VANTAA. Vesiuomien stabiliteettilaskenta. Ohje

Transkriptio

1 VANTAA Vesiuomien stabiliteettilaskenta Ohje

2 05/2013 Maankäyttö, rakentaminen ja ympäristö Kuntatekniikan keskus Geotekniikka

3 ALKUSANAT Vantaan kaupungin alueella kulkee kaksi merkittävää vesiuomaa, Vantaanjoki ja Keravan-joki sivuhaaroineen. Jokiin liittyy suuria puroja ja ojia, mm. Rekolanoja ja Kylmäoja. Vesiuomat sijoittuvat laajoin osin pehmeille savipohjille, joiden lujuus on heikko. Uomien vaikutusalueella on runsaasti rakennuksia ja asutusta. Yhdyskuntarakenteen tiivistyessä tarve rakentaa yhä tehokkaammin myös uomien varsille kasvaa. Vesiuomien vakavuus tulee tutkia aina, kun rakentaminen ulottuu alueille, jotka voivat vaikuttaa uoman stabiliteettiin. Uomien luonnontilainen stabiliteetti voi olla alhainen. Ellei tarkempia lähtötietoja ole, pohjamaan ollessa savi, tulisi vakavuustarkastelu tehdä aina rakennusalueelle, joka on lähempänä kuin m vesistöstä. Tarkastelun tarve tulee harkita aina tapauskohtaisesti ja vaikutusalue voi olla em. aluetta laajempikin. Tämän ohjeen tarkoituksena on esittää yhtenäinen tapa vesiuomien stabiliteetin laskentaan. Vakavuustarkastelussa rakentamisen edellyttämän varmuustason tulee täyttyä voimassa olevien määräysten mukaan. Tämän ohjeen sisältö perustuu Heikki Hukkasen diplomityöhön "Laskentaohjeen esiselvitys, Vantaanjoen ja Keravanjoen stabiliteettitarkastelut". Diplomityössä esitellään käsiteltävää asiaa laajemmin. Ohjeen kirjoittamisesta ovat vastanneet Heikki Hukkanen ja Juho Mansikkamäki Ramboll Finland Oy:sta. Kirjoitustyötä ohjanneeseen ryhmään ovat kuuluneet Heikki Kangas, Matti Holtari ja Anna- Leena Karhunen Vantaan kaupungilta sekä Tim Länsivaara GeoPaja Oy:sta.

4 Sisällys 1. LÄHTÖTIETOJEN HANKINTA TUTKITTAVIEN LEIKKAUSTEN MÄÄRÄ JA SIJAINTI TARVITTAVIEN TUTKIMUSTEN MÄÄRÄN, MENETELMÄN JA KANNATTAVUUDEN ARVIOINTI MITTAUKSET JA TEHTÄVÄT POHJATUTKIMUKSET HÄIRIINTYMÄTTÖMÄN NÄYTTEEN OTTO POHJATUTKIMUSTULOSTEN TULKINTA LABORATORIOKOKEIDEN TULKINTA LASKENTAMENETELMÄN VALINTA LASKENTAPARAMETRIEN MÄÄRITYS LASKENTA LÄHTÖTIETOLUETTELO... 10

5 1 1. LÄHTÖTIETOJEN HANKINTA Aluetta tulee tarkastella olemassa olevia karttoja ja korkeuskäyriä tulkitsemalla ja arvioimalla etukäteen stabiliteetin kannalta kriittisempiä alueita. Tarkastelujen lähtökohdaksi tulee kerätä olemassa olevaa pohjatutkimustietoa ja olemassa olevia mittausaineistoja tutkittavalta kohteelta. Myös joen vedenpinnan korkeustiedot tulee selvittää. Lähtötietoluettelo on esitetty kappaleessa TUTKITTAVIEN LEIKKAUSTEN MÄÄRÄ JA SIJAINTI Lähtötietojen perusteella määritetään tutkittavan alueen kohteet, joiden stabiliteetin voidaan olettaa olevan heikoimmillaan. Alueelta tulee tarkastella leikkauksia siinä määrin, että riittävä vakavuus voidaan osoittaa koko suunnittelualueella. Mikäli alueella kulkee useampi uoma (esim. sivuhaara), vähimmäisvaatimus on tarkastella stabiliteettia yhdessä leikkauksessa kunkin uoman suhteen. KOMMENTTI: Tavallisesti stabiliteetti on hyvä tarkistaa vähintään kahdessa leikkauksessa kutakin uomaa kohden. Tutkittavien leikkausten tarve riippuu maastonmuotojen ja pohjasuhteiden homogeenisuudesta. Stabiliteetiltaan herkimmät alueet tulee arvioida lähtötietojen perusteella. Kuva 1. Tutkimusleikkausten sijoittaminen tutkimusalueelle, vakavuus on tarkistettava jokaisen uoman suhteen.

6 2 3. TARVITTAVIEN TUTKIMUSTEN MÄÄRÄN, MENETELMÄN JA KANNATTAVUUDEN ARVIOINTI Mikäli tarpeellisten tutkimusten määrää halutaan arvioida ennen kustannusten synnyttämistä, voidaan sitä varten tehdä alustavat tarkastelut lähtötietojen pohjalta. 1) ETUKÄTEISARVIOINTI SULJETULLA LEIKKAUSLUJUUDELLA Tarkasteltaviin tutkimusleikkauksiin määritetään maanpinta olemassa olevasta mittausaineistosta tai peruskartaston korkeuskäyristä. Joen pinnankorkeutena käytetään keskimääräistä joenpinnan korkeutta. Maanpinnasta alaspäin oletetaan taulukon mukaiset tasapaksut maakerrokset. Mikäli laskelmassa jäädään halutusta varmuustasosta, on tarkastelua mahdollista jatkaa tehokkaita laskentaparametreja käyttäen. 2) ETUKÄTEISARVIOINTI TEHOKKAILLA LUJUUSPAREMETREILLA Laskelmat tehdään kuten kohdassa 1), mutta maakerroksien laskentaparametreina käytetään saven osalta tehokkaita parametreja. KOMMENTTI: Alustavien tarkastelujen menettely on kehitetty ainoastaan arvioimaan pohjatutkimusten kannattavuutta. Tutkimuksissa on todettu siipikairatulosten usein aliarvioivan suljettua leikkauslujuutta. Kolmiaksiaalikokeella on mahdollista päästä luotettavimpiin tuloksiin, määritettäessä saven lujuusominaisuuksia.

7 3 4. MITTAUKSET JA TEHTÄVÄT POHJATUTKIMUKSET Vaatimukset tutkittavalle leikkaukselle ja mittauksille: Tutkittavien leikkausten leveys tulee olla riittävä, ulottuma vähintään m joesta. Tutkittavan leikkauksen kohdalla maanpinnan ja uoman pohjan muodot tulee olla määritettynä riittävällä tarkkuustasolla. KOMMENTTI: Tutkittavan leikkauksen maanpinta voidaan määrittää olemassa olevasta maastomallista, esim. laserkeilausaineistosta tai vaaitsemalla maanpinta tutkimuspisteiden paikalleen mittausten yhteydessä. Uoman pohja tulisi ensisijaisesti mitata. Mikäli olemassa olevaa mittaustietoa on tutkittavalta alueelta, voidaan uoman pohja määrittää niistä. Stabiliteetin kannalta yleensä mitoittava tilanne on kun pohjavedenpinta penkereellä on korkeimmillaan ja vedenpinta jokiuomassa matalimmillaan. Tarvittavat pohjatutkimukset Tehtävien pohjatutkimusten määrä riippuu olemassa olevasta aineistosta ja hankkeen laajuudesta. Ennen pohjatutkimusohjelman laatimista tulee kohteella tehdä maastokäynti. Tutkittavasta leikkauksesta tulisi löytyä seuraavat: Riittävä määrä paino- tai CPTU- kairauksia maakerrosrajojen tulkintaan Vähintään yksi siipikairaus m etäisyydeltä joesta KOMMENTTI: Painokairauksia on poikkileikkausta kohden, maastonmuodot huomioiden, hyvä sijoittaa n. 2-4 kappaletta. Mikäli leikkauksesta tehdään vain yksi siipikairaus, tulisi se tehdä vähintään 40m etäisyydeltä joesta. Toinen siipikairaus on hyvä tehdä aivan jokipenkereeltä, jolloin mahdollinen jokipenkereen lujittuminen ja sen aiheuttama suljetun leikkauslujuuden kasvu voidaan hyödyntää jokipenkereen osalta laskelmissa. Kuva 2. Esimerkki tutkimusten sijoittamisesta tutkittavaan leikkaukseen.

8 4 5. HÄIRIINTYMÄTTÖMÄN NÄYTTEEN OTTO Näytteenottokohdan valinta Kairausten perusteella heikoimmasta maakerroksesta. Häiriintymätön näyte pehmeästä kerroksesta, josta laboratoriokokeet vähintään kolmelta eri syvyydeltä. Suositeltavat laboratoriokokeet Rakeisuus, kartiokoe ja vesipitoisuuden määritys Ödometrikoe Kolmiaksiaalikoe KOMMENTTI: Stabiliteettia voidaan laskea pelkästään siipikairalujuuteen perustuen, mutta laboratoriossa tehtävillä kokeilla voidaan saada arvokasta lisätietoa maan lujuudesta ja jännityshistoriasta. Pohjatutkimukset on hyvä tehdä kahdessa vaiheessa; ensimmäisellä kierroksella painokairauksilla määritetään pohjasuhteet ja määritetään mistä pisteistä näytteet tulisi ottaa. Kuva 3. Maaperänäytteen otto.

9 5 6. POHJATUTKIMUSTULOSTEN TULKINTA Siipikairalujuuden oikeellisuuden arviointi Vertaaminen painokairauksen tai CPTU- kairauksen kairausvastukseen. Vertaaminen kartiokokeen tuloksiin leikkauslujuuden vertaaminen teoreettiseen, konsolidaatiojännityksen tai vallitsevan jännityksen avulla määritettyyn leikkauslujuuden arvoon; 0,22*σ' c (ensisijaisesti) tai 0,22* σ' n. KOMMENTTI: Siipikairalujuuksissa tapahtuu paljon virheellisiä tulkintoja erinäisistä menetelmään liittyvistä syistä. Siipikairalujuuden todenmukaisuutta on hyvä arvioida yllä esitettyjä keinoja käyttämällä. Painokairauksessa tapahtuva kairausvastuksen muutos tulisi olla havaittavissa jossain määrin myös siipikairalujuudessa. Kartiokokeista on Vantaan alueella saatu varsin loogisia leikkauslujuuden tuloksia. Kartiokokeen tuloksia voidaan pitää hyvänä vertailupohjana siipikairatulosten luotettavuuden arvioon. Mikäli siipikairalla määritetty leikkauslujuus on pienempi kuin 0.1*vallitseva jännitys, voidaan siipikairauksen sanoa epäonnistuneen Kuva 4. Epäonnistuneen ja onnistuneen siipikairauksen tunnuspiirteitä.

10 6 7. LABORATORIOKOKEIDEN TULKINTA Ödometrikokeet Kokeella määritetään: Konsolidaatiojännitys kolmiaksiaalikoetta varten. Saven konsolidaatiotila KOMMENTTI: Saven konsolidaatiotilan selvittäminen auttaa tulkitsemaan muita pohjatutkimustuloksia. Ylikonsoilidoituneessa maassa myös leikkauslujuudet ovat suurempia. Jokipenkereen lujittumista voidaan todentaa siipikairauksen tueksi tehtävällä ödometrikokeella. Kuva 5. Esimerkki vallitsevan jännityksen ja POP:n määrityksestä, sekä suljetun leikkauslujuuden suuruuden arviomista konsolidaatiojännityksen perusteella.

11 7 Kolmiaksiaalikokeet Kokeiden tekeminen: Koesarja tehdään savikerroksen puolivälistä otetuista häiriintymättömistä maaperänäytteistä. Koesarja tehdään isotrooppisesti konsolidoituneena suljettuna kolmiaksiaallikokeena (CIUC) tai anisotrooppisesti (CAUC) Koesarja tehdään kolmella eri jännitystasolla, joista alhaisin on vähintään konsolidaatiojännityksen tai tulevan jännityksen suuruinen. Konsolidaatiojännitys varmistetaan etukäteen ödometrikokeella. Tulosten tulkinta: Suositellaan kriittisen tilan tarkastelua, jolloin koheesio asetetaan nollaksi. Kitkakulman määritys p'q- kuvaajasta. Kuva 6. Kitkakulman määrittäminen kolmiaksiaalikokeen jännityspolkukuvaajista. KOMMENTTI: Normaalikonsolidoituneen saven koheesio on hyvin pieni, näin ollen suositellaan käytettäväksi kriittisen tilan tarkastelua, eli koheesion määrittämistä nollaksi. Tarkempi parametrien määritys on esitetty laskentaohjeen esiselvityksessä. Tyypillisesti pehmeän saven kitkakulma on (c'=0 kpa).

12 8 8. LASKENTAMENETELMÄN VALINTA Suositeltavat laskentamenetelmät: Alustavat tarkastelut voidaan tehdä yksinkertaisilla menetelmillä ja ympyrän muotoista liukupintaa käyttäen. Lopulliset tutkimukset tulisi tehdä laskentamenetelmillä, joissa huomioidaan sekä lamellien väliset voimatasapaino- että momenttitasapainoyhtälöt o esim. GLE/Morgestern-Price menetelmä KOMMENTTI: Eri laskentamenetelmiä käyttämällä voidaan päätyä hyvin erilaisiin laskentatuloksiin. Olennaista menetelmän valinnassa on ymmärtää menetelmien välisiä eroavaisuuksia. Menetelmästä riippumatta laskentatulosten oikeellisuus on hyvä varmistaa eri laskentamenetelmiä käyttäen. Laskentamenetelmistä huolimatta laskentatulokset eivät ole koskaan sen tarkempia kuin laskentaparametrit. On siis syytä muistaa ettei huonosti määritetyillä laskentaparametreilla voida päästä hyviin tuloksiin vaikka käytössä olisi kuinka kehittynyt laskentamenetelmä tahansa. 9. LASKENTAPARAMETRIEN MÄÄRITYS Käytettävät laskentaparametrit tulee valita kaikki olemassa olevat pohjasuhdetiedot huomioiden. Laskennassa käytettävien parametrien määrityksessä huomioita: Jokipenkereen lujittuminen voidaan huomioida laskelmissa vain jos se voidaan pohjatutkimuksin osoittaa. Leikkauslujuus tulee redusoida normaalin käytännön mukaisesti Kartiokokeen tulosta voidaan pitää referenssinä siipikairalujuudelle, mahdollinen maakerroksen kerroksellisuus tulee huomioida tulosten luotettavuuden arvioinnissa. Kolmiaksiaalikokeella määritetyt parametreja voidaan hyödyntää ainoastaan maakerroksessa, josta parametrit on määritetty. LASKETTAESSA STABILITEETTIA KÄYTTÄEN TEHOKKAITA PARAMETREJA, TULEE LASKELMISSA HUOMIOIDA HUOKOSVEDENPAINEEN VAIKUTUS. KOMMENTTI: Huokospaineen määrittäminen tarkasti on hankalaa koska se muuttuu ajan funktiona. Tämän vuoksi huokospaineen huomiointi luotettavasti on ongelmallista. Huokosylipainetta muodostuu sekä saven myötäämisen että ulkoisten kuormien seurauksena. Molemmat on huomioitava laskelmissa. Nykyisistä laskentaohjelmista GeoCalc -laskentaohjelmassa nämä molemmat huokospaineeseen vaikuttavat tekijät voidaan huomioida erillisillä parametreilla.

13 9 Huokospaineen huomiointi GeoCalc-laskentaohjelmassa. Geocalc- ohjelmassa huokospainetta voidaan huomioida kitkakulmaan perustuvan huokospaineparametri r u ':n avulla. Huokospaineparametrin käyttö Geocalc 2-ohjelmassa tapahtuu syöttämällä huokospaineparametri materiaali-välilehdellä maakerroksen materiaalitietoihin. Parametrin syöttäminen on esitetty kuvassa 7. Kuva 7. Huokospaineparametrin syöttäminen Geocalc-ohjelmassa. Jotta ohjelma huomioi huokospaineparametrin laskelmissa, tulee se aktivoida käyttöön "Pore Pressure" välilehdeltä painamalla ruksi kohtaan "Effect Pore Pressure Ratio". Vantaan alueella käytettävä huokospaineparametri r u ':n lukuarvo ru' 0,22 Jos savi on selkeästi ylikonslidoitunutta, muodostuu huokospainetta vähemmän. Tätä voidaan huomioida pienentämällä ru' parametrin lukuarvoa. Käyttämällä normaalikonslidoituneen saven tyypillistä arvoa ollaan kuitenkin varman puolella myös ylikonsolidoituneen saven tilanteessa. Mahdollisen ulkoisen kuorman tilanteessa käytetään "ruq" parametria, jolloin on muistettava aktivoida parametrin käyttö myös "Pore Pressure" välilehdellä. Ulkoisen kuorman vaikutus tulee arvioida tapauskohtaisesti. Tyypillisesti pehmeälle savelle käytetään arvoja ruq= 0,5 1,0.

14 LASKENTA Laskelmissa tulee esittää: Tutkittu leikkaus jossa esitetty: o maakerrosrajat o pohjavedenpinta o joen vedenpinnan korkeus Määritetty vaarallisin liukupinta ja sen sijainti Käytetyt laskentaparametrit, laskentamenetelmä ja käytetyn liukupinnan muoto 11. LÄHTÖTIETOLUETTELO Alla on kerätty tietoa siitä, mistä stabiliteettitarkastelujen lähtötietoja voidaan kerätä. Vantaan kaupunki Pohjatutkimukset ja vedet: asuminen ja rakentaminen maaperätiedot palvelut rakentajalle Kartat: asuminen ja rakentaminen maanmittauspalvelut kartat ja ilmakuvat kartanmyynti Jokiuomien stabiliteettilaskenta: Laskentaohjeen esiselvitys, Vantaajoen ja Keravanjoen stabiliteettitarkastelut, diplomityö. Valtion ympäristöhallinto Maanmittauslaitos Alueellista ympäristötietoa pinta- ja pohjavesitietoa Avoin paikkatietopalvelu, jonne on valtakunnallisesti kerätty runsaasti erilaista paikkatietoa

15

16 Maankäyttö, rakentaminen ja ympäristö Kuntatekniikan keskus Geotekniikka