GeoCalc Stabiliteetti Vianova Systems Finland Oy Versio

Transkriptio

1 GeoCalc Stabiliteetti Vianova Systems Finland Oy Versio

2 2(41) Sisällysluettelo Sisällysluettelo Yleistä Geometrian käsittely Perustoiminnallisuus Laskennan tiedot (General) Näyttöasetukset (View) Poikkileikkausgeometria (Geometry) Maakerrosten parametrit (Material) Huokospaine (Pore Pressure) Kuormien tiedot (Load) Maanaula (Nail) Geovahviste (Reinforcement) Liukupinta (Failure Surface) Erityismäärittelyt (Advanced) Laskenta (Calculate) Laskennan tulokset (Calculate, Graph, Report) Geometrian muuttaminen Pohjavedenpinnan antaminen (Pore Pressure) Huokospaineen tasa-arvokäyrät Lujittunut pohjamaa penkereen alapuolella Maan lujittuminen liikenneviraston ohjeiden mukaisesti Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla Vastapenkereiden mallintaminen Suljetun tilan stabiliteetti tehokkaiden jännitysten menetelmällä Yleistä Saven myötäämisen aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu Tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri r u Ulkoisen kuorman huokospaineparametri r uq Laskentaesimerkki; vanha ratapenger Geovahvisteiden mallintaminen Yleistä Geovahvistettu maanvarainen penger pehmeiköllä Maanaulauksen mallintaminen Yleistä Maan naulaus stabiliteettiohjelmassa Tietojen syöttäminen Nail -välilehdellä Ankkuroitu tukimuuri Jokipenkereen vahvistaminen Naulauksen alustava layout Laskentaparametrit Vaihtoehtojen vertailu Jatkoanalyysi Herkkyystarkastelun tekeminen Yleistä Herkkyystarkastelu laskentaesimerkille Herkkyystarkastelu yhdelle maakerrokselle... 40

3 3(41) 1. Yleistä Tässä dokumentissa käydään läpi stabiliteettimoduulin ominaisuuksia. Ensimmäiseksi käydään läpi mitenkä geometria muodostetaan ja mitenkä sitä muokataan. Tämän jälkeen käydään läpi ohjelman laskentaominaisuuksia esimerkkien avulla. Käyttöesimerkeissä käytetyt valmiit laskentamallit toimitetaan ohjelman mukana. Ne löytyvät ohjelmahakemiston alta Samples hakemistosta, johon löytyy linkki käynnistysvalikosta. Laskentatiedostot voi avata Calculation valikon Open toiminnolla. 2. Geometrian käsittely Poikkileikkausgeometrian käsittelyyn liittyvät toiminnot löytyvät Geometry -valikosta ja Geometry -välilehdeltä, jossa geometrian käsittelytoiminnot ryhmitelty painonapeiksi. Samat toiminnot löytyvät myös Geometry valikosta: Geometrian piirtäminen Geometria voidaan piirtää joko kokonaan piirtoalustan avulla tai vaihtoehtoisesti toisesta suunnitteluohjelmasta tuotua kuvaa voidaan edelleen editoida piirtoalustan avulla. Kummassakin tapauksessa mallin uudet geometriatiedot piirretään Polyline piirtotoiminnan avulla. Polyline -toiminnon voi käynnistää esimerkiksi Geometry välilehden toiminnolla Draw Polyline. Mikäli Fill off -valintaruutu on valittuna, sammutetaan kuvassa mahdollisesti jo olevien materiaalialueiden täyttö viivan piirron ajaksi, jotta piirtäminen olisi helpompaa. Polyline viivan taitepisteet voidaan antaa hiiren avulla vapaasti, ja käyttää Grid (verkko) ja Snap (tartunta) toimintoja, tai antaa tarkat koordinaatit numeroina piirtoalustan vasemmassa alakulmassa olevaan syöttöruudukkoon. Geometriaa voidaan muokata sen syöttämisen jälkeen. Mallia voidaan kaventaa, pistetiheyttä voidaan harventaa, siihen voidaan lisätä yksittäisiä kerroksia sekä poistaa yksittäisiä kerroksia. Geometriamallin muodostaminen

4 4(41) Kun tarvittava geometria on saatu joko piirrettyä tai luettua kuvaan, luetaan geometria kuvasta laskentamalliin Geometry valikon Select Soil Layers Polyline tai Geometry lehden -Create layers from- valintalistan toiminnoilla: Valinnalla Free Order viivat voidaan valita vapaassa järjestyksessä, jos viivat eivät leikkaa toisiaan. Jos kahdesta viivasta ei voi päätellä kumpi on toisen yläpuolella, niin aikaisemmin osoitettu tulkitaan yläpuoliseksi. Viivoja ei lyhennetä kummastakaan päästä, vaan kaikki jatkuvat yhtä kauas vasemmalle ja oikealle. Vajaata viivaa jatketaan vaakasuorassa. Mikäli jatkettu viiva leikkaisi olemassa olevaa viivaa, niin viiva seuraa olemassa olevaa viivaa reunaan saakka. Valinnalla From Top to Bottom viivat osoitetaan ylhäältä alaspäin pakotetussa järjestyksessä, jolloin saadaan geometria määritettyä vaikka viivat menisivätkin ristiin. Tässäkään vaihtoehdossa viivoja ei lyhennetä. Kaikkein pisin viiva tulee määrääväksi. Sen alapuolella olevat viivat siirtyvät tarvittaessa alaspäin ja yläpuolella olevat viivat väistävät yläpuolelle. Viivoja ei jatketa vaakasuoraan vaan jatkot hakeutuu kulkemaan valmiin viivan pisteiden kautta. Vaikka ohjelmaan on sisällytetty automatisoituja toimintoja, tulisi käyttäjän kuitenkin aina pyrkiä piirtämään mahdollisimman selkeä malli geometriasta. Alkutilanteessa paras tapa mallin luonnissa olisi vapaa järjestys niiden viivojen kohdalla, jotka eivät leikkaa toisiaan. Sitten mahdollisesti leikkaavat viivat lisätään yksittäisinä kerroksina. Maakerrosrajojen ohella myös muut rajapinnat, pohjavedenpinta, huokospaineen tasaarvokäyrät sekä kallionpinta syötetään vastaavalla tavalla, käyttäen omia toimintojaan. Maakerroksen lisääminen malliin Geometriaan voi myös lisätä yksittäin uusia maakerrosrajoja. Uudet maakerrosrajat piirretään kuten muutkin kerrosrajat Polyline toiminnon avulla. Maakerroksen lisäys tapahtuu Geometry > Add Soil Layer. toiminnon avulla. Valinnalla Automatic layer numbering (automaattisessa lisäämisessä) uusi viiva ei saa leikata olemassa olevia kerroksia. Uusi viiva jatkuu vasempaan reunaan segmentin suunnassa. Jos uusi viiva leikkaa olemassa olevaa kerrosviivaa, se seuraa viivaa. Vastaavasti toimitaan oikeassa reunassa. Ohjelma tutkii mihin väliin viiva sijoittuu. Lisätty viiva ei levennä mallia. Vajaata viivaa jatketaan sen viimeisen segmentin suunnassa. Jos viiva törmää olemassa olevaan kerrosrajaan, niin viiva seuraa rajaa reunaan saakka, eli yhtyy rajaan. Käyttäjä voi aina myös piirtää lisättävän kerrosrajan kokonaan, jos automatiikka ei toimi toivotulla tavalla. Valinnalla Define layer number voidaan, esimerkiksi stabiloinnin tai ojien mallintamista varten, lisätä maalajikerros halutun kerroksen yläpuolelle. Kerroksen valinta valintalistalta toiminnolla Add on top of Layer. Uusi kerros voi leikata useampiakin alempia kerroksia. Lisätty viiva jatkuu reunoihin saakka siten, että se väistää yläpuolella olevaa kerrosta ja alapuolella olevat kerrokset taas väistävät uutta kerrosta..

5 5(41) Maakerroksen poistaminen Toiminnolla Geometry > Remove Soil Layer voidaan poistaa yksittäinen maakerros. Poistossa valitaan kerros, jonka yläreunaviiva poistetaan. Ylimmäisen kerroksen poistaminen ohentaa mallia. Muuten poistossa syntyy kahdesta kerroksesta yksi kerros, joka perii ominaisuudet alemmalta kerrokselta Geometrian muokkaaminen Maalajirajoja voidaan muokata myös yksittäisinä viivoina tai ryhminä. Geometrian muokkaustoiminto käynnistyy valikosta Geometry > Modify > Edit Geometry toimintoja Kun toiminto käynnistetään, poistetaan näkyvistä maakerrosten täytöt, jotta muokkaus olisi helpompaa. Muokkaustilassa voi maalajirajojen nurkkapisteitä vapaasti siirtää tarttumalla nurkkapisteeseen ja siirtämällä sitä uuteen paikkaan. Myös piirtoalustan Modify valikon toiminnoista esimerkiksi Stretch -toiminto no käyttökelpoinen jos halutaan siirtää kerralla useampia nurkkapisteitä ja/tai päällekkäisiä rajaviivoja. Toiminnoilla Add Break point ja Remove Break point voidaan lisätä ja poistaa maalajirajoista yksittäisiä nurkkapisteitä. Toiminnolla Accept Changes kaikki tehdyt muutokset hyväksytään ja vastaavasti Cancel toiminnolla kaikki muutokset hylätään. Maalajirajan pisteiden harventaminen Mallin maalajirajaviivoissa voi olla paljon taitepisteitä, ja kukin piste tulee kaikkiin kerrosrajoihin. Laskennassa liian tiheässä ja liian kapeat lamellit heikentävät laskennan luotettavuutta. Toiminnoilla Geometry > Modify > Smoothen Geometry voidaan harventaa ja yksinkertaistaa liian tiheässä olevista pisteistä koostuvaa maalajirajaa. Toiminto pyytää osoittamaan harvennettavan alueen vasemman ja oikean rajan, kummankin kahdella pisteellä. Harvennukseen otetaan mukaan ne maalajirajaviivat jotka leikkaavat näitä rajoja. Harvennuksen kriteeri on seuraava: Jos viivan kolmesta peräkkäisestä pisteestä keskimmäinen poikkeaa alle 2 mm pystysuunnassa ensimmäistä ja kolmatta yhdistävästä

6 6(41) suorasta, niin piste tulee ehdolle poistettaviin. Tämä ehto pitää täyttyä pisteelle kaikissa kerrosrajoissa. Toiminnon suorituksen jälkeen ohjelma kertoo kuinka paljon pistemäärä väheni. Mallin kaventaminen Mikäli laskentamallia on jatkettu tarpeettoman leveälle alueelle, voidaan laskentamallin vasenta ja oikeaa rajaa leikata toiminnolla Geometry > Modify > Set Left Border / Set Right Border. Toiminto pyytää käyttäjää osoittamaan mallin uuden vasemman tai oikean rajan ja leikkaa kaikki maakerrokset ja muut elementit pois rajan ulkopuolelta. Vastapenkereen mallintaminen Vastapenkereen mallintamiseen on erillinen työkalu. Vastapenger määritetään toiminnolla Geometry > Define Bank > Add Left/Right Bank. Vastapenkereen taitepiste annetaan joko kuvasta hiiren avulla, tai syöttämällä sen koordinaatit. Avautuvassa syöttötaulukossa voi lisäksi antaa vastapenkereen kaltevuudet. Vastapenkereen materiaaliominaisuudet annetaan Material -välilehdellä. Vastapengertä voi editoida stabiliteetin laskemisen jälkeen toiminnolla Define Bank > Edit Last Bank, Vastapenkereitä voi antaa useampia, mutta editoimaan pääsee aina vain viimeksi annettua. Ojan mallintaminen Ojan voi malliin lisätä toiminnolla Geometry > Add ditch. Toiminto poistaa näkyviltä maakerrosten täytöt ja pyytää käyttäjää valitsemaan kuvasta valmiiksi piirretyn ojan pohjaa kuvaavan murtoviivan. Murtoviiva saa vapaasti leikata muita mallissa olevia maakerroksia, ja siitä muodostuu uusi maanpinta.

7 7(41) 3. Perustoiminnallisuus 3.1 Laskennan tiedot (General) Ensimmäisessä laskentaesimerkissä käsitellään GeoCalc stabiliteettiohjelman perustoimintoja. Samples kansiosta löytyvien kahden laskentatiedoston nimet ovat Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki1, pelkkä siltti.gcst ja Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki1.gcst. Stabiliteettimoduulin käyttöliittymä koostuu lehdistä joihin syötetään lähtötietoja. Tarkoituksena on edetä lehtien täyttämisessä vasemmalta oikealle kunnes päästään laskennan kautta tuloksiin. General lehdelle syötetään laskennan yleistiedot. Laskennan lisätietoja, kuten tarkempi kuvaus projektista, voidaan syöttää ikkunaan joka avautuu More painikkeella. Kuva 3.1. General lehti Laajempi ohjeistus General lehden toiminnoista on GeoCalc peruskäyttöohjeessa. 3.2 Näyttöasetukset (View) View lehdellä määritetään miten laskentaa vastaava poikkileikkauskuva esitetään grafiikkaikkunassa, Kuva 3.2. Toistaiseksi laskentamallia ei kuitenkaan ole määritetty, joten muutosten vaikutuksia ei vielä näe. Kullekin laskenta- ja tulostuselementille määritellään näkyvyys (rasti ruudussa), viivatyyppi, viivapaksuus sekä väri. Painamalla Update painiketta ruudun saa päivitettyä milloin tahansa ohjelman ollessa käytössä.

8 8(41) Kuva 3.2. View lehti. Laajempi ohjeistus View lehden toiminnoista on GeoCalc peruskäyttöohjeessa. 3.3 Poikkileikkausgeometria (Geometry) Geometry lehdellä määritellään maakerrosten, kallion, pohjaveden sekä orsiveden geometria poikkileikkauksessa. Geometria voidaan tuoda CAD (dwg) kuvana jota tarpeen tullen editoidaan, tai se voidaan piirtää piirtoalustan toimintojen avulla (Polyline). Esimerkin geometria piirretään kokonaisuudessaan piirtoalustalla avulla. Geometrian luonnin periaatteet on kuvattu kappaleessa Geometrian käsittely. Ensin määritetään näytössä olevan alueen koko valikkotoiminnan Calculation -> Set Working Area avulla, Kuva 3.3. Tämän lisäksi näytön asetuksia voi muuttaa valikkotoiminnalla Tools -> Options. Kuva 3.3. Näytössä olevan alueen määrittely. Kun näytön asetukset on määritetty, piirretään poikkileikkauksen geometria Polyline toiminnolla. Kun tarvittava geometria on piirretty, määritetään ohjelmaan käytettävät maakerrosrajat, pohjavedenpinnat, kallionpinnat ym. lehdellä Geometry (Select Soil Layer Polylines jne.). Kuva 3.4 esittää yksinkertaisen geometrian määrityksen joka koostuu yhdestä maakerroksesta ja kallionpinnasta. Toiminto Select Soil Layer Polylines vaatii vähintään kaksi murtoviivaa ja alimmainen murtoviiva oletetaan kallionpinnaksi. Kallionpinnan voi myös määrittää myöhemmin erikseen.

9 9(41) Kuva 3.4. Geometriatietojen määritys Laajempi ohjeistus geometrian määrittämisestä stabiliteetti ja painumamoduuleissa on GeoCalc peruskäyttöohjeessa. 3.4 Maakerrosten parametrit (Material) Material lehdellä annetaan maakerrosten parametrit. Maan lujuusparametrit voivat olla joko vakioita tai riippua syvyydestä. Tässä esimerkissä parametrit ovat vakioita, Kuva 3.5. Valinnalla Dependent on depth (GL) lujuusparametrit riippuvat syvyydestä annettujen muuttujien dcoh ja dphi mukaan laskettuna maanpinnasta. Valinnalla Dependent on layer depth lujuusparametrit riippuvat syvyydestä annettujen muuttujien dcoh ja dphi mukaan laskettuna maakerroksen pinnasta. Valinta Interpolated interpoloi lujuusparametrien arvot kahden maakerroksen välillä. Versiossa 2.0 lujuuden syvyysriippuvuus voidaan antaa maakerroskohtaisesti. Materiaalivälilehdellä syötetään myös maakerroskohtaisesti huokospaineparametrit r u ja r uq.

10 10(41) Kuva 3.5. Maakerrosten parametrien syöttäminen Material lehdellä. 3.5 Huokospaine (Pore Pressure) Pore Pressure lehdellä määritellään huokospaineen laskentatapa, katso kuva 3.6. Tämä esimerkki lasketaan aluksi ilman vettä/huokosvedenpainetta. Kuva 3.6. Huokospaineen laskentatavan määritys Pore Pressure lehdellä. 3.6 Kuormien tiedot (Load) Load lehdellä määritetään laskentakuormat, katso kuva 3.7. Tämä esimerkki lasketaan aluksi ilman kuormia. Kuva 3.7. Kuormien määritys Load lehdellä. 3.7 Maanaula (Nail) Nail lehdellä määritetään mahdolliset maanaulat, katso kuva 3.8. Tässä esimerkissä ei käytetä maanauloja. Kuva 3.8. Maanaulojen määritys Nail lehdellä.

11 11(41) 3.8 Geovahviste (Reinforcement) Reinforcement lehdellä määritetään mahdolliset geovahvisteet, katso kuva 3.9. Tässä esimerkissä ei käytetä vahvisteita. Kuva 3.9. Geovahvisteiden määritys Reinforcement lehdellä. 3.9 Liukupinta (Failure Surface) Failure Surface lehdellä määritetään liukupintoihin liittyvät parametrit. Ensin valittavana on, käytetäänkö vaarallisimman liukupinnan hakua (Optimization) vai määritetäänkö laskettava liukupinta itse (Single Slip Surface). Lisäksi valitaan joko ympyrä- tai vapaamuotoinen liukupinta sekä käytettävä laskentateoria. Esimerkissä on valittu vapaamuotoisen liukupinnan optimointi ja laskentatavaksi Janbu simplified, katso kuva Kuva Liukupinnan määrittäminen Failure Surface lehdellä Erityismäärittelyt (Advanced) Advanced lehdellä voidaan määrittää erilaisia laskennan erityistapauksia, kuva Lehdellä voidaan määrittää käytetäänkö yksittäistä vetohalkeamaa (Single Tension Crack), vai annetaanko geometriasta alue jossa vetohalkeama voi esiintyä (Tension Crack Area). Lehdellä voidaan myös määrittää otetaanko liukupintojen päätyvastus huomioon (Calculate with End Effect). Sensitivity analysis valinta mahdollistaa herkkyystarkastelun tekemisen joko yksittäiselle maakerrokselle, tai kaikille maakerroksille), katso tarkemmin luvusta 10. Soft Band valinnan avulla voidaan vaarallisimman liukupinnan optimointia varten määrittää erityisen heikon maakerroksen numero. Toiminto on tarpeellinen lähinnä, mikäli heikko maakerros on hyvin ohut. Sivulla voidaan myös antaa erilaisia rajoituksia liukupinnan kulkemiselle geometriassa. Forbidden domain valinnalla määritetään alue, jonka lävitse liukupinta ei saa kulkea (esimerkiksi jokin tukirakenne). Upper limit valinnalla määritetään polyline jonka alapuolelta

12 12(41) liukupinnan tulee kulkea. Lower Limit valinnalla määritetään polyline, jonka yläpuolelta liukupinnan tulee kulkea. Kuva Advanced lehti Laskenta (Calculate) Calculate lehdellä määritetään laskennan asetukset ja käynnistetään itse laskenta, kuva Mikäli käytetään vaarallisimman liukupinnan hakua, määritetään miltä alueelta poikkileikkauksessa liukupinta voi lähteä ja mille alueelle se voi päättyä. Lisäksi voidaan jompikumpi näistä alueista jakaa osiin, jolloin saadaan piirrettyä useampi liukupinta ja voidaan arvioida varmuuden kehittymistä alueella. Show FOS Range valinnalla voidaan piirtää tietyn varmuusvälin liukupinnat. Kuva Calculate lehti Laskennan tulokset (Calculate, Graph, Report) Graph lehdellä näytetään laskennan perusteella tehdyt graafit. Report lehdellä näytetään tekstimuotoiset tulosteet laskennasta. Valittavana on laskentamoottorille menevä lähtötiedosto (Slope Input), Lähtötietojen oikeellisuuden tarkistusraportti (Slope Input Check) sekä tulostiedosto (Slope Results). Vaarallisin liukupinta/pinnat tulostuu piirtoalustan kuvaan. Liukupinnan värikoodi indikoi liukupinnan varmuutta siten, että punainen väri vastaa varmuuskerrointa 1.

13 13(41) Kuva Laskennan tulos Geometrian muuttaminen Seuraavaksi muutetaan geometriaa lisäämällä siihen 1 metrin paksuinen heikko maakerros tasolla Tarvittavat uudet kerrosraja piirretään jälleen Polyline toiminnolla. Kumpikin uusi maakerros lisätään malliin toiminnolla Geometry->Add Soil Layer toiminnon avulla. Ohjelma pyytää osoittamaan uuden kerrosrajan ja lisää sen laskentamalliin, siten että kerrosrajan kohdalla oleva maakerros kahdennetaan. Geometrian luonnin periaatteet on kuvattu kappaleessa Geometrian käsittely. Tämän jälkeen on vielä annettava parametrit kahdelle uudelle maakerrokselle, kuva Kuva Uudet materiaaliparametrit Laskennan tulos on esitetty seuraavassa kuvassa. Laskennassa on määritetty maakerros 2 heikoksi (soft band) ja tehty vaarallisimman liukupinna haku.

14 14(41) Kuva Laskennan tulos kun mukana on heikko maakerros Pohjavedenpinnan antaminen (Pore Pressure) Pohjavedenpinnan antamista varten täytyy se ensin piirtää Polyline toiminnolla. Tämän jälkeen viiva valitaan kohdan toiminnolla Geometry->Select Ground Water Polyline. Kun pohjavedenpinta on annettu geometriaan, on se oletusarvoisesti valittu Pore Pressure välilehdellä myös huokosvedenpaineen laskentaan, kuva Mikäli pohjavetä ei haluta ottaa huomioon huokosvedenpaineena, tulee rasti ottaa pois ground water kohdasta. Kuva Pohjavedenpinta on automaattisesti valittu huokosvedenpaineen laskentaan. Laskennan tulos heikolla maakerroksella ja annetulla pohjavedenpinnalla on esitetty kuvassa Kuva Laskennan tulos kun mukana on heikko maakerros ja pohjavedenpinta.

15 15(41) 4. Huokospaineen tasa-arvokäyrät Tässä esimerkissä tarkastellaan huokospaineen tasa-arvo käyrien käyttämistä. Huokospaineen tasa-arvokäyriä voidaan käyttää joko yhdessä muiden huokospaine optioiden kanssa, jolloin niillä mallinnetaan huokosveden ylipainetta, tai erikseen, jolloin niillä mallinnetaan kokonaishuokosvedenpainetta. Esimerkkinä käytetään lähteessä Pilot et. al (1982) esitettyä Saint-Alban koepengertä. Koepenger ja sen murtotilanteesta mitatut huokosvedenpaineet on esitetty kuvassa 4.1 ja pengermateriaalin ja saven materiaaliominaisuudet taulukossa 4.1. Ensimmäisessä laskentaesimerkissä käsitellään GeoCalc stabiliteettiohjelman perustoimintoja. Samples kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki2.gcst. Kuva 4.1. Saint-Alban koepenkereen lähtögeometria ja mitatut huokosvedenpaineet murtohetkellä. Taulukko 4.1. Maakerrosten materiaaliominaisuudet Tilavuuspaino kn/m 3 Kitkakulma Koheesio Penger 18, Savi 16, o kpa Huokospaineen tasa-arvokäyrät piirretään geometriaan polyline funktion avulla. Tämän jälkeen ne osoitetaan Pore Pressure välilehdellä ja määritetään jokaiselle käyrälle huokospaineen arvo, kuva 4.2. Tasa-arvokäyrien huokospaine arvoja voi jälkikäteen muuttaa välilehdeltä. Välilehdellä tulee myös määrittää, interpoloidaanko huokospaineen arvot tasa-arvokäyrien välillä pystysuuntaisesti vai käyrien normaalin suuntaisesti. Kuva 4.2. Huokospaineen tasa-arvokäyrien määrittäminen.

16 16(41) Lähteessä Pilot et. al (1982) esitetty laskennallinen varmuus ympyränmuotoiselle liukupinnalle on 1,04. Taulukossa 4.2. on esitetty eri menetelmillä laskettuja varmuuslukuja käyttäen ympyränmuotoista liukupintaa. Kuvassa 4.3 on esitetty Bishopin menetelmällä ja tasa-arvokäyrien normaalin suuntaisella interpoloinnilla laskettu vaarallisin liukupinta. Taulukko 4.2. Eri menetelmillä laskettuja varmuuksia. Menetelmä interpolointi; pysty Varmuus interpolointi; normaali Bishop 1,08 1,00 Janbu simplified 1,12 1,04 Spenser 1,11 1,03 Morgenstern-Price (sinx) 1,10 1,02 Kuva 4.3. Bishopin menetelmällä ja huokospaineen tasa-arvokäyrien normaalinsuuntaisella interpoloinnilla laskettu vaarallisin liukupinta. 5. Lujittunut pohjamaa penkereen alapuolella Tässä esimerkissä tarkastellaan penkereiden lujittumisen mallintamista kahdella eri vaihtoehtoisella tavalla. Samples kansiosta löytyy laskentatiedostot Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 ei luj.gcst jossa on esitetty esimerkin lähtötiedot ilman lujittumista, Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 luj livi.gcst jossa lujittuminen on mallinnettu liikenneviraston ohjeiden mukaisesti, sekä tiedosto Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 luj uusi.gcst, jossa lujittuminen on esitetty lujuuden tasa-arvokäyrien avulla. 5.1 Maan lujittuminen liikenneviraston ohjeiden mukaisesti Esimerkissä tarkastellaan vanhan penkereen stabiliteettilaskentaa. Tällaisissa tapauksissa pohjamaa penkereen alapuolella on tyypillisesti lujittunut konsolidaation vaikutuksesta. Lujittuminen näkyy suljetun leikkauslujuuden kasvuna. Liikenneviraston (RHK) ohjeessa B15 radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet, on esitetty, miten lujittuminen ratapenkereen alla voidaan ottaa huomioon. Ohjeen mukaan, maapohja jaetaan kuvan 5.1 mukaisesti lujuusvyöhykkeisiin.

17 17(41) Kuva 5.1 Maapohjan jako lujuusvyöhykkeisiin ohjeen RHK, B15 mukaisesti. Tarkastellaan seuraavaksi esimerkin avulla lujittumisen mallintamista Geocalc ohjelmalla. Kuvassa 5.2 on esitetty 6 m leveä ja 2 m korkea ratapenger jonka alapuolella on kuivakuorikerros, pehmeä savikerros ja siltti kerros. Kuvassa näkyy myös laskentaparametrien arvot. Kuivakuorikerroksen lujuudella on verrattain suuri merkitys esimerkin tilanteessa. Kuva 5.2 Laskentaesimerkin 3 geometria ja maakerrostiedot. Penkereen stabiliteetti ilman pohjamaan lujittumista on esitetty kuvassa 5.3 siten, että vasemmalle puolelle on laskettu stabiliteetti vakiolujuudella savikerroksessa (10 kpa) ja oikealla puolen siten, että saven lujuus kasvaa 1 kpa/m syvyyden mukaan.

18 18(41) Kuva 5.3 Stabiliteetti laskettuna ilman pohjamaan lujittumista. Vasemmalla puolen on stabiliteetti laskettuna vakio suljetulla leikkauslujuudella, ja oikealla puolen syvyyden mukaan kasvavalla suljetulla leikkauslujuudella. Lisätään seuraavaksi geometriaan kuvan 5.1 mukaiset lujittuneet vyöhykkeet. Lujittumisen suuruus on riippuvainen penkereen aiheuttamasta jännityslisäyksestä ja uuden jännitystilan suhteesta alkuperäiseen konsolidaatiojännitykseen. Näin ollen on luontevaa, että lujuus on kasvanut enemmän savikerroksen yläosassa, kun taas lujittuminen on vähäistä tai sitä ei tapahdu lainkaan savikerroksen alaosassa. Mikäli lujittuneella vyöhykkeellä käytetään vakiolujuutta, on huolehdittava, että lujuus ei missään kohtaa pienene alkuperäisestä. Lisätään aluksi lujuusvyöhyke 1. Geometria välilehdeltä valitaan Add soil layer sekä Draw polyline, kuva 5.4. Lujittunut vyöhyke voi mennä usean maakerroksen läpi, jolloin on kätevä valita maakerroksen lisäys tavaksi define layer number ja määrätä minkä maakerroksen yläpuolelle lisättävä kerros tulee, kuva 5.4 Tällöin polylinen voi piirtää kuvassa esitetyn mukaisesti siten, että päätepisteet jatkuvat lujittuneen alueen ohi. Geometriaa piirrettäessä on kuitenkin aina syytä muistaa, että maakerrosrajoja kuvaavien murtoviivojen tulee aina kulkea vasemmalta oikealle ilman päällekkäisiä x-koordinaatteja. Kuva 5.4 Lujuusvyöhykkeen 1 lisääminen geometriaan.

19 19(41) Lujuusvyöhyke 2 lisätään vastaavalla tavalla piirtämällä polyline lujuusvyöhykkeen 1 ympärille. Kuvassa 5.5 on esitetty kummatkin lujuusvyöhykkeet lisättyinä. Kuva 5.5 Geometria kun lujuusvyöhykkeet 1 ja 2 ovat lisätty. Esimerkissä oletetaan, että lujuusvyöhykkeelle 1 on määritetty lujuudeksi 15 kpa ja lujuusvyöhykkeellä 2 12 kpa. Koska lujuus penkereen vieressä kasvaa syvyyden mukaan, tulee vielä huolehtia siitä, että penkereen alla lujuus ei missään kohdassa putoa alle alkuperäisen lujuuden. Tämä tarkoittaa sitä, että lujuusvyöhykkeelle 2 on tehtävä maakerrosjako kohtaan, jossa penkereen viereisen pohjamaan lujuus on 15 kpa, ja määrittää alapuolisella maakerroksella lujuudeksi 15 kpa + 1kPa/m. Lujuusvyöhykkeessä 2 vastaavasta maakerrosjako kohtaan jossa penkereen viereisen pohjamaan lujuus on 12 kpa, ja määrittää alapuolisella maakerroksella lujuudeksi 12 kpa + 1kPa/m. Kuvassa 5.6 on esitetty tämän mukaiset maakerrosjaot sekä stabiliteettilaskennan tulos. Esimerkin tapauksessa lujuusvyöhykkeidenjakamisella vaakasuuntaisiin kerroksiin ei ole kovin suurta merkitystä vaarallisimman liukupinnan osalta. Suuremmilla lujuuseroilla ja syvemmältä kulkevien liukupintojen osalta ero voi olla merkittävä. Syvemmältä kulkevat liukupinnat voivat tulla mitoittaviksi esimerkiksi vastapenkereitä suunniteltaessa, katso kohta x.x. Kuva 5.6 Lujittuneet vyöhykkeet on jaettu vaakatasossa kahteen osaan.

20 20(41) Kuten kuvasta 5.6 nähdään, on näin saatu maakerrosmalli hieman keinotekoinen. Kyseessä on ohjeiden mukainen yksinkertaistus todellisuudesta. Laskijan tulee kuitenkin aina pitää huolta, ettei annettu maakerrosjako ja lujuudet liikaa ohjaa vaarallisimman liukupinnan hakua. Tästä on erityisesti huolehdittava käytettäessä vapaamuotoisia liukupintoja. 5.2 Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla Kohdassa 5.1 esitetyssä tavassa mallintaa lujittumista on joitakin huonoja puolia. Kuten edellä jo mainittiin, voi epätodelliset lujuuden muutokset vaikuttaa vaarallisimman liukupinnan hakuun. Lähes pystysuorat lujittumisvyöhykkeet johtavat myös siihen, että geometriamallin taitepisteiden väli on hyvin pieni. Taitepisteet määräävät taas osaltaan stabiliteettilaskennassa käytetyn lamellijaon. Hyvin lähekkäiset taitepisteet aikaansaavat hyvin kapean lamellin, joka voi vaikeuttaa tarkempien menetelmien konvergointia tai vaarallisimman liukupinnan löytämistä. Ongelmat tulevat erityisesti esiin käytettäessä vapaamuotoisia liukupintoja. Tällaiset ongelmat voidaan välttää mallintamalla lujittuminen tasa-arvokäyrien avulla. Kuvassa 5.7 on esitetty yksinkertainen tapa lujittumisen mallintamiseen. Penkereen ulkopuolella lujuus on savikerroksen yläosassa 10 kpa ja kasvaa syvyyden mukaan 1kPa/m kuten aiemmin. Penkereen alapuolella lujuus on savikerroksen yläosassa 15 kpa, mutta kasvaa tasaisesti kohti kerroksen alaosaa jossa lujuus on alkuperäisen mukainen. Mikäli lujittuminen haluttaisiin mallintaa vakioarvolla, voi malliin lisätä toisen kerrosrajan jossa lujuus on 15 kpa. Kuva 5.7 Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla. Niin kuin edellä jo käsiteltiin, aiheutuu lujittuminen penkereen painon aiheuttamasta tehokkaiden jännitysten kasvamisesta penkereen alapuolella. Todellisuudessa lujuuden kasvu tapahtuu luonnollisesti tasaisesti, ilman selviä rajoja. Kuvassa 5.8 on esitetty kuvien 5.6 ja 5.7 mukaisten mallintamistapojen vaarallisimpien liukupintojen mobilisoituneet leikkauslujuudet. Kuvan 5.6 laskennassa on selvä hyppäys lujuudessa, kun taas kuvan 5.7 mallintamistavassa leikkauslujuus muuttuu tasaisesti.

21 21(41) Kuva 5.8. Mobilisoituneet leikkauslujuudet kuvien 5.6 ja 5.7 mukaisilla lujittumisen mallintamistavoilla. 6. Vastapenkereiden mallintaminen Tässä esimerkissä tarkastellaan vastapenkereiden mallintamista laskentaesimerkin 3 tapauksen avulla. Selkeyden vuoksi tarkastellaan ainoastaan tapausta jossa maan lujittumista penkereen alla ei ole otettu huomioon. Luvussa 5 on esitetty laskentaesimerkin 3 perustapauksen stabiliteetin laskenta sekä käyttäen vakio suljettua leikkauslujuutta, että käyttäen lujuuden mukaan kasvavaa lujuutta. Suljetun leikkauslujuuden oikea mallintaminen on ensiarvoisen tärkeätä mitoitettaessa vastapenkereitä. Tästä syystä tarkastellaan tämäkin esimerkki käyttäen suljetulle leikkauslujuudelle samoja otaksumia kuin luvussa 5. Penkereen vasemmalla puolella tulokset on laskettu käyttäen vakio suljettua leikkauslujuutta (10 kpa) ja oikealla puolella lujuutta joka kasvaa syvyyden mukaan (10 kpa + 1kPa/m). Samples kansiosta löytyvät vastaavat laskentatiedostot Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki4 vakio su.gcst ja Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki4 kasv su.gcst. Tarkastellaan ensin tapausta, jossa lujuus kasvaa syvyyden mukaan. Vastapenkereen mallintamista varten on GeoCalc ohjelmassa parametrisoitu vastapenger moduuli Geometry välilehdellä, kuva 6.1. Vastapenkereestä määritetään sen taitepisteen koordinaatit ja kaltevuudet. Taitepiste voidaan antaa joka hiirellä tai kirjoittamalla sen koordinaatit suoraan soluihin. Kaltevuuksien osalta on syytä huomata, että mikäli penkereen suuntainen kaltevuus on liian jyrkkä, kulkee vastapenger varsinaisen penkereen yli, eikä silloin piirry geometriaan. Kuvassa on määritetty 1 m korkea vastapenger, jonka taitepiste on 5 m penkereen luiskan alareunasta.

22 22(41) Kuva 6.1 editoiminen. Geometry välilehti josta löytyvät vastapenkereiden lisääminen ja Vastapenger tulee automaattisesti uutena maakerroksena, joka ottaa päällimmäisen maakerroksen materiaaliparametrit. Materiaaliparametrit kopioituvat siis yleensä varsinaisesta penkereestä. Vastapenger rakennetaan kuitenkin yleensä huonommasta materiaalista eikä sitä tiivistetä yhtä hyvin, jolloin on syytä käydä muuttamassa sen materiaaliparametrit. Tässä esimerkissä on vastapenkereellä käytetty tilavuuspainona 18 kn/m 3 ja kitkakulmana 34 o. Kun haluttu vastapenger on saatu mallinnettua, lasketaan varmuus uudestaan. Laskennan tulos on esitetty kuvassa 6.2. Saatu pienin varmuus on lähellä tavoitevarmuutta 1,5, mutta on kuitenkin syytä tarkistaa paljonko vastapengertä voidaan vielä pienentää. Geometry välilehdeltä löytyy kohta Edit latest bank, katso kuva 6.1. Sen avulla voidaan editoida aina viimeksi lisättyä vastapengertä. Kuva 6.2 Vastapenkereen laskenta tapaukselle, jossa lujuus kasvaa syvyyden myötä. Esimerkin tapauksessa saavutetaan 1 m kapeammalla vastapenkereellä varmuus 1,51. Tarkka tavoitevarmuus saavutetaan esimerkiksi madaltamalla vastapengertä 0,2 m. On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että laskettu varmuus riippuu aina käytetystä menetelmästä ja liukupinnan muodosta. Tarkastellaan seuraavaksi tapausta, jossa käytetään vakio suljettua leikkauslujuutta. Kuvia 6.1 ja 6.2 vastaavan kokoista vastapengertä vastaava varmuus on nyt vain 1,33, joten vastapengertä täytyy leventää, kuva 6.3.

23 23(41) Kuva 6.3 Vakio lujuudella varmuus jää selvästi pienemmäksi kuin kuvan 6.2 tapauksessa. Kuvassa 6.4 on esitetty vastapenger jolla saavutetaan 1,5 varmuus. Vastapenkereen leveys on nyt lähes 20m kun se aiemmassa tapauksessa oli noin 5m. Tämä johtuu käytetystä suljetun leikkauslujuuden vakio arvosta. Koska lujuus ei kasva syvyyden mukaan, tulee liukupinnoista syviä ja pitkiä. Laaja-alaisella vakiokuormalla ja vakio lujuudella vaarallisin liukupinta kulkee aina maakerroksen alarajan kautta. Kuva 6.4. Vastapenger jolla saavutetaan esimerkin tapauksessa 1,5 kokonaisvarmuus käytettäessä vakiolujuutta.

24 24(41) 7. Suljetun tilan stabiliteetti tehokkaiden jännitysten menetelmällä 7.1 Yleistä Suljetun tilan stabiliteettilaskenta voidaan tehdä suljetun leikkauslujuuden ohella myös tehokkaiden jännitysten menetelmällä. Ongelmana on tällöin tuntea murtotilannetta vastaava huokosvedenpaine. Huokospainemittauksin voidaan selvittää käyttötilan huokospaineen arvo. Pehmeän saven myötäessä sen huokospaine kuitenkin kasvaa vaikka ulkoinen kuormitus ei välttämättä kasvaisikaan. Murtuminen siis itsessään lisää huokospainetta ja mikäli tätä ei oteta huomioon, saadaan laskennasta liian suuri varmuus. TTY:llä käynnissä (v2012) olevassa RAtapenkereiden STAbiliteetin PArantamis projektissa (RASTAPA) ollaan kehittämässä mm. vanhojen ratapenkereiden stabiliteettilaskentaan soveltuvia, tehokkaiden jännitysten menetelmään perustuvia, stabiliteetinlaskentamenetelmiä. Yksi näistä on nyt implementoitu GeoCalc ohjelmaan ja esitellään tässä kappaleessa. Tämän lisäksi käydään kohdassa 7.4 läpi ulkoisen kuorman huokospaineparametrin r uq :n käyttöä. 7.2 Saven myötäämisen aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu. Pehmeän normaalikonsolidoituneen saven myötäessä, sen rakenne romahtaa, ja savi pyrkii kokoonpuristumaan voimakkaasti. Suljetussa tilassa vesi ei kuitenkaan pääse poistumaan, minkä seurauksena huokosvedenpaine kasvaa huomattavasti. Saven käyttäytyminen on tunnetusti riippuvainen kuormitusnopeudesta, eli mitä pienempi nopeus, sitä suurempi kokoonpuristuma/huokosvedenpaine, kuva 7.1. Ilmiö on sama kuin ödometrikokeissa tai siipikairauksessa, suurempi nopeus johtaa suurempaan esikonsolidaatiojännitykseen ja suljettuun leikkauslujuuteen. q myötöpinta u ey p' Kuva 7.1 Myödön aiheuttama huokosvedenpaine u ey 7.3 Tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri r u. Tehokkaiden jännitysten käyttämiseen perustuva r u menetelmä on kehitetty pääasiassa pehmeän saven varaan perustettujen vanhojen penkereiden stabiliteetinlaskentaan. Koska Suomalaiset savet ovat pääosin vain vähän ylikonsolidoituneita, vallitsee vanhojen penkereiden alapuolella normaalikonsolidoitunut tila. Tällöin saven myötäessä syntyvä

25 25(41) huokosvedenpaine on maksimissaan myötöpinnan ja K 0 -suoran leikkauspisteen sekä myötöpinnan ja murtosuoran välisen leikkauspisteen välinen vaakasuuntainen etäisyys, kuva 7.1. Myötöpinnan koko ja muoto voidaan approksimoida esikonsolidaatiojännityksen ja kitkakulman avulla (Länsivaara 1995, 1999). Koska penkereen alapuolella savi on normaalikonsolidoitunutta, voidaan esikonsolidaatiojännitys korvata tehokkaalla pystysuuntaisella jännityksellä. Kuvan 7.1 periaatteita noudattaen voidaan määrittää tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri r u (Länsivaara 2010, Länsivaara et al. 2011), siten, että saven myötäämisestä johtuva huokosylipaine on uey = r u ' σ ' vo missä u ey = myödön aiheuttama huokosylipaine r u σ v0 = tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri = tehokas pystysuuntainen jännitys Huokospaineparametrin r u arvo on esitetty kuvassa 7.2. Ratkaisu on tarkkaan ottaen voimassa vain penkereen alapuolella aktiivivyöhykkeessä. Passiivivyöhykkeessä normaalikonsolidoituneella savella huokosylipainetta kehittyy periaatteessa enemmän. Savi penkereen vieressä on kuitenkin yleensä ikääntymisen johdosta lievästi ylikonsolidoitunutta, mikä puolestaan pienentää huokosvedenpaineen syntyä. Menetelmän tarkempi kuvaus löytyy mm. lähteistä (Länsivaara 2010, Länsivaara et al. 2011). Kyseessä on verrattain yksinkertainen insinööri työkalu jolla voidaan arvioida myödön aiheuttamaa huokosylipainetta vanhojen penkereiden stabiliteetinlaskennassa. Mikäli savi on voimakkaasti ylikonsolidoitunutta yliarvioi menetelmä kehittyvää huokospainetta. 0,26 0,24 Huokospaineparametri r u ' 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0, kitkakulma φ Kuva 7.2 Huokospaineparametri r u.

26 26(41) 7.4 Ulkoisen kuorman huokospaineparametri r uq Laskettaessa suljetun tilan stabiliteettia tehokkaiden jännitysten menetelmällä tulee ulkoisen kuorman aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu ottaa huomioon. Muuten kuorma kasvattaa tehokkaita jännityksiä ja saven lujuutta liukupinnalla. Ulkoisen kuorman aiheuttama huokosvedenpaine otetaan huomioon kertoimella r uq seuraavan yhtälön avulla: u q = r uq q missä u q = ulkoisen kuorman aiheuttama huokosylipaine r q q = ulkoisen kuorman huokospaineparametri = ulkoinen kuorma Parametrille r uq suositellaan yleensä käytettäväksi arvoa 1. Tämä saattaa jossain tapauksissa yliarvioida huokospainetta. 7.5 Laskentaesimerkki; vanha ratapenger Tarkastellaan luvun 5 laskentaesimerkkiä 3 tehokkaiden jännitysten avulla, käyttäen lujuusparametreina c = 0 ja φ = 22. Kuvasta 7.2 voidaan nyt lukea huokospaineparametrin r u arvoksi 0,21. Kuorman huokospaineparametrina käytetään arvoa 1. Laskennan tulos on esitetty kuvassa 7.3 siten, että penkereen vasemmalla puolella on laskenta ilman huokospaineparametria r u ja penkereen oikealla puolella huokospaineparametrin arvolla 0,21. Samples kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki5.gcst. Kuva 7.3 Penkereen stabiliteetin laskenta tehokkaiden jännitysten menetelmällä. Vasemmalla puolella tulokset ilman myödön aiheuttamaa huokosvedenpainetta (r u = 0) ja oikealla puolella tulokset jossa huokosvedenpaine on mukana (r u = 0,21). 8. Geovahvisteiden mallintaminen 8.1 Yleistä Geovahvisteiden mallintamista koskevat asia on Geocalc ohjelmassa sisällytetty Reinforcement välilehdelle. Geovahvisteiden lujittava vaikutus voidaan ottaa kolmella eri vaihtoehtoisella tavalla huomioon. Laskenta voidaan tehdä joko jollakin yksittäisellä laskentatavalla tai kolmen vaihtoehdon mille tahansa kombinaatiolle, katso kuva 8.1.

27 27(41) Kuva 8. 1 välilehdellä. Vahvisteiden antaminen ja laskentatavan määrittäminen Reinforcement Mikäli valitaan useampi laskentatapa, käyttää ohjelma lopullisessa laskennassa sitä tapaa joka antaa pienimmän varmuuden. Vaihtoehtoiset laskentatavat ovat: 1. Structural capacity: Tensile load kohtaan syötetään geovahvisteen rakenteellinen vetolujuus. Ohjelma käyttää suoraan tätä laskenta-arvona. 2. Bond Capacity: Total Bond Load [kn] kohtaan syötetään vahvisteen kokonaisvastus. Tästä arvosta ohjelma ottaa laskennassa huomioon sen pienintä tartuntapituutta vastaavan osan. 3. Pull out Capacity: Ohjelma laskee pienintä tartuntapituutta vastaavan ulosvetovastuksen. Laskentaa varten ohjelmaan syötetään vahvisteen ylä- ja alapuolisten maakerrosten välinen lujuuskerroin α. Ohjelma laskee ulosvetovastuksen yhtälöllä: ( σ tanϕ` + Cu ) + α` ( σ ` tan ` Cu )) T Rc = Lpj ( α`1 v d1 d1 2 v ϕ d 2 + d 2 Edellä olevan mukaisesti Bond Capacity ja Pull Out Capacity laskennoissa vahvisteen stabiloivan voiman suuruus määräytyy pienimmän tartuntapituuden mukaan, kuva 8.2 Tartunta pituus T Rc Vaviste penkereen ja pohjamaan välissä

28 28(41) Tartunta pituus Vaviste penkereen ja pohjamaan välissä Kuva 8.2 Pienin tartuntapituus Bond Capacity ja Pull Out Capacity laskennoissa. Kuten kuvasta 8.1 nähdään, voi vahvisteelle määrittää myös ankkuroinnin. Mikäli vahvisteelle on määrätty ankkurointi, määräytyy tartuntapituus aina vahvisteen liukupinnan ulkopuoleisesta osasta, katso kuva 8.3. Mikäli liukupinta kulkee vahvisteen ulkopuolelta, ei vahvisteesta tule luonnollisestikaan millään laskentatavalla lujittavaa voimaa laskentaan. Tartunta pituus Ankkuroitu vahviste Ei vaikutusta Kuva 8.3 Ankkuroidun vahvisteen tartuntapituus. 8.2 Geovahvistettu maanvarainen penger pehmeiköllä Tarkastellaan seuraavaksi esimerkkiä, jonka kohteena on 4 m korkea penger, ja alla 4 m paksu savikerros. Penkereen mitat on esitetty kuvassa 8.4 ja esimerkkiä vastaavan ja Samples kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki6.gcst. Kuva 8.4 Geovahvistetun maanvaraisen penkereen lähtögeometria.

29 29(41) Pengermateriaalin kitkakulma on 38 o ja tilavuuspaino γ = 20 kn/m 3. Saven suljettu leikkauslujuus on s u = 12 kpa ja tilavuuspaino γ = 15 kn/m 3. Penkereen kokonaisstabiliteetti ilman vahvistusta on noin 1,0. Vahvistusta suunniteltaessa varmuutta pyritään nostamaan tiettyyn arvoon. Laskenta voidaan silloin tehdä siten, että ensin lasketaan kuinka suuri lujittava voima tulee olla vaadittuun varmuuteen pääsemiseksi, mikä määrää käytettävän vahvistetyypin. Tämän jälkeen tulee tarkistaa voidaanko tämä lujitusvoima saavuttaa rakenteesta. Yksityiskohtaisesti laskenta etenee seuraavasti. Valitaan laskentatavaksi structural ja iteroidaan voimaa (tensile load) kunnes vaadittava kokonaisvarmuus on saavutettu. Tässä esimerkissä vaadittava kokonaisvarmuus on 1,5. Tätä vastaava vahvistevoima on Bishopin menetelmällä laskettuna (ympyränmuotoinen liukupinta) 136 kn, Janbun yksinkertaistetulla menetelmällä (vapaamuotoinen liukupinta) = 130 kn ja Morgenstern-Price menetelmällä (vapaamuotoinen liukupinta) 150 kn. Kuten havaitaan, eri menetelmät antavat hieman erisuuruisen vahvistevoiman. Tämä ei kuitenkaan ole mikään absoluuttiarvo, eikä vahvistetta tule valita siten, että sen murtolujuus vastaisi laskennasta saatua vahvistevoimaa. Sen sijaan vahviste tulee valita siten, että vahvistevoimaa voidaan valitulla vahvisteella saavuttaa riittävän pienellä muodonmuutoksella. Kuva 8.5 Structural Capacity laskennan tulos kun vahvistevoima 136 kn ja laskentatapana Bishop simplified. Seuraavaksi tulee tarkistaa, voidaanko vaadittavaa vahvistevoimaa saavuttaa käytetyllä rakenteella, eli onko vahvisteen ja maan välinen ulosvetovoima riittävä. Laskentatavaksi kannattaa valita structural/pull out capacity, jolloin vahvistevoimaksi otetaan pienin arvo vahvistelujuudesta tai ulosvetovastuksesta. Ulosvetovastuksen laskentaa varten annetaan maan ja vahvisteen väliset lujuuskertoimet α 1 ja α 2, joiksi on tässä valittu 0,7. Laskennasta saadaan nyt sama tulos, mikä tarkoittaa, että vahvistelujuus jää pienempänä määrääväksi. Laskenta olisi voitu tehdä myös pelkkänä pull out capacity laskentana, jolloin oltaisi saatu suurempi laskennallinen varmuus ja liukupinta olisi hakeutunut eri paikkaan. Kriittisimmän liukupinnan laskennassa käytetty vahvistevoima voidaan tarkistaa vielä Result välilehdeltä slope results raportista, kuva 8.6.

30 30(41) Kuva 8.6 Result raportista voi tarkistaa laskennassa käytetyn vahvistevoiman suuruuden. 9. Maanaulauksen mallintaminen 9.1 Yleistä Maannaulausmenetelmän ideana on asentaa nauloja, jotka ovat yleensä halkaisijaltaan mm terästankoja, joko luonnon luiskaan tai rakennettavaan luiskaan parantamaan luiskan stabiliteettia. Naulat voidaan asentaa maahan joko suoraan täryttämällä, lyömällä, paineilmalla ampumalla tai porattuun reikään injektoimalla. Injektoitujen naulojen halkaisija on tyypillisesti mm, ja nauloja asennetaan normaalisti 0,5 4,0 kpl/m 2. Maan naulausta voidaan pitää varteenotettava vahvistusmenetelmä varsinkin silloin, kun luiskan kokonaisvarmuus ilman vahvistustoimenpiteitä on tasolla F = 0,9 1,4. Maanaulan luiskaa vahvistava vaikutus perustuu siihen, että vaarallisimman liukupinnan kulkiessa naulojen poikki, luiskan leikkautumista vastustavalle puolelle jääneeseen naulan osuuteen mobilisoituu luiskan pienen siirtymän johdosta vetojännitys lisäten leikkautumista vastustavaa voimaa (kuva 1.1). Luiskaa vahvistava vaikutus on vetojännityksen lisäksi naulaan mobilisoituvilla leikkaus- ja taivutusjännityksillä. Ne ovat kuitenkin merkittävyydeltään pieniä, eikä niitä yleensä laskennassa huomioida. Kuva 9.1. Maanauloilla vahvistetun seinän toiminta pääpiirteittäin. Alkuperäinen kuva: Nordic Guidelines for Reinforced Soils And Fills s. 90

31 31(41) Naulan pituus arvioidaan rinteen korkeuden mukaan. Naulan pituuden tulisi yleensä olla 0,5 0,8 kertaa lujitettavan rinteen korkeus. Teoriassa paras tehokkuus saadaan asentamalla naulat vaakasuoraan tai jopa hieman yläviistoon 0-5 asteen kulmaan. Työteknisesti naulojen asennuskulmana on kuitenkin yleensä käytetty astetta vaakatasosta alaspäin, jolloin injektointi voidaan suorittaa painovoiman vaikutuksesta. Naulojen k/k väli arvioidaan naulan pituuden ja halkaisijan mukaan yhtälöillä 9.1 ja 9.2. k/k = (0,3 0,6 D π L) (9.1) k/k = (d 2 /0,0004 0,0008) (9.2), missä L = naulan pituus [m] D = injektoinnin halkaisija [m] d = naulan teräsosan halkaisija [m] Tyypillisesti k/k-väli vaihtelee metrin molemmin puolin. 9.2 Maan naulaus stabiliteettiohjelmassa Ohjelmalla on mahdollista laskea naulatun luiskan varmuutta kolmella eri tavalla: Nail Load: Syötetyn naulan vetolujuuden avulla. Ohjelma käyttää suoraan tätä laskentaarvona. Bond Strength: Syötetyn naulan ulosvetovastuksen mukaan. Tästä arvosta ohjelma ottaa laskennassa huomioon sen naulan tehokkaan pituuden, joka jää liukupinnan ulkopuolelle. Bond Capacity: Injektoidun naulan halkaisijan, tehokkaan normaalijännityksen sekä naulan ja maan välisen kitkakertoimen avulla. Tässä vaihtoehdossa käyttäjä syöttää injektoidun naulan halkaisijan (Grout Hole Dia [m]) ja varmuuskertoimen (Safety Factor). Muut arvot ohjelma laskee itse. Tämäkin laskentatapa huomio laskennassa vain sen naulan tehokkaan pituuden, joka jää liukupinnan ulkopuolelle. Laskenta on siis periaateiltaan hyvin vastaava kuin geovahvisteiden laskennassa. Mikäli valitaan useampi laskentatapa, käyttää ohjelma lopullisessa laskennassa sitä tapaa joka antaa pienimmän varmuuden. Jos jollekin naulalle valitaan Bond Capacity laskenta, on kyseinen laskenta automaattisesti vaihtoehtona myös muilla mallissa olevilla nauloilla. Naulan kokonaisvastus (total bond load) lasketaan Bond Capacity-laskentaan yhtälöllä 9.3. T t = ΣL i (2Dσ`vtanφ i +πdc i`)/fs (9.3) missä L i = naulan tehokas pituus D = naulan halkaisija Fs = tartuntajännityksen varmuuskerroin (Safety Factor). Kertoimen oletusarvo on 2,0. Alustavia arvioita ulosvetovastuksesta voidaan tehdä maalajikohtaisten kuvaajien ja taulukoiden avulla. Taulukoita on esitetty esimerkiksi julkaisussa Nordic Guidelines for Reinforced Soils And Fills. Maanaulojen ulosvetovastus tulee aina selvittää nauloille tehtävillä kuormituskokeilla varsinaisella rakennuspaikalla. Suoritettavien ulosvetokokeiden tai kuormituskokeiden määrään on otettu kantaa maannaulausta koskevassa standardiluonnoksessa pren14490.

32 32(41) 9.3 Tietojen syöttäminen Nail -välilehdellä Nail-välilehden sarakkeet: Kuva 9.2. GeoCalc-Stability ohjelman Nail-välilehti. Id Kunkin naulan yksilöivä tunnusluku 1 n. X [m] Naulan lähtöpiste määritellään X- ja Z-koordinaattien perustella. X-koordinaatti ilmaisee naulan lähtöpisteen horisontaalisessa suunnassa. Z [m] Z-koordinaatti ilmaisee naulan lähtöpisteen pystysuunnassa. Length [m] Annetaan naulan pituus metreinä. (Yleensä naulan pituus on 0,5 0,8 kertaa luiskan korkeus.) Angle [deg] Naulan asennuskulma määritellään asteina vaakatasosta alaspäin. (Yleensä 10º...20º) Calculation Method Määritellään laskentamenetelmä/laskentamenetelmät. (ks. kappale 1.2.) Nail Load [kn] Määritellään naulan vetolujuus. Ohjelma käyttää suoraan tätä kokonaislujuutta laskennassa. Bond Strength [kn] Naulan ulosvetovastus. Arvoja annettaessa tulee huomata että kenttään tulee syöttää kokonaisarvo kn eikä arvoa kn/m, jota usein käytetään. Ohjelma laskee automaattisesti ulosvetovastuksesta sen osan, joka vaikuttaa naulan tehokkaalla osalla eli liukupinnan ulkopuolelle jäävällä osalla. Ungrout Length [m] Ohjelma olettaa lähtökohtaisesti että naula injektoidaan koko pituudeltaan. Jos osa naulan yläpäästä jätetään injektoimatta, voidaan injektoimattoman osuuden pituus syöttää tähän kenttään. Ungrout Length ominaisuus on käytössä vain Bond capacity -laskennassa. Jos halutaan mallintaa täysin injektoimattomia nauloja, tulee tämä ominaisuuden sijaan käyttää Bond capacity -laskennassa Grout Hole Dia -kohdassa naulan teräsosan halkaisijan arvoa. Rock Bond [kn] Jos naula injektoidaan osittain kallioon saakka, tähän kohtaan voidaan määritellä kalliosta saatava tartuntavoima. Jos naulaa ei mallinneta yltämään määriteltyyn kallioon saakka, kenttään syötetyillä arvoilla ei ole merkitystä laskennassa. Grout hole diameter [m] Määritetään injektoidun naulan halkaisija metreissä Bond capacity laskentaa varten.

33 33(41) Safety Factor Naulan ja maan välisen tartunnan varmuuskerroin Bond capacity -laskennassa. (ks. kappale 1.2) Hor. Spacing [m] Syötetään naulojen vaakasuuntainen etäisyys toisistaan. Muut lähtöarvot General välilehden Default Values -valikosta voidaan valita kohdasta Load Application, kohdistuuko naulan kuormitus liukupinnalle (Slip), vai naulan päähän (Head). Oletusarvoisesti kuormitus kohdistuu liukupinnalle. Muuta huomioitavaa laskennassa Laskentametodina on suositeltavaa käyttää menetelmää, joka toteuttaa ainakin liukupinnan voimatasapainoehdon, sillä nauloista aiheutuu yleensä suuria vaakavoimia. Tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi Janbun yksinkertaistettu menetelmä ja Morgenstern- Price menetelmä. Esimerkiksi paljon käytetty Bishopin yksinkertaistettu menetelmä toteuttaa vain momenttitasapainoehdon. 9.4 Ankkuroitu tukimuuri Tässä esimerkissä tarkastellaan 8 m korkean tukimuurin ankkuroimista maanauloilla moreeniin tai vaihtoehtoisesti kallioon. Tukimuuri perustetaan jyrkkään moreeniluiskaan. Taustatäyttö tehdään hiekasta. Tavoitteena on saavuttaa kokonaisvarmuus F=1,65. Käytetyt materiaaliparametrit on esitetty taulukossa 9.1 Taulukko 9.1 Laskentaesimerkin 7 materiaaliparametrit. γ kn/m 3 γ sat c kn/m 3 kpa Hiekkatäyttö Moreeni φ o Esimerkin geometria on esitetty kuvassa 9.3. Tukimuuria ei ole mallinnettu varsinaiseen geometriaan lainkaan vaan tukimuurin dimensiot on piirretty malliin vasta geometrian luonnin jälkeen Forbidden Domain toiminnolla, joka löytyy Advanced-välilehdeltä. Tällä estetään liukupintojen kulkeminen tukimuurin läpi. Toinen vaihtoehto on piirtää tukimuuri geometriaan ja syöttää sille hyvin suuret maan lujuusparametrit. Suositeltavaa on kuitenkin mallintaa rakenteet Forbidden domain toiminnolla.

34 34(41) Kuva 9.3 Laskentaesimerkin 7 geometria ilman nauloja. Esimerkin laskelmat tehdään käyttäen vapaamuotoista liukupintaa ja Morgenstern-Price menetelmää (f(x) = sin(x)). Ensimmäinen laskenta tehdään ilman nauloja, jolloin kokonaisvarmuudeksi saadaan F = 1,20. Seuraavaksi mallinnetaan naulat. Naulat lähtevät tukimuurin reunasta ja yltävät kallioon asti, kuva 9.5. Naulojen pystysuuntainen etäisyys on noin 1,6m ja vaakasuuntainen etäisyys 2,0m. Nail Load laskentatavalla määritetään, kuinka suuri voima nauloihin tarvitaan halutun kokonaisvarmuuden saavuttamiseksi. Nail Load -arvoja kasvatetaan, kunnes haluttu kokonaisvarmuus saavutetaan, kuva 9.4. Kuva 9.4 Ensimmäinen laskenta naulojen kanssa. Nail Load arvoa muuttaen kunnes vaadittu varmuustaso on saavutettu. Vaadittu kokonaisvarmuus F = 1,65 saavutetaan, kun naulat ottavat 300 kn kuorman, kuva 9.5