille soveltuu tavallisesti konsolidoitu-suljettu koe, jossa aluksi häiriintymätön näyte esikuormitetaan luonnontilaa vastaavaan jännitystilaan. Näytteessä olevan ylimääräisen veden annetaan poistua huokoskivilevyjen ja niihin liitettyjen putkistojen kautta. Kun konsolidaatio ja muodonmuutokset ovat tapahtuneet, nostamalla pystyjännitystä suoritetaan suljettu leikkauskoe. Leikkauskokeen aikana huokosveden poistuminen näytteestä on estetty. Esikuormituksesta aiheutuvan konsolidaation jälkeinen leikkauslujuus saadaan jo yhdellä kokeella, mutta mikäli halutaan määrittää maan tehokkaat lujuusparametrit, suoritetaan tavallisesti 3-4 kolmiaksiaalikokeen sarja eri esikuormituksia käyttäen. (Jääskeläinen 2009) Kolmiaksiaalikoetta pidetään monipuolisimpana ja tarkimpana leikkauslujuuden ja jännitys-muodonmuutosominaisuuksien määritysmenetelmä. Tutkimuksen suoritus vaatii kuitenkin asiantuntemusta ja on kustannuksiltaan suurehko. (Rantamäki et al. 1992)

22 Suora leikkauskoe Suorassa leikkauskokeessa näytettä kuormitetaan vakiosuuruisella pystysuoralla voimalla ja kasvavalla vaakasuuntaisella leikkausvoimalla niin pitkään, että näyte halkileikkaantuu. Leikkausvoimaa mittaamalla saadaan laskettua näytteessä vaikuttava leikkausjännitys. (Rantamäki et al. 1992) Kuva 9 Tavanomainen leikkausrasia (CEN ISO/TS ) Näyte suljetaan rasiaan, joka koostuu kahdesta päällekkäisestä osasta. Mikäli näyte on vedellä kyllästynyt, näytteen ylä- ja alapinnoille asetetaan huokoskivilevyt, jotka mahdollistavat huokosveden poistumisen. Kuivilla näytteillä voidaan käyttää vettä läpäisemättömiä metallilevyjä. Pystysuoralla voimalla synnytetään näytteeseen vakio vertikaalinen normaalijännitys. Kun rasian päällekkäisiä osia liikutetaan toistensa suhteen kokeen aikana mitattavalla horisontaalisella leikkausvoimalla, syntyy näytteeseen vaakasuuntainen leikkausjännitys. Leikkausjännityksen arvo saadaan leikkausvoiman ja näytteen vaakasuuntaisen poikkipinta-alan suhteena. Horisontaalista leikkausvoimaa kasvatettaessa kasvaa näytteen leikkausjännitys. Näytteessä murtohetkellä vaikuttava leikkausjännitys on maan leikkauslujuus. (Rantamäki et al. 1992; Craig 1997) Suora leikkauskoe menetelmänä on yksinkertainen suorittaa, mutta koska laitteistolla ei voi mitata huokosvedenpainetta, voidaan kokeella määrittää vain kokonaisjännityksiä. (Craig 1997) Kartiokoe Kartiokoe on kokemusperäinen suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmä, joka on käytössä erityisesti Pohjoismaissa. Koe tehdään usein sekä häiriintymättömälle että häiriintyneelle näytteelle, jolloin saadaan määritettyä myös näytteen sensitiivisyys. (Rantamäki et al. 1992) Koe suoritetaan kartiokoelaitteistolla, joka koostuu erikokoisista kartioista ja mittaasteikolla varustetusta kartioiden pudotuslaitteesta. Kokeen alussa kartion kärki asetetaan näytteen pintaan. Kartio vapautetaan ja sen annetaan pudota koenäytteeseen. Syn-

23 14 tynyt painuma mitataan. Koe toistetaan useamman kerran, jonka jälkeen voidaan arvioida näytteen suljettua leikkauslujuutta painumien keskiarvon ja kokemusperäisten taulukkojen avulla. Häiriintymättömästä näytteestä suoritettu koe tuottaa suljetun leikkauslujuuden arvon, joka kuvaa näytteen kokeen suorituksen aikaista tilaa eikä se välttämättä kuvaa luonnontilaista suljettua leikkauslujuutta. Koe antaa siis suuntaa antavan arvon maan suljetulle leikkauslujuudelle. (CEN ISO/TS ) Kuva 10 Kartiokokeen periaate (CEN ISO/TS ) Koe voidaan suorittaa myös täysin häirityille näytteille, jolloin saadaan häirityn näytteen leikkauslujuus. Näytteen sensitiivisyys saadaan häiriintymättömän näytteen leikkauslujuuden suhteena häirityn näytteen leikkauslujuuteen. (Rantamäki et al. 1992) Kartiokoelaitteistolla määritetään myös juoksuraja siipikairaustuloksen redusointia varten ja Larssonin suljetun leikkauslujuuden CPTU-dataan perustuvaa tulkintamenetelmää varten Siipikairaus Suomessa suljettu leikkauslujuus määritetään tavallisesti siipikairauksen avulla. Siipikairauksella voidaan saada hyvin korkealuokkaisia tutkimustuloksia, mikäli koe tehdään asianmukaisella laitteistolla erityisen huolellisesti. Siipikairan kärkiosa, siipi, koostuu neljästä toisiaan vasten kohtisuoraan olevasta levystä. Siipi painetaan maahan valittuun tutkimussyvyyteen, jossa sitä kierretään maanpinnalta käsin vakionopeudella. Siiven pyörittäminen maakerroksessa aiheuttaa momentin, joka mitataan laitteistosta riippuen joko kairatankojen yläpäästä tai suoraan siiven yläpuolelta. Mitattujen momentin arvojen ja siiven geometrian perusteella voidaan laskea leikkauslujuuden arvo. (Kairausopas II 1995)

24 15 Kuva 11 Siipikaira (ISO/DIS ) Siipikairalaitteistoja on hyvin eritasoisia. Taulukossa 1 on esitetty vielä vahvistamattoman eurostandardin mukainen käyttöluokkien luokittelutaulukko, jota on täydennetty testityypin vaatimukset täyttävän kaluston osalta. Taulukko 1 Siipikairauksen käyttöluokkien luokittelutaulukko (ISO/DIS , Ukonjärvi 2014) Käyttöluokka Mittaaminen Vääntömomentin siirto Vääntömomentti ja kiertokulman rekisteröinti Käyttöluokan vaatimukset täyttävä kalusto FV1 Jatkuva momentin ja kiertymän mittaaminen suoraan siiven yläpuolelta Ei siirtoa Vääntömomentti todellinen kiertokulma Alhaalta pyörittävä ja mittaava siipikaira FV2 Jatkuva momentin ja kiertymän mittaaminen tankojen yläpäästä Suojaputkilla suojattuja tankoja pitkin Vääntömomentti näennäinen kiertokulma Sähköinen siipikaira suojaputkella, Nilcon sähköisellä pyörittäjällä ja suojaputkella FV3 Jatkuva momentin ja kiertymän mittaaminen tankojen yläpäässä Suojaamattomia tankoja pitkin kulmaliikekytkimen kanssa Vääntömomentti näennäinen kiertokulma Sähköinen siipikaira, Nilcon sähköisellä pyörittäjällä FV4 Maksimimomentin mittaaminen tankojen yläpäästä Suojaamattomia tankoja pitkin ilman kulmaliikekytkintä Maksimivääntömomentti Nilcon käsikammella Yksinkertaisimpia momentin mittauslaitteita, jotka mittaavat vain pyörityksen aikana havaittavan maksimimomentin, ei tulisi enää käyttää suljetun leikkauslujuuden määritykseen. Käytetyn laitteiston tulee tallentaa kutakin kiertymää vastaavat momentin ar-

25 16 vot. Koska käyttöluokkien FV1 FV3 tutkimuksessa tulee siipeä pyörittää vakionopeudella, sijoittuu käsikammella varustettu Nilcon -laitteisto käyttöluokkaan FV4 (ISO/DIS ). Tavallisimmin käytössä oleva laitteisto lienee käsikammella varustettu Nilcon - laitteisto, jossa on jatkuva momentin ja tankojen kiertymän mittaus tankojen yläpäästä. Mittaus tehdään useimmiten suojaamattomilla tangoilla kulmaliikekytkimen kanssa. Kulmaliikekytkimen avulla on tarkoitus arvioida maan ja tankojen välistä kitkaa, josta aiheutuva momentti vähennetään kokonaismomentista. Kulmaliikekytkin ei usein anna kovin luotettavaa arviota tankovastuksesta. Tulkinnoissa usein yliarvioidaan kulmaliikekytkimen vapaa liikevara. Lisäksi kulmaliikekytkimen sisäisen kitkan vaikutusta mittaustulokseen ei tiedetä. (Ukonjärvi 2014) Tankovastuksen vaikutuksen minimoimiseksi, voidaan siipikairaukset tehdä suojaputkella varustettuna. Tällöin tulee huolehtia, että suojaputken ja tangoston väliin ei pääse maa-ainesta aiheuttamaan ylimääräistä kitkaa. Suojaputkellisen laitteiston siipiputken alaosan tiivisteen kunto tuleekin tarkastaa ja tarvittaessa vaihtaa. Tiiviste ei saa aiheuttaa merkittävää kitkaa kairatankoon varsinkaan, jos kitkan suuruutta ei pystytä määrittämään mittauksessa. (Ukonjärvi 2014) Suojaputkellisessa siipikairauksessa on havaittu ongelmia, ainakin sähköisen siipikairan osalta, kun siiven pyörityksen aikana siipi on lähtenyt painumaan syvemmälle maahan. Suojaputkettomissa tutkimuksissa tankovastus on riittävän suuri pitämään siiven paikoillaan pystysuunnassa. Kun tankovastus poistetaan ja mikäli pyörityslaitteen puristin ei ole riittävä pitämään siipeä pystysuunnassa paikoillaan, alkaa siipi pehmeissä maissa painua syvemmälle. Tällöin saatetaan yliarvioidaan ainakin häirittyä lujuutta, kun siipi painuu pyörityksen aikana häiriintymättömään maahan. (Selänpää, sähköposti) Korkealuokkaisimpia tuloksia saadaan käyttöluokan FV1 mukaisella laitteistolla, jossa siipeä pyöritetään ja momenttia mitataan suoraan siiven yläpuolelta. Tällöin tankovastus ei vaikuta mittaustulokseen eikä siipi pääse leikkauksen tai häirityn lujuuden mittauksen aikana painumaan. Luokan FV1 laitteisto on kustannuksiltaan korkeampi, sen käyttö on haastavampaa ja aikaa kuluttavampaa kuin perinteisen maan pinnalta pyörittävän laitteiston. Laitteistosta johtuvien virhelähteiden lisäksi siipikairauksen virheitä voivat aiheuttaa maan häiritseminen tutkimussyvyydellä ja siiven pyöritysnopeuden kasvattaminen. Maa häiriintyy aina jonkin verran siiven siihen painamisesta, kuten kuvasta 12 nähdään. Mitä enemmän maa häiriintyy ennen kokeen aloitusta, sitä pienempiä lujuuden arvoja saadaan kokeesta. Siiven geometriasta johtuvaa häiriintymistä voidaan arvioida kertoimen α perusteella. Kun α-kerroin kasvaa, pienenevät mitattavat suljetun leikkauslujuuden arvot. (Chandler 1987, Ukonjärvi 2014)

26 17 Kuva 12 Siiven maakerrokseen painamisesta aiheutuva maan häiriintyminen (Chandler 1987) Maan häiriintymisen välttämiseksi siiven levyjen tulisi olla tulevan eurostandardin mukaan enintään 3 mm paksuja. Sensitiivisillä (S t >30) mailla tehdyissä tutkimuksissa suositellaan enintään 2 mm paksuja levyjä. Siipien tulisi myös olla ehjiä. Siivet eivät saa olla taipuneita eivätkä ne saa sisältää särmiä tai kohoumia, jotka aiheuttavat tarpeetonta maan häiriintymistä siipeä alas puristettaessa. Maan häiriintymistä siiven ympärillä lisäävät siiven työntäminen tutkimussyvyyteen liian nopeasti, tyhjän liikevaran poistaminen kulmaliikekytkimestä tutkimussyvyydessä, siiven kiertäminen tutkimussyvyydellä ei-leikkaavaan suuntaan, tangoston irrottaminen kairavaunusta siiven ollessa tutkimussyvyydellä ja siiven työntäminen tutkimustasoa syvemmälle ja nostamalla takaisin ohjelmoidulle tasolle. Jos kairaus suoritetaan standardoidulla menetelmällä, tulee siipikairauksen tueksi ottaa tutkimuspisteestä maanäytteitä, joista määritetään juoksuraja w L (hienousluku). Tällöin saadaan redusoidut suljetun leikkauslujuuden arvot. (Liikenneviraston ohjeita 9/2010) 2.4 Nykyiset suunnittelu- ja tutkimusohjeet Kansallisissa ohjeissa otetaan vaihtelevasti kantaa eri suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmien soveltuvuuteen. Ensisijaisesti ohjeissa suositellaan siipikairauksen käyttöä. Muita suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmiä ehdotetaan käytettäväksi erityistapauksessa tai siipikairauksen tueksi. Liikenneviraston Tien geotekninen suunnittelu (2012) -ohjeessa kehotetaan noudattamaan maa- ja pohjarakenteiden suunnittelun lähtötietojen määrityksessä Tiehallinnon ohjetta Geotekniset tutkimukset ja mittaukset (2008). Tämän ohjeen mukaan suositeltava kenttätutkimusmenetelmä suljetun leikkauslujuuden arviointiin on siipikairaus. Myös Liikenneviraston julkaisussa Tiepenkereiden ja -leikkausten suunnittelu (2010) suositellaan suljetun leikkauslujuuden määritykseen siipikairausta. Ohjeen mukaan suljettu

27 18 leikkauslujuus tulee siipikairauksen sijaan määrittää kohteeseen sopivalla tutkimusmenetelmällä, mikäli on perusteltua olettaa, että siipikairauksin ei saada luotettavia suljetun leikkauslujuuden arvoja. Vaihtoehtoisia menetelmiä ovat kartiokoe, kolmiaksiaalikoe, suora puristuskoe ja CPTU-kairaus. InfraRYL-laatuvaatimusjärjestelmä ei ota kantaa suljetun leikkauslujuuden määritystapaan. InfraRYL viittaa kuitenkin usein suljetun leikkauslujuuden määrityksessä siipikairaukseen eikä muista menetelmistä ole juuri mainintaa. Geotekniset tutkimukset ja mittaukset -ohjeessa esitetään eri tutkimusmenetelmien soveltuvuuksia eri suunnitteluparametrien määrittämiseen. Yhteenvedon pohjana on käytetty Eurokoodin vastaavaa taulukkoa. Toisin kuin Eurokoodin taulukossa Tiehallinnon tutkimusmenetelmien yhteenveto ei pidä CPTU-kairausta hyvin soveltuvana hienorakeisten maiden suljetun leikkauslujuuden määritysmenetelmänä vaan antaa menetelmälle vain keskinkertaisen soveltuvuuden. CPTU-menetelmään suhtaudutaan Suomessa varauksella. Tämä on huomattavissa myös Suomen geoteknisen yhdistyksen julkaisemassa Kairausopas VI (2001), jossa CPTUkairaustuloksia pidetään kohtuullisen luotettavina koheesiomaiden leikkauslujuuden määritysmenetelmänä. Ainoastaan CPTU-menetelmällä määritettyjä parametreja ei hieman ristiriitaisesti oppaan mukaan kuitenkaan saa käyttää geoteknisten laskelmien mitoitusparametreina. Suljetun leikkauslujuuden määrityksessä suositellaan CPTUkairaustulosten kalibrointia siipikairauksen ja mikäli mahdollista, myös suorien leikkauskokeiden mukaan. Eurooppalaisessa Eurokoodi 7 -standardissa esitellään lyhyesti muutamia tutkimusmenetelmiä ja niiden soveltuvuutta suljetun leikkauslujuuden määritykseen. Standardin kenttätutkimusmenetelmien soveltuvuuden yksinkertaistetun yleiskatsauksen mukaan hienorakeisten maiden leikkauslujuuden määritykseen CPTU-tutkimus soveltuu hyvin. Se onkin rinnastettu soveltuvuudeltaan siipikairauksen kanssa samantasoiseksi määritysmenetelmäksi. (SFS-EN , s. 25)

28 19 3 CPTU-MENETELMÄLLÄ MÄÄRITETTÄVÄ SULJETTU LEIKKAUSLUJUUS 3.1 CPTU-menetelmä Puristinkairaus- eli CPT-menetelmässä maahan puristetaan vakionopeudella kairakärkeä ja samanaikaisesti mitataan kairan kartiokärkeen kohdistuvaa kärkivastusta ja kitkahylsyyn vaikuttavaa vaippakitkaa. CPTU-kairauksessa mitataan lisäksi huokosvedenpainetta. (Kairausopas VI 2001) Alankomaissa kehitettiin 1930-luvulla mekaaninen CPT-kaira, jolla pystyttiin luotettavasti mittaamaan kartiokärjen maahan painamisesta aiheutuva vastus. Menetelmä perustui ulompaan vaippaan, joka minimoi tankovastuksen, ja sisempään tankoon, jolla manuaalisesti painettiin kairan kärkikappaletta. Syntynyt kärkivastus mitattiin hydraulisen mittausanturin avulla. Myöhemmin kairaan lisättiin kitkahylsy mittaamaan vaippavastusta. (Massarsch 2014) 1960-luvulla markkinoille saapui ensimmäinen rutiininomaiseen pohjatutkimukseen tarkoitettu elektroninen CPT-kairakärki. Huokospaineen mittauksella varustettu CPTUkärki kehitettiin 1970-luvulla, jolloin sitä käytettiin lähinnä tieteellisen tutkimuksen työkaluna. Kairauksen käyttö alkoi vähitellen lisääntyä offshore-tutkimuksissa, jonka jälkeen 1990-luvulla CPTU-menetelmää alettiin enenevissä määrin käyttää myös maalla perinteisissä pohjatutkimuskohteissa. Kärkien mittaustarkkuus on kehittynyt vuosien varrella merkittävästi, mikä on lisännyt sen käyttömahdollisuuksia etenkin pehmeillä savimailla. Nykyisin CPTU-kairaus on yksi suosituimpia pohjatutkimusmenetelmiä maailmalla. (Karlsrud et al. 2005; Massarsch 2014) 3.2 Kairauslaitteisto CPTU-kairakärki koostuu kartiokärjestä, suodattimesta, kitkahylsystä ja kärkiosan jatkokappaleesta, jotka on esitetty kuvassa 13. Kärjessä on sisäänrakennetut mittausanturit, jotka mittaavat kartiokärkeen kohdistuvaa voimaa, kitkahylsyyn vaikuttavaa kitkavoimaa ja yhdellä tai useammalla kohdalla kärjessä vaikuttavaa huokospainetta. (Kairausopas VI 2001; SFS-EN ISO )

29 20 Riippuen kärjen käyttötarkoituksesta ja tutkittavasta maaperästä kairan koko ja mittausherkkyys vaihtelevat. Tavallisesti kuitenkin käytetään poikkileikkaukseltaan 1000 mm 2 kairakärkeä, jolloin kärjen halkaisijaksi muodostuu 35,7 mm. Standardissa on esitetty neljä eri käyttöluokkaa, jotka on jaoteltu kairauksen mittaustarkkuuden mukaan. Standardin vaativimman tarkkuuden käyttöluokka 1 on tarkoitettu hienorakeisten maiden tutkimiseen. Tässä luokassa sallitut minimitarkkuudet ovat: - kärkivastukselle 35 kpa tai 5 % - vaippakitkalle 5 kpa tai 10 % - huokosvedenpaineelle 10 kpa tai 2 % - inklinaatiolle 2 - kairaussyvyydelle 0,1 m tai 1 % Mitattavan parametrin sallittu minimitarkkuus on kahdesta esitetystä suurempi. Toisin sanoen esimerkiksi kärkivastuksella, suurin hyväksyttävä virhe on 35 kpa, kun mittaus tapahtuu mittausalueella kpa ja yli 700 kpa mittauksissa hyväksytään enintään 5% virhe. Jotta saavutetaan tavoiteltavan luokan kairaus, mittaustuloksen tarkkuuden tulee olla parempi kuin suurin hyväksyttävä virhe. Tämä arvo sisältää kaikki kairauksen virhelähteet, kuten sisäisen kitkan, tiedonkeruun virheet, epäkeskisen kuormituksen, ympäristön ja hetkellisen lämpötilan aiheuttamat vaikutukset ja mittavirheet. (SFS-EN ISO ) Standardi huomauttaa, että erittäin pehmeät maat voivat vaatia käyttöluokkaa 1 suurempia tarkkuuksia. Ruotsalaiset CPT-oppaat suosittelevatkin hienorakeisille maille vaativampaa mittaustarkkuutta. Larssonin (2007) mukaan standardissa mainitut käyttöluokat on tarkoitettu tiiviimmille ja karkearakeisimmille maille mitä Ruotsissa usein tavataan. Etenkin pehmeiden, hienorakeisten ja orgaanista ainesta sisältäviä maiden tutkimiseen tulisi soveltaa Ruotsin geoteknisen seuran (SGF) suositusten mukaisia tarkkuusluokituksia. SGF (1993) on laatinut oman luokituksen CPT-kairauksille, jonka mukaan koheesiomaille tulisi käyttää kairakärkeä, jolla saadaan heidän luokittelunsa mukaisia luokan 3 tutkimuksia. Tämä sama luokka on liitetty standardiin Ruotsin kansallisen liitteen mukaiseksi käyttöluokaksi 0. Käyttöluokan 0 sallitut minimitarkkuudet ovat: - kärkivastukselle 20 kpa tai 2 % - vaippakitkalle 2 kpa tai 2 % - huokosvedenpaineelle 1 kpa tai 2 % - inklinaatiolle 2 - kairaussyvyydelle 0,1 m tai 1 %

30 21 Kairakärjen sisäinen voima-anturi mittaa kartiokärkeen kohdistuvaa aksiaalivoimaa Q c. Jakamalla mitattu voima Q c kärjen poikkipinta-alalla A c saadaan kärkivastus q c. Kitkahylsyyn vaikuttava voima F s voidaan mitata joko toisella voima-anturilla tai menetelmällä, jossa voima-anturi on sijoitettu kärjen takaosaan, ja anturi mittaa sekä kärkeen, että kitkahylsyyn vaikuttavia voimia (F s + Q c ). Kun tästä voimasta vähennetään erikseen mitattu pistevoima, saadaan kitkavoima F s. Kitkahylsyyn vaikuttava voima F s jaettuna kitkahylsyn pinta-alalla A s muodostaa vaippakitkan f s. (Sandven 2010) Tavallisesti voima-anturit toimivat lähes lineaarisesti tietyllä kuormitusalueella ja tietyssä lämpötilassa. Voima-anturit koostuvat usein tavallisesti siltakytketyistä venymäliuskoista, jotka perustuvat sähköjohtavuuden muutokseen liuskojen johteiden poikkileikkauksen muuttuessa venymisestä tai puristumisesta johtuen. Toisinaan CPTU-kärjissä käytetään venymäliuskojen sijaan induktiivisia tai pietsosähköisiä antureita. (Selänpää 2015) Kuva 13 Mahdolliset huokospaineen mittauskohdat (SFS-EN ISO ) Huokospainetta voidaan mitata yhdellä tai useammalla mittausanturilla. Mahdolliset huokospaineen mittauselementtien sijainnit on esitetty kuvassa 13. Tavallisesti CPTUkairauksessa mitataan kartion takana vaikuttava huokospaine u 2. (SFS-EN ISO )

31 22 Kuva 14 Huokosvedenpaineen vaikutus kärkivastukseen ja vaippakitkaan (SFS-EN ISO ) Campanella et al. (1982) havaitsivat huokosvedenpaineen aiheuttavan muutoksen mitattuun kärkivastukseen ja vaippakitkaan. Huokosvedenpaine vaikuttaa kairan kärkiosan ja kitkahylsyn takaisissa saumoissa, kuten kuvassa 14 nähdään. Kärjen nettopintaalasuhteeksi a kutsuttu, kartiokärjen takana vaikuttava huokosvedenpaineen vaikutusalue on likimäärin samansuuruinen kuin voima-anturin poikkipinta-alan A n suhde kärjen poikkipinta-alaan A c. Kartiokärjen takana vaikuttavan huokosvedenpaineen vuoksi mitattu kärkivastus q c ei edusta oikeaa tunkeutumavastusta. Tämän johdosta huokosvedenpaineen vaikutus kärkivastukseen tulee huomioida seuraavasti: q t = q c + u 2 (1 a) (10) jossa q t q c u 2 a on korjattu kärkivastus on mitattu kärkivastus on kairan kartio-osan takaa mitattu huokosvedenpaine on kärjen nettopinta-alasuhde Nettopinta-alasuhde a on laitekohtainen parametri, joka määritetään kairakärjen kalibroinnin yhteydessä. Etenkin pehmeillä savimailla huokosvedenpaineen aiheuttama muutos mitattuun kärkivastuksen arvoon on merkittävä. Huokospaineen mittauksella varustetun CPTU-kairan yksi tärkeimmistä ominaisuuksista onkin huokospaineen korjauspa-

32 23 rametrin tuottaminen kärkivastukselle (Lunne & Powell 2005). (katso Lunne et al. 1997; SFS-EN ISO ) Kuvassa 15 on esitetty, kärkivastuksen mittaustulokset kolmelle eri CPTU-kärjelle, joiden nettopinta-alasuhteet a vaihtelevat välillä 0,59-1. Korjaamattomien kärkivastusten mittaustuloksissa q c on havaittavissa selvä eroavuus, mutta korjauksen tekemisen jälkeen korjattujen kärkivastusten q t arvot vastaavat hyvin toisiaan. (Lunne et al. 1997) Kuva 15 Esimerkki kärkivastuksen q c korjaamisen vaikutuksesta pehmeillä mailla (Lunne et al. 1997). Huokosvedenpaine vaikuttaa myös mitattuihin vaippakitkan arvoihin. Koska kuitenkin tavallisesti kitkahylsyn takana vaikuttavaa huokosvedenpainetta u 3 ei mitata, käytetään laskennassa korjaamattomia vaippakitkan f s arvoja. (SFS-EN ISO ) Huokospaineen mittaus voi tapahtua joko huokossuodattimen tai rakosuodattimen avulla. Kuvassa 16 on esitetty erilaisilla suodatintyypeillä varustetut kartiokärjet. Huokoisesta materiaalista, kuten sintratusta metallista, keramiikasta tai muovista valmistettu huokossuodatin, on suosittu erityisesti tutkimuskäytössä. Kyllästetty huokossuodatin erottaa huokosvedenpaineen ja tehokkaat jännitykset estämällä maapartikkelien pääsyn mittauselementtiin. Huokossuodattimella saadun huokosvedenpaineen arvot ovat tarkkuudeltaan erinomaisia, mutta huokossuodattimella varustetun kairan käyttö on melko työlästä. (Larsson 1995; Sandven 2010)

33 24 Kuva 16 Vasemmalla sintratusta pronssista valmistetulla huokossuodattimella ja oikealla rakosuodattimella varustettu kartiokärki (Sandven 2014) Huokossuodattimet ovat usein kertakäyttöisiä, mutta markkinoilla on myös uudelleen käytettäviä suodattimia, jotka voidaan puhdistaa ultraäänipesurissa. Puhdistuksen jälkeen suodattimet tulee säilöä tiiviissä astiassa nesteeseen upotettuna. (Sandven 2010) Huokossuodattimen kyllästämiseen voi käyttää useita eri nesteitä. Kun mittaus suoritetaan pohjaveden pinnan tason alapuolella, käytettävä neste usein on vesi, josta on poistettu ilma. Muita vaihtoehtoja suodattimen kyllästämiseen ovat esimerkiksi glyseriini, parafiini ja jäänestoaine. (Sandven 2010) Rakosuodattimella varustetussa kärjessä huokoisen suodattimen tilalla on ohut, tavallisesti 0,3 mm levyinen rako. Raon tulee olla niin leveä, että se välittää ympäröivän huokosvedenpaineen, mutta kuitenkin niin kapea, että se estää maapartikkelien pääsyn kartiokärkeen. Kärkikappale kyllästetään tavallisesti voitelurasvalla ja kärjen vastakammio juoksevammalla nesteellä. (Larsson 1995; Sandven 2010) Rakosuodattimet ovat saavuttaneet suosiota erityisesti niiden helpomman käsiteltävyyden vuoksi. Maasto-olosuhteissa rakosuodattimen kyllästäminen on huomattavasti helpompaa kuin huokossuodattimen. Rakosuodattimilla varustetut kartiokärjet on mahdollista myös kyllästää ennakolta, jolloin tarvittava määrä kartioita voidaan käsitellä hyvissä olosuhteissa ennen maastoon lähtöä. Tämän lisäksi on huomioitava, että kärjen lävistäessä vedellä kyllästymättömän maakerroksen, rakosuodatin pidättää kyllästyneisyytensä paremmin kuin huokossuodatin. Rakosuodattimella varustetun kärjen huokosvedenpaineen mittaustulos voi toisinaan olla huokossuodattimella varustettuun kärkeen verrattuna vähemmän herkkä ja yksityiskohtainen. Larssonin (1995) mukaan rakosuodattimen hieman heikompi tarkkuus ei vaikuta merkitsevästi kärkivastuksesta ja vaippakitkasta arvioitaviin parametreihin. (Sandven 2010; SFS-EN ISO ) CPT-kairakärkeen on huokospaineen mittauksen lisäksi mahdollista liittää muita mittausantureita. Seismisen moduulin lisäys kärkeen lienee yksi suosituimmista lisäelementeistä. Menetelmässä tavallisesti maanpinnalla sijaitseva aaltolähde tuottaa leikkausaallon, joka välittyy maan kautta CPT-kärkeen sijoitettuun vastaanottimeen. Mittauksessa

34 25 tallennetaan aika, joka leikkausaallolta kuluu vastaanottimen saavuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voidaan esimerkiksi arvioida värähtelevien laitteiden perustamistapaa ja tärinän vaikutusta rakenteisiin. Muita CPT-kärkeen liitettäviä mittauselementtejä ovat esimerkiksi lämpötila, paine, radioisotooppi, sähkön johtavuus ja resistiivisyys sekä ph. Näistä suuri osa on geoympäristöteknisiä sovelluksia. (Lunne et al. 1997; Robertson & Cabal 2012) CPTU-kairauksessa parametrit mitataan kairakärjessä tutkimussyvyydellä toisin kuin useissa muissa suosituissa pohjatutkimusmenetelmissä, joissa mittaus tapahtuu kairatankojen yläpäässä maanpinnalla. Tämä parantaa mittaustulosten tarkkuutta, kun tankovastuksesta aiheutuva virhe poistuu. Useimmat CPTU-kärjet on varustettu kaltevuuden mittausanturilla, jonka avulla voidaan havaita vinoon suuntautunut kairaus ja tehdä havaintojen perusteella tarvittava syvyyskorjaus mittausdataan (Powell & Lunne 2005). (Kairausopas VI 2001) Tiedonsiirto kairakärjestä rekisteröintilaitteistoon voidaan tehdä usealla eri tavalla. Aiemmin tiedonsiirto tapahtui vain kaapeleita käyttäen, mikä teki kairauksen suorittamisesta työlästä ja laski menetelmän tehokkuutta. Langattomat tiedonsiirtomenetelmät ovat akustinen tapa ja muistilaitetta hyödyntävä menetelmä. Akustisessa menetelmässä tieto välittyy akustisina signaaleina kairatankoja pitkin mikrofoniin, josta tieto siirtyy rekisteröintilaitteeseen. Muistilaitteeseen perustuvassa tiedonsiirtomenetelmässä mittaustiedot tallentuvat kairakärjessä sijaitsevaan muistilaitteeseen, tavallisesti muistikorttiin, josta tiedot puretaan rekisteröintilaitteistoon. Kaapeleiden käyttö ja akustinen menetelmä mahdollistavat mittausarvojen seuraamisen reaaliaikaisena kairauksen aikana, jolloin mahdolliset virheet mittauksessa havaitaan välittömästi. Muistilaitetta hyödyntävässä tavassa mittaustulokset voidaan lukea vasta kairauksen suorittamisen jälkeen. (Kairausopas VI 2001; Karlsrud et al. 2005) CPTU-menetelmään tarvittava laitteisto koostuu kairakärjestä, kairatangoista ja puristuslaitteistosta. Pehmeillä savimailla puristuslaitteistoksi soveltuu hyvin Suomessa tavallisesti käytetty nykyaikainen monitoimikairavaunu, jonka massa on yli 2000 kg. Maailmalla käytetään hyvin moninaisia puristuslaitteistoja mittauksen suorittamiseen. Käytettävät laitteistot vaihtelevat kevyistä maahan ankkuroitavista kairauslaitteistoista raskaisiin kuorma-autopohjaisiin laitteistoihin. CPTU-menetelmässä tulee käyttää kairan vakiotunkeumanopeutta 20 mm/s ja puristuslaitteiston syöttöpituuden tulee olla vähintään yksi metri. Mittauksen aikana tankojen lyöminen ja pyörittäminen on kielletty. (Lunne et al. 1997; SFS-EN ISO ) CPTU-menetelmä soveltuu miltei kaiken tyyppisille maalajeille karkeasta hiekasta pehmeään saveen. CPTU ole oikea tutkimusmenetelmä kohteisiin, joissa maakerroksen

35 26 sorapitoisuus kasvaa liian suureksi tai kerros sisältää kiviä. Karkeaan kuivakuorikerrokseen, jota etenkään herkällä CPTU-kärjellä ei tule läpäistä, on usein tehtävä avaus. Toisinaan avaus tulee myös putkittaa, jotta kairareikä ei sorru. (Sandven 2010) 3.3 Virhelähteet Itse CPTU-kairauksen suorittamisen lisäksi huomiota tulee kiinnittää myös tutkimuksen yhteydessä suoritettaviin kairauksiin ja näytteenottoihin. Mikäli näytteenotto tai muu kairaus suoritetaan ennen CPTU-kairausta, tulee CPTU-tutkimus tehdä vähintään kahden metrin vaakasuoralta etäisyydeltä näytteenotto- tai kairareiästä. Tällä pyritään välttämään aiempien reikien vaikutus CPTU-mittaustulokseen. (SFS-EN ) Jotta CPTU-menetelmällä saadaan luotettavia suunnitteluparametreja, etenkin pehmeillä savimailla tulee testitulosten olla virheettömiä ja edustaa hyvin vallitsevia pohjaolosuhteita sekä suunnittelussa tulee käyttää luotettavia tulosten tulkintamenetelmiä. Laitteiston ja tutkimusmenetelmien tulee olla standardin mukaisia, jotta päästään tähän tavoitteeseen. (Powell & Lunne 2005) Oikean kaluston valinta CPTU-kairauksessa tulee valita oikea laitteisto tutkimustarkoituksen ja maalajin mukaan. Esimerkiksi pohjasuhteiden selvitystä varten käytettävällä kärjellä tulee olla riittävän laaja mittausalue, jotta se voi läpäistä myös tiiviit maakerrokset. Laajalla mittausalueella varustetulla suurikapasiteettisella kärjellä tarkkuus pehmeiden maakerrosten pienillä kuormilla kärsii, muun muassa kärjen rakenteesta, resoluutiosta, kalibrointivirheestä ja mittaustarkkuudesta johtuen. Tämän vuoksi suurikapasiteettisellä kärjellä saadut tulokset eivät sovellu pehmeiden maiden mitoitusparametrien arviointiin. (Sandven 2010; Selänpää 2015) Robertsonin (2012) mukaan pehmeillä, hienorakeisilla mailla voidaan saada luotettavampia tuloksia huokospaineparametrista u 2 verrattuna kärkivastukseen q t, jonka tarkkuus ei välttämättä riitä hyvin hienorakeisiin, pehmeisiin maihin. Suljetun leikkauslujuuden määrityksessä huokospaineeseen perustuvaa tulkintaa lieneekin järkevää käyttää, jos tutkimuksissa on käytetty suurikapasitiivista kärkeä tai kärjestä ei ole tietoa (Selänpää 2015) Kärjen kulumisen vaikutus Karkeampien maakerrosten läpäisy aiheuttaa kulumaa kartiokärkeen ja kitkahylsyyn. Tämän vuoksi standardinmukaiset toleranssivaatimuksen kärjen geometrialle ovat melko löyhät, kuten kuvasta 17 nähdään.

36 27 Kuva 17 Kärjen geometrian toleranssit (SFS-EN ISO ) Muutokset kärjen geometriassa tai pinnan karheudessa eivät saa olla standardin sallimia suurempia. Mittaustulosten tarkkuuden kasvanut vaatimustaso on kuitenkin asettanut tiukemmat rajat kärjen geometrialle. Kartiokärki ja kitkahylsy tuleekin tarkastaa tasaisin väliajoin esimerkiksi mittatoleranssilevyllä. Pinnan karheus kasvattaa kartiokärjessä kärkivastuksen ja kitkahylsyssä vaippakitkan suuruutta. Pinnan karheutta voidaan testata tunnustelemalla vertailukappaleiden ja tarkasteltavan pinnan karheutta. Kuvassa 18 on esitetty apuvälineet geometrian ja karheuden tarkastamiselle. (Sandven 2010; SFS- EN ISO ; Selänpää 2015) Kuva 18 Kartiokärjen ja kitkahylsyn karheuden testauksen apuväline ja mittojen tarkistuksen mittalevy (Sandven 2014)