LUENTO 3 Geotekniikka. Maaperä, maalajit sekä maalajiluokitus. Perustamistavat. Pohjatutkimukset ja pohjatutkimusmerkinnät.

Transkriptio

1 LUENTO 3 Geotekniikka. Maaperä, maalajit sekä maalajiluokitus. Perustamistavat. Pohjatutkimukset ja pohjatutkimusmerkinnät. Geotekniikkaa RAKENNETEKNIIKAN PERUSTEET P, 3 op Jaakko Vänttilä, diplomi-insinööri, arkkitehti jaakko.vanttila@oulu.fi Pohjarakennus ja maamekaniikka Maamekaniikka on rakenteiden mekaniikkaan liittyvä tieteenala, joka tutkii geologista syntyperää olevia materiaaleja, niiden ominaisuuksia rakennuspohjana ja rakennusmateriaalina Pohjarakennus on erilaisissa maaperäolosuhteissa saavutettuun kokemukseen nojaava maamekaniikan soveltamisala Pohjarakennus ja maamekaniikka = geotekniikka Geotekniikan eri osa-alueita maa- ja vesirakentaminen rakenteiden perustaminen rakenteiden ja maan yhteistoiminta maarakenteiden toiminnan hallinta ja toimivuuden arviointi, mittaus ja mallinnus Geotekniikka on maamekaniikkaa 1

2 Geotekniikka on perustamistekniikkaa Geotekniikka on tukirakenteita Geotekniikka on perustusten vahvistamista Georakentaminen Ominaisuuksiltaan vaihtelevien luonnon materiaalien käyttö ja käsittely erottaa georakentamisen muusta rakentamisesta. Kohteita EI ole kahta samanlaista ja vaihtelu kohteen sisälläkin voi olla suurta. Maa-ja kalliomateriaalien ominaisuudet ja niiden vaihtelu on suurin rakentamisen epävarmuustekijä. Geoteknikonon selviydyttävä maaperässä olevien heikkojenkin materiaalien ja rakenteiden kanssa, joten alalla riittää haasteita ja mahdollisuuksia ideointeihin. Maa koostuu mineraalipartikkeleista, ilmasta ja vedestä muodostaen oman kolmefaasisen systeemin. Maan käyttäytyminen on monimutkaista, epälineaaristaja epähomogeenista. 2

3 Maa rakennusaineena Geologiaa Maamassa koostuu kolmesta komponentista kiinteä maa-aines huokostilan täyttävä vesi ilma Maamassan komponentit voivat olla useilla eri tavoilla järjestäytyneitä Geotekniikan kannalta tärkeimmät maakerrosten luokitusperusteet ovat maalaji, konsolidaatiotila, kyllästysaste, tiiviys ja anisotrooppisuus Kitkamaalajit karkearakeisissa maalajeissa (sora, hiekka, louhe) leikkauslujuus on riippuvainen rakeiden välisestä kitkasta Koheesiomaalajit hienorakeisissa maalajeissa (savi, hieno siltti) leikkausvastus syntyy rakeiden välisestä koheesiosta Maa murtuu leikkausmurtumana siten, että murtuvaan maamassaan yleensä muodostuu liukupinta Mannerjäätikön kulkusuunnat Maaperä ja maalajit Maaperä, maalajit ja maalajiluokitus Maaperä on kallion pinnalla oleva orgaaninen tai epäorgaaninen aines koostuu maalajeista on rakenteiden perusta, pohjarakentamisen kohde ja myös rakennusmateriaali Maalajit ovat syntyneet kallioperän rikkoontumisen ja rapautumisen tai orgaanisen toiminnan tuloksena paikalleen tai ovat kulkeutuneet muualta ja kerrostuneet nykyiselle paikalleen hajoavat veteen upotettaessa tai särkyvät niihin kohdistuvan voiman vaikutuksesta 3

4 Suomen maalajien synty Kallioperään verrattuna Suomen maalajit ovat synnyltään nuoria Suomen maalajeihin on vaikuttanut mannerjäätikön ja sen sulamisvesien toiminta maan kohoaminen Itämeren monivaiheinen kehitys Moreenikerrostumat Muodostuivat mannerjäätikön kallioperästä irroittamasta, murskaamasta ja jauhamasta kiviaineksesta, joka sekoittui jo ennestään kallion pinnalla olleisiin maalajeihin -> lajittumaton maajali Moreeni on Suomen yleisin maalaji Moreenimuodostumien keskipaksuus Suomessa on 4 m, rannikolla pienempi, paksuimmat kerrostumat laaksoissa Moreeni sisältää usein kookkaita kiviä tai lohkareita, muodostuman maanpinta myös usein kivinen tai lohkareinen Hyvin koossa pysyvä maalaji -> jyrkähköjenkin kaivantojen seinät pysyvät hyvin koossa Moreenia esiintyy erilaisissa muodostumissa pohjamoreeni pintamoreeni reunamoreenit kumpumoreeni Karkearakeiset kerrostumat Harjun tyypillinen rakenne Pohjois-Suomessa Syntynyt kuivalle maalle Geologiaa Muodostuneet jäätikön sulamisvaiheen aikana jäätikköön syntyneiden jokien huuhtomasta moreeniaineksesta hienoaine huuhtoutui ja kulkeutui mereen karkeampi aines kului ja pyöristyi sekä kerrostui suvantokohtiin Tavataan kaikkialla maassa harjuina sekä hiekka-ja sorakankaina Tärkein karkearakeinen maalajimuodostuma on harju kymmeniä, jopa satoja kilometrejä pitkiä 5 20 m korkeita vallimaisia selänteitä yleensä luode- kaakko suuntaisia Muodostuneet veteen tai maalle Kallio Turve Moreeni Sora ja hiekka Sora ja hiekka Harjun tyypillinen rakenne Etelä-Suomessa Syntynyt veteen Savi Moreeni Kallio 4

5 Hienorakeiset kerrostumat Muodostuneet jääkauden aikana moreeniaineksen hienorakeisimmista osista virtaavan veden ja aallokon mukaansa huuhtomina monesti kauaksi merelle kulkeutuneina ja siellä pohjaan laskeutuneena -> lustosavi Myös jääkauden jälkeen -> postglasiaalinen savi Syntyneet aina virtaamattomaan veteen -> esiintyy vain alueilla, jotka ovat olleet meren tai suurten järvien peittämää, siis Etelä- ja Lounais-Suomen sekä Pohjanmaan rannikkoalueet Tyypilliset kerrokset 0,5 2 m paksuinen kuivakuorikerros jonka alla usein vesipitoisin ja lujuudeltaan heikoin osa Etelä-Suomessa keskipaksuus noin 10 m, sisämaassa ohuempia Eloperäiset kerrostumat Pääasiassa turvekerrostumia, soistumisen tuloksia Suomessa soita noin 29% maan pinta-alasta Pohjois-Pohjanmaalla ja Lapissa jopa yli 60% Rakenne riippuu muodostumistavasta, maanpinnan muodosta, ilmastotekijöistä sekä vesien ravinnepitoisuuksista Veden esiintymismuodot maaperässä Maaperän vesivyöhykkeet ja pohjavesi 5

6 Pohjaveden käyttö ja merkitys Maan rakeisuuden kuvaus Juomavetenä ja käyttövetenä Merkitys kasvaa koko ajan Rakentamisessa Maanalaiset tilat, kallion sisäiset tilat sekä peruskaivannot Kuivatus ja vesitiiveys huolehdittava Työjärjestelyt Rakennesuunnittelu Savikot Laskeva pohjavesi aiheuttaa lisäkuormitusta ja rakenteiden painumaa Puupaalut Laskeva pohjavesi aiheuttaa puupaalujen tuhoutumista Kasvillisuus edellyttää pohjavesiolosuhteiden säilymistä Otettava huomioon suunnittelussa ja toteutuksessa Pohjavedenpinta Suomessa yleensä 2 4 m syvyydessä, harjuissa jopa m syvyydessä Maalajiluokitus tapahtuu kivennäismaalajeissa maan ominaisuuksia määrävän lajitteen raekoon perusteella -> Raekoon määritys on yksi kaikkein tärkeimpiä maanäytteen luokituskokeita Maa-ainesten rakeisuus määritetään seulomalla Tyypillinen seulasarja käsittää 0.074, 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0, 32.0 ja 64.0 mm seulat Jos paljon hienoja aineksia -> lietekoe Raekoostumus kuvataan rakeisuuskäyrällä Maalajin rakeisuuskäyrän määrittäminen Maalajin rakeisuuskäyrä 6

7 Maalajiluokitus Geoteknisen maalajiluokituksen lajitteet Maalajien tunnistaminen Geoteknisenmaalajiluokituksen mukaiset maalajit 7

8 Maaperän ja maalajien kuvaus Geotekniset maakerrokset Maalajien tunnistaminen Maalajien nimitysperusteet Turve kasvien jätteistä Lieju eloperäistä ja kivennäisainetta kosteana kimmoisaa, ei muovailtavaa, repeilee Muta veden mukana kulkeutunutta, eloperäistä Humusmaa maanpinnan ohut kasvukerros, ruokamulta, eloperäistä yli 20% Savi plastista kosteana voi kierittää läpimitaltaan alle 20 mm tangoiksi kutistuu kuivuessaan voimakkaasti Siltti harmaata, muovailtavuus heikkoa tärinä muuttaa juoksevaksi kutistuu vähän, murenee, pölyää Hiekka ja sora peseytyneitä ja puhtaita rakeet pyöristyneitä Moreenit lajittumaton, mannerjäätikön murskaama, kulmikas, erikokoisia rakeita 8

9 Maalajien geotekniset ominaisuudet Perustusten kantokyky ja kestävyys riippuvat ensi sijassa sen alapuolella olevien maakerrosten ominaisuuksista Rakennuspaikan maalajit ovat tärkein pohjarakentajan rakennusaine Näiden rakennusaineiden ominaisuuksien tunteminen on perustuksen oikean suunnittelun ja mitoituksen ensimmäinen edellytys -> pohjatutkimukset Maa Perustamistavat Perustusten suunnittelu Perustukset: Rakennuksen tai rakenteen alimpana olevat rakennuksen osat, joiden välityksellä rakennukseen kohdistuvat kuormat siirretään maahan Perustusten suunnittelu Rakenteet voidaan usein jakaa yläpuoleisiin rakenteisiin ja ns. alusrakenteisiin Perustusrakenteet ovat alusrakenteita, joita toisaalta kuormittaa yläpuoleisilta rakenteilta tulevat kuormat ja toisaalta maan kosketuspinnassa syntyvä jännitystila 9

10 Perustamistavat Perusmuuri + antura Perustamistavat Toimintatavan mukaan perustukset voidaan jakaa maanvaraisiin perustuksiin ja paaluperustuksiin Maanvarainen perustus Perustusrakenne, joka siirtää yläpuolelta tulevat tavallisesti pystysuorat kuormat maan pintaan jatkuvaksi kuormaksi kosketuspinnan välityksellä Näitä perustuksia ovat mm. anturaperustus, pilariperustus, laattaperustus ja palkkiperustus Paaluperustus Kantavina rakenneosina ovat paalut, jotka siirtävät kärjen normaalijännityksen ja / tai paalun vaippapinnalla vaikuttavan leikkausjännityksen avulla kuormat maan sisään erillisissä (pistemäisissä) kohdissa Pilariperustus Laattaperustus Yleisimmät perustamistavat Kevyet rakenteet kuten omakotitalot, rivitalot, kevyet varastot, suojat jne. Yleisimmät perustamistavat Raskaat rakenteet kuten kerrostalot ja sillat 10

11 Erilaisia pientalon perustamistapoja Perusmuuri + antura Perusmuuri + laatta Perusmuuri + ryömintätila Perusmuuri + maanvarainen laatta Pilariperustus Erilaisia pientalon perustamistapoja Reunapalkilla jäykistetty laatta Arinaperustus Kotelolaatta Paaluperustus Maanvarainen perustus Paaluperustukset 11

12 Paalutyypit Erilaisia paaluja Perustamistavan valinta Stockmannin Pietarin tavaratalon perustusratkaisu 12

13 Perustamissyvyys Korkeusasema (D), johon saakka maa-aines poistetaan perustuksen kohdalta Nimitystä käytetään myös peruslaatan alapinnan tasosta Matalaperustuksia ovat maanvaraiset perustukset, (laatta-tai anturaperustukset), joiden perustamissyvyys on pieni Matalaperustuksista voidaan puhua esimsilloin kun perustamissyvyys on pienempi kuin peruslaatan sivumitta B (eli D < B) Syväperustuksia ovat mm. paaluperustukset Suomessa matalaperustamisella tarkoitetaan lähinnä routarajan yläpuolelle routivalle maapohjalle tehtävää perustamista Perustusten geotekninen mitoitus Määritetään anturan koko ja sen geotekninen kantokyky Tarkistetaan, että perustuksen painumat pysyvät sallituissa rajoissa Maaperän ja kallion tutkiminen = pohjatutkimukset Pohjatutkimukset 13

14 Pohjatutkimusten tarve ja tavoitteet Pohjatutkimuksilla pyritään selvittämään maa-ja kallioperän rakennetta ja ominaisuuksia Pohjatutkimuksia tarvitaan asema- ja muita kaavoja valmisteltaessa maarakennuksen sekä rakennusteollisuuden tarvitsemien maa-ja kalliomateriaalien materiaalinottopaikkoja selvitettäessä rakennushankkeiden geoteknistä suunnittelua varten Pohjatutkimuksilla selvitetään rakennuspaikan soveltuvuus tarkoitukseensa lähtötiedot, jotta voidaan suunnitella toimiva, varma ja taloudellinen perustamistapa oikeat georakentamisen työtavat mahdolliset georakentamiseen liittyvät vaikeudet Pohjatutkimusmenetelmät Maastokatselmus sen perusteella ratkaistaan varsinaisten pohjatutkimusten laatu ja laajuus pinnanmuodostus, kasvipeite, kalliopaljastumat, pintakivisyys jne. näiden sekä geologisten karttojen/ilmakuvien avulla tehdään päätelmiä maaperämuodostumista ja niiden rakenteesta Koekuoppa luotettavin tapa selvittää lähellä maanpintaa (2-3 m tukematta) olevien maakerrosten laatu voidaan selvittää maalajit, kivisyys ja lohkareisuus, kaivuominaisuudet, seinämien pysyvyys, pohjaveden taso, kalliopinta voidaan myös ottaa näytteitä tarkempaa tutkimusta varten Kairaukset Kairaukset Maaperään tungetaan kairatangon tai putken avulla kairan kärkikappaletta Yleensä pyritään ensisijaisesti havaitsemaan kairan kärkikappaleeseen kohdistuvaa kairausvastusta sen perusteella tehdään päätelmiä läpäistävien maakerrosten laadusta, tiiviydestä, lujuudesta ja kantavuudesta Menetelmät staattiset, dynaamiset tai näiden yhdistelmät staattinen kaira tungetaan maahan painojen ja puristimien kuormittamana dynaaminen kairan tungetaan maahan iskemällä tai täryttämällä Suomessa käytetään yleensä painokairausta soveltuu hyvin kivisiin ja moreenivaltaisiin maaperiin ei yleisesti käytetty kansainvälisesti Muita menetelmiä ovat tärykairaus, heijarikairaus, siipikairaus sekä SPT (Standard Penetration Test), joka on kansainvälisesti yleisimmin käytetty menetelmä Painokairausmenetelmä Painokairaus on staattinen kairausmenetelmä, jonka avulla arvioidaan maakerrosten rajoja ja tutkitaan maaperän kantavuutta maakerroksien koostumuksia päätellään mm. kairausvastuksen perusteella sekä kuulostellen raekokoa kairavarren resonanssin avulla Painokairauskalustoon kuuluu painosarja 2x 10kg 3x 25kg = 95kg + painopuristin, painoteline ja vääntövarsi, jolloin kokonaismassaksi tulee 100kg kairatangot kärkikappale vääntövarsi nuija kairanosturi 2 rautakankea Soveltuu parhaiten hienorakeisiin maalajeihin 14

15 Painokairauksen suoritus Painokairauspöytäkirja Aluksi poistetaan alkukairauksessa täytemaa ja kuivakuorikerros lapiokairalla tai kierrekairalla ja merkitään ylös alkukairauksessa poistetun kerroksen syvyys, suoalueella määritetään turpeen paksuus ja maatumisaste Kaira asetetaan reikään pystysuoraan ja painosarjaa vaihtelemalla etsitään pienin massa, jolla kaira tunkeutuu vapaasti Jokaisen kuormituksen muutoksen kohdalla merkitään ylös kairan syvyys ja kuormituksen määrä Jos kairan tunkeutuminen pysähtyy, lisätään painoa, kunnes kaira alkaa jälleen tunkeutumaan vapaasti, aina 100kg:een asti Mikäli kairan tunkeutumisnopeus kasvaa, pysäytetään kairaus ja haetaan kuormitusta vähentämällä jälleen minimikuormitus, jolla kaira tunkeutuu vapaasti Mikäli kaira ei uppoa 100kg:n painolla nopeammin kuin 5mm/s, kierretään vääntövarresta puolikierroksia ja merkitään puolikierrosten määrä kairauspöytäkirjaan, puolikierrosten määrä mitataan 0,2m välein tai 25 puolikierroksen jälkeen tapahtuneen painumisen määrä Jos kaira ei tunkeudu maahan kiertämälläkään, voidaan kairaa lyödä puu-tai muovinuijalla, painot poistetaan lyömisen ajaksi ja lyöntien määrä kirjataan ylös Kairauksen aikana on myös kuunneltava kairan kärjen synnyttämää ääntä Turve, siltti, lieju ja savi ei hankausääntä Hiekka sihisevä tai joskus heikko narskunta Sora narskahteleva, rahiseva, kirskahteleva Siltti-, hiekka- tai soramoreeni epämääräisen säröinen Kivi ei yhtä kirkas ja soiva kuin kallio Kallio kirkas ja soiva Kairaus lopetetaan, kun haluttu syvyys on saavutettu tai kun kaira ei uppoa maahan edes lyömällä Pohjatutkimusten ohjelmointi Alustava ohjelmointi maa-ja kallioperäaineiston perusteella tutkimuspisteiden määrä ja sijainti tutkimusmenetelmien valinta Tutkimuspisteitä tihennetään ja menetelmiä vaihdellaan tarpeen mukaan Pohjatutkimusten suoritus 15

16 Näytteenotto Maa- ja kallioperän ominaisuuksien määritys Kentällä Maa- ja kallioperän ominaisuuksien määritys Maa- ja kallioperän ominaisuuksien määritys Laboratoriossa Laboratoriossa Rakeisuuden määritys kuivaseulonnalla Muut luokitusominaisuudet kuten vesipitoisuus jne. Maanäytteen muodonmuutosominaisuuksien määritys: ödometrikoe Yksiulotteinen muodonmuutos l. painuma 16

17 Maa- ja kallioperän ominaisuuksien määritys Laboratoriossa Maa-tai kallionäytteen muodonmuutos- ja lujuusominaisuuksien määritys: kolmiakselikoe Kolmiulotteiset muodonmuutosominaisuudet Kolmiulotteiset leikkauslujuusominaisuudet Tulosten esittäminen Painokairauksesta piirretään aina kairausvastuspiirros eli kairausdiagrammi kairan kuormitus ja kairausvastus eri syvyyksissä maakerrosten maalajit tai maalajiryhmät Tutkitut maaperätiedot Pohjatutkimusmerkinnät ja rakeisuustutkimusesimerkki 17

18

19 19

20 20

21 21