1 20.11.2015 Paaluseminaari 2015
Esityksen sisältö: Johdanto Teoriaa Koekohteet Tuloksia koekohteilta Yhteenveto 2
Johdanto Tiedossa on, että paalujen geotekninen kestävyys kehittyy ajan kuluessa Tausta ja syyt on kuitenkin joiltakin osin hämärän peitossa Geoteknisen kestävyyden kehitys voidaan jakaa: - lyhytaikaiseen kehitykseen - pitkäaikaiseen kehitykseen 3
Johdanto Lyhytaikainen kehitys - Johtuu paalutuksessa syntyneen huokosveden ylipaineen purkautumisesta ja sitä seuraavasta maan lujuuden palautumisesta - Kestää kitkamaissa minuuteista tunteihin - Alkaa heti paalutuksen päätyttyä Pitkäaikainen kehitys - Johtuu tutkimuksien mukaan maan ikääntymisestä (soil ageing) ja jännitysten vapautumisesta (stress relaxation) (Schmertmann 1991; Chow et al. 1996) - Kestää kitkamaissa yleensä 1 90 päivää - Alkaa myös heti paalun asennuksen jälkeen 4
Pitkäaikainen kehittyminen Maan ikääntyminen (Soil ageing) Maan ikääntyminen tarkoittaa maassa ajan kanssa tapahtuvaa kehitystä maan lujuudessa, jäykkyydessä ja dilataatiossa (Axelsson 2000) Dilataatio on maassa esiintyvien leikkausjännitysten vaikutuksesta tapahtuvaa tilavuuden muutosta. Dilataation vaikutuksesta tiiviissä maassa tilavuus kasvaa. Lujuuden kehitykselle on esitetty erilaisia selityksiä, luontevin on maapartikkelien uudelleenjärjestäytyminen (Schmertmann 1991) - Maarakeiden uudelleen järjestäytyessä maan kitkaominaisuudet kehittyvät, kun maarakeet liukuvat toistensa ohitse ja rakeet lomittuvat keskenään 5
Jännitysten vapautuminen (Stress relaxation) Holvirakenteen syntyminen Maata syrjäyttävän paalun asentaminen lyömällä tiivistää maata paalun kärjen alla ja työntää maata kärjen alta paalun sivuille Maan syrjäytymisen seurauksena myös horisontaaliset jännitykset kasvavat paalun ympärillä (Axelsson & Baker 2007) Paalun lyöminen aiheuttaa poikittaisvärähtelyä ympäröivään maahan. Värähtely työntää maata paalun säteen suunnassa vaipalta poispäin Sivuille työntynyt maa muodostaa paalun vaipan ympärille holvirakenteen, jossa maa aivan paalun vaipan läheisyydessä on alkuperäistä löyhempää ja maa hieman kauempana vaipasta on alkuperäistä tiiviimpää Nämä tiiviyden muutokset tapahtuvat aivan paalun vaipan välittömässä läheisyydessä 6
Jännitysten vapautuminen Maata syrjäyttävän paalun asentaminen lyömällä tiivistää maata paalun kärjen alla ja työntää maata kärjen alta paalun sivuille. Maan syrjäytymisen seurauksena myös horisontaaliset jännitykset kasvavat paalun ympärillä (Axelsson & Baker 2007) Paalun lyöminen aiheuttaa poikittaisvärähtelyä ympäröivään maahan. Värähtely työntää maata paalun säteen suunnassa vaipalta poispäin Sivuille työntynyt maa muodostaa paalun vaipan ympärille holvirakenteen, jossa maa aivan paalun vaipan läheisyydessä on alkuperäistä löyhempää ja maa hieman kauempana vaipasta on alkuperäistä tiiviimpää Nämä tiiviyden muutokset tapahtuvat aivan paalun vaipan välittömässä läheisyydessä 7
Jännitysten vapautuminen (Stress relaxation) Holvirakenteen takia paalun vaipalla vaikuttavat horisontaalijännitykset ovat alhaisia heti asennuksen jälkeen vaippavastus on alhainen Ajan kuluessa holvirakenne heikkenee ja romahtaa vaippaa vasten, jonka seurauksena vaipalla vaikuttavat horisontaalijännitykset kasvavat Tapahtumaa kutsutaan jännitysten vapautumiseksi (stress relaxation) 8
Maarakeiden koon, muodon ja lujuuden vaikutus Maarakeiden koko, muoto ja lujuus vaikuttavat siihen, kuinka paljon edellä esitetyt pitkäaikaistekijät kasvattavat maan lujuutta sekä maan dilataatiokäyttäytymistä Pienet maarakeet lomittuvat paalun vaippapinnan kanssa tehokkaammin kuin suuret. Pienillä rakeilla myös kontaktipinta-ala paalun kanssa kasvaa Särmikkäillä maarakeilla esiintyy suurempaa dilataatiota kuin pyöreillä maarakeilla, koska särmikkäät rakeet lomittuvat tehokkaammin keskenään Maarakeiden murskautuessa maan dilataatiokäyttäytyminen vähenee eli toisin sanoen jännitykset eivät kasva enää samalla tavalla paalun kuormituksessa. Lujemmat maarakeet eivät murskaannu paalun asennuksessa ja kuormituksessa niin helposti 9
Vaippapinnan karkeuden vaikutus Paalun vaippapinnan karkeus vaikuttaa merkittävästi rajapinnan leikkauskestävyyskulmaan ja rakeiden lomittumiseen vaippapinnan kanssa Karkeammalla vaippapinnalla maan dilataatiokäyttäytyminen on voimakkaampaa Dilataatiosta johtuvaa jännitysten kasvua vaipalla voidaan arvioida kaavalla Vaakasiirtymän (dilataation) arvo teräspaalulla 0,02 mm ja teräsbetonipaalulla 0,03 mm 10
11
Koekohteet Zatelliitin siltapaikka Kempeleessä Tuuliharju siltapaikka Limingassa Haastavat pohjaolosuhteet maanpintaa peittää savea ja silttiä sisältävä vaihtelevan paksuinen kerros pintakerroksen alla on silttipitoinen kerros, joka ulottuu jopa 30 m syvyyteen silttikerrostuman alla on hiekkainen kerrostuma kantava sora- tai moreenikerrostuma sijaitsee jopa 50 60 m syvyydessä kalliopinta on GTK:n tutkimuksien mukaan alueella jopa 60 140 m syvyydessä Molemmat koekohteet sijaitsevat Muhoksen siirtymän alueella 12
Muhoksen siirtymä (GTK Hakku) 13
Koepaalutus Zatelliitissa yhteensä neljä teräsbetonipaalua (TB300b) ja kuusi teräsputkipaalua (RR323,9/10) Tuuliharjussa kaksi teräsbetonipaalua (TB300b) ja kolme teräsputkipaalua (RR323,9/10) Koekuormitukset suoritettiin maaliskuussa 2015 PDA-mittaukset neljässä vaiheessa: heti asennuksen päätyttyä, noin 1 vuorokauden kuluttua, kahden viikon kuluttua ja neljän viikon kuluttua asennuksesta. Kolmesta viimeisestä mittauskerrasta CAPWAP-analyysit Mittauksilla pyrittiin selvittämään, kuinka paalujen geotekninen kestävyys kehittyy 14
Tuloksia Teräsbetonipaalut oli pituudeltaan 25-37 m ja valmistettu 2-3 elementistä Teräsbetonipaalujen rakenteellinen kestävyys oli saavutettu jo kolmannella mittauskerralla Lyönninaikaiset jännitykset saavuttivat sallitun ylärajan 28 MPa * 1,1 = 30,8 MPa Teräsbetonipaaluja ei koekuormitettu enää neljännellä mittauskerralla 15
Tuloksia Zatelliitin teräsbetonipaalut 3000 2500 Mobilisoitunut staattinen vastus [kn] 2000 1500 1000 500 ZEB1 [30 m] ZEB2 [27 m] ZPB3 [27 m] ZPB4 [32 m] 0 0 5 10 15 20 25 30 Aika [d] 16
Zatelliitin teräsbetonipaalu ZEB2 Alkuperäinen pituus 27 m Lopulta noin 20 m 17
Tuloksia Tuuliharjun teräsbetonipaalut 2500 Mobilisoitunut staattinen vastus [kn] 2000 1500 1000 500 TU-B1 [25 m] TU-B2 [23 m] 0 0 5 10 15 20 25 30 Aika [d] 18
Tuloksia Vaippavastuksen kehitys Zatelliitissa ja Tuuliharjussa 2000 1800 Mobilisoitunut staattinen vastus vaipalla [kn] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 ZEB1 [30 m] ZEB2 [27 m] ZPB3 [27 m] ZPB4 [32 m] TU-B1 [25 m] TU-B2 [23 m] 0 0 5 10 15 20 25 30 Aika [d] 19
Zatelliitin teräsputkipaalujen tuloksia 3000 2500 Mobilisoitunut staattinen vastus [kn] 2000 1500 1000 500 ZET1 [30 m] ZET2 [34 m] ZET3 [37 m] ZPT4 [37 m] ZPT5 [33 m] ZPT6 [27 m] 0 0 5 10 15 20 25 30 Aika [d] 20
Tuloksia koekohteilta Tilaaja Liikennevirasto Suunnittelu VR-Track Oy Paalutusurakoitsija Maasto-Seppo Oy Paalutunnus LE [m] ZEB1 31 ZEB2 27,5 ZPB3 27,5 ZPB4 32,8 Aika Geotekninen Geotekninen kestävyys, Painuma EMX asennuksesta kestävyys, Case CAPWAP [kn] per lyönti [knm] Method [kn] Yhteensä Vaippa Kärki [mm] EOD 864 864 31 35,3 23 tuntia 1537 1490 747 743 12 44 15 vuorokautta 2463 2528 1628 900 6 59,4 28 vuorokautta EOD 977 977 24 33,3 24 tuntia 1356 1070 281 790 17 44,6 15 vuorokautta 1954 1626 734 891 10 62,8 28 vuorokautta EOD 283 283 39 21,4 21 tuntia 1203 1219 970 249 4 37,7 16 vuorokautta 2518 2372 1588 784 6 58,1 28 vuorokautta EOD 654 654 55 41,7 22 tuntia 1629 1590 1020 570 6 39,9 16 vuorokautta 2526 2658 1755 903 5 56,2 28 vuorokautta Koekuormitukset Inspecta Oy TU-B1 25,9 TU-B2 24,2 EOD 1530 1530 8 37,7 20 tuntia 1635 1662 953 709 8 46,2 14 vuorokautta 1966 2100 1308 792 6 60,8 28 vuorokautta EOD 847 847 18 25,9 29 tuntia 1079 1265 618 647 10 32,4 14 vuorokautta 1605 1610 900 710 11 63,6 28 vuorokautta 21
Pituusleikkaus Zatelliitin siltapaikalta 22
Taustapaalulaattojen teräsbetonipaalut Olemassa olevan raiteen TB300 paalut 6-10 h asennuksen jälkeen Geotekinen Geotekninen kestävyys, Painuma Paalu Jc EMX kestävyys, Case CAPWAP [kn] per lyönti [knm] Numero LE [m] Method RMX [kn] Yhteensä Vaippa Kärki [mm] TP021 27,3 983 950 454 496 0,60 16 43,0 TP024 27,4 1611 1474 489 985 0,64 12 45,9 TP209 27,3 1157 1150 570 580 0,59 9 26,7 TP211 27,3 1218 1300 519 781 0,56 7 28,9 Tulevan kaksoisraiteen TB300 paalut 4-9 vrk asennuksen jälkeen Geotekinen Geotekninen kestävyys, Painuma Paalu Jc EMX kestävyys, Case CAPWAP [kn] per lyönti [knm] Numero LE [m] Method RMX [kn] Yhteensä Vaippa Kärki [mm] TP114 27,3 1861 1920 710 1210 0,60 10 59,4 TP125 27,3 2175 2251 1163 1088 0,64 8 58,5 TP321 27,5 2015 1942 889 1053 0,62 7 45,4 TP325 27,5 1981 1941 1076 865 0,62 6 45,5 Taustapaalut olivat yhtä pitkiä ja loppulyönnit 40-50 mm/10 lyöntiä 23
(Axelsson & Baker 2007) 24
Yhteenveto ja avoimet kysymykset Pitkäaikainen kehitys johtuu maan ikääntymisestä ja jännitysten vapautumisesta Lyhytaikainen kehitys johtuu huokosveden ylipaineen purkautumisesta Kitkamaissa kehitys voimakkainta kahden ensimmäisen viikon aikana Jos mahdollista niin huomioidaan paalujen geoteknisen kestävyyden kehitys hankkeissa Avoimet kysymykset: Geoteknisen kestävyyden kehityksen arviointimenetelmät Paalumateriaalin vaikutus Paalukoon vaikutus 25
Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 49/2015 http://www2.liikennevirasto.fi/julkaisut/pdf8 /lts_2015-49_ajan_vaikutus_web.pdf 26
Lisää Inspectasta Ota yhteyttä Inspecta Sörnäistenkatu 2, 00580 Helsinki Puh: 010 521 600 Fax: 010 521 6211 www.inspecta.fi Jussi Kinnunen Hautalankatu 31, 33560 Tampere Puh: 050 573 5653 Lähteet: Axelsson, G. (2000). Long-term set-up of driven piles in sand. Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology. Stockholm. 194 s. Axelsson, G. & Baker, S. (2007). Slagna friktionspålar. Pålkommissionen Rapport 103. Linköping. 103 s. Chow, F. C., Jardine, R. J., Brucy, F. & Nauroy, J. F. (1996). The effect of time on the capacity of pipe piles in sand. Proceeding 28th Offshore Technology Conference. Houston. Schmertmann, J. H. (1991). The mechanical ageing of soils. Journal of Geotechnical Engineering. ASCE. Vol. 117(9), s. 1288 1330. 27 20.11.2015 Tämä on Inspecta
28 20.11.2015 Tämä on Inspecta