TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Anne Leivo Pienillä sementtimäärillä stabiloidun saven vedenläpäisevyys ja työstettävyys Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenätarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 16.3.2009 Työn valvoja Professori Olli Ravaska Työn ohjaaja Diplomi-insinööri Juha Forsman
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tekijä: Anne Leivo DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Työn nimi: Pienilläsementtimäärillä stabiloidun saven vedenläpäisevyys ja työstettävyys Päivämäärä: 16.3.2009 Sivuja: 114+22 Osasto: Yhdyskunta- ja Professuuri: Rak-50 ympäristötekniikan laitos Työn valvoja: Prof. Olli Ravaska Työn ohjaaja: DI Juha Forsman Diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa, vuonna 2006 aloitettua projektia Use of soft clay in protection barriers, jonka tarkoituksena on selvittää saven hyötykäyttömahdollisuuksia tiivistysrakenteissa. Diplomityössä tarkastellaan erityisesti pienten, alle 50 kg/m 3, sementtimäärien vaikutusta saven puristuslujuuteen, vedenläpäisevyyteen sekä plastisuusrajaan. Tällaisten sideainemäärien vaikutuksia on tutkittu vähän. Kokemuksesta kuitenkin tiedetään, että jo pienillä sideainemäärillä stabiloituna saven työstettävyys paranee ja se voi täyttää kaatopaikan mineraalisen tiivisteen ohjeellisen leikkauslujuusvaatimuksen. Työssä käsitellään lyhyesti savi ylijäämämaana, saven soveltuvuus tiivistysrakenteisiin, stabilointimenetelmät sekä esitellään kohteita, joissa savea on hyödynnetty tiivistysrakennemateriaalina. Laboratoriotutkimuksista esitellään käytetyt tutkimusmenetelmät, näytteet, niiden käsittely sekä koekappaleiden valmistus. Tapaustutkimuksena on Lohjalla sijaitseva Lempolan pilaantuneiden maiden loppusijoitusalue, jonka pohjan tiivistyskerroksen rakentaminen käynnistettiin kesällä 2007. Stabiloituvuuskokeet tehtiin Lempolan tiivistysrakenteessa käytetyille saville. Laboratoriossa stabiloitujen näytteiden tuloksia verrataan työmaalla stabiloitujen näytteiden koetuloksiin. Laboratoriossa stabiloidut näytteet täyttivät mineraalisen tiivisteen leikkaus- /puristuslujuusvaatimuksen, kun niiden stabilointiin käytetty sementtimäärä oli vähintään 35 kg/m 3. Stabiloinnin vaikutus laboratorionäytteiden vedenläpäisevyyteen oli hyvin pieni. Konsistenssin perusteella parhaiten tiivistettäviä olivat sementtimäärällä yli 40 kg/m 3 stabiloidut näytteet. Työmaalla stabiloidut näytteet poikkesivat merkittävästi laboratoriossa stabiloiduista näytteistä ja osoittivat, että stabiloidun saven homogeenisuus ja rakenteen tiivistyminen vaikuttavat enemmän tiivistysrakenteen vedenläpäisevyyteen kuin raaka-aineena käytetyn saven vedenläpäisevyyskerroin. Avainsanat: Stabilointi, massastabilointi, savi, sementti, tiivistysrakenne, vedenläpäisevyys, plastisuusraja, puristuslujuus
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Author: Anne Leivo ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS Name of the thesis: Permeability andworkability ofclay stabilised with small amounts of cement Date: March 16, 2009 Number of pages: 114+22 Department: Faculty of Engineering and Professorship: Rak-50 Architecture Supervisor: Prof. Olli Ravaska Instructor: M.Sc. (Eng.) Juha Forsman The master's thesis is a part of a project called Use of soft clay in protection barriers financed by the Academy of Finland and started in 2006. The study concentrates particularly on the effect of small amounts of cement on the unconfined compressive strength, permeability and plastic limit of clay. Small amounts are considered to be approximately less than 50 kg/m3. Research on the use of low levels of binder is rare. However there is existing emipirical knowledge that when a clay is stabilised with small amounts of cement workability is enhanced remarkably and the clay can be improved to meet the recommended shearing strength requirement for the bottom mineral barrier of a landfill. Clay as a surplus soil, clay as a barrier material, stabilisation methods and a few cases where clay has been used in barrier structures are shortly discussed. The chapter on the laboratory research introduces the studied samples and how they were handled, the specimen preparation and testing methods. Our case study is Lempola, a landfill for contaminated soil located near Lohja. construction of landfill's bottom mineral barrier began in summer 2007. Stabilisation tests were run on the clay used in the barrier. Test results of samples stabilized in the laboratory are compared with the results of samples stabilized in the field. The samples stabilised in the laboratory meet the shearing/unconfined compression strength requirement when the quantity of cement used for stabilisation is at least 35 kg/m3. The permeabilities of the studied clays were not affected significantly. The best compactness was achieved with cement contents above 40 kg/m 3 if considered from the point of view of consistency. The difference between the field samples and the laboratory mixed samples is considerable. The field samples' test results show that homogeneity and the degree of compaction have a greater impact on stabilised clay's permeability than the permeability of the original clay. Keywords: Stabilisation, mass stabilisation, clay, cement, compacted clay liner, permeability, plastic limit, unconfined compressive strength The
Alkusanat Tämä diplomityöontehty Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa. Haluan kiittää työni valvojaa professori Olli Ravaskaa diplomityön aiheesta sekä ohjaajaani diplomi-insinööri Juha Forsmania asiantuntevista kommenteista. Kiitos laboratorioinsinööri Matti Lojanderille, kesäharjoittelija Koen van Doorslaerille ja koko Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorion henkilökunnalle avusta diplomityön eri vaiheissa. Erityisen suuri kiitos kuuluu Niamh Collinsille. Ilman hänen auttavia käsiään suuri osa laboratoriokokeistani olisi varmasti jäänyt tekemättä. Kiitokset MVR-kerholle vapaa-ajanongelmieni ratkomisesta ja elämääni toisinaan piristystäkin tuoneesta vaihtelusta. Lopuksi haluan kiittää vielä perhettäni, ystäviäni ja heistä minulle rakkainta, elämänkumppaniani Ismoa, kaikesta saamastani tuesta ja kannustuksesta. Espoossa 16.3.2009 Anne Leivo
Sisältö Merkinnät 4 1 Johdanto 7 2 Saven ominaisuudet ja sen soveltuvuus tiivistysrakenteisiin 9 2.1 Saven soveltuvuus tiivistysrakenteisiin.............. 9 2.2 Savi ylijäämämaana........................ 10 2.3 Saven käyttö tiivistysrakenteissa................. 11 2.4 Stabilointi............................. 12 2.5 Stabilointimenetelmät...................... 13 3 Lempola 17 3.1 Pilaantuneiden maiden loppusijoitusalue............ 17 3.2 Ympäristölupa ja suunniteltu rakenne.............. 18 3.3 Toteutunut rakenne........................ 20 4 Laboratoriokokeet 22 4.1 Näytteet.............................. 22 4.2 Luokituskokeet.......................... 23 4.2.1 Maalaji.......................... 23 4.2.2 Kiintotiheys........................ 25 4.2.3 Kartiokokeet........................ 26 4.2.4 Konsistenssirajat..................... 27 4.2.5 Yhteenveto luokituskokeista............... 29 1
4.3 Tutkittavat sekoitussuhteet.................... 32 4.3.1 Näytteet.......................... 32 4.3.2 Sekoitussuhteet...................... 32 4.3.3 Koekappaleiden valmistus laboratoriossa stabiloidusta savesta............................ 35 4.3.4 Koekappaleiden valmistus kentällä stabiloidusta savesta 37 4.3.5 Koekappaleiden vertailu................. 41 4.4 Yksiaksiaaliset puristuskokeet.................. 45 4.4.1 Puristuskoe........................ 45 4.4.2 Puristuskokeen soveltuvuus leikkauslujuuden arviointiin 47 4.5 Vedenläpäisevyys......................... 50 4.5.1 Tutkimusmenetelmät................... 50 4.5.2 Ödometrikoe....................... 50 4.5.3 Joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto...... 54 4.5.4 Vedenläpäisevyyskokeiden soveltuvuus stabiloiduille näytteille............................ 59 4.6 Konsistenssi............................ 61 5 Tulokset 67 5.1 Puristuslujuus........................... 67 5.1.1 Ajan ja sekoitussuhteen vaikutus puristuslujuuteen.. 68 5.1.2 Näytekoon vaikutus puristuslujuuteen.......... 73 5.1.3 Kenttänäytteiden puristuslujuudet........... 74 5.1.4 Muodonmuutosmoduuli E 50............... 79 5.1.5 Yhteenveto puristuskoetuloksista............ 81 5.2 Vedenläpäisevyys......................... 86 5.2.1 Ödometrikokeet...................... 86 5.2.2 Joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto...... 88 5.2.3 Sementtimäärän vaikutus saven vedenläpäisevyyteen. 88 5.2.4 Stabiloitujen savien soveltuvuus Lempolan eristysrakenteeseen........................... 90 2
5.2.5 Ödometrilaitteistolla määritettyjen vedenläpäisevyystulosten sovitus Taylorin ja HUT:n vedenläpäisevyysmalleihin............................ 94 5.2.6 Ajan vaikutus stabiloidun näytteen vedenläpäisevyyteen 94 5.2.7 Kenttänäytteiden vedenläpäisevyys........... 97 5.2.8 Muut ödometrikokeessa määritettävät ominaisuudet.. 99 5.2.9 Yhteenveto vedenläpäisevyyskokeista.......... 99 5.3 Plastisuus............................. 102 5.3.1 Sementtipitoisuus..................... 102 5.3.2 Kieritysraja ja puristuslujuus.............. 103 6 Johtopäätökset 106 Liitteet 115 3
Merkinnät A ala [m 2 ] A w sideaine-/sementtipitoisuus maaaineksen kuivapainosta [%] C w sideaine-/sementtimäärä [kg/m 3 ] E 50 muodonmuutosmoduuli [kpa] F hienousluku [%] F voima [N] I p plastisuusluku [-] K vedenläpäisevyyskerroin [m/s] L korkeus [m] Q virtaama [m 3 /s] R 2 korrelaatiokerroin [-] S r kyllästysaste [%] S t sensitiivisyys [-] T lämpötila [ C] V tilavuus [m 3 ] V s kiintoaineen tilavuus [m 3 ] V w veden tilavuus [m 3 ] W/C vesisementtisuhde [kg/kg] tai [-] a byretin sisäpoikkileikkausala [m 2 ] c tehokas koheesio [kn/m 2 ] d halkaisija [mm] e huokosluku [-] g normaalikiihtyvyys (9,81 m/s 2 ) [m/s 2 ] h korkeus tai veden painekorkeus [mm] tai [m] h 1 veden painekorkeus alussa [mm] h 2 veden painekorkeus alussa [mm] Δh korkeuden muutos tai vesipaine-ero [m] i hydraulinen gradientti [-] tai [m/m] k vedenläpäisevyyskerroin [m/s] 4
k 0 luonnontilainen vedenläpäisevyyskerroin [m/s] k 20 C vedenläpäisevyyskerroin lämpötilassa T =20 C [m/s] k T vedenläpäisevyyskerroin mittauslämpötilassa T [m/s] l veden virtausmatka [m] m massa [kg] m w veden massa [kg] m s kiintoaineen massa [kg] p (selli)paine [kpa] s p puristuskokeella määritetty leikkauslujuus [kn/m 2 ] tai [kpa] s r häiritty leikkauslujuus [kn/m 2 ] s u häiriintymätön leikkauslujuus [kn/m 2 ] t aika [s] tai [d] u huokosvedenpaine [kpa] v nopeus tai virtausnopeus [m/s] tai [mm/min] w vesipitoisuus [%] w 0 luonnontilainen vesipitoisuus [%] w L juoksuraja [%] w i vesipitoisuus ennen stabilointia [%] w ka vesipitoisuuksien keskiarvo [%] w luonn luonnontilainen vesipitoisuus [%] w max suurin vesipitoisuus [%] w min pienin vesipitoisuus [%] w p kieritys- eli plastisuusraja [%] w s kutistumisraja [%] q u puristuslujuus [kn/m 2 ] tai [kpa] q u,ka puristuslujuuksien keskiarvo [kn/m 2 ] α kaltevuuskulma [ ] α vedenläpäisevyyden korjauskerroin [-] γ tilavuuspaino [kn/m 3 ] γ w veden tilavuuspaino [kn/m 3 ] ε suhteellinen kokoonpuristuvuus [%] ε 1 aksiaalinen muodonmuutos (puristuskoe) [%] ε 50% puristuslujuutta q u /2 vastaava aksiaalinen muodonmuutos [%] κ ylikonsolidoituneen osan tilavuudenmuutosparametri ödometrikokeessa [-] λ normaalikonsolidoituneen osan tilavuudenmuutosparametri ödometrikokeessa [-] φ tehokas kitkakulma [ ] 5
ρ tiheys (märkäirtotiheys) [kg/m 3 ] tai [g/cm 3 ] ρ 0 laskettu tiheys (märkäirtotiheys) luonnontilaiselle näytteelle [kg/m 3 ] ρ d kuivairtotiheys [kg/m 3 ] ρ ka tiheyksien keskiarvo [kg/m 3 ] ρ max suurin tiheys [kg/m 3 ] ρ min pienin tiheys [kg/m 3 ] ρ s kiintotiheys [kg/m 3 ] ρ w veden tiheys [kg/m 3 ] σ normaalijännitys [kn/m 2 ] tai [kpa] σ 1 pystyjännitys [kn/m 2 ] σ 2 vaakajännitys [kn/m 2 ] σ 3 vaakajännitys [kn/m 2 ] σ y myötöjännitys [kn/m 2 ] σ tehokas normaalijännitys eli raepaine [kn/m 2 ] τ leikkausjännitys [kn/m 2 ] τ f leikkauslujuus [kn/m 2 ] 6
Luku 1 Johdanto Maan hydrauliset ominaisuudet ovat keskeisellä sijalla pohjarakentamisessa. Vedenläpäisevyyttä on perinteisesti tarvittu rakennettaessa maapatoja ja suunniteltaessa kaivantojen kuivanapitoa (Rantamäki, Jääskeläinen & Tammirinne 2004). Se määrittää pohjaveden virtausta ja vaikuttaa näin myös luiskien stabiliteettiin ja koheesiomaiden konsolidaatioon. Nykyään vedenläpäisevyys on noussut tärkeäksi ominaisuudeksi myös ympäristörakentamisen puolella mm. kaatopaikkojen tiivistysrakenteissa (Nagaraj 1993). Suomalaisilla savilla on tyypillisesti hyvin alhainen vedenläpäisevyys. Hydraulisten ominaisuuksien puolesta ne soveltuvat hyvin tiivistysrakenteisiin, mutta luonnontilaisina, kuivakuorisavia lukuun ottamatta, niiden rakennettavuus on huono. Korkean luonnontilaisen vesipitoisuutensa takia savet ovat hyvin pehmeitä, helposti häiriintyviäja niitäon mahdoton tiivistää. Saven stabilointi sementillä vaikuttaa merkittävästi saven konsistenssiin. Sementti nostaa saven kieritysrajan vesipitoisuutta, mikä tarkoittaa sitä, että stabiloidun saven olomuoto on kiinteämpi kuin saman saven olomuoto stabiloimattomana. Stabilointi parantaa saven rakennettavuutta ja kasvattaa sen käyttömahdollisuuksia maarakennuksessa. Kaatopaikkojen pohjien tiivistysrakenteille asetettu leikkauslujuusvaatimus on 50 kn/m 2 (Leppänen 1998). Se on varsin pieni verrattuna, ehkä pisimpään stabilointia hyödyntäneellä rakennusalalla, väylärakentamisessa tavoiteltuihin lujuuksiin. Myös sementtistabilointia käsittelevä tutkimus on pääosin keskittynyt sideainemäriin 100 kg/m 3. Tässä diplomityössä perehdytään saven puristuslujuuteen, plastisuuteen ja vedenläpäisevyyteen, näiden ominaisuuksien määrittämiseen sekä niiden muuttumiseen pienten sementtimäärälisäysten myötä. Pienillä sementtimäärillä tarkoitetaan sideainepitoisuuksia noin alle 50 kg/m 3. Työssä tarkastellaan myös 7
ajan ja näytekoon vaikutusta koetuloksiin sekä verrataan laboratoriossa stabiloitujen näytteiden tuloksia työmaalla stabiloitujen näytteiden tuloksiin. Saatuja tuloksia verrataan kirjallisuudessa esitettyjen samankaltaisten tutkimusten koetuloksiin. Suurin osa laboratoriokokeista tehtiin kesällä ja syksyllä 2007. Täydentäviä ja korvaavia lisäkokeita tehtiin samoilla savilla kesällä 2008. Diplomityön tapaustutkimuksena on Lempolan pilaantuneiden maiden kaatopaikka, jonka rakennustyöt aloitettiin keväällä 2006. Kaatopaikan pohjan mineraalisen tiivistyskerroksen rakentamiseen on käytetty sekä stabiloimatonta ettästabiloitua savea. Työssäesitetyt laboratoriokokeet on tehty pääosin kahdella eri savella, jotka molemmat on haettu Lempolan kaatopaikkatyömaalta. Tämä diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa, vuonna 2006 aloitettua projektia Use of soft clay in protection barriers. Projektin puitteissa on tarkoitus valmistua yksi lisensiaatintyö sekä kolme diplomityötä, joista tämä on toinen. 8
Luku 2 Saven ominaisuudet ja sen soveltuvuus tiivistysrakenteisiin 2.1 Saven soveltuvuus tiivistysrakenteisiin Suomessa on vuodesta 1997 asti ollut voimassa Valtioneuvoston päätös kaatopaikoista, jonka liitteessä 1 asetetaan kaatopaikan pohjarakenteen vedenläpäisevyydelle tiukat vaatimukset. Vaatimukset perustuivat silloin luonnosvaiheessa olleeseen EY-direktiiviin. Vuonna 1999 kaatopaikoista annetussa direktiivissä 1999/31/EY vedenläpäisevyysvaatimukset ovat edelleen säilyneet samoina: - vaarallisen jätteen (ongelmajätteen) kaatopaikka: K 1, 0 9 m/s; paksuus 5m, - tavanomaisen jätteen kaatopaikka: K 1, 0 9 m/s; paksuus 1m, - pysyvän jätteen kaatopaikka: K 1, 0 7 m/s; paksuus 1 m. Suomalaisten savien ominaisuuksia ovat mm. alhainen vedenläpäisevyys, plastisuus, pidätyskyky ja pitkäaikaiskestävyys. Lueteltujen ominaisuuksien puolesta savi sopii hyvin kaatopaikan pohjarakenteen mineraalitiivisteeksi. Alhaisen vedenläpäisevyytensä takia kuivakuorisavea on käytetty perinteisesti maapatojen tiivistysrakenteina. (Forsman 1998, Palolahti, Lojander & Ravaska 2003) Proctor-kokeella määritettävä suomalaisen saven tyypillinen optimivesipitoisuus on 15... 25 %. Yleensä näin alhainen vesipitoisuus on vain kuivakuorisavella. (Forsman 1998) Savesta rakentamisen kannalta ongelmaksi muodos- 9
tuukin usein saven hyvin korkea vesipitoisuus. On tavallista, ettäsaven vesipitoisuus on 100%, jolloin se on helposti häiriintyvää ja aivan liian pehmeää työstettäväksi. (Palolahti et al. 2003) 2.2 Savi ylijäämämaana Rakentamisessa syntyvät ylijäämämaat ovat olleet pitkään ongelma pääkaupunkiseudulla. Tiheään rakennetulla alueella sijoituspaikkoja ylijäämämassoille on vähän ja sijoituspaikat täyttyvät nopeasti rakentamisen ollessa aktiivista. Helsingin kaupunkisuunnitteluviraston teettämän selvityksen mukaan ylijäämämassoja syntyy pääkaupunkiseudulla vuosittain noin 2,5... 3 milj. m 3 ja yksin Helsingissä0,6...1 milj. m 3. Arviolta noin 1/3 tästä massamäärästä on savea tai liettyneitä maa-aineksia, joita on vaikea hyödyntää rakentamisessa. (Sito Oy, Helsingin kaupunkisuunnitteluvirasto 2005) Myös Suomen valtio on tunnistanut ylijäämämaiden aiheuttamat ongelmat. Ympäristöministeriön vuonna 2006 käynnistämän UUMA-ohjelman tavoitteena on kehittää teknologioita, joiden avulla maarakennuksessa voidaan käyttää hyväksi ylijäämamaita, teollisuuden sivutuotteita, pilaantuneita maita sekä vanhojen maarakenteiden materiaaleja ja samalla vähentää luonnon kiviaineksen käyttöä. UUMAlla tarkoitetaan infrarakentamisen uutta materiaaliteknologiaa. (Lahtinen et al. 2005, Ympäristöministeriö 2008) Vuonna 2005 tehdyssähankkeen esiselvityksessätyöryhmäesittääerilaisia stabilointiratkaisuja keinoksi lisätä hienorakeisten ylijäämämaiden käyttöämaarakennuksessa (Lahtinen et al. 2005). Helsingin kaupunki on puolestaan selvittänyt stabiloinnin hyödyntämistä ylijäämämaiden käsittelyssä jo vuodesta 1993 (Helsingin kaupunki, Kiinteistövirasto, geotekniikka 2008). Teknillisessä korkeakoulussa (TKK) käynnistettiin vuonna 2006 silloisen Rakennus ja ympäristötekniikan osaston Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa Suomen Akatemian rahoittama projekti Use of soft clay in protection barriers ( Clay barriers -projekti). Projektin tarkoituksena on selvittää suomalaisille saville asetettavat sekä toiminnalliset että rakenteelliset edellytykset, joiden perusteella savia voidaan käyttää tiivistysrakenteina esimerkiksi kaatopaikoilla. Tutkittavia savia on useita. Savien ominaisuuksia parannetaan stabiloimalla. Vaikka stabilointiin voidaan käyttää monia eri sideaineita, on tutkimus rajattu Clay barriers -projektin yhteydessä vain yhteen sideaineeseen, sementtiin. (Ravaska 2005) Clay barriers -projektin pyrkimykset ovat yhteisiä UUMA-hankkeen kanssa; lisätä ylijäämämaiden käyttöäja vastaavasti vähentää luonnonkiviainesten käyttöä maarakentamisessa. Projektin puitteissa on tarkoitus valmistua yksi 10
lisensiaatintyö (Hassan 2009) sekä kolme diplomityötä(ruohonen 2006, Leivo 2009 ja Orpana). (Ravaska 2005) 2.3 Saven käyttö tiivistysrakenteissa Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio on ollut 2000-luvulla mukana useissa eri hankkeissa, joissa savea on käytetty tiivistysrakenteena joko sellaisenaan tai stabiloituna. Kilteisen kuivakuorisavea on käytetty mm. Joutsenossa sellutehtaan jätteille tarkoitetun kaatopaikan pohjarakenteeseen. Kyseessäon tavanomaisen jätteen kaatopaikka, jonka pohjarakenteen tiivistyskerros toteutettiin kaksiosaisena: alemman 0,5 metriä paksun savitiivisteen päälle asennettiin vieläbentoniittimatto (0,01 m). Rakenne toteutettiin vuonna 2001. (Kääriä 2001) Kivikon entinen ampumarata-alue päätettiin kunnostaa kapseloimalla mm. lyijyllä pilaantuneet maat saven sisään. Tiivistysrakenteisiin tarvittava savi kuljetettiin Helsingin puolella olevalle sijoituspaikalle Espoosta, jossa sitä kaivettiin ylös kauppakeskuksen rakentamisen yhteydessä. Hyvin pehmeä, ylijäämämaaksi luokiteltu savi stabiloitiin sementillä käyttäen sideainemääriä 30...90 kg/tonni ja tiivistettiin kerroksittain kokonaisuudessaan noin 1,5 metriäpaksuksi tiivistysrakenteeksi (kuva 2.1). (Palolahti et al. 2003) Kivikon lyijypitoisten maa-ainesten loppusijoitusalue rakennettiin vuonna 2001. Se toimi pilottihankkeena TKK:n Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriolle stabiloidun saven tutkimisessa ja sen myötä syntyi ajatus laajemmasta tutkimusprojektista stabiloiduilla savilla Clay barriers -projekti sai alkunsa. (Ravaska 2005) Vuosaaren melumäen rakennustyöt aloitettiin koerakenteella vuonna 2004. Virkistys- ja meluntorjuntakäyttöön rakennettuun mäkeen on sijoitettu satamaalueen lievästi pilaantuneita maita. Melumäki on luokiteltu pysyvän jätteen kaatopaikaksi ja sen pohjarakenteeseen sekä pystytiivistykseen on käytetty satama-alueelta kaivettuja massa- ja pilaristabiloituja savia. Stabiloinnissa käytetty sideainemäärä oli noin 50 kg/m 3 ja tiivistysrakenteen paksuus sekä kaatopaikan pohjassa että pystyeristyksessä noin 0,4 metriä. (Forsman et al. 2004a, 2004b, 2005, 2006, 2007 ja 2008) Lempolan eritasoliittymän ramppisilmukkaan rakennettiin vuonna 2007 tavanomaisen jätteen kaatopaikka, jonne sijoitettiin stabiloimalla esikäsiteltyjä entisen ampumaradan turvemaita. E18-moottoritien rakentamisen yhteydessä toteutettu hanke on esitelty yksityiskohtaisemmin luvussa 3. 11
Kuva 2.1: Kivikon lyijypitoisten maa-ainesten loppusijoitusalueen tiivistysrakenne (Palolahti et al. 2003) 2.4 Stabilointi Stabilointi on pohjanvahvistusmenetelmä, jolla parannetaan maan geoteknisiä ominaisuuksia. Sen käyttötarkoitukset maanrakennuksessa ovat hyvin monipuoliset, sillä stabilointi kasvattaa maan lujuutta, vaikuttaa maan painuma-, muodonmuutos- ja vedenläpäisevyysominaisuuksiin, jäykkyyteen sekä kemiallisiin ominaisuuksiin (Larsson 2005). Stabilointi on keino kasvattaa maan stabiliteettia ja kantavuutta, vähentää esimerkiksi tukiseinään kohdistuvaa maanpainetta, estää saven häiriintyminen ja juoksettuminen sekä vähentää painumia ja niihin kuluvaa aikaa. (EuroSoilStab 2002) Epäorgaanisten aineiden liukeneminen veteen vähenee merkittävästi, kun pilaantunut maa stabiloidaan. Stabiloiduilla seinämillä pystytään myös hidastamaan jo pohjaveteen liuenneiden aineiden kulkeutumista. Lisäksi stabiloinnilla voidaan vaikuttaa tärinän kulkeutumiseen maassa. (EuroSoilStab 2002) Pohjoismaissa stabilointia on käytetty ehkäpisimpään väylähankkeissa savien, liejujen ja turpeiden muodostamien pehmeikköjen vahvistamiseen. Hyvän rakennuspohjan ollessa vähissä on asuntorakentaminenkin siirtynyt savimaille. Pääkaupunkiseudulla stabilointia on käytetty mm. Pikku Huopalahden, Arabianrannan ja Suurpellon alueiden esirakentamisessa. Vuosaaren satamassa stabilointia käytettiin pohjanvahvistuksen ja mainitun Melumäen kaatopaikan tiivistysrakenteiden lisäksi pilaantuneiden ruoppausmassojen käsittelyssä. Sementti ja kalkki ovat eniten stabiloinnissa käytetyt sideaineet (Kitazume 2005). Niiden ja niiden yhdistelmän kalkki-sementin lisäksi monet teollisuuden sivutuotteet/jätteet soveltuvat stabilointiin sellaisenaan, keskenään se- 12
koitettuna tai erilaisina seoksina sementin ja kalkin kanssa. Tällaisia sivutuotteita/jätteitä ovat erilaiset lentotuhkat, rikinpoistotuotteet, masuunikuona ja kipsi. Myös bentoniittisavella, akryylihartsilla ja bitumilla on stabiloivia ominaisuuksia. (Al-Tabbaa 2005, Ruohonen 2006) 2.5 Stabilointimenetelmät Stabilointimenetelmiäon kehitetty eri tarkoituksiin 1970-luvulta saakka. Käyttötarkoitusten ja stabilointiin soveltuvien laitteiden kirjo on suuri, joten menetelmien yksiselitteinen luokittelu on hyvin hankalaa. (Larsson 2005) Lisäksi osa menetelmistäsoveltuu useanlaiseen stabilointiin. Käytettävän sideaineen olomuodon mukaan stabilointi voidaan jakaa kuivaja märkämenetelmään. Kuivamenetelmässä maahan sekoitettava sideaine on kuivaa jauhetta, kun märkämenetelmässä sideaine on vesipohjaista lietettä. Stabilointikoneen toimintatavan perusteella stabilointi jakautuu pilari- ja massastabilointiin. Pilaristabilointikoneilla tehdään stabiloitavaan maahan sideaineen kovettamia pyöreitätai suorakaiteen muotoisia pilareita. Pyöreiden pilareiden halkaisija vaihtelee tavallisesti 0,5... 0,8 metriin. Japanissa on käytössä laitteita, joilla stabiloidaan halkaisijaltaan on 1,2... 1,3-metrisiä pilareita (Larsson 2005). Useimmiten pilaristabilointi on in situ -stabilointia ja rakenne jää sellaisenaan vahvistamaan maaperää. Stabiloidut pilarit voivat olla erilaisissa muodostelmissä erillään tai limittäin, pystysuorassa tai vinosti. Tyypillinen enimmäispituus stabiloidulle pilarille on noin 25 metriä. (EuroSoilStab 2002) Kuvissa 2.2 ja 2.3 on esimerkkejä pilaristabiloinnista. Massastabiloinnissa sideaine pyritään sekoittamaan mahdollisimman tasaisesti koko käsiteltävään massamäärään. Massastabilointi voidaan toteuttaa suoraan käsiteltävään maaperään (in situ), kuten pilaristabilointi, tai käsiteltävä massa voidaan kaivaa maaperästä ja stabiloida aumassa, kasassa tai altaassa (kuva 2.4). Stabiloitavan maan sijainnin mukaan stabilointi voidaan jakaa myös syvä-, pinta- ja maan päällä tapahtuvaan stabilointiin. Syvästabilointistandardissa CEN/TC 288 syvästabiloinnin vähimmäissyvyydeksi määritellään 3 metriä. Pilaristabilointi on tyypillistä syvästabilointia. (Larsson 2005) Maan päällä tapahtuva stabilointi viittaa usein massastabilointiin: asemastabilointilaitteistoihin, seulamurskaimiin sekä kaivinkoneella tapahtuvaan massastabilointiin (kuvat 2.5 ja 2.6). Nykyisin kaivinkoneeseen asennettavilla sekoitusterillävoidaan massastabiloida maakerroksia noin 5 metrin syvyyteen. Käyttötavasta riippuen massastabilointi voidaan lukea siis myös syvästabiloinniksi. Stabiloidun massan huolelli- 13
nen sekoitus sideaineen lisäämisen jälkeen on hyvin tärkeää stabiloinnin onnistumisen kannalta. (EuroSoilStab 2002) Kuvassa 2.5 on esitetty kaksi erilaista kaivinkoneeseen liitettävää sekoitusterää. Suomen kielellä pintastabiloinnilla tarkoitetaan lähinnä pintamaan tai vanhojen rakennekerrosten lujittamista sideaineella uusiksi kenttien ja teiden rakennekerroksiksi. Sideaine levitetään ensin stabiloitavan maan päälle, minkä jälkeen maa jauhetaan ja sekoitetaan tasaiseksi kerrokseksi. Stabilointiin käytettävät laitteet ovat usein traktoriin kiinnitettäviä (kuva 2.6). Pintastabiloitavan kerroksen paksuus on tavallisesti noin 0,3...0,4, mutta markkinoilla on laitteita, jotka käsittelevät jopa 0,6 metrin kerroksia (Ruohonen 2006). Englanninkielistätermiä shallow soil mixing (vapaasti suomennettuna pintasekoitus/matalalle ulottuvasekoitus) ei pidäsekoittaa pintastabilointiin. Amerikkalaisen yhtiön Geo-Con shallow soil mixing -menelmä on eräänlaista massastabilointia, jossa suuret toisiinsa limittyvät stabiloidut pilarit muodostavat yhtenäisen, stabiloidun maamassan. Geo-Con pystyy stabiloimaan halkaisijaltaan 2... 4 metrin sekoitusterillä enimmillään noin 12 metrin pituisia pilareita. (Geo-Con s.a.) Termiä stabilointi käytetään myös muissa yhteyksissä. Finnsementti kertoo internet-sivuillaan kerrosstabiloinnista, joka kattaa sideainein lujitettujen, lähinnä teiden rakennekerroksiin tarkoitettujen massojen tuotannon. Suihkuinjektointi luokitellaan yhdeksi pilaristabilointimenetelmistä. Pehmeiden savien, joiden vesipitoisuus on korkea, stabilointiin soveltuu hyvin kuivamenetelmä. Mikäli rakennuspohjana oleva savikko on syväja se halutaan Kuva 2.2: Pilaristabilointi kuivamenetelmällä. Vasemmalla menetelmän periaate (Keller Ground Engineering s.a.) ja oikealla esiin kaivettujen stabiloitujen pilarien ryhmä (Purdue University s.a.). Alaspäin työnnettäessä maa sekoitetaan ja häiritään sekoitinterän pyörivällä liikkeellä. Sideaine sekoitetaan stabiloitavaan maahan vasta, kun sekoitinterää nostetaan ylöspäin. 14
vahvistaa pohjaan saakka, käytetään pilaristabilointia. Kaivinkoneeseen liitettävällä sekoitusterällä voidaan massastabiloida matalia savikerrostumia sekä pois kaivettuja, esimerkiksi tiivistysrakenteisiin sijoitettavia savia. Kuva 2.3: Pilaristabilointimenetelmiä.Vasemmanpuoleisella laitteella stabiloidaan suorakaiteen muotoisia pilareita (Pilequip Australia Pty Ltd s.a.). Oikealla suomalainen pilaristabilointikone (Pätsi 2008). Kuva 2.4: Massastabiloinnin periaate. Kaivinkone stabiloi maata painopenkereen päältä. Kun stabiloitu maa on kovettunut riittävästi, voidaan pengertä jatkaa sen päälle. Painopenkereen ja stabiloidun maan välissä on geotekstiili. (Jelisic 1999) 15
Kuva 2.5: Kaksi erilaista massastabilointiterää (Allu Finland Oy s.a., EuroSoilStab 2002) Kuva 2.6:Vasemmalla pintastabilointia traktoriin liitettävällä pintastablointilaitteella (Stehr - Baumaschinen GmbH s.a.) ja oikealla kaivinkoneeseen kiinnitettäväseulamurskain (Lesanco Aps s.a.). 16
Luku 3 Lempola 3.1 Pilaantuneiden maiden loppusijoitusalue Helsingin ja Turun yhdistävästä moottoritiestä käynnistettiin viimeisen puuttuvan osuuden rakentaminen välille Lohja Muurla vuonna 2005. Tämä osuus EurooppatiestäE18 avattiin kokonaisuudessaan liikenteelle 28.1.2009. (Tiehallinto 2009) Aivan hankkeen itärajalla Lohjalla on ollut Lempoonsuon ampurata, jossa on harrastettu ammuntaa vuodesta 1964 lähtien. Maaperä alueella on lähinnä turvetta. Uudenmaan ympäristökeskuksen myöntämässä ympäristöluvassa No YS 1/8.1.2004 ampumaradan alueella on todettu olevan SAMASE-rajaarvojen mukaan luokiteltuna sekä lievästi että voimakkaasti pilaantunutta maa-ainesta. Lievästi pilaantuneiden maiden haitta-aineita ovat lyijy, antimoni, arseeni, kupari sekä sinkki. Voimakkaasti pilaantuneen maan raja-arvot ylittyvät lyijyn, antimonin sekä arseenin kohdalla. Tiehallinto/Uudenmaan tiepiiri kunnosti tiealueen osalta ampumaradan pilaantuneet maat sijoittamalla ne esikäsiteltyinälempoonsuon kohdalle rakennettuun Lempolan eritasoliittymän ramppisilmukkaan (kuva 3.1). Loppusijoitusalueelle läjitettiin SAMASE-ohjearvoilla luokiteltuna lievästi pilaantunutta maa-ainesta noin 22000 m 3 ja voimakkaasti pilaantunutta maa-ainesta noin 8000 m 3 (Uudenmaan ympäristökeskus 2004). Liitteessä 1 on esitetty karttapiirustus Lempolan eritasoliittymästä sekä pilaantuneiden maiden ja loppusijoitusalueen sijainneista. 17
3.2 Ympäristölupa ja suunniteltu rakenne Osa Lempolan ramppisilmukkaan läjitettävästä turpeesta sisältää terveydelle ja ympäristölle haitallisia määriä mm. lyijyä, jolloin se jäteluokituksen perusteella määrittyy ongelmajätteeksi. Vuonna 2004 annetussa ympäristöluvassa loppusijoitusalue luokitellaan sinne sijoitettavan jätteen mukaisesti ongelmajätteen kaatopaikaksi, jonka pohjan tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyden tulee vastata kerrosta, jonka vedenläpäisevyyskerroin k =10 9 m/s ja paksuus 5, 0 m. Lisäksi rakenteen tulee olla vähintään 1000 mm paksu, eikä sen vedenläpäisevyys saa olla missään kohdassa rakennetta k>10 9 m/s. Tiehallinto/Uudenmaan tiepiiri olivat yrittäneet saada lievennystätiivistyskerroksen vedenläpäisevyysvaatimukseen, mutta Uudenmaan ympäristökeskus katsoi, ettei vaatimuksista voi tinkiäkohteen sijainnin takia. Lempolan ramppisilmukan kaatopaikka on lähellä Lohjanharjun I luokan pohjavesialuetta. (Uudenmaan ympäristökeskus 2004) Sittemmin vuonna 2006 valtioneuvoston asetusmuutoksen 202/2006 myötä kävi ilmi, ettei ampumaradan jäteturve kelvannutkaan sille varatulle ongelmajätteen kaatopaikalle, koska se sisälsi liikaa orgaanista ainesta. Tiehallin- Kuva 3.1: Ilmakuva rakenteilla olevasta Lempolan eritasoliittymästä. ( c TyöyhteenliittymäE18, kuvaaja Skyfoto) 18
to/uudenmaan tiepiiri hakivat uutta ympäristölupaa, johon sekä Lempoonsuon kaatopaikan että sinne sijoitettavan jätteen luokitus muutettaisiin. Ongelmajätteeksi luokiteltava turve oli päätetty stabiloida haitta-aineiden liukoisuuden pienentämiseksi. Stabiloitujen näytteiden liukoisuustutkimukset teetettiin Golder Associates -yhtiöllä (Elinkaarikonsultit/Sito Oy, Ramboll Finland Oy, Pöyry Oy 2007). Uudenmaan ympäristökeskus määritteli ympäristölupapäätöksessään No YS 1157 loppusijoitusalueen tavanomaisen jätteen kaatopaikaksi, jonne saa sijoittaa tavanomaista jätettä. Stabiloinnilla esikäsitellyn ongelmajäteturpeen katsottiin täyttävän tavanomaiselle jätteelle asetetut kriteerit. (Uudenmaan ympäristökeskus 2007) Vaikka kaatopaikan luokitus muuttui ongelmajätteen kaatopaikasta tavanomaisen jätteen kaatopaikaksi, pysyivä tkaatopaikan rakenteille asetetut vaatimuksen aiemmin annetun ympäristöluvan mukaisina (Uudenmaan ympäristökeskus 2007). Elinkaarikonsulttien vuonna 2007 laatimassa työselityksessäympäristolupavaatimukset toistetaan, mutta erillistäohjetta siitä, kuinka paksu pohjan mineraalisesta tiivistyskerroksesta tehdään, ei anneta. Mikäli rakenteen paksuuden suhteen pitäydytään vähimmäisvaatimuksessa 1000 mm, saadaan tiivistyskerroksen materiaalilta vaadittavaksi vedenläpäsevyyskertoimeksi 6 10 10 m/s Ympäristöoppaan 36 Kaatopaikan tiivistysrakenteet laskuohjeita noudattaen (Leppänen 1998). Työselityksessä ei myöskään anneta tiivistyskerrokselle kantavuusvaatimusta. Materiaalin toimivuus, työmenetelmät, käytettävä kalusto, jyräyskerrat sekä kerrallaan tiivistettävän kerroksen paksuus tulee määrittää koetiivistyskentän perusteella. (Elinkaarikonsultit/Sito Oy, Ramboll Finland Oy, Pöyry Oy 2007) Tiivistysrakenteen materiaalina suunniteltiin käytettävän sementtistabiloitua savea. Tutkimuksia sopivan saven ja sideainemäärän löytämiseksi tehtiin Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa osana Elise Ruohosen diplomityötä jo vuonna 2006. Ruohonen testasi kolmelta eri alueelta otettuja savinäytteitä. Näytteiden vesi- ja savipitoisuudet vaihtelivat merkittävästi. Tehtyjen kartio-, yksiaksiaalisten puristus- sekä vedenläpäisevyysödometrikokeiden tulosten perusteella muutama näytteistä täytti tiivistysrakenteelle asetettavat vaatimukset sellaisenaan. Osa huonon lujuuden omaavista näytteistä stabiloitiin yleissementillä sideainepitoisuuksilla A w = 3 % ja/tai A w = 5 % (Ruohonen 2006). Päätelmänä Ruohosen tuloksista voidaan esittää, että savikohtaisesti sopivaa sideainemäärää käyttäen savesta saadaan tiivistysrakenteelle asetettavat vaatimukset täyttävä ainakin niissä tapauksissa, joissa saven vedenläpäisevyysominaisuudet ovat riittävät ilman sementtilisäystä. 19
3.3 Toteutunut rakenne Lempolan pilaantuneiden maiden loppusijoitusalueen pohjaeristys rakennettiin vuoden 2007 aikana. Tiedot rakenteen toteutumisesta perustuvat kolmeen näytteenottokertaan, jotka tehtiin Lempolan työmaalle 15.6.2007, 6.8.2007 ja 29.8.2007, sekä ulkopuoliselta laadunvalvojalta ja rakennuttajalta sähköpostitse ja puhelimitse saatuihin tietoihin. Työmaakäyntien yhteydessä rakentamiseen liittyviäyksityiskohtia kysyttiin myös työmaalla kulloinkin työskennelleiltätyömiehiltäja urakoitsijan edustajilta. Ympäristöluvan alaisten hankkeiden laadunvalvontaan liittyvät asiakirjat ovat julkisia, viimeistään hankkeen päätyttyä. Lempolan laadunvalvonta-asiakirjoja pyydettiin useita kertoja hankkeen eri vaiheissa ulkopuolisilta laadunvalvojilta (Sito Oy ja VTT), ympäristöviranomaiselta (Uudenmaan ympäristökeskus) ja rakentamisesta vastanneelta TyöyhteenliittymäE18:lta, ja vaikka lupa asiakirjojen luovuttamiseen oli Työyhteenliittymältä saatu, ei asiakirjoja kyetty toimittamaan tämän työn lähdeaineistoksi. Mineraaliseen tiivistyskerrokseen käytettiin Lempoonsuon alta kaivettuja savia. Ainakin osa savesta oli hyvin pehmeää ja sellaisenaan lujuudeltaan täysin riittämätöntä tiivistyskerroksen rakenteeksi. Saven vesipitoisuus oli niin korkea, että se valui tiivisterakenteen reunan loivaa luiskaa pitkin. Työkoneet olisivat uponneet maamassaan, joten sen tiivistäminen oli mahdotonta. Pohjarakenteesta vastannut urakoitsija oli kokematon kaatopaikkarakenteiden rakentajana. Ulkopuolisen laadunvalvojan suosituksista huolimatta urakoitsija piti parempana ratkaisuna saven kuivattamista kuin sen stabilointia sementillä. Kuivattamisen tarkoituksena oli saven työstettävyyden parantaminen. Kuivuessaan savi tiivistyy ja lujittuu, kun sen vesipitoisuus lähestyy kiinteän konsistenssin vesipitoisuutta. Vetelää savea levitettiin loppusijoitusalueen pohjalle. Sen annettiin kuivua, minkäjälkeen massa sekoitettiin, levitettiin uudestaan ja annettiin jälleen kuivua. Riittävä n kuivana savi jätettiin osaksi tiivistysrakennetta. Menetelmän ongelmana ovat mm. saven kuivuminen vain kerroksen pinnasta ja sen altistuminen sateille. Kuivunut, kova pintakerros ei paljasta alla olevan saven ominaisuuksia. Ainakin osassa rakennetta ohuen pintakerroksen alla savi oli edelleen hyvin pehmeää, sellaista, johon saapas helposti upposi. Ensimmäisellä työmaakäynnillänäytteeksi saatiin mm. savea, jonka vesipitoisuus oli 95 %. Savi halkeili voimakkaasti kuivuessaan ja tiivisterakenteeseen jäi useita senttimetrejäleveitähalkeamia (ks. kuva 4.33 sivulla 66). Ilmeisesti savea/savista maata haettiin tiivistyskerrokseen useista eri pisteistä. Jo silmämääräisen tarkastelun perusteella mineraalisen tiivistyskerrokseen 20
käytetty maamassa vaihteli ominaisuuksiltaan suuresti. Osassa rakennetta oli havaittavissa silttisiäkerroksia tai jopa hiekkaa. Karkearakeisempi maa-aines on saattanut sekoittua saveen sen kuivatukseen tähdänneen sekoitustyön aikana. Uudenmaan ympäristökeskuksen puututtua rakentamiseen päätettiin mineraalisen tiivistyskerroksen ylin osa tehdä stabiloidusta savesta. Stabiloitavaa savea kasattiin rakenteen reunoille ja ulkopuolisen laadunvalvojan todettua saven mm. vedenläpäisevyysominaisuuksiltaan rakenteeseen kelpaavaksi se stabiloitiin sementillä käyttäen sideainemäärää noin 30 kg/m 3. Stabiloitu savi levitettiin rakenteen päälle stabilointia seuraavana työpäivänä ja tiivistettiin kaivinkoneen yliajoilla noin 0,2 0,25 metrin kerrokseksi. Stabiloituja kerroksia tehtiin kaksi. Toteutunut tiivistyskerros on esitetty kuvassa 3.2. Kuva 3.2:Periaatekuva Lempolan kaatopaikan tiivistyskerroksen toteutuneesta rakenteesta vuonna 2007 tehtyjen havaintojen perusteella 21
Luku 4 Laboratoriokokeet 4.1 Näytteet Laboratoriokokeita on tehty kaikkiaan seitsemälle eri näytteelle. Lempolasta peräisin olevia näytteitä ovat Lempola 6, 7 & 8, Lempola 12, Saavi 1, Kenttä 1 ja Kenttä 2. Luokituskokeet tehtiin näytteistä viidelle: HUT Clay, Lempola 6, 7 & 8, Lempola 12, Äijänpelto sekäsaavi 1. Kenttä1 ja Kenttä2 ovat näytteitälempolassa kentällä stabiloiduista massoista. Stabiloinnin takia luokituskokeita ei voitu tehdä näille näytteille. Kaikki luokituskokeet tehtiin Suomen geoteknillisen yhdistyksen (SGY) laatiman GLO-85:n, Geoteknisten laboratorio-ohjeiden mukaisesti (Suomen geoteknillinen yhdistys ry 1985). Luokituskokeiden yhteydessä esitetyissä kuvaajissa esimerkkeinä on käytetty näytteitälempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1. Myös stabiloituvuuskokeet tehtiin näille näytteille. Stabiloitujen näytteiden koetuloksia on verrattu myös muiden stabilointia käsittelevien tutkimusten tuloksiin, kuten DI Hassanin et al. tutkimuksiin vuosilta 2007 ja 2008 sekä DI Asko Aallon tutkimuksiin vuodelta 2006. Lisäksi käytössäon ollut Sito Oy:n Lempolan kaatopaikkarakenteen laadunvalvontaa varten teettämien kokeiden tuloksia. Seuraavassa on kuvattu kukin näyte ja näytteelle tehdyt kokeet. HUT Clay on lihavaa savea Otaniemen Ossinlammen ympärillä olevasta savikosta. Näytteenottopisteen kohdalla savikon paksuus on noin 2 3 m. Häiriintymätön putkinäyte on otettu huhtikuussa 2007. Näytteelle tehtiin luokituskokeet. Lempola 6, 7 & 8 on kolmesta rakeisuuksiltaan hyvin samanlaisesta häiritystä savinäytteestä tehty yhdistetty näyte. Alkuperäiset näytteet ovat SITOn laadunvalvontakäynneillään helmi maaliskuussa 2007 Lempolas- 22
ta hakemia näytteitä. Yhdistetylle näytteelle tehtiin luokituskokeet, muutama ödometrikoe ja useampi sarja puristuskokeita. Joustavaseinäisen vedenläpäisevyyslaitteiston toimintaa testattiin tällä näytteellä. Lempola 12 on alkuperäinen SITOn laadunvalvontakäynneillään helmi maaliskuussa 2007 Lempolasta tuoma näyte. Näytteelle tehtiin luokituskokeet. Äijänpelto Näytteelle tehtiin tämän diplomityön puitteissa luokituskokeet. Saavi 1 on Lempolasta 15.6.2007 ämpärein haettua savea. Näytteenottopisteestä 1 otettiin savea viisi ämpärillistä, jotka kaikki sekoitettiin ja homogenisoitiin laboratoriossa yhdeksi näytteeksi. Näytteelle tehtiin luokituskokeet, vedenläpäisevyyskokeita joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla ja ödometrikokeen yhteydessä sekä useita sarjoja puristuskokeita. Kokeita tehtiin määrällisesti eniten tälle näytteelle. Kenttä 1 on kentällä näytteenottopäivänä stabiloitua, tiivistämätöntäsavea. Näyte on haettu Lempolasta, stabilointiaumasta 6.8.2007. Näytteestäon valmistettu koekappaleet laboratoriossa. Näytteelle on tehty sarja puristuskokeita, vedenläpäisevyyskoe joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla sekä yksi ödometrikoe. Kenttä 2 kuvaa kentällä stabiloituja, tiivistetystärakenteesta otettuja näytteitä. Näytteitä haettiin putkinäytteenottimilla 29.8.2007 kolmesta eri pisteestä yhteensä 6 kpl. Näytteille tehtiin yhteensä kuusi puristuskoetta ja yksi ödometrikoe. 4.2 Luokituskokeet 4.2.1 Maalaji Luokituskokeilla määritettyjen näytteiden maalajit on esitetty taulukossa 4.1. Ensimmäiseksi näytteistä määritettiin niiden luonnolliset vesipitoisuudet. Säilyttämällä näytteitä ilmatiiviisti muovipusseissa tai muovilla peitetyissä astioissa kylmähuoneessa (6 C) voitiin varmistua siitä, että määritetyt vesipitoisuudet vastaavat jotakuinkin näytteiden alkuperäisiä maastossa toteutuvia vesipitoisuuksia. Näytteiden HUT Clay, Lempola 6, 7 ja 8, Lempola 12, Äijänpelto sekäsaavi 1 rakeisuudet määritettiin areometrikokeella. Näytteiden Saavi 1 ja Lempola 6, 7&8 rakeisuudet on esitetty kuvassa 4.1. 23
100 % Rakeisuuskäyrä: SAVI savi 0,002 0,0002 Lempola Saavi 1, Lempola 6, 7 & 8 SILTTI HIEKKA SORA hiesu 0,02 hieta 0,2 hiekka 2 sora 20 0,006 hieno 0,06 karkea hieno 0,6 karkea hieno 6 karkea kiviä pieniä 90 % 80 % 70 % 60 % Läpäisy - % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0,0002 0,0006 0,002 0,006 0,02 0,074 Raekoko (mm) Saavi 1 Lempola 6, 7 & 8 0 0 0 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 TKK Pohjarak. ja maamek 9.8.2007 mm Kuva 4.1:Savien Saavi 1 ja Lempola 6, 7 ja 8 rakeisuuskäyrät Taulukko 4.1: Luokituskokeissa määritetyt maalajit Maalaji Vesipitoisuus Humus Savipitoisuus d<0, 002 mm (%) (%) (%) Saavi 1 lisa 58 1,1 60 Lempola 6, 7& 8 lisa 95 0,4 78 Lempola 12 lisa 60 0,6 56 HUT Clay lisa 74 ( 0, 5) 74 Äijänpelto salj 195 8,4 41 24
Näytteiden humuspitoisuudet määritettiin polttomenetelmällä. Kustakin näytteestätehtiin kaksi rinnakkaista määritystä. Kideveden osuus hehkutushäviöstäarvioitiin ohjeen GLO-85 mukaisesti. Näytteiden savi-, humus- ja vesipitoisuudet on esitettu taulukossa 4.1. Määritettyihin humuspitoisuuksiin tulee suhtautua kriittisesti. Taulukossa 4.1 HUT Clayn humuspitoisuudeksi on saatu 0, 5 %, mikä ei ole mahdollista. Tämä merkitsee sitä, että koko hehkutushäviö on muodostunut kidevedestä. Lempolasta tuotujen näytteiden kohdalla humuspitoisuudet ovat todennäköisesti liian suuria, sillä silmämääräisten havaintojen perusteella näytteissäsaavi 1, Lempola 6, 7 ja 8 ja Lempola 12 oli palavia roskia pieniämääriäturvetta tai jo osaksi maatuneita pieniäoksankappaleita. Äijänpellon näyte on savista liejua, salj. Muut näytteet ovat lihavia savia, sillä niiden savilajitepitoisuus on yli 50%jahumus alle 2 %. 4.2.2 Kiintotiheys Näytteiden kiintotiheydet määritettiin pyknometrimenetelmällä. Kustakin näytteestä tehtiin kaksi rinnakkaista määritystä. Kiintotiheydet on esitetty taulukossa 4.2. Äijänpellon liejun kiintotiheys on selkeästi muiden näytteiden kiintotiheyksiä pienempi. Orgaanisen maa-aineksen kiintotiheyden pitäisi olla saven (vrt. Saavi 1) kiintotiheyttäpienempi. Lempolasta haettuihin näytteisiin oli sekoittunut jonkun verran kiviä, jotka ovat saattaneet kasvattavaa määritettyjä kiintotiheyksiä. Taulukko 4.2: Luokituskokeissa määritetyt kiintotiheydet Kiintotiheys ρ s (kg/m 3 ) Saavi 1 2720 Lempola 6, 7&8 2800 Lempola 12 2770 HUT Clay 2760 Äijänpelto 2540 25
4.2.3 Kartiokokeet Kartiokokeilla määritettiin näytteiden häiriintymätön s u sekähäiritty leikkauslujuus s r. Näiden suhteena saadaan näytteen sensitiivisyys S t (kaava 4.1). S t = s u s r (4.1) S t on sensitiivisyys s u häiriintymätön leikkauslujuus [kn/m 2 ] s r häiritty leikkauslujuus [kn/m 2 ] Häiriintymätön leikkauslujuus pystytään määrittämään ainoastaan putkinäytteenottimilla otetuista näytteistä. Kaikki Lempolasta tuodut näytteet ovat olleet maasta ylös kaivetusta savesta, ämpäreissä tai muovipusseissa laboratorioon tuotuja. Näiden näytteiden häiriintymättömän leikkauslujuuden ja sensitiivisyyden määrittäminen ei ollut mahdollista. Kartiokokeella määritettiin myös näytteiden hienousluku F, joka vastaa likipitäen Casagranden koputuskokeella määritettävää juoksurajaa w L. Hienousluku on rakenteeltaan täysin häirityn näytteen vesipitoisuus, jossa kartio (massa 60 g ja kärkikulma 60 C) painuu näytteeseen 10 mm. Näytteiden Saavi 1 ja Lempola 6, 7 & 8 hienouslukujen määrittäminen on esitetty kuvassa 4.2. Kartiokokeella määritetyt näytteiden ominaisuudet on esitetty taulukossa 4.3. Näytteiden Lempola 6, 7 & 8 ja HUT Clay häirityn leikkauslujuuden s u sekä hienousluvun F määrittäminen oli hankalaa, sillänäytteet olivat niin pehmeitä, että kartiona piti käyttää 10 gramman kartiota, jonka lukematarkkuus on heikohko. Hienousluvun määrittämiseen 10 gramman kartio ei sovellu. Kartion pudotuksia tehtiin aina useampia luotettavan kartion painumalukeman saamiseksi. Taulukko 4.3: Kartiokoe Häiriintymätön Häiritty Sensi- Hienous- Näyte leikkauslujuus leikkauslujuus tiivisyys luku s u s r S t F (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) % Saavi 1-1,08-52 Lempola 6, 7 & 8-0,52-71 Lempola 12-1,27-56 HUT Clay 8,6 0,59 14,6 56 Äijänpelto 7,1 1,08 6,6 160 26
HIENOUSLUKU 100,0 1 10 100 Kartion painuma, mm V e s i p i t o i s u u s w % 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 Saavi 1, 60 g Saavi 1, w_luonn., 60 g Lempola 6, 7 & 8, 60 g Lempola 6, 7 & 8, 10 g Lempola 6, 7 & 8, w_luonn., 10 g 45,0 40,0 35,0 30,0 Kuva 4.2:Hienousluvunmäärittäminen 4.2.4 Konsistenssirajat Näytteiden konsistenssirajoja kuvaavat vesipitoisuudet määritettiin GLO-85:n mukaisesti. Näytteiden Saavi 1 ja Lempola 6, 7 & 8 juoksurajan määritys on esitetty kuvassa 4.3. Juoksuraja w L on näytteen se vesipitoisuus, jossa näytteeseen vedetty ura sulkeutuu 25 pudotuksella Casagranden koputuskokeessa 13 mm matkalta. Kieritys- eli plastisuusraja on se vesipitoisuus, jossa savesta kieritetty 3 mm paksuinen rihma alkaa katkeilla. Kierityskokeella määritetyt plastisuus- eli kieritysrajat w p ja Casagranden koputuskojeella määritetyt juoksurajat w L on listattu taulukkoon 4.4. Taulukossa on myös kartiokokeella määritetty, juoksurajaa vastaava, hienousluku F sekä kaavalla 4.2 laskettu plastisuusluku I p. I p = w L w p (4.2) I p on plastisuusluku w L juoksuraja [%] w p kieritysraja [%] 27
Taulukko 4.4: Konsistenssirajat Näyte Hienousluku Juoksuraja Kieritysraja Plastisuusluku F w L w p I p % % % Saavi 1 52,4 50 20 30 Lempola 6, 7& 8 71 65 23 42 Lempola 12 56 50 20 30 HUT Clay 56 52 26 26 Äijänpelto 160 185 59 126 Juoksuraja Pudotusten lkm 1 10 100 100,0 95,0 90,0 85,0 V e s i p i t o i s u u s w % 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 Saavi 1 Saavi 1, w luonn. Lempola 6, 7 & 8 Lempola 6, 7 & 8, w luonn. Kuva 4.3: Juoksurajan määrittäminen 28
4.2.5 Yhteenveto luokituskokeista Äijänpellon liejua lukuun ottamatta näytteiden plastisuusluvut ovat lähellä toisiaan. Näytteen Lempola 6, 7 & 8 plastisuuslukua nostaa muita savia selvästi korkeampi juoksuraja w L (ja hienousluku F ). Suurimmat erot savinäytteiden rakeisuuskäyrissäjohtuvat Lempolan näytteiden sisältämistä karkeammista rakeista. Työmaalla saviin on sekoittunut hiekkaa ja pieniäkiviä. Jos näytteiden sisältämää hiekkaa ei huomioida, vaihtelevat näytteiden savipitoisuudet välillä 73...82 %. Luokituskoetulosten perusteella Lempolasta tuoduissa savinäytteissäon jonkin verran humusta, mutta todennäköisemmin määritetty humuspitoisuus on muodostunut näytteisiin sekoittuneista roskista. Savinäytteistä määritetyistäkiintotiheyksistäpienin on näytteelläsaavi 1 (ρ s = 2720 kg/m 3 ) ja suurin näytellälempola 6, 7 & 8(ρ s = 2800 kg/m 3 ). Kaikki luokituskokeissa saadut tulokset on koottu taulukkoon 4.5. Äijänpellon lieju poikkeaa ominaisuuksiltaan selvästi savinäytteistä. Suurin savinäytteitä toisistaan erottava tekijä on näytteiden luonnollinen vesipitoisuus. Luokituskoetulosten perusteella ominaisuuksiltaan lähinnä toisiaan ovat näytteet Saavi 1 ja Lempola 12. Kuvassa 4.4 on näytteiden Saavi 1, Lempola 6, 7 & 8, Lempola 12 ja Äijänpelto kiintotiheyden määrittämiseen käytetyt pyknometrit, humuspolttonäytteet sekästabiloidun näytteen Lempola 6, 7 & 8 puristuskoekappaleita ja kierityskokeen savirihmoja. Luokituskokeiden tulokset ovat liitteessä2. 29
Kuva 4.4: Näytteiden Saavi 1, Lempola 6, 7 & 8, Lempola 12 ja Äijänpelto luokituskokeet 30
UUNIKUIVATUS RAKEISUUS POLTTO PYKNOMETRI KARTIOKOKEET KOPUTUSKOE KIERITYSKOE Maalaji Luonnollinen vesipitoisuus Savipitoisuus Humus Kiintotiheys Häiriintymätön leikkauslujuus Häiritty leikkauslujuus Sensitiivisyys Hienousluku Juoksuraja Kieritysraja Plastisuusluku w luonn d < 0,002 mm Hm S s u s r S t F w L w p I p (%) (%) (%) (kg/m 3 ) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) (%) (%) (%) Lempola, Saavi 1 lisa 58 60 1 2720 1,08 52 50 20 30 Lempola 6,7,8 lisa 95 78 0,4 2800 0,52 71 65 23 42 Lempola 12 lisa 60 56 0,6 2770 1,27 56 50 20 30 HUT Clay lisa 74 74 (-0,5) 2760 8,6 0,59 14,6 56 52 26 26 Äijänpelto salj 195 41 8,4 2540 7,1 1,08 6,6 160 185 59 126 Taulukko 4.5: Luokituskoetulokset 31
4.3 Tutkittavat sekoitussuhteet 4.3.1 Näytteet Näytteiden saatavuuden ja Lempolan työmaan ajankohtaisuuden perusteella päätettiin, että stabiloitujen näytteiden tutkimus keskitetään ainoastaan Lempolasta haettaviin näytteisiin. Vain yhden kohteen valitsemista tuki sekin, että useamman kohteen valitseminen olisi tarkoittanut jo nyt suurten näytemäärien moninkertaistumista, mikä ei tämän diplomityön puitteissa olisi ollut mahdollista. Näytteet stabiloitiin Finnsementin Perussementillä, joka on tyypiltään portlandseossementtiä CEM II/B-S 42,5 N. Standardin SFS-EN 197-1 mukaan klinkkerin osuus CEM II/B-S -tyyppisen sementin koostumuksesta on 65 79 % ja kuonan 21 35 %. Muita aineita sementissä saa olla enintään 5 %. (Finnsementti Oy 2006) Puristus- ja vedenläpäisevyyskokeet sekä kierityskokeet aloitettiin näytteellälempola 6, 7 & 8. Näytettä oli määrällisesti enemmän kuin näytettä Lempola 12 ja se oli myös laadullisesti parempaa. Toista koesarjaa varten Lempolan työmaalta haettiin lisää savea, joka sekoitettiin laboratoriossa homogeeniseksi näytteeksi Saavi 1. Laboratoriossa stabiloitujen näytteiden puristus- ja vedenläpäisevyyskokeiden tuloksia verrattiin Lempolan työmaalta haettujen ja siellästabiloitujen näytteiden, Kenttä1 ja Kenttä 2, tuloksiin. 4.3.2 Sekoitussuhteet Tässä tutkimuksessa stabiloidun saven sideainepitoisuus ilmoitetaan kolmella eri tavalla: A w C w sideaine-/sementtipitoisuus ilmoittaa sementin ja saven kuiva-ainemäärien suhteen prosentteina (%). sideaine-/sementtimäärä ilmoittaa lisätyn sementin määrän savikuutiota kohden yksikössä kg/m 3. W/C on yksikötön vesi sementti-suhde stabiloidun seoksen vesimäärän ja sementin painojen suhde (kg/kg). 32
Näytteiden sekoitussuhteiden laskennassa käytettiin lähtökohtaisesti sementtipitoisuutta A w. Sen avulla on suhteellisen helppo määrittää kussakin näyteerässä sekoitettavan saven ja sementin massat, kun saven vesipitoisuus tunnetaan. Vertailtavuuden ja käytäntöön soveltamisen helpottamiseksi tulosten tarkastelussa on käytetty myös sementtimäärää C w (kg/m 3 ). Eri sideainepitoisuuksien laskennalliset yhteydet on esitetty kaavoissa 4.3 ja 4.4. Kaava 4.3 pätee, kun 1. näyte on täysin kyllästynyt eli kyllästysaste S r = 100 %, 2. näytteen vesipitoisuus w ja tiheys ρ (tai tilavuuspaino γ)pysyvä t vakiona 3. näyte stabiloidaan kuivasekoituksena ρ C w = A w ( w +1 ) (4.3) W/C = w/a w (4.4) ρ on tiheys w vesipitoisuus Sideainemäärän C w laskentaan tarvitaan saven (märkäirto)tiheys ρ. Tiheyden määrittämisessä on käytetty oletusta, ettäsavi on täysin vedelläkyllästynyt eli saven huokostilavuus on kokonaan veden täyttämä (kuva 4.5). Veden tiheytenä ρ w on käytetty arvoa 998 kg/m 3,jokavastaa veden tiheyttähuonelämpötilassa T =20 C. Lasketaan sideainemäärä C w näytteelle Lempola 6, 7 & 8 (w = 95 %, ρ s = 2800 kg/m 3 ) käyttämällä vesipitoisuuden (4.5) ja tiheyden (4.6) kaavoja, kun A w =5%: Kuva 4.5: Esimerkki täysin kyllästyneestäsavesta. V w viittaa veden ja V s kiintoaineen tilavuuteen. Vastaavasti ρ w on veden ja ρ s kiintoaineen tiheys. 33
w = m w m s (4.5) m w on veden massa m s kiintoaineen massa ρ = m V (4.6) Näytteen Lempola 6, 7& 8 tiheys: m on massa V tilavuus Lavennetaan termillä1/m s : ρ = m V ρ = m w + m s V w + V s V w on veden tilavuus V s kiintoaineen tilavuus ρ = m w m s + ms m s V w m s + Vs = w +1 m w m s ρ w m s + 1 ρ s ρ = w +1 w ρ w + 1 ρ s (4.7) ρ w on veden tiheys ρ s kiintoaineen tiheys Näytteen Lempola 6, 7& 8 tiheys saadaan nyt kaavalla 4.7: 0, 95 + 1 ρ = 0,95 1 + 998 kg/m 3 2800 kg/m 3 ρ = 1490 kg/m 3 34
Nyt, kun näytteen tiheys tunnetaan, lasketaan sementtimäärä C w kaavalla 4.3, kun A w =5%: ρ 1490 kg/m3 C w = A w =0, 05 w +1 0, 95 + 1 C w =38, 2 kg/m 3 Kun käytetään oletuksia, että savi on täysin veden kyllästämä ja että sementin vesipitoisuus on 0, stabiloidun saven sekoitussuhteen laskentaan vaikuttavat vain saven vesipitoisuus w ja kiintotiheys ρ s. Taulukossa 4.6 on esitetty stabiloitujen näytteiden Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 sekoitussuhteiden laskennassa käytetyt vesipitoisuudet ja kiintotiheydet, sekä näistä lasketut märkäirtotiheydet ja tilavuuspainot. Näytteelle Lempola 6, 7 & 8 tehtiin laboratoriokokeita viidellä ja näytteelle Saavi 1 kuudella eri sideainepitoisuudella. Tutkitut sekoitussuhteet on ilmoitettu eri yksiköissä taulukossa 4.7. Taulukko 4.6: Lempolan savinäytteiden sekoitussuhteiden laskennassa käytetyt suureet Vesipitoisuus Kiintotiheys Tiheys Tilavuuspaino w ρ s ρ γ % kg/m 3 kg/m 3 kn/m 3 Lempola 6, 7& 8 95 2800 1490 14,6 Saavi 1 58 2720 1670 16,3 4.3.3 Koekappaleiden valmistus laboratoriossa stabiloidusta savesta Stabiloidusta savesta valmistettiin kolmenlaisia näytekappaleita. Halkaisijaltaan noin 50 mm ja korkeudeltaan noin 100 mm koekappaleille tehtiin yksiaksiaalisia puristuskokeita ja vedenläpäisevyyskokeita joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla. Pieniä (halkaisija d = 20mm ja korkeus h = 40mm) lääkeruiskuihin sullottuja näytteitä käytettiin vain puristuskokeissa. Lisäksi stabiloidusta savesta valmistettiin ödometrinäytteitä. Stabiloitavat savet Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 homogenisoitiin sekoittamalla näytteitä sekä porakoneeseen asennetulla sekoitusterällä että laastinsekoittimella. Syntynyt massa oli täysin häiriintynyttä. Stabilointi, eli sideaineen sekoitus maanäytteeseen, tehtiin käsin. Stabiloitava näyte ja tarvittava määrä 35
sementtiä punnittiin muovipussiin, joka solmittiin kiinni niin, että sen sisään jäi mahdollisimman vähän ilmaa. Savi ja sementti sekoitettiin homogeeniseksi seokseksi puristelemalla muovipussin sisässä ollutta näytettä käsin viiden minuutin ajan. Sekoitetun näytteen jäykkyydestä riippuen pienten puristuskoekappaleiden (d =20 mm) valmistukseen käytettiin kahta eri menetelmää. Riittävän pehmeäksi jääneet näytteet sullottiin muovisiin, katkaistuihin lääkeruiskuihin veitsen avulla. Näytettä sullottiin niin paljon, ettei näytteessä ollut havaittavissa halkeamia 50 mm matkalta. Jäykemmät näytteet sullottiin ensin veitselläpieneen kehtoon, joka sitten puristettiin ruuvipuristimella vasten tasapintaista metallikappaletta. Lääkeruisku painettiin kehdossa olevan näytteen läpi, jolloin ruiskun sisään saatiin yli 50 mm pitkä näytekappale. Mikäli ruisku painautui näytteeseen vinosti tai näytteen ja ruiskun seinämän väliin jäi muusta syystä ilmaa, näytekappaleen teko aloitettiin alusta. Kaikki lääkeruiskuihin sullotut näytteet pantiin minuutin ajaksi painon alle (100 kpa), jotta näytteet olisivat keskenään yhtätiiviitä. Isot puristuskoekappaleet tiivistettiin halkaisijaltaan noin 50 mm oleviin pleksiputkiin mäiskimällä putkea pystyasennossa alustaa vasten. Putken alapää tiivistettiin muovikalvolla ja muovisella korkilla, jotka puristettiin kiinni putkeen metallisella letkunkiristimellä. Stabiloitua savea annosteltiin putkeen pienissä erissäja näyte mäiskittiin yhtenäiseksi rakenteeksi. Yleisesti ottaen isojen puristuskoekappaleiden tiheydet olivat hieman pienempiä kuin pienten koekappaleiden, sillä isoihin näytekappaleisiin jäi jonkin verran ilmakuplia. Jousta- Taulukko 4.7: Näytteiden Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 sekoitussuhteet Sideainepitoisuus Sideainemäärä Vesi sementti-suhde A w C w W/C % kg/m 3 Lempola 6, 7& 8 5 38,2 19,0 4 30,6 23,8 3 22,9 31,7 2 15,3 47,5 1 7,6 95,0 Saavi 1 5 52,7 11,6 4 42,2 14,5 3 31,6 19,3 2 21,1 29,0 1 10,5 58,0 0,5 5,3 116,0 36
vaseinäisessä vedenläpäisevyyslaitteistossa käytetyt koekappaleet valmistettiin tällä samalla menetelmällä. Jokaisesta muovipussissa sekoitetusta erästä määritettiin vesipitoisuus uunikuivatuksella. Lisäksi vesipitoisuus määritettiin ainakin kahdesti näytteenteon aluksi ja lopuksi myös stabiloitavasta savimassasta. Näin voitiin varmistua siitä, ettei saven vesipitoisuus ollut muuttunut säilytyksen aikana. Vesipitoisuuden muutos olisi vaikuttanut stabiloinnissa käytettävään sementtimäärään. Kullekin sideainepitosuudelle määritettiin plastisuusraja kierityskokeella. Ödometrinäyte sullottiin renkaaseen ja näytteen päät tasoitettiin. Kaikki laboratoriossa stabiloidut näytekappaaleet säilytettiin veden alla huoneenlämmössä (T =19...23 C). Huonelämpötilalla haluttiin nopeuttaa sementin kemiallisia reaktioita ja näytekappaleiden lujittumista. Näytteitä säilytettiin vedessä, koska näytteet haluttiin pitää mahdollisimman hyvin veden kyllästäminä. Toisaalta veden lämpötila pysyi myös tasaisempana kuin huonelämpötila. Laboratoriossa stabiloitujen näytekappaleiden valmistuksen vaiheet on esitetty kuvassa 4.6. Jälkeenpäin todettiin, että näytteiden säilyttäminen vedessäei vastannut Lempolan työmaan kenttäolosuhteita. Työmaalla stabiloitava savi ajettiin stabilointiaumoihin, joissa se kuivui ja oli kosketuksissa ilmaan sekä ennen että jälkeen stabiloinnin. Veden alla säilyttäminen olisi vastannut paremmin olosuhteita, joissa märkäsavi olisi stabiloitu massastabilointina in situ. Ennen kokeita näytekappaleet työnnettiin ulos putkistaan ja muotoiltiin veitselläoikean korkuisiksi. Pienten puristuskoekappaleiden korkeus olinoin40mm ja isojen sekäjoustavaseinäisessä vedenläpäisevyyslaitteistossa käytettyjen koekappaleiden noin 100 mm. 4.3.4 Koekappaleiden valmistus kentällä stabiloidusta savesta Lempolan työmaalla stabiloitava savi oli kasattu aumoiksi. Savi stabiloitiin käyttäen syvästabilointiin tarkoitettua Allu Finland Oy:n kehittämää kalustoa. Sementin annostelusta vastasi erillinen tela-alustalla kulkeva painesyötin, josta sementti kulkeutuu paineilman mukana letkua pitkin kaivukoneeseen kiinnitettyyn sekoitinterään. Samalla, kun terästä suihkuaa paineilmaa ja sementtiä, pyörivä t osat sekoittavat stabiloitavaa ainesta ja sementtiätasaiseksi massaksi. Prosessia valvotaan ja säädetään erillisen kaivukoneen ohjaamoon asennetun ohjauspaneelin kautta. (Allu Finland Oy s.a.) 37
Kuva 4.6: Laboratoriossa stabiloitujen näytekappaleiden valmistuksen vaiheet. Laastinsekoittimella homogenisoitu savi ja sementti sekoitettiin muovipussissa käsin puristelemalla (ylärivi). Pienet näytekappaleet sullottiin lääkeruiskuihin näytteen jäykkyydestä riippuen kahdella vaihtoehtoisella menetelmällä ja näytteitäpidettiin minuutin ajan 100 kpa paineen alla (2. rivi). Isot näytekappaleet valmistettiin mäiskimällä savea pleksiputkessa alustaa vasten. Kustakin sekoitussuhteesta määritettiin kieritysraja ja jokaisesta sekoitetusta erästä vesipitoisuus (3. rivi). Kaikki näytekappaleet säilytettiin koestamiseen saakka veden alla huonelämpötilassa (alarivi). 38
Lempolan työmaalta haettiin kahdesti työmaalla stabiloituja näytteitä laboratoriokokeita varten. Kenttä1 -näytteet ovat stabilointiaumasta haettua massaa, josta näytekappaleet rakennettiin laboratoriossa, kun taas Kenttä 2 -näytteet olivat valmiista tiivistysrakenteesta otettuja häiriintymättömiä näytteitä. Kenttä 1 -näytteet Kenttä 1 -näyte oli näytteenottopäivänä stabiloitua ja sekoitettua savea, joka otettiin stabilointiaumasta (kuva 4.7). Näytteen vesipitoisuudeksi mitattiin 40,4 % ja 43,4 %. Näyte haettiin maanantaina 6.8.2007, jolloin mitattiin myös näytteen vesipitoisuus. Näytekappaleiden valmistusta testattiin tiistaina ja varsinainen näytekappalesarja valmistettiin keskiviikkona. Isot puristuskoekappaleet sekä yksi vedenläpäisevyysnäyte joustavaseinäiseen vedenläpäisevyyslaitteistoon tehtiin samoihin pleksiputkiin, kuin muutkin puristuskoekappaleet. Putken alapää oli jälleen suljettu muovilla ja letkunkiristimellätiukasti putkeen kiinnitetyllämuovikorkilla. Näyte annosteltiin putkeen pienissäerissäja tiivistämiseen käytettiin muovista ja puista nuijaa (kuva 4.8). Näytteestä Kenttä 1 tehtiin myös kontrollimielessä muutama pieni puristuskoekappale. Katkaistuun lääkeruiskuun sullottiin pienissäerissänäytettä, joka tiivistettiin yhtenäiseksi puristamalla ruiskun männällä näytettä ulos putkesta, mutta pöytää vasten. Vedenläpäisevyysödometrikoe aloitettiin näytteenottopäivää seuranneena päivänä, tiistaina. Kaikki näytteet säilytettiin huonelämpötilassa, mutta toisin kuin laboratoriossa stabiloidut näytteet, pöydällä. Jottei näyttekappaleet kuivuisi, putkien päät oli suljettu muovilla ja ilmastointiteipillä. Kenttä 2 -näytteet Kenttä 2 -näytteet otettiin putkinäytteenottimilla suoraan rakenteesta (kuva 4.9).Näytteenottoputki asetettiin kohtisuoraan stabiloitua kerrosta vasten ja hakattiin rakenteeseen kumipäisellä vasaralla. Näyte katkaistiin kiertämällä putkea ja putki näytteineen nostettiin ylös. Stabiloitu rakenne tiivistyi tai savea syrjäytyi putken alta, kun putkea hakattiin rakenteeseen, sillä putken sisään jääneen näytteen yläpinnan taso oli alempana kuin ympäröivä maanpinta. Näytteet otettiin keskiviikkona 29.8.2007 ja laboratoriokokeet aloitettiin ödometrikokeella maanantaina 10.9.2007, jolloin näytteiden stabiloinnista oli kulunut vähintään kuukausi. Ödometrinäyte oli sullottu renkaaseen ja pantu veden alle jo näytteenottoa seuranneena päivänä. Muut näytteet säilytettiin näytteenottoputkissaan. Näytteiden päät oli suljettu muovilla kuivumisen estämiseksi. 39
Kuva 4.7: Näyte Kenttä1 haettiin stabilointiaumasta Lempolan työmaalta. Kuva 4.8:Näytteen Kenttä1 näytekappaleiden valmistuksessa käytetyt työvälineet. 40
Kuva 4.9: Kenttä 2 -näytteiden otto Lempolan stabiloidusta rakenteesta putkinäytteenottimilla 29.8.2007 4.3.5 Koekappaleiden vertailu Työmaalla savi stabiloitiin sideainemäärällä C w = 30 kg/m 3. Tähän sekoitussuhteeseen päädyttiin osaksi näytteille Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 tehtyjen kokeiden perusteella. Sideainemäärän osalta kenttänäytteiden kanssa vertailtavia laboratorionäytteitäovat Lempola 6, 7 & 8 stabiloituna sideainemäärällä C w = 30,6 kg/m 3 (A w = 4 %) ja näyte Saavi 1 stabiloituna sideainemäärällä C w = 31,6 kg/m 3 (A w = 3 %). Työmaalla stabiloitu savi oli kuitenkin pääosin kuivempaa kuin laboratoriossa stabiloidut savet. Näin ollen työmaalla stabiloidun seoksen vesi sementti-suhde jäi laboratorionäytteitäpienemmäksi ja seoksesta tuli jäykempää ja kovempaa. Sementtimäärällä noin C w = 30 kg/m 3 stabiloitujen näytteiden ominaisuuksia on vertailtu keskenään sekätaulukossa 4.8 ettäkuvassa 4.10. Taulukon 4.8 w 0 ja ρ 0 viittaavat stabiloimattoman saven ominaisuuksiin. w 0 on saavissa olleesta näytteestä mitattu vesipitoisuus ja ρ 0 vesipitoisuuden ja kiintotiheyden avulla laskettu (täysin kyllästyneen) näytteen märkäirtotiheys. Suluissa olevat näytteiden Kenttä1jaKenttä2 w 0 -arvot on arvioitu muiden koetulosten perusteella. Loput taulukon 4.8 vesipitoisuuksista ja märkäirtotiheyksistä on määritetty yksiaksiaalisen puristuskokeen isojen koekappaleiden mittaustuloksista. Laboratoriossa rakennettujen näytteiden vesipitoisuudet vaihtelevat vain vähän. Sekä vesipitoisuuden että märkäirtotiheyden hajonta kasvaa, kun siirrytään kentällä stabiloituihin näytteisiin. Hajonta on suurin suoraan rakenteesta otetuilla näytteillä. 41
Stabiloidun saven tiheyden ja vesipitoisuuden välillä on voimakas korrelaatio (kuva 4.10): stabiloitu savi saadaan sitä tiiviimmäksi, mitä kuivempaa se on. Työmaalla savi odotti stabilointia aumoihin läjitettynä. Se kuivui, toisin kuin laboratoriossa säilytetyt näytteet, ja näin ollen myös tiivistyi laboratorionäytteitäparemmin. Kenttänäytteiden tiheydet ovat poikkeuksetta suurempia kuin laboratoriossa stabiloitujen näytteiden tiheydet. Taulukosta 4.8 nähdään stabiloinnin vaikutus saven vesipitoisuuteen, joka pienenee, kun sementti reagoi veden kanssa. Vettä sitovat sekä nopeat silikaattireaktiot että hitaat potsolaanireaktiot. Vaikka sementin ja veden reaktiot jatkuvat hitaina potsolaanireaktioina vieläpitkään aineiden sekoittamisen jälkeen, niin vesipitoisuuden muutokset jäävä t verrattaen pieniksi silikaattireaktioiden päätyttyä. (Bergado et al. 1996) Tämä on havaittavissa myös kuvan 4.11 koetuloksista, joissa isojen puristuskoekappaleiden vesipitoisuudet eivät juurikaan muutu näytteiden iän lisääntyessä 1 28 d. Kuivasekoituksena tehty stabilointi pienentää saven vesipitoisuutta jo siitäkin syystä, että sementti kasvattaa saven kuiva-aineen määrää suhteessa veden määrään. Kuvassa 4.12 on rinnakkain isot puristuskoekappaleet laboratoriossa stabiloitusta näytteestä(saavi 1), kentällä stabiloidusta, mutta laboratoriossa rakennetusta näytteestä(kenttä1) ja kentällä stabiloitusta, rakenteesta putkinäytteenottimella otetusta näytteestä (Kenttä 2). Kuva on otettu yksiaksiaalisen puristuskokeen ja näytteiden uunikuivatuksen jälkeen. Kuvasta näkee selvästi näytteiden rakenteellisen eron. Laboratoriossa käsin stabiloidut näytteet ovat kauttaaltaan hyvin homogeenisia, eikä esim. näytteiden Lempola 6, 7 & 8 Taulukko 4.8: Lempolan isojen koekappaleiden vesipitoisuudet ja märkäirtotiheydet (C w 30 kg/m 3 ) w 0 w ka w max w min havaintoja % % %-yks kpl Lempola 6, 7& 8 95 91 0,6 3 Saavi 1 58 55 1,7 15 Kenttä1 (40...45) 37 3,9 12 Kenttä2 (30...50) 38 14,2 7 ρ 0 ρ ka ρ max ρ min havaintoja kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kpl Lempola 6, 7& 8 1490 1453 22 3 Saavi 1 1670 1661 42 15 Kenttä1 1759 97 12 Kenttä2 1767 154 7 42
ja Saavi 1 vesipitoisuuseroa pysty havaitsemaan puristuskoekappaleiden ulkonäön perusteella. Työmaalla stabiloinnin mittakaava on paljon suurempi ja jälki vaihtelevaa. Vaikka aumassa oleva massa sekoitettiin vieläkahdesti varsinaisen stabiloinnin jälkeen, jää massan joukkoon suuria savikokkareita, joissa sementtiä on vain pinnalla, mutta myös pieniä kivimäisiä rakeita, joissa sementtiäon runsaasti. Tiivistettäessä ainakin osa suurista savikokkareista rikkoutuu ja pienemmät kivimäiset rakeet sekoittuvat paremmin muun massan joukkoon. Stabiloitujen näytteiden märkäirtotiheys, C w 30 kg/m 3 Tiheys, (kg/m 3 ) 1900 1800 1700 1600 1500 y = -5,8313x + 1981,2 R 2 = 0,9034 Kenttä 2, C_w = 30 kg/m3 Kenttä 1, C_w = 30 kg/m3 Saavi 1, C_w = 31,6 kg/m3 Lempola 6, 7 & 8, C_w = 30,6 kg/m3 Lin. (Trendi) 1400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vesipitoisuus, w (%) Kuva 4.10: Stabiloitujen näytteiden vesipitoisuuksien ja tiheyksien suhde Vesipitoisuus 60 55 50 w (%) 45 40 35 30 0 5 10 15 20 25 30 Saavi 1, C_w = 31,6 kg/m3 Saavi 1, C_w = 42,2 kg/m3 Säilytysaika (d) Kenttä 1, C_w = 30 kg/m3 Kuva 4.11: Isojen puristuskoekappaleiden vesipitoisuudet 43
Suoraan stabiloidusta rakenteesta otetut näytteet ovat rakenteeltaan homogeenisempia kuin laboratoriossa tiivistetyt näytekappaleet. Todennäköisesti stabiloitu savi sekoittuu ja tiivistyy paremmin kaivinkoneen telaketjun alla kuin käsin nuijalla pleksiputkeen tiivistettäessä. Kaikki näytteet stabiloidusta rakenteesta otettiin rakenteen pinnasta ja ne ulottuivat maksimissaan noin 0,15 m syvyyteen. Mikäli tiivistetyn kerroksen alaosa on jäänyt yläosaa löyhemmäksi, se ei näy koekappaleissa. Myös stabiloinnista kulunut aika ja vesipitoisuus vaikuttavat massan tiivistettävyyteen. Näiden merkitys on kuitenkin tulkittava kaluston vaikutusta vähäisemmäksi, sillä kaikki Kenttä 2 -näytteet ovat rakenteeltaan Kenttä 1 -näytteitä tasalaatuisempia (kuva 4.12), vaikka niiden vesipitoisuus- ja tiiviysvaihtelut ovat suurempia, kuin Kenttä 1 -näytteillä(kuva 4.10). Kenttä 2 -näytteissä oli kuitenkin havaittavissa vaakasuuntaisia kerrosrajoja, joita pitkin osa näyttekappaleista katkesi jo näytteenottovaiheessa. Kuva 4.12: Laboratorio- ja kenttänäytteiden vertailu. Vasemmalta: laboratoriossa stabiloitu näyte Saavi 1 (M43B), aumasta otettu ja laboratoriossa rakennettu näyte Kenttä 1 (M73B) ja rakenteesta otettu näyte Kenttä 2 (1D). 44
4.4 Yksiaksiaaliset puristuskokeet 4.4.1 Puristuskoe Tämän ja seuraavan kappaleen teoria ja kaavat ovat oppikirjasta Geotekniikka (Rantamäki et al. 2004). Puristuskokeella määritetään koekappaleen puristuslujuus q u. Yksiaksiaalisessa puristuskokeessa koekappaletta puristetaan pystysuunnassa kappaleen murtumiseen asti. Koekappaleeseen vaikuttaa siis vain pystyakselin suuntainen pääjännitys σ 1, ja toisin kuin kolmiakselikokeessa, vaakasuuntaisia pääjännityksiä ei ole (σ 2 = σ 3 =0). Kun Mohr-Coulombin murtoehdon oletetaan olevan voimassa, murtohetkellä koekappaleen murtopinnassa vallitseva jä nnitys on yhtä suuri kuin kappaleen leikkauslujuus. Murtopinnan jännitystila ilmaistaan normaalijännityksen 4.8 ja leikkausjännityksen 4.9 avulla. σ = σ 1 + σ 3 2 + σ 1 σ 3 2 cos 2α (4.8) τ = σ 1 σ 3 2 sin 2α (4.9) σ on murtopinnassa vallitsena normaalijännitys [kn/m 2 ] σ 1 koekappaleeseen vaikuttava pystyjännitys [kn/m 2 ] σ 3 koekappaleeseen vaikuttava vaakajännitys [kn/m 2 ] α murtopinnan kaltevuuskulma [ ] τ murtopinnassa vallitseva leikkausjännitys [kn/m 2 ] Kun vaakasuuntainen jännitys σ 3 =0, yksinkertaistuu murtopinnan jännitystila kaavoiksi 4.10 ja 4.11. σ = σ 1 2 + σ 1 cos 2α (4.10) 2 τ = σ 1 2 sin 2α (4.11) 45
Coulombin kaavasta (4.12) saadaan koekappaleelle sen leikkauslujuus tehokkaita parametreja käyttäen: τ f = c + σ tan φ (4.12) τ f on leikkauslujuus [kn/m 2 ] c tehokas koheesio [kn/m 2 ] σ tehokas normaalijännitys eli raepaine [kn/m 2 ] φ tehokas kitkakulma [ ] Puhtaalle koheesiomaalle päätee φ =0ja maan leikkauslujuus muodostuu ainoastaan tehokkaasta koheesiosta. Leikkauslujuus on siis vakio, joka ei riipu murtopinnassa vallitsevasta jännitystilasta: τ f = c Jännitysympyrä ja leikkauslujuuden kuvaaja ovat siis kuvan 4.13 mukaiset. Kuvasta on todettavissa, että jännitysympyrän halkaisija vastaa puristusjännitystä σ 1 ja sen säde leikkauslujuutta τ (τ = σ 1 2 ). Samaan päädytään, kun sijoitetaan murtopinnan kaltevuuskulman kaavaan 4.13 φ = 0, ja tämä jo yksinkertaistettuihin murtopinnan jännitystilan kaavoihin 4.10 ja 4.11: α =45 + φ 2 (4.13) α =45, kun φ =0 σ = σ 1 2 + σ 1 2 cos (2 45 ) = σ 1 2 τ = σ 1 2 sin (2 45 ) = σ 1 2 Murtotilanteessa koekappaleen leikkauslujuus on yhtäsuuri kuin murtopinnassa vallitseva leikkausjännitys: τ f = τ. Niin ikään koekappaleen puristuslujuus q u vastaa puristusjännitystä σ 1. Puristusjännitys lasketaan kaavan 4.14 mukaisesti. Koekappaleen puristus- ja leikkauslujuudet voidaan siis laskea mittaustuloksista yksinkertaisilla kaavoillan 4.14 ja 4.15. Puristuskokeella määritetystä leikkauslujuudesta käytetään symbolia s p. 46
Kuva 4.13: Puristuskoe (Rantamäki et al. 2004) q u = σ 1 = F A = m g A s p = q u 2 (4.14) (4.15) q u on maan puristuslujuus [kn/m 2 ] F koekappaletta puristava voima [N] m koekappaletta puristava massa [kg] g normaalikiihtyvyys (9,81 m/s 2 ) A näytteen poikkileikkausala [m 2 ] s p on puristuskokella määritetty leikkauslujuus [kn/m 2 ] 4.4.2 Puristuskokeen soveltuvuus leikkauslujuuden arviointiin Puristuskoe on nopea koe (undrained), jossa huokosvedenpaine ei ehdi purkautua. Raepaine σ =0ja huokosvedenpaine vastaa normaalijännitystä u = σ. Tässä tutkimuksessa puristusnopeutena käytettiin v = h 0, 1 1, jossa h on min koekappaleen korkeus. Pienten näytteiden (h 40 mm) puristusnopeus oli 4 mm/min ja isojen näytteiden (h 100 mm) 10 mm/min. Kun puristuskoe tehdään puhtaalle koheesiomaalle (φ =0), pitäisi murtopinnan kaltevuuskulman α olla teoriassa 45 (kaava 4.13). Usein puristuskokeessa havaittu murtopinta ei noudata tätä teoriaa, vaan se voi olla esim. osittain pystysuora kuten kuvassa 4.14. Pehmeillänäytteilläselkeämurtopinta saattaa jäädä kokonaan muodostumatta, kun koekappale häiriintyy ja painuu kasaan. Puristuskokeesta piirretään kuvaaja, jossa esitetään mitattu puristava voima koekappaleen muodonmuutoksen suhteen. Murtohetkellä saavutettavan suurimman voiman perusteella määritetään koekappaleen puristus- ja leikkauslu- 47
juus. Kovien näytteiden puristuskoekuvaajista maksimivoima on helposti luettavissa (kuva 4.15), mutta pehmeiden näytteiden kohdalla maksimilujuus voi olla vaikeasti havaittavissa tai sitä ei saavuteta (kuva 4.16). Tällöin puristuslujuus tulisi määrittää kuvan 4.13 mukaisesti tilanteesta, jossa koekappaleen muodonmuutos on 10 %. Stabiloidusta rakenteesta otettujen näytteiden (Kenttä2) puristuskokeissa oli toisinaan havaittavissa, että puristusjännitys kasvoi vielä senkin jälkeen, kun koekappaleeseen oli syntynyt selkeämurtopinta. Tällainen käyttäytyminen johtunee näytteen epähomogeenisesta rakenteesta. Kuva 4.14: Kovan koekappaleen murtopinta, joka on osittain lähes pystysuora 48
Lempola SAAVI 1; A w = 4 %; 42,2 kg/m 3 puristusjännitys, q u (kpa) 200 175 150 125 100 75 50 25 M45 M52 M131 0 0 1 2 3 4 aksiaalinen muodonmuutos, 1 (%) Kuva 4.15: Kovan näytteen puristuskoekuvaaja Lempola SAAVI 1; A w = 2 %; 21,1 kg/m 3 puristuslujuus, q u (kpa) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 M94 M100 M109 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 aksiaalinen muodonmuutos, e 1 (%) Kuva 4.16:Pehmeän näytteen puristuskoekuvaaja 49
4.5 Vedenläpäisevyys 4.5.1 Tutkimusmenetelmät Veden virtausnopeus maassa määräytyy hydraulisen gradientin (eli hydraulisen putouksen) ja maan vedenläpäisevyyden mukaan. Lauseke tunnetaan Darcyn lakina: v = k i (4.16) v on veden virtausnopeus [m/s] k vedenläpäisevyys [m/s] i hydraulinen gradientti [m/m] Tässä tutkimuksessa näytteiden vedenläpäisevyys määritettiin laboratoriossa portaittain kuormitettavalla vedenläpäisevyysödometrillä muuttuvapainekokeena sekäjoustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla vakiopainekokeena. 4.5.2 Ödometrikoe Ödometrikokeessa vesi johdetaan byretistä sellissä olevaan näytteeseen alakautta (kuva 4.17). Vesi virtaa näytteessä alhaalta ylöspäin. Veden kulkemista näytteen läpi seurataan byretin mitta-asteikolta. Muuttuvapainekokeessa näytteen vedenläpäisevyys määritetään kaavalla 4.17 tai, jos käytetään kymmenkantaista logaritmia, kaavalla 4.18 (Suomen standardisoimisliitto 2007-12- 17). k = al At ln h 1 h 2 (4.17) k =2.3 al At lg h 1 h 2 (4.18) a on byretin sisäpoikkileikkausala [m 2 ] L näytteen korkeus [m] A näytteen ala [m 2 ] t havaintoaika [s] h 1 veden painekorkeus havaintoajan alussa [m] veden painekorkeus havaintoajan lopussa [m] h 2 50
Kuva 4.17: Esimerkki koejärjestelystä vedenläpäisevyyden mittaamiseksi ödometrilaitteistolla (perustuu normiin DIN 18130). Näytteen vedenläpäisevyys mitataan liittämällä ödometrilaitteistoon byretti, josta vesi johdetaan näytteen läpi alhaalta ylöspäin. (Schuppener et al. 1995, s.19) 51
Lämpötila vaikuttaa veden virtausominaisuuksiin. Jotta eri lämpötiloissa määritettyjä vedenläpäisevyyskertoimia voidaan vertailla keskenään, on vertailulämpötilaksi sovittu T =20 C. Muissa lämpötiloissa määritetyt vedenläpäisevyydet saadaan vastaamaan tätä kertomalla ne lämpötilankorjauskertoimella α (kaava 4.19), jonka arvo saadaa kuvaajasta (kuva 4.18). Standardin CEN ISO/TS 17892-11:fi (luonnos) mukaan vertailulämpötila on 10 C ja kerroin α määräytyy Poiseuillen kokemusperäisestä kaavasta 4.20 (Suomen standardisoimisliitto 2007-12-17). k 20 C = α k T (4.19) k 20 C on vedenläpäisevyys lämpötilassa T =20 C [m/s] α korjauskerroin vedenläpäisevyys mittauslämpötilassa T [m/s] k T α = 1, 359 1 0, 037T +0, 00022T 2 (4.20) T on veden lämpötila kokeen aikana [ C] Tässä tutkimuksessa kaikki vedenläpäisevyyskokeet tehtiin huonelämpötilassa noin 20 C, joten korjauskerrointa ei käytetty. Ödometrikokeessa näytettä kuormitetaan ja sen muodonmuutosta seurataan mittaamalla näytteen korkeutta. Kokeen aikana näytteen huokostilavuus pienenee ja tiheys kasvaa. Vedenläpäisevyys voidaan määrittää kullakin eri kuormitusportaalla, kun kuormitus ja samalla näytteen korkeus lukitaan paikoilleen. Kun maanäytteen massa tunnetaan, voidaan maan vedenläpäisevyys määrittää eri tiheyksissä. Tulokset voidaan ilmaista myös kuivairtotiheyden suhteen, kun näytteen vesipitoisuus on tiedossa. Vedenläpäisevyys mitattiin pääasiassa viideltä eri kuormitusportaalta. Yksi koe kesti viikon ja vedenläpäisevyysmittauksia tehtiin aina yön ja viikonlopun yli. Kultakin kuormitusportaalta mitatuista tuloksista määritettiin näytteen vedenläpäisevyys. Kunkin kuormitusportaan mittaustulokset viedään kuvaajaan, jossa niiden muodostamalta suoralta valitaan kaksi pistettä, joiden mukaan vedenläpäisevyys määritetään (kuva 4.19). Mittauksessa tai tulosten kirjaamisessa tapahtuneet virheet näkyvät kuvaajassa suoralta poikkeavina pisteinä. Kunkin kuormitusportaan vedenläpäisevyys- ja muodonmuutostiedot yhdistetään kuvan 4.20 mukaisiksi kuvaajiksi. Vasemmalla on kuvattu vedenläpäisevyysarvon riippuvuus näytteen kokoonpuristuvuudesta ja oikealla näytteen 52
Kuva 4.18: Vedenläpäisevyyden korjauskerroin α (Rantamäki et al. 2004) 3,95 KODO 5150 kssw, KP1 30,8 kpa; Lempola saavi 1; A w = 4 %; 42,2 kg/m 3 ln H [cm] 3,9 3,85 3,8 0 5 10 15 20 t [h] k = 2.30 * a byr L 0 /A * 1/(t 2 -t 1 ) * lg H 1 /H 2 = 7,02E-10 m/s Kuva 4.19: Vedenläpäisevyyden määrittäminen ödometrikokeessa (näyte Saavi 1, kuormitusporras 30,8 kpa) 53
kuivairtotiheydestä. Erityisesti kuivairtotiheyskuvaajan tietoja voidaan soveltaa ympäristörakentamisessa. Vedenläpäisevyysödometrikokeen tuloksista voidaan määrittää se kuivairtotiheys, jossa rakenteelle asetettu vedenläpäisevyysvaatimus täyttyy. KODO 5150 kssw; Lempola saavi 1; A w = 4 %; 42,2 kg/m 3 Vedenläpäisevyyskerroin k (m/s) (Taylor) Vedenläpäisevyyskerroin k (m/s) 0 1,060 y = -7,0008Ln(x) - 147,23 R 2 = 0,9937 1 2 3 4 5 6 7 Suhteellinen kokoonpuristuvuus e (%) y = -0,0825Ln(x) - 0,6439 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 Kuivairtotiheys d (g/cm 3 ) 8 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,200 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 Kuva 4.20: Ödometrikokeessa mitattu vedenläpäisevyys materiaalin kokoonpuristuvuuden ja kuivairtotiheyden suhteen (näyte Saavi 1) 4.5.3 Joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla vedenläpäisevyys määritetään vakiopainekokeena. Näyte asetetaan membraanikumin sisään kolmiaksiaaliselliin, johon johdetaan sellipaine. Vesi virtaa etupainesellistä näytteen läpi takapaineselliin, alhaalta ylöspäin (kuva 4.21). Etupaineselliin johdetaan paine, joka on suurempi kuin takapaineselliin johdettava paine. Paine-ero synnyttää hydraulisen gradientin ja aiheuttaa veden virtauksen etupainesellistätakapainesellin. Virtausmäärä on suoraan verrannollinen käytettyyn gradienttiin, eli näytteen läpi virtaavan veden määrä kasvaa, kun gradientin arvo suurenee. Virtausmääriä seurataan sellien mittaasteikoilta. Vakiopainekokeella määritettävä vedenläpäisevyys saadaan suoraan Darcyn laista johdetusta yksinkertaisesta kaavasta 4.21, jossa Q/A on veden virtausnopeus v ja Δh/l hydraulinen gradientti i. Etu- ja takapaineiden paine-ero 54
Kuva 4.21: Joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto (Virtanen et al. 2006) 55
Δh lasketaan vesipatsaan korkeutena. Vallitsevaa painetta vastaavan vesipatsaan korkeus kummassakin sellissä saadaan kaavan 4.22 mukaan (Suomen standardisoimisliitto 2007-12-17). k = Q l A Δh (4.21) Q on veden virtaama näytteen läpi [m 3 /s] l näytteen korkeus [m] A näytteen poikkileikkaspinta-ala [m 2 ] Δh on etu- ja takapaineen paine-ero vesipatsaan korkeutena [m] h = p γ w (4.22) h on veden painekorkeus [m] p sellissävallitseva paine [kpa] γ w veden tilavuuspaino [kn/m 3 ] Näytteen läpi johdettavan veden tulisi olla ilmatonta ja näytteen täysin kyllästynyt, sillähuokosissa oleva ilma hidastaa veden kulkua näytteen läpi. Näyte voidaan kyllästää käyttämällä erittäin suuria vedenpaineita, jolloin ilma liukenee veteen. Esimerkiksi kyllästysasteelle S r = 95 % suositellaan käytettävän takapainetta 300 kpa. Mikäli koe tehdään osittain kyllästyneelle näytteelle, tulee tästä mainita koeraportissa. (Suomen standardisoimisliitto 2007-12-17) Standardin suosittamat paineet näytteen kyllästämiseen ovat niin suuria, että useimmat Suomessa vedenläpäisevyyden määritykseen käytetyt laitteet eivät niitä kestä (Virtanen et al. 2006). Tässä tutkimuksessa suurin käytetty etupaine oli 170 kpa ja takapaine 140 kpa (kuva 4.22). Näillä paineilla vallitseva hydraulinen gradientti on noin 30, kun näytteen korkeus on noin 100 mm (kuva 4.23). Sellipaineen täytyy olla etu- ja takapainetta suurempi, jottei näytteen läpi virtaava vesi ala kertyä membraanikumin ja näytteen väliin. 56
Käytetyt paineet 250 200 Paine (kpa) 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 sellipaine etupaine takapaine tehokas jännitys Aika (h) Kuva 4.22: Vedenläpäisevyyskokeessa käytetyt selli-, etu- ja takapaine, sekä tehokas jännitys (näyte Saavi 1, A w =4%) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0-20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 (menovesi/tulovesi)*10 gradientti Aika (h) Kuva 4.23: Vedenläpäisevyyskokeen gradientti ja tulo- ja menoveden suhde (näyte Saavi 1, A w =4%) Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla suoritetun kokeen tuloksista pitää selvitä käytetyt paineet (selli-, etu- ja takapaine), näytteen läpi virrannut vesimäärä ja vesimäärän virtaamiseen kulunut aika. Darcyn teorian mukaan maan vedenläpäisevyys on riippumaton gradientista. Näin ollen näytteen vedenläpäisevyyden k tulisi pysyä samana, vaikka kokeessa käytettyjä paineita ja gradienttia muutetaan. Työryhmän Pasi Virtanen (Tieliikelaitos), Jyrki Hämäläinen (SYKE) ja Rainer Laaksonen (VTT) vuonna 2006 laatimassa ohjeessa kehotetaan ilmoittamaan kokeessa mitatuksi vedenläpäisevyysarvoksi k neljän viimeisen mittauksen perusteella laskettu keskiarvo. Teknisen spesifikaation CEN ISO/TS 17892-11:2004 suomenkielisessä käännöksessä 2007-12- 17 (luonnos) vastaavaa laskennallista menettelyä k-arvon määrittämiseen ei 57
käytetä. Kuvassa 4.24 on näytteen Saavi 1, A w =4 %vedenläpäisevyyskokeen kuvaaja. Kokeessa on mitattu sekä näytteeseen mennyt (menovesi) että näytteestä poistunut (tulovesi) vesimäärä. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla näytteiden vedenläpäisevyyttä mitattiin kolmen viikon ajan. Hydraulista gradienttia ja käytettyjä paineita nostettiin vähitellen (kuvat 4.22 ja 4.23). Kokeissa käytettiin viittäeri gradienttia. Vasta suurimmilla paineilla (etupaine 170 kpa, takapaine 140 kpa) tehdyt vedenläpäisevyyden mittaukset antavat luotettavia tuloksia. Kokeen alussa näyte saattaa imaista vettä itseensä menovesi ja tulovesi eivät vastaa toisiaan ja mitatut vedenläpäisevyysarvot vaihtelevat suuresti. Lisäksi veden virtaama pienillä gradienteilla on niin vähäinen, että sitä on vaikea mitata. Mittaustarkkuus on hyvä huonosti vettäläpäiseville saville vasta, kun gradientin arvo on 30. Suurten gradienttien käyttö nopeuttaa joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tehtyä koetta. Mittaustarkkuutta voi yrittää parantaa vedenläpäisevyyslaitteistoon lisättävilläohuilla mittaputkilla (kuva 4.21), joissa veden virtaama määritetään mittaputkeen johdetun ilmakuplan liikkumisnopeuden perusteella. Putkien käyttö todettiin kuitenkin hankalaksi ja mittaus niillä epävarmaksi. Lisäksi pelkona oli, että jos menetelmää käytetään menoveden mittaamiseksi, ilmaa saattaisi päätyä myös näytteeseen. Vedenläpäisevyys Vedenläpäisevyys, k (m/s) 1,0E-08 1,0E-09 1,0E-10 1,0E-11 menovesi tulovesi 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Aika (h) Kuva 4.24: Vedenläpäisevyyskokeen mittaustulokset Lempolan näytteelle Saavi 1, A w =4% 58
4.5.4 Vedenläpäisevyyskokeiden soveltuvuus stabiloiduille näytteille Ödometrilla ja joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tehdyt kokeet ovat hyvin erilaisia. Usein joustavaseinäisellä laitteistolla tehty koe kestää viikkoja ja mittauksia on harvoin, kun ödometrikoe saadaan tavallisesti vietyäläpi noin viikossa. Ödometriin näytettä tarvitaan vain vähän, sillä yleinen näyterenkaan korkeus on noin 20 mm ja halkaisija 45 mm. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tutkittavien näytteiden sekä korkeus ettähalkaisija vaihtelevat 50 100 mm. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tutkittava näyte on joustavan membraanikumin sisässä ödometrinäytteen ollessa kiinteässä renkaassa. Kiinteässä renkaassa näytteen ja renkaan välistä tapahtuva veden ohivuoto on todennäköisempää kuin membraanikumia käytettäessä. Ödometrikokeessa näytettä tiivistetään kokeen aikana, mutta joustavaseinäisessä laitteistossa näyte pääasiallisesti säilyttää muotonsa. (Laaksonen 2008) Sementin käynnistämät reaktiot jatkuvat stabiloidussa savessa kuukausia, jopa vuosia (Åhnberg et al. 1995). Jotta viikon kestävän ödometrikokeen ja kolme viikkoa kestävän joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tehdyn kokeen tulokset olisivat keskenään vertailukelposia, täytyy näytteiden olla yhtä vanhoja. Nyt tehdyissäkokeissa tämä toteutettiin siten, että ödometrikoe aloitettiin neljän viikon kuluttua stabiloinnista ja joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tehtävä koe kahden viikon kuluttua stabiloinnista. Vertailtavan ajanjakson osalta, kokeiden viimeisellä viikolla, sekä ödometrinäytteet että joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla koestetut näytteet, ovat noin viiden viikon ikäisiä (kuva 4.25). Näytteet ovat siis yhtävanhoja ja niistä saatavat tulokset keskenään vertailukelpoisia. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tehtävä n kokeen huonona puolena on kokeen pitkä kesto ja tulosten yksipuolisuus. Koe voi kestää kolme viikkoa ja tuloksena saadaan testatun näytekappaleen vedenläpäisevyys testatussa tiheydessä. Ödometrikokeella selvitetään vedenläpäisevyyden ja näyt- VIIKKO 1 VIIKKO 2 VIIKKO 3 VIIKKO 4 ÖDO PEHMEÄ PEHMEÄ ÖDO VIIKKO 5 Säilytys Koestus Kuva 4.25: Vedenläpäisevyyskokeiden koeaikaitaulu. Ödometrikoe aloitettiin neljän ja joustavaseinäinen vedenläpäisevyyskoe kahden viikon kuluttua näytteen stabiloinnista. 59
teen tiheyden välinen riippuvuus noin viikon aikana. Jotta kuivairtotiheydelle asetettavan vähimmäisvaatimuksen voi määrittää joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla, tarvitaan useita tiheyksiltään erilaisia näytekappaleita, kun ödometrikokeessa selvitään yhdellä pienellä näytteellä. Käytettävän koekappaleen pieni koko rajoittaa ödometrikokeen soveltuvuusaluetta. Valmiin eristysrakenteen vedenläpäisevyyden määrittämisessä pieneen ödometrikoekappaleeseen osuneet epähomogeenisuudet kuten halkeamat tai karkeampi aines antavat rakenteen vedenläpäisevyydelle suuremman arvon, kuin mitä se todellisuudessa on. Koekappaleessa olevat savikokkareet toimivat päinvastoin, jolloin koekappaleen vedenläpäisevyys on pienempi kuin eristysrakenteen vedenläpäisevyys keskimäärin. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla voidaan testata koekappaleita, joiden mitat ovat esim. 10 20 % eristysrakenteen paksuudesta. Tällöin yksittäisten epähomogeenisuuksien vaikutus vedenläpäisevyysarvoon jää pienemmäksi kuin ödometrikokeessa. Valtioneuvoston päätöksessä (VNp 861/97) esitettäviä vaatimuksia kaatopaikan rakenteiden vedenläpäisevyydestä sovelletaan useisiin tiivistysrakenteisiin ja eristysseiniin. Vedenläpäisevyysvaatimukset ovat veden täysin kyllästämälle maalle, koska osittain kyllästyneen maan vedenläpäisevyys on kyllästyneen maan vedenläpäisevyyttä pienempi (Leppänen 1998). Laboratorio-olosuhteissa maan kyllästämiseen tarvittava kymmenien metrien vedenpaine on niin suuri, ettei se tule kysymykseen maastossa kuin erikoistapauksissa. Kuva 4.26: Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla (vas.) ja ödometrilaitteella koestetut koekappaleet kokeen ja uunikuivatuksen jälkeen 60
4.6 Konsistenssi Stabiloidun saven plastisuusominaisuuksilla ja vesipitoisuudella on vaikutus saven työstettävyyteen sekä välillisesti myös rakenteen vedenläpäisevyysominaisuuksiin. Stabiloimatonta savea voi olla mahdoton tiivistää ja sen käsittely voi olla vaikeaa saven häiriintymisen ja juoksettumisen takia. Kuivuessaan savi kutistuu, mistä aiheutuu halkeamia savesta tehdyn rakenteen pintaan. Niinpä savesta tehdyn rakenteen vedenläpäisyys voi olla esimerkiksi kuin hiekan, vaikka käytetty savi itsessään olisi käytännöllisesti katsoen lähes vettä läpäisemätöntä. Wu (1967) määrittelee saven plastisuuden siten, ettäsavea voi muovata ilman, ettäse murtuu. Mitchell (2005) puolestaan kuvaa saven plastista käyttäytymistä myös laajemmin:... plastisuusrajaa suuremmissa vesipitoisuuksissa savea voidaan muokata ilman, että sen tilavuus muuttuisi tai savi murtuisi; plastisuusrajaa alemmissa vesipitoisuuksissa ei. Lisäksi Mitchell toteaa kieritysrajalla saven suljetun leikkauslujuuden vaihtelevan noin 100 300 kpa. Saven konsistenssirajat on esitetty kuvassa 4.27. Kun saveen lisätään tarpeeksi vettä, se muuttuu plastisesta juoksevaksi (liquid). Plastista kuivempi savi on kiinteää. Kuvassa 4.27 on kiinteä konsistenssi jaettu vielä kahteen osaan. Kutistumisrajaa märemmän saven, puolikiinteän (semisolid), tilavuus pienenee samalla kuin vesipitoisuuskin, mutta kutistumisrajaa kuivempi savi (solid) säilyttää tilavuutensa, vaikka sen vesipitoisuus laskee entisestään. Kuva 4.27: Konsistenssirajat (Lojander 1985) 61
Jotta plastisessa konsistenssissa oleva savi tiivistyisi, sen täytyy kuivua. Sementti vaikuttaa kahdella tavalla saven konsistenssiin. Ensiksi, se laskee saven vesipitoisuutta, sillä sementtilisäys kasvattaa saven kuiva-ainemäärää ja sementin käynnistämät kemialliset reaktiot sitovat vettä, ja toiseksi, se nostaa saven plastisuusrajan vesipitoisuutta (Hassan et al. 2007 ja Chew et al. 2004). Kézdi esitti 1970-luvulla, ettäjo pienet sementtilisäykset kasvattavat kieritysrajan w P vesipitoisuutta. Sementin vaikutus juoksurajaan w L ei ollut hänen tutkimuksissaan täysin yksiselitteinen (kuva 4.28). Chew tutkimusryhmineen julkaisi samankaltaisia tuloksia vuonna 2004 (kuva 4.29). Tulosten perusteella voidaan sanoa, että sementtistabilointi muuttaa saven konsistenssia kiinteän konsistenssin suuntaan. Vesipitoisuuden sekäplastisuuden vaikutuksista saven kuivumiskutistumiseen ovat raportoineet mm. Kézdi vuonna 1979, Daniel ja Wu 1993 sekä Rowe et al. 1995. Rowe et al. (1995) suosittelevat tavanomaisiin eristysrakenteisiin käytettävän materiaalia, jonka vesipitoisuus on yli optimivesipitoisuuden sekämahdollisesti lähellä plastisuusrajaa. Näin rakenne olisi myös itsekorjautuva. Pääsyynä suositukseen on korkeammilla vesipitoisuuksilla saavutettavat pienemmät vedenläpäisevyydet. Daniel ja Wu (1993) kritisoivat artikkelissaan käytäntöä, jossa eristysrakenteisiin käytettävä maamateriaali tiivistetään optimivesipitoisuuttaan märempänä. Vaikka korkeampi vesipitoisuus olisikin hyväksi eristysrakenteen rakennusaikaiselle vedenläpäisevyydelle, se lisää rakentamisen jälkeistäkuivumiskutistumista. Kutistumisesta aiheutuneet halkeamat eristysrakenteessa toimivat vesikanavina, joita pitkin vesi virtaa mahdollisesti jopa koko rakenteen läpi. Syntyvä t halkeamat mitätöivät rakenteen eristyskyvyn, vaikka käytetty materiaali itsessään olisi lähes vettä läpäisemätöntä. Tutkimuksessaan Daniel ja Wu pyrkivät määrittämään mineraaliselle tiivistysmateriaalille vesipitoisuus- ja tiiviysalueen, jolla volymetrinen kuivumiskutistuma olisi enintään 4 %, vedenläpäisevyyskerroin enintään k = 1 10 9 m/s ja puristuslujuus vähintään 200 kpa. Materiaalina he käyttivät savista hiekkaa. Vesipitoisuusalueen määräytymisen periaate on esitetty kuvassa 4.30, jossa materiaalin tiiviys ilmoitetaan kuivatilavuuspainona. Kézdin (1979) tutkimusten mukaan sementillä stabilointi vaikuttaa sekä saven kuivumiskutistumaan että tiivistymiseen. Kézdin mukaan stabiloitu savi voidaan tiivistää jonkinverran suurempaan tilavuuspainoon kuin stabiloimaton savi. Vesipitoisuuden vaikutus tiivistymiseen on kuitenkin suurempi stabiloidulla kuin stabiloimattomalla savella. Stabiloitu maa on siis tiivistystuloksen kannalta herkempi vesipitoisuusvaihteluille kuin stabiloimaton maa (kuva 4.31). 62
Kuva 4.28: Sementin vaikutus konsistenssirajoihin. Vas. sideaineen vaikutus Atterbergin rajoihin w L, w p sekäplastisuuslukuun I p. Oik. Sementin vaikutus kolmen erilaisen maanäytteen juoksurajaan. (Kézdi 1979) Kuva 4.29: Sementimäärän ja lujittumisen vaikutukset konsistenssirajoihin (savinäytteen vesipitoisuus ennen stabilointia w i =120 %). LL viittaa juoksurajaan, PL kieritysrajaan ja PI plastisuuslukuun. Vrt. kuvaan 4.28. (Chew et al. 2004) 63
Kuva 4.30: Vesipitoisuuden, kuivumiskutistuman ja leikkauslujuuden perusteella määräytyväsavitiivisteen vesipitoisuusalue, jolla vedenläpäisevyysvaatimus k 10 9 m/s on saavutettavissa. (Daniel et al. 1993). Kuva 4.31: Sementtistabiloinnin vaikutus Proctor-sullonnan tuloksiin (Kézdi 1979) 64
Kuva 4.32: Vas. Ominaistilavuuden muutos vs. sementin sideainepitoisuus. Oik. kuivumiskutistuman väheneminen sementin lisäyksen seurauksena. Vasemmanpuoleisen kuvaajan käyristä numero 4 edustaa savea. (Kézdi 1979) Kezdi (1979) havaitsi stabiloinnin vaikuttavan myös saven kuivumiskutistumaan (kuva 4.32). Kutistuminen vähenee, kun saven konsistenssi muuttuu kiinteämmäksi sementin lisäämisen seurauksena. Myös stabiloitavan saven plastisuusluku vaikuttaa kuivumiskutistumaan mitä plastisempi savi, sitä suurempi on kuivumiskutistuma. Kuvassa 4.33 on Lempolan eristysrakenteen stabiloimattoman saven halkeilua. Halkeilu johtui saven suuresta vesipitoisuudesta sekä kuivasta ja kuumasta säästä. Stabiloiduille näytteille Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 tehtiin kierityskokeet kaikille testatuille seossuhteille Geoteknisten laboratorio-ohjeiden GLO-85 mukaisesti. Kierityskoe tehtiin noin 3 7 tuntia näytteen stabiloinnin jälkeen. Tuloksia ei voi suoraan verrata esim. Kézdin (1979) tai Chewin et al. (2004) tutkimustuloksiin, sillä GLO-85:n mukaan kierityskoe tulee tehdä käsittelemättömälle näytteelle, eikänäytettäsaa kieritysrajan määrittämiseksi kuivata ja hienontaa, kuten Kézdin ja Chewin tutkimuksissa on tehty. Kenttänäytteille ei tehty kierityskoetta, silläkentälle stabiloitu materiaali oli liian epähomogeenista luotettavan tuloksen saamiseksi. 65
Kuva 4.33: Saven kuivumishalkeilua Lempolan eristysrakenteessa 66
Luku 5 Tulokset 5.1 Puristuslujuus Puristuskokeita varten näytekappaleita valmistettiin kolmen rinnakkaisnäytteen sarjoiksi. Kaikkiaan näytekappaleita valmistettiin puristuskokeita varten 237 kappaletta, joista laboratoriossa stabiloituja olivat näytteet Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 ja työmaalla stabiloituja Kenttä1 ja Kenttä 2. Näytekappaleiden lukumäärät on esitetty taulokossa 5.1. Pienet viittaavat koekappaleisiin, joiden halkaisija oli noin 20 mm ja korkeus noin 40 mm, isojen vastaavat mitat olivat 50 mm ja 100 mm. Ennen koetta näytekappaleet oli otettava ulos putkistaan ja muotoiltava oikean korkuisiksi. Koekappaleita valmistettaessa osa tuhoutui, joten saatujen koetulosten lukumäärä ei vastaa täysin puristuskokeita varten valmistettujen näytekappaleiden lukumäärää. Liitteeseen 3 on koottu tärkeimmät tunnusluvut kaikista puristuskokeista. Taulukko 5.1: Testattavien näytekappaleiden lukumäärät Pienet Isot kpl kpl Lempola 6, 7& 8 72 15 Saavi 1 84 42 Kenttä1 6 12 Kenttä2-6 67
5.1.1 Ajan ja sekoitussuhteen vaikutus puristuslujuuteen Stabiloidun saven lujuus kasvaa suoraan verrannollisesti suhteessa kuluneeseen reaktioaikaan ja lisättyyn sementtimäärään (kuvat 5.1 ja 5.2). Lujuuden kehitys ei ole lineaarisia. Perussementillä stabiloidun saven lujuus kasvaa voimakkaimmin stabiloinnin ensimmäisinä päivinä. Sama ilmiö on havaittavissa myös Ruotsin geoteknisen instituutin tutkimuksista (kuva 5.3)(Åhnberg et al. 1995). Ympäristöoppaan 36 Kaatopaikan tiivistysrakenteet mukainen mineraaliselle tiivistyskerrokselle asetettu vaatimus leikkauslujuudesta 50 kn/m 2 täyttyy savella Lempola 6, 7 & 8, kun lisätty sementtipitoisuus on A w 4 % (C w 30,6 kg/m 3 ). Tulos perustuu pienillä koekappaleilla (d = 20 mm) mitattuihin puristuslujuuksiin. Savella Saavi 1 vaatimus täyttyy sekä pienten että isojen (d = 50 mm) koekappaleiden osalta, kun A w 3 % (C w 31,6 kg/m 3 ). Tarkastellut lujuudet ovat pitkän ajan lujuuksia (t =28d), joiden laskennassa on oletettu, että puristuskokeella määritettävä leikkauslujuus s p on puolet kokeessa saavutetusta puristuslujuudesta q u. Näin määritettynä tiivistyskerrokseen käytettävältä materiaalilta vaadittava puristuslujuus on siis q u 100 kpa. Kuvista 5.1 ja 5.2 on jo nähtävissä, että lujuudenkehitystä ei tapahdu pienimmilläsementtilisäyksillä. Stabiloidun saven lujuus ei siis kasva ajanmyötä, mikäli lisätty sideainemäärä on liian pieni. Kuvissa 5.4 ja 5.5 on pyritty määrittämään näytteelle Lempola 6, 7 & 8 se sementtilisäyksen rajapitoisuus tai kynnysarvo, jota suuremmilla määrillä stabiloidun saven lujuus kasvaa ajan myötä. Näytteelle Saavi 1 on laadittu vastaavat kuvaajat (kuvat 5.6 ja 5.7). Saven stabiloituvuus näyttää olevan eksponentiaalista. Molempien näytteiden, sekälempola 6, 7 & 8 ettäsaavi 1, kohdalla sementtimäärän kynnysarvo, jonka jälkeen lisättävän sementtimäärän vaikutus puristuslujuuteen on merkittävä, on noin C w =15...20 kg/m 3. 68
Lempola 6, 7 & 8, w = 95 % Puristuslujuus q u (kpa) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 A_w = 5 % A_w = 4 % A_w = 3 % A_w = 2 % A_w = 1 % A_w = 5 %, ka A_w = 4 %, ka A_w = 3 %, ka A_w = 2 %, ka A_w = 1 %, ka A_w = 5 %, ISO A_w = 4 %, ISO A_w = 3 %, ISO A_w = 2 %, ISO A_w = 1 %, ISO 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Säilytysaika (d) Kuva 5.1: Puristuslujuuden kehitys eri sementtipitoisuuksilla A w Lempola 6, 7 & 8. näytteelle Puristuslujuus q u (kpa) SAAVI 1, w = 58 % 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 A_w = 5 % A_w = 4 % A_w = 3 % A_w = 2 % A_w = 1 % A_w = 0,5 % A_w = 5 %, ISO A_w = 4 %, ISO A_w = 3 %, ISO A_w = 2 %, ISO A_w = 1 %, ISO A_w = 0,5 %, ISO A_w = 5 %, ka A_w = 4 %, ka A_w = 3 %, ka A_w = 2 %, ka A_w = 1 %, ka A_w = 0,5 %, ka 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Säilytysaika (d) Kuva 5.2: Puristuslujuuden kehitys eri sementtipitoisuuksilla A w näytteelle Saavi 1. Ympyröidyt pisteet on tulkittu virheellisiksi tuloksiksiksi, jotka on jätetty pois keskiarvoja laskettaessa. 69
Kuva 5.3: Puristuslujuuden kehitys käytettäessä sideaineina kalkkia, kalkkisementtiäja sementtiä. Sementtiäkäytettäessä stabiloidun massan lujuus kasvaa voimakkaimmin heti sekoittamisen jälkeen noin 25 pä ivän ajan. (Åhnberg et al. 1995) 70
Rajapitoisuus, Lempola 6, 7 & 8, w = 95 % Puristuslujuus q u, ka (kpa) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 28 d 14 d 7 d 7 d, isot 0 0 1 2 3 4 5 6 A w (%) Kuva 5.4: Stabiloituvuuden rajapitoisuus näytteelle Lempola 6, 7 & 8 on noin A w =2...3%. Rajapitoisuus, Lempola 6, 7 & 8, w = 95 % Puristuslujuus q u, ka (kpa) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 28 d 14 d 7 d 7 d, isot 0 10 20 30 40 50 60 C w (kg/m 3 ) Kuva 5.5: Stabiloituvuuden rajapitoisuus näytteelle Lempola 6, 7 & 8 sementtimääränä maakuutiota kohti on noin C w =20kg/m 3. 71
Rajapitoisuus, SAAVI 1, w = 58 % Puristuslujuus q u, ka (kpa) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 28 d 28 d, isot 14 d 14 d, isot 7 d 7 d, isot 0 0 1 2 3 4 5 6 A w (%) Kuva 5.6: Näytteen Saavi 1 stabiloituvuuden rajapitoisuus on noin A w = 1, 5...2%. Seitsemän päivän lujuudet määritettiin isoilla koekappaleilla kaikilla neljällä sideainepitoisuudella, mutta 14 ja 28 päivän lujuudet määritettiin isoilla koekappaleilla ainoastaan sideainepitoisuuksilla A w =3%jaA w =4%. Rajapitoisuus, SAAVI 1, w = 58 % Puristuslujuus q u, ka (kpa) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 28 d 28 d, isot 14 d 14 d, isot 7 d 7 d, isot 0 0 10 20 30 40 50 60 C w (kg/m 3 ) Kuva 5.7: Stabiloituvuuden rajapitoisuus näytteelle Saavi 1 sementtimääränä maakuutiota kohti on noin 20 kg/m 3. 72
5.1.2 Näytekoon vaikutus puristuslujuuteen Pienten (d =20mm, h =40mm) koekappaleiden käyttöä stabiloituvuuskokeissa on tutkittu Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa. Osana VTT:n ja Oulun yliopiston käynnistämää tutkimushanketta Tietoverkottunut, 3D-mallinnukseen ja -mittauksiin perustuva pohjavahvistusautomaatio (POHVA), osa 1 Aalto (2006a, b) kehitti pienten koekappaleiden käyttöön perustuvan indeksikoemenetelmän ja vertasi saatuja tuloksia käytössäolleeseen standardikoemenetelmään (d =50mm, h = 100 mm). Pääasiallisena tarkoituksena oli löytää koemenetelmä, joka on suhteellisen nopea ja vaivaton eri sideaineilla ja niiden pitoisuuksilla saavutettavien lujuuksien tutkimiseen. (Aalto 2006a, Aalto 2006b) Koekappaleen koko vaikuttaa puristuskokeista saataviin tuloksiin. Tässä tutkimuksessa isojen koekappaleiden (d =50mm) lujuudet olivatpääosin 70...90% vastaavien pienten koekappaleiden (d =20mm) lujuuksista. Isojen ja pienien koekappaleiden puristuslujuuksien suhde on pienimmillään 0,5 ja suurimmillaan 0,94 (liite 4). Suhteen suuri vaihtelu johtuu osittain pienistä rinnakkaiskoemääristä, jolloin yksittäisen kokeen tulos vaikuttaa ratkaisevasti koesarjasta laskettuun keskiarvoon. Seitsemän päivän ikäisinä testattujen erikokoisten koekappaleiden lujuuksien keskiarvot ja näiden suhteet on esitetty taulukossa 5.2. Näytteelle Saavi 1 tehtiin stabiloituvuuskokeista täydet aikasarjat sekäpienillä ettäisoilla näytteilläkahdella eri sementtipitoisuudella A w =3%ja A w =4%. Saadut tulokset on esitetty kuvassa 5.8. Kuvan pisteet ovat kolmen rinnakkaisnäytteen keskiarvoja, joiden laskennassa on jätetty huomioimatta rajusti rinnakkaisnäytteistään poikkeavat yksittäiset tulokset. Aallon tutkimuksissa standardikoementelmällä tehtyjen koekappaleiden (isojen koekappaleiden) lujuudet olivat vain noin 20 % indeksikoemenetelmällä tehtyjen koekappaleiden (pienten koekappaleiden) lujuuksista. Aallon tutkimuksissa indeksikoe- ja standardikoemenetelmäerosivat toisistaan näytekoon lisäksi myös sekoitus- ja tiivistystyön osalta. Pienet koekappaleet olivat rakenteeltaan standardikoemenetelmän koekappaleita homogeenisempia ja niiden tiheys oli suurempi. (Aalto 2006b) Aallon tuloksia on esitetty kuvassa 5.9. Vastaava esitys tämän tutkimuksen tuloksista on kuvassa 5.10, jossa kaikkien näytteiden säilytyslämpötila oli T = 19...23 C. Aalto on tutkinut pääasiassa paljon suurempia sideainepitoisuuksia kuin mitätässätutkimuksessa on käytetty. Saatuja tuloksia voi kuitenkin verrata keskenään vesi-sementtisuhteiden W/C > 10 osalta. Tässä tutkimuksessa pienten ja isojen näytteiden lujuuksien ero on huomattavasti pienempi kuin Aallon tutkimuksissa. Aalto raportoi koekappaleiden 73
lujuuksien suhteen olevan noin q u,ka(isot) /q u,ka(pienet) =0, 2 %, kun nyt keskimääräiseksi lujuuksien suhteeksi saatiin q u,ka(isot) /q u,ka(pienet) =0, 7 %. Aallon tutkimuksissa pienten koekappaleiden lujuudet olivat tämän tutkimuksen vastaavien koekappaleiden lujuuksia suurempia ja isojen koekappaleiden puristuslujuudet jäivä t tä ssä tutkimuksessa saavutettuja lujuuksia pienemmiksi. Aalto (2006b) mainitsee standardimenetelmällä tehtyjen isojen kappaleiden heikomman lujuuden syyksi mm. koekappaleiden kerroksellisuuden, epähomogeenisen rakenteen sekä sideaineen sekoitusmenetelmän. Tämän tutkimuksen isoissa koekappaleissa ei ollut silmämääräisesti havaittavissa kerroksellista rakennetta. Koekappaleisiin oli kuitenkin jäänyt tiivistysmenetelmästä johtuen huomattavasti enemmän ilmakuplia kuin pieniin koekappaleisiin. Tämä näkyi pienten koekappaleiden tiheyksissä, jotka olivat pääosin jonkin verran suurempia kuin isojen koekappaleiden tiheydet (taulukko 5.3). Ilmakuplien aiheuttama epähomogeenisuus pienentää koekappaleen puristuslujuutta. Erilaisista tiivistysmenetelmistäjohtuva pienten koekappaleiden isoja koekappaleita pienempi vesipitoisuus on havaittavissa myös Aallon tekemissä mittauksissa. Pienempi vesipitoisuus vaikuttaa puristuslujuuteen sitä kasvattavasti. Isojen ja pienten koekappaleiden vesipitoisuuksien välillä mitattu ero oli 1...3 %-yksikköä (taulukko 5.3). Aallon indeksikoekappaleiden huomattavasti suuremmat lujuudet verrattuna nyt mitattuihin pienten koekappaleiden lujuuksiin selittynevät pääosin eri sideaineiden käytöllä. Perus- ja yleissementti ovat hyvin samanlaisia ominaisuuksiltaan, mutta perussementin lujuudenkehitys tapahtuu Aallon käyttämää yleissementtiähitaammin (Finnsementti Oy 2006). Osa lujuuseroista johtunee savien keskenään erilaisista ominaisuuksista. 5.1.3 Kenttänäytteiden puristuslujuudet Aumoihin kasattu savi stabiloitiin käyttäen sekoitussuhdetta C w =30kg/m 3. Sekälaboratoriossa rakennettujen koekappaleiden (Kenttä1) ettäsuoraan rakenteesta otettujen näytteiden (Kenttä 2) puristuskoetulokset on esitetty kuvassa 5.11. Kenttänäytteiden puristuslujuuksia on verrattu vastaavalla sementtimäärällä stabiloitujen näytteiden Saavi 1 ja Lempola 6, 7 & 8 puristuslujuuksiin kuvassa 5.12. Kenttä1 täyttää tiivistysrakenteen puristuslujuusvaatimuksen q u 100 kpa jo stabiloinnista seuraavana päivänä. Kenttä2 -näytteistäkahden lujuus jää vaatimuksen alle. Yleisesti ottaen kenttänäytteet käyttäytyvät samoin kuin laboratoriossa stabiloidut näytteet. Näytteiden lujuus kasvaa stabiloinnista kuluneen ajan myötä ja isojen koekappaleiden puristuslujuudet ovat pääosin pienempiä kuin pien- 74
Taulukko 5.2: Pienten ja isojen koekappaleiden puristuskoetuloksia. A w C w W/C Säilytysaika Isot q u, ka % kg/m 3 d kpa kpa Pienet q u, ka q u, ka(pienet) / q u, ka(isot) Lempola 6,7 & 8 5 38,2 19,0 7 103,6 121,2 0,85 Lempola 6,7 & 8 4 30,6 23,8 7 56,7 73,7 0,77 Lempola 6,7 & 8 3 22,9 31,7 7 27,4 33,0 0,83 Lempola 6,7 & 8 2 15,3 47,5 7 11,7 13,0 0,90 Lempola 6,7 & 8 1 7,6 95,0 7 6,8 9,2 0,74 SAAVI 1 5 52,7 19,0 7 250,8 281,5 0,89 SAAVI 1 4 42,2 23,8 7 141,0 196,5 0,72 SAAVI 1 3 31,6 31,7 7 68,2 98,4 0,69 SAAVI 1 2 21,1 47,5 7 28,0 50,3 0,56 SAAVI 1 1 10,5 95,0 7 17,7 23,7 0,74 SAAVI 1 0,5 5,3 190,0 7 9,0 12,3 0,73 Kenttä 1 30 7 164,8 191,2 0,86 q u, ka (kpa) 300 250 200 150 100 50 0 Pienten (P) ja isojen (I) koekappaleiden puristuslujuudet (Saavi 1) P (Cw = 52,7 kg/m3) I (Cw = 52,7 kg/m3) P (Cw = 42,2 kg/m3) I (Cw = 42,2 kg/m3) P (Cw = 31,6 kg/m3) I (Cw = 31,6 kg/m3) P (Cw = 21,1 kg/m3) I (Cw = 21,1 kg/m3) P (Cw = 10,5 kg/m3) I (Cw = 10,5 kg/m3) P (Cw = 5,3 kg/m3) P (Cw = 5,3 kg/m3) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Säilytysaika (d) Kuva 5.8:Koekappaleen koon vaikutus puristuslujuuteen. Tulokset on laskettu kolmen rinnakkaiskokeen keskiarvona. Laskennasta on jätetty pois räikeimmät poikkeamat. P = pienet koekappaleet, I = isot koekappaleet. 75
Taulukko 5.3: Pienten ja isojen koekappaleiden tiheydet ja vesipitoisuudet. Tulokset ovat koko aikasarjasta laskettuja keskiarvoja. Sekoitussuhde Tiheys, Tiheys, Tiheysero, Vesipit. Vesipit. isot (ka) pienet (ka) pienet-isot isot (ka) pienet (ka) Aw w w Vesipit.ero, isot-pienet % kg/m3 kg/m3 kg/m3 % % %-yks. Lempola 6,7 & 8 5 1466 1486 20,1 89,2 87,4 1,7 Lempola 6,7 & 8 4 1453 1479 25,4 89,8 87,1 2,3 Lempola 6,7 & 8 3 1471 1477 5,4 90,9 89,2 1,6 Lempola 6,7 & 8 2 1492 1519 27,2 89,1 87,7 1,6 Lempola 6,7 & 8 1 1502 1485-17,1 93,3 90,7 2,1 SAAVI 1 5 1654 1675 21,4 53,8 52,4 2,5 SAAVI 1 4 1657 1672 14,9 54,7 53,5 1,9 SAAVI 1 3 1661 1672 10,9 55,3 53,8 1,2 SAAVI 1 2 1676 1677 1,6 55,4 54,5 1,2 SAAVI 1 1 1658 1711 52,7 55,0 53,8 1,2 SAAVI 1 0,5 1642 1702 60,4 54,8 54,2 1,1 Kenttä 1 1759 1833 74,9 37,3 34,3 3,0 Kenttä 2 1767 37,8 2000 1500 Otaniemi, cement index test, 7d / 23.5 *C index test, 28d / 6*C standard test, 28d / 6*C standard test, 7d / 23.5 *C q, kpa 1000 500 y = 876,08e -0,1708x R 2 =0,99 0 4 6 8 10 12 14 16 w/c, - Kuva 5.9: Koekappaleen koon vaikutus puristuslujuuteen (vrt. kuvaan 5.10). Käytetty sideaine on yleissementti. Koekappaleiden halkaisijat olivat 20 mm (index test) ja 50 mm (standard test). (Aalto 2006b) 76
Keskimääräinen puristuslujuus (7 d) vesi sementti-suhteen funktiona q u, ka (kpa) 300 250 200 150 100 P,SAAVI 1 I, SAAVI 1 P, Lempola 6, 7 & 8 I, Lempola 6, 7 & 8 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 W/C (-) Kuva 5.10: Koekappaleen koon vaikutus puristuslujuuteen (vrt. kuvaan 5.9). Tulokset on laskettu kolmen rinnakkaiskokeen keskiarvona. Käytetty sideaine on perussementti ja säilytyslämpötila T = 19...23 C. ten koekappaleiden lujuudet. Kenttänäytteiden laatu on kuitenkin vaihtelevaa (ks. taulukko 4.8 sivulla 42) ja rinnakkaisten koekappaleiden lujuuksien hajonta on selvästi laboratorionäytteitä suurempi. Eniten hajontaa on eri puolilta valmista rakennetta otettujen Kenttä 2 -näytteiden puristuslujuuksissa. Yllättävää kuvan 5.11 tuloksissa on se, ettäkenttä1 -näytteiden osalta 14 päivää vanhojen koekappaleiden puristuslujuudet ovat suurempia kuin 28 päivää vanhojen koekappaleiden. Syynävoi olla koekappaleiden rakenteelliset erot. 28 päivän ikäisiin näytteisiin on voinut jäädä esimerkiksi tiivistystyön tuloksena kerrosrajoja tai muita murtumiselle alttiita pintoja. Kentällä tapahtuvan stabiloinnin epätasaisuudesta johtuen eri koekappaleiden sementtipitoisuudetkin voivat vaihdella. Kenttä 2 -näytteet otettiin kolmesta eri pisteestä eripuolilta stabiloitua kenttää. Rakenteen savi oli stabiloitu eri aikaan kentän eri osiin. Koko stabilointiurakka oli lopetettu 10.8., ja koska näytteistäoli tarkoitus selvittää niiden lujuus noin 28 päivä n ikäisinä, aloitettiin puristuskokeet 12.9. Myöhemmin kävi kuitenkin ilmi, ettänäytteenottopisteen kaksi kohdalta rakennetta oli korjailtu juuri näytteenottoa edeltävänä päivänä. Näin ollen pisteen kaksi näytteet olivat testattaessa vain noin kahden viikon ikäisiä, kun muiden näytteiden osalta stabiloinnista oli kulunut yli 30 päivää. Lujuusvaatimuksen alittaneet näytteet ovat juuri pisteestä kaksi otetut vain noin kahden viikon ikäiset näytteet (kuvassa 5.11 ympyröidyt pisteet). 77
Kenttänäytteiden KENTTÄ 1 ja 2 puristuslujuudet, C w = 30 kg/m 3 Puristuslujuus q u, kpa 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Kenttä1, p Kenttä1, ISO Kenttä 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Säilytysaika (d) Kuva 5.11: Kentällä stabiloidun saven puristuslujuus. Molemmat näytteet ovat kentällä stabiloituja, mutta näytteen Kenttä 1 -kohdalla koekappaleet on rakennettu laboratoriossa, kun taas Kenttä 2 -näytteet ovat häiriintymättömiä näytteitä suoraan rakenteesta. Näytteen Kenttä 1 osalta kuvaajaan on piirretty sekä pienten (d = 20 mm) että isojen (d = 50 mm) koekappaleiden lujuudet. Laboratorio- ja kenttänäytteiden vertailu, C w 30 kg/m 3 Puristuslujuus q u, kpa 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Kenttä 1, pieni Kenttä 1 Saavi 1, 31,6 kg/m3 Lempola 6, 7 & 8, 30,6 kg/m3 Kenttä 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Säilytysaika (d) Kuva 5.12: Kentällä ja laboratoriossa stabiloitujen näytteiden vertailu (C w 30 kg/m 3 ). Kentällä stabiloidun saven lujuus on pääosin suurempi kuin laboratoriossa stabiloidun saven. 78
Kun Kenttä 1 -koekappaleiden puristuslujuuksia verrataan laboratoriossa lähes samalla sekoitussuhteella (C w 30 kg/m 3 ) valmistettujen näytteiden lujuuksiin (kuva 5.12), huomataan, että Kenttä 1 -näytteiden lujuudet ovat koko aikasarjalta suurempia, noin kaksinkertaisia, laboratoriossa stabiloitujen näytteiden lujuuksiin nähden. Näytteenottopisteen kaksi näytteitälukuun ottamatta myös Kenttä 2 -näytteiden puristuslujuudet ovat laboratorionäytteiden lujuuksia suurempia. Kentällä stabiloitujen näytteiden paremmat lujuudet selittyvät suurelta osin kenttänäytteiden laboratoriossa stabiloituja näytteitä pienemmillävesipitoisuuksilla ja suuremmilla tiheyksillä. 5.1.4 Muodonmuutosmoduuli E 50 Muodonmuutosmoduulia E 50 voidaan käyttää stabiloidun maan painuman määrittämiseen, kun ödometrituloksia ei ole käytettävissä. Usein muodonmuutosmoduulin E 50 oletetaan olevan suoraan verrannollinen leikkauslujuuteen τ f (tai s p ). Tiehallinnon syvästabiloinnin suunnitteluohjeessa kalkkisementtipilarin muodonmuutosmoduulin oletetaan olevan 100 200-kertainen pilarin leikkauslujuuteen nähden (Tiehallinto 2001). Muodonmuutosmoduuli E 50 voidaan määrittää yksiaksiaalisen puristuskokeen tuloksista kaavalla 5.1. Laskennassa käytettävä aksiaalinen muodonmuutos ε 50% on se muodonmuutos, joka syntyy, kun koekappaletta kuormittava puristusjännitys on puolet koekappaleen puristuslujuudesta (kuva 5.13). E 50 = q u/2 ε 50% (5.1) E 50 on puristusjännitystä q u /2 vastaava muodonmuutosmoduuli [kpa] q u puristuslujuus [kpa] ε 50% puristusjännitystä q u /2 vastaava aksiaalinen muodonmuutos [%] Muodonmuutosmoduuli E 50 pyrittiin määrittämään kaikista Lempolan näytteille tehdyistä puristuskokeista. Osa kokeista oli kuitenkin suoritettu niin, että tarvittava mittausdata kokeen alkupäästä puuttui eikä muodonmuutosmoduulin määrittäminen näin ollen ollut mahdollista. Suurin osa puristuskokeista, joista muodonmuutosmoduulia E 50 ei pystytty määrittämään, oli tehty hyvin pehmeille koekappaleille, joiden stabiloinnissa käytetty sementtimäärä oli 25 kg/m 3. Kuvassa 5.14 on havainnoitu stabiloinnissa käytetyn sementtimäärän vaikutusta muodonmuutosmoduuliin E 50. Kuten puristuslujuuden myös muodonmuutosmoduulin kohdalla saveen sekoitetulla sementtimäärällä näyttää olevan 79
Lempola SAAVI 1, A w = 5 %, C w = 52,7 kg/m 3 350 300 q u M15 M23 M33 puristusjännitys, q u (kpa) 250 200 150 100 q u / 2 50 0 50% 0 1 2 3 aksiaalinen muodonmuutos, ε 1 (%) Kuva 5.13: Muodonmuutosmoduulin E 50 laskenta rajapitoisuus tai kynnysarvo, jota suuremmilla sementtimäärillä muodonmuutosmoduulin E 50 arvo alkaa nousta merkittävästi. Sementtimäärän C w kynnysarvo on noin 20...25 kg/m 3. Kuvaajasta on jätetty pois kahden sementtimäärällä C w =52, 7 kg/m 3 stabiloidun ison puristuskoekappaleen muodonmuutosmoduulit, jotka ylittivät 100000 kpa (100 MPa). Kuvan 5.14 pystysuorat pistepylväät muodostuvat puristuskokeiden aikasarjoista. Periaatteessa ylimpänä kussakin pylväässä ovat 28 päivä n ikäiset näytteet ja alimpana yhden ja kolmen päivä nikäiset näytteet. Kynnysarvoa C w = 20...25 kg/m 3 alemmilla sementtipitoisuuksilla aikasarjat muodostavat hyvin matalia pistepylväitä, mikä tarkoittaa sitä, että vasta kynnysarvoa korkeammilla sementtipitoisuuksilla myös näytteen ikä alkaa vaikuttaa muodonmuutosmoduulin E 50 arvoon. Koekappaleen koon vaikutus muodonmuutosmoduuliin E 50 ei ole saatujen tulosten perusteella täysin yksiselitteinen. Puristuskokeita tehtiin huomattavasti enemmän pienillä näytekappaleilla kuin isoilla, mikäselittääosan pienten koekappaleiden muodonmuutosmoduulien suuresta hajonnasta. Pienimmillä sementtimäärillä isojen koekappaleiden muodonmuutosmoduulit olivat jonkun verran pienten koekappaleiden moduulilukuja suurempia (kuva 5.14). Myös puristuslujuuden q u suhteen isojen puristuskoekappeleiden muodonmuutosmoduulit ovat selkeästi suurempia kuin pienten koekappaleiden moduulit, kun 80
q u < 50 kg/m 3 (kuvat 5.15, 5.16 ja 5.17). Absoluuttisesti suurimmat moduuliluvut määritettiin isoista koekappaleista; kaikkiaan neljän näytteen E 50 oli suurempi kuin 90000 kpa. Kuvaajissa näkyy ainoastaan tulokset, joissa muodonmuutosmoduuli E 50 < 100000 kpa. Puristuslujuus muodonmuutosmoduuli-tarkastelussa sekäsuurimmat ettäpienimmät muodonmuutosmoduulit välillä q u =50...200 kpaovat pienilläkoekappaleilla, mikäli tarkastelusta jätetään pois neljä suurinta muodonmuutosmoduuli arvoa. Isojen koekappaleiden muodonmuutosmoduulien hajonta on siis pienempi kuin pienten koekappaleiden, mikä näkyy myös trendiviivojen sovituksessa; ainoastaan laboratoriossa stabiloitujen isojen koekappaleiden trendiviivan korrelaatiokerroin R 2 on yli 0,9 (kuva 5.16). Kuvaajien 5.15, 5.16 ja 5.17 trendiviivojen sovituksessa ei ole huomioitu muodonmuutosmoduuleita E 50 > 90000 kpa. Trendiviivojen perusteella isojen koekappaleiden muodonmuutosmoduulit ovat puristuslujuuden suhteen suurempia kuin pienten koekappaleiden muodonmuutosmoduulit. Koekappaleen koko vaikuttaa sen puristuslujuuteen siten, että samalla sideainemäärällä stabiloiduista koekappaleista pienten koekappaleiden puristuslujuudet ovat suurempia kuin isojen koekappaleiden. Tarkasteltaessa puristuslujuuksiltaan samanlaisia koekappaleita, on pienet koekappaleet stabiloitu pienemmällä sementtimäärällä. Puristuslujuuksiltaan samanlaisten pienten ja isojen kappaleiden materiaaliominaisuudet ovat siis erilaiset, mikä vaikuttanee myös muodonmuutosmoduulien arvoon. Osa muodonmuutosmoduulin E 50 riippuvuudesta koekappaleen koosta johtunee koekappaleiden erilaisista sideainemääristä. Olettaen, että stabiloidun saven leikkauslujuus on s p = q u /2, voidaan kuvien 5.15, 5.16 ja 5.17 trendiviivojen perusteella sanoa, että laboratoriossa stabiloitujen näytteiden muodonmuutosmoduuli E 50 on noin 250... 450-kertainen niiden leikkauslujuuteen nähden. Tämä on huomattavasti suurempi kuin Tiehallinnon esittämä kerroin 100... 200 kalkkisementtipilarille. Sen sijaan rakenteesta otettujen kenttänäytteiden kohdalla E 50 120 τ f (kuva 5.15, näyte Kenttä 2). 5.1.5 Yhteenveto puristuskoetuloksista Stabiloituvuus riippuu stabiloitavan saven ominaisuuksista. Kahdelle laboratoriossa stabiloidulle savinäytteelle, Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1, määritetty sementin rajapitoisuus, jota suuremmilla sementtilisäyksillästabiloidun saven lujuus kasvaa ajan myötä, on noin C w =20kg/m 3. Tämä vastaa kummankin saven kohdalla vesi sementti-suhdetta W/C 30. Koekappaleen koko vaikuttaa puristuslujuuteen. Isojen koekappaleiden 81
E 50 -muodonmuutosmoduuli 1 28 d E 50 (kpa) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 Saavi 1 (I) Saavi 1 (P) Lempola 6, 7 & 8 (I) Lempola 6, 7 & 8 (P) Kenttä 1 (I) Kenttä 1 (P) Kenttä 2 30000 20000 10000 0 0 10 20 30 40 50 60 C w (kg/m 3 ) Kuva 5.14: Sementtimäärän C w vaikutus muodonmuutosmoduuliin E 50. Pystysuorat pisteryhmät kuvaavat kukin tietyllä sideainemäärällä stabiloitujen puristuskoekappaleiden sarjaa. Koekappaleiden lujittumisaika vaihtelee välillä 1 28 päivää. E 50 (kpa) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 E 50 -muodonmuutosmoduuli 1 28 d Laboratorionäytteet y = 146,51x R 2 = 0,7488 Kenttä 1 (I) y = 122,37x R 2 = 0,7007 Kenttä 2 y = 61,81x R 2 = 0,5619 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 q u (kpa) Saavi 1 (I) Saavi 1 (P) Lempola 6, 7 & 8 (I) Lempola 6, 7 & 8 (P) Kenttä 1 (I) Kenttä 1 (P) Kenttä 2 Laboratorionäytteet Kenttä 1 (I) Kenttä 2 Kuva 5.15: Puristuslujuuden q u ja muodonmuutosmoduulin E 50 suhde 1 28 päivän ikäisillä näytteillä. Trendiviivojen sovittamiseen ei ole otettu mukaan havaintoja E 50 > 90000 kpa. I viittaa isoihin kokappaleisiin ja P vastaavasti pieniin. 82
E 50 (kpa) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 Lab. (I) y = 204,77x R 2 = 0,9109 E 50 -muodonmuutosmoduuli 1 28 d Laboratorionäytteet y = 146,51x R 2 = 0,7488 Lab. (P) y = 135,4x R 2 = 0,7832 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 q u (kpa) Saavi 1 (I) Saavi 1 (P) Lempola 6, 7 & 8 (I) Lempola 6, 7 & 8 (P) Kenttä 1 (I) Kenttä 1 (P) Kenttä 2 Laboratorionäytteet Lab (P) Lab. (I) Kuva 5.16: Puristuslujuuden q u muodonmuutosmoduulin E 50 suhde 1 28 päivän ikäisillä näytteillä. Trendiviivojen sovittamiseen ei ole otettu mukaan havaintoja E 50 > 90000 kpa. I viittaa isoihin kokappaleisiin ja P vastaavasti pieniin. E 50 -muodonmuutosmoduuli 7 d E 50 (kpa) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 y = 158,18x R 2 = 0,8294 Saavi 1 (I) Saavi 1 (P) Lempola 6, 7 & 8 (I) Lempola 6, 7 & 8 (P) Kenttä 1 (I) Kenttä 1 (P) Lin. (trendi) 10000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 q u (kpa) Kuva 5.17: Puristuslujuuden q u ja muodonmuutosmoduulin E 50 suhde seitsemän päivän ikäisillä näytteillä. Trendiviivojen sovittamiseen ei ole otettu mukaan havaintoja E 50 > 90000 kpa. I viittaa isoihin kokappaleisiin ja P vastaavasti pieniin. 83
E 50 -muodonmuutosmoduuli 28 d E 50 (kpa) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 y = 154,5x R 2 = 0,8541 Saavi 1 (I) Saavi 1 (P) Lempola 6, 7 & 8 (P) Kenttä 1 (I) Kenttä 1(P) Kenttä 2 Laboratorionäytteet 20000 10000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 q u (kpa) Kuva 5.18: Puristuslujuuden q u ja muodonmuutosmoduulin E 50 suhde 28 päivä n ikäisillä näytteillä. I viittaa isoihin kokappaleisiin ja P vastaavasti pieniin. (d = 50 mm) puristuslujuus q u on keskimäärin noin 70 % pienten koekappaleiden (d = 20 mm) puristuslujuudesta. Puristuskoetulosten perusteella nyt tutkituista stabiloiduista savista kaikki täyttävät Ympäristöoppaan 36 mineraaliselle tiivistysrakenteelle annetun leikkauslujuusvaatimuksen 50 kn/m 2, kun ne stabiloidaan sementtimäärällä C w 35 kg/m 3. Määrässä on otettu huomioon koekappaleen koon vaikutus puristuskoetuloksiin niin, että lujuusvaatimus täyttyy tällä sementtimäärällä myös käytettäessä isoja (d = 50 mm) koekappaleita. Työmaalla stabiloinnin jälki on epätasaisempaa kuin laboratorio-olosuhteissa. Työmaalla stabiloitu savi on rakenteeltaan epähomogeenista ja sen vesipitoisuus-, tiheys- ja lujuusominaisuudet vaihtelevat laboratoriossa stabiloituja näytteitä enemmän. Tässä tutkimuksessa kentällä stabiloitujen savien puristuslujuudet olivat kahta poikkeusta lukuun ottamatta huomattavasti vastaavien laboratoriossa stabiloitujen näytteiden lujuuksia suuremmat. Tämä johtuu mm. kentällä stabiloitujen savien pienemmistä vesipitoisuuksista ja suuremmista tiheyksistä. Kentällä stabiloitu savi tiivistyi laboratoriossa stabiloituja savia paremmin. Näytteen muodonmuutosmoduulin E 50 arvo alkaa nousta merkittävästi sekä ajan että lisättävän sementtimäärän myötä, kun stabiloinnissa saveen lisättä- 84
vä sementtimäärä on yli 20...25 kg/m 3. Absoluuttisesti suurimmat muodonmuutosmoduulin arvot määritettiin isojen koekappaleiden puristuskoetuloksista (d =50mm). Muodonmuutosmoduuli puristuslujuus-tulosten hajonta on suurta etenkin pienilläkoekappaleilla (d =20mm). Puristuskoetuloksista määritetyn muodonmuutosmoduulin E 50 suhde leikkauslujuuteen s p on noin 250...450 laboratoriossa stabiloiduille näytteille (kaava 5.2). Stabiloidusta rakenteesta otetuille näytteille (Kenttä 2) E 50 /s p on noin 120 (kaava 5.3), mikä vastaa hyvin Tiehallinnon syvästabiloinnin suunnitteluohjeen arviota, jossa kalkkisementtipilarin muodonmuutosmoduulin oletetaan olevan 100 200-kertainen pilarin leikkauslujuuteen nähden (kaava 5.4) (Tiehallinto 2001). E 50 = 250...450 τ f (5.2) E 50 = 120 τ f (5.3) E 50 = 100...200 τ f (5.4) 85
5.2 Vedenläpäisevyys 5.2.1 Ödometrikokeet Näytteiden vedenläpäisevyyttä tutkittiin sekä joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla että ödometrikokeen yhteydessä. Ödometrikokeita tehtiin määrällisesti enemmän kuin vedenläpäiseyvyysmäärityksiä joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla ödometrikokeen lyhyemmän keston takia. Kaikissa kokeissa pyrittiin käyttämään samaa ödometrilaitetta. Ödometrikokeet on listattu taulukkoon 5.4. Tämän diplomityön puitteissa tehtyjen kokeiden lisäksi käytössäoli Lempolan työmaan ulkopuolisena laadunvalvojana toimineen Sito Oy:n teettämien ödometrikokeiden tuloksia. Näitä olivat näytteen Lempola 6, 7 & 8 alkuperäissavien, näytteiden 6, 7 ja 8, kunkin erikseen määritetyt vedenläpäisevyydet sekäosa kenttänäytteistä( Rakenteesta sekä Märkä ). Näytteet Rakenteesta ja Märkä ovat näytteen Kenttä 1 tapaan häirittyjänäytteitätyömaalla stabiloiduista savista. Näyte Rakenteesta oli savesta, joka oli levitetty osaksi kaatopaikan tiivistysrakennetta. Näyte Märkä otettiin stabilointiaumasta, jonka saven vesipitoisuus vaikutti korkealta. Ödometrikokeet pyrittiin ajoittamaan niin, että niistä saadut vedenläpäisevyystulokset ovat vertailukelpoisia joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteella määritettyjen vedenläpäisevyyksien kanssa. Ödometrikokeet aloitettiin 28 päivää näytteiden stabiloinnin jäkeen. Ajan vaikutusta stabiloidun näytteen vedenläpäisevyyteen tutkittiin määrittämällä kahden näytteen vedenläpäisevyys sekäseitsemän että28 päivä n ikäisenä. Stabiloimattomien näytteiden osalta näytteen säilytysajalla ei katsottu olevan merkitystä näytteen vedenläpäisevyyteen. Laboratoriossa stabiloidut ödometrinäytteet säilytettiin veden alla. Työmaalla stabiloitujen kenttänäytteiden osalta ödometrikokeissa noudatettiin kohteen ulkopuolisen laadunvalvojan toimeksiantoja ja kokeet aloitettiin heti näytteenotosta seuraavana päivänä. Rakenteesta putkinäyteenottimella otetun näytteen Kenttä 2 ödometrikoe aloitettiin, kun saven stabiloinnista oli kulunut vähintään 28 päivää. Kaikkien ödometrinäytteiden säilytysajat on merkitty taulukkoon 5.4. Stabiloidun näytteen Saavi 1 ödometrikokeissa vedenläpäisevyys on mitattu kaikissa kokeissa kuormitusportailla 30,8; 61,7; 123; 246 sekä 492 kpa. Samoja kuormitusportaita käytettiin myös Kenttä 2 -näytteen ödometrikokeessa. Stabiloimattomien Saavi 1 -näytteiden vedenläpäisevyys määritettiin toisessa kokeessa myös portaalla 15,4 ja toista koetta pidennettiin kuormitusportaille 86
492 ja 984 kpa. Kenttä1 -näytteiden sekänäytteen Lempola 6, 7& 8 kohdalla on käytetty muita kuormitusportaita. Vedenläpäisevyys määritettiin kullakin kuormitusportaalla Taylorin aika painuma-kuvaajan mukaisen primaarisen konsolidaatiopainuman päättymisen jälkeen. Ödometrikokeet toteutettiin pääosin kesällä ja syksyllä vuonna 2007. Kolme ödometrikoetta tehtiin vuotta myöhemmin kesällä 2008. Tuolloin toistettiin kaksi osin epäonnistunutta koetta näytteelle Saavi 1 (stabiloimaton ja C w =52,7 kg/m 3 ) sekämääritettiin stabiloimattoman näytteen Lempola 6, 7 & 8 vedenläpäisevyys ja painumaominaisuudet. Näytteitä säilytettiin talven yli kylmähuoneessa (T = 6 C) muovin alla. Ennen koekappaleiden valmistamista näytteet häirittiin sekoittamalla savi säilytysastiassa. Taulukko 5.4: Ödometrilaitteella määritetyt vedenläpäisevyydet Lempolan saville Sideainepitoisuus Sideainemäärä Säilytysaika A w % kg/m 3 Lempola 6, 7 &8 L 5 38,2 7d L 4 30,6 7d L, stabiloimaton ei säilytystä stabiloimaton 6 ei säilytystä stabiloimaton 7 ei säilytystä stabiloimaton 8 ei säilytystä Saavi 1 S1 5 52,7 28 d S1 4 42,2 7dja 28 d S1 3 31,6 28 d S1 2 21,1 7dja 28 d S1, stabiloimaton ei säilytystä S1, stabiloimaton ei säilytystä Kenttä 1 30 1d Rakenteesta 30 4d Märkä 30 1d Kenttä 2 30 >30 d C w 87
5.2.2 Joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto Joustavaseinäiselllä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritettiin yhteensä viiden koekappeleen vedenläpäisevyys: neljä Saavi 1 -näytettä stabiloituna sementtimäärillä (C w ) 52,7; 42,2; 31,6 ja 21,1 kg/m 3 sekä yksi Kenttä 1 -näyte (C w 30 kg/m 3 ). Käytettävissä oli yksi selli, joten kolmen viikon pituisia kokeita voitiin tehdävain hyvin rajallinen määrä. Täydelliset koeraportit kustakin kokeesta ovat liitteessä5. Koska joustavaseinäinen vedenläpäisevyyslaitteisto otettiin käyttöön vasta tämän diplomityön yhteydessä, teetettiin sideainemäärällä 31,6 kg/m 3 stabiloidusta näytteestäsaavi 1 rinnakkaiskoe Ramboll Finland Oy:n laboratoriossa Luopioisissa. Rinnakkaiskokeen tulokset ovat myös liitteessä5. Näytteen vedenläpäisevyysarvo k määritettiin koekappaleeseen virranneen veden määrästä (menovesi) kolmeviikkoisen kokeen neljän viimeisen päivän mittaustulosten keskiarvona. Viimeisissä mittaustuloksissa tapahtuneita suuria poikkeamia ei ole otettu huomioon keskiarvon laskennassa. Viimeisessä mittausvaiheessa käytetyt selli-, etu- ja takapaine olivat 210, 170 ja 140 kpa. Tehokas sellipaine oli 55 kpa ja hydraulinen gradientti i välillä 30...37, riippuen koekappaleen korkeudesta. Näytteiden tilavuudet, massat ja vesipitoisuudet on määritetty sekä ennen koetta että kokeen jälkeen. Ennen koetta määritetty vesipitoisuus on koekappaleen muotoilussa yli jääneestä massasta määritetty vesipitoisuus. Kuivairtotiheys on määritetty vesipitoisuuden ja koekappaleen tiheyden avulla kaavalla 5.5. ρ d = ρ 1+w (5.5) ρ d on kuivairtotiheys [kg/m 3 ] ρ tiheys [kg/m 3 ] w vesipitoisuus [-] 5.2.3 Sementtimäärän vaikutus saven vedenläpäisevyyteen Näytteiden vedenläpäisevyydet irtotiheyden suhteen on esitetty erikseen näytteille Saavi 1 ja Lempola 6, 7 & 8 kuvissa 5.19 ja 5.20. Pelkät joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteella määritetyt tulokset on koottu kuvaan 5.21 ja ödometritulokset kuvaan 5.22. Kenttänäytteiden tulokset käsitellään kappaleessa 5.2.7. Näytteiden nimissäoleva tunnus J viittaa joustavaseinäiseen 88
vedenläpäisevyyslaitteistoon ja tähti ( ) vuoden 2008 puolella tehtyihin kokeisiin. Näytteiden Saavi 1 ja Lempola 6, 7 & 8 stabilointi pienillä sementtimäärillä ei vaikuta juurikaan näytteiden vedenläpäisevyysarvoihin (kuvat 5.19 ja 5.20. Lähes kaikkien Lempolasta otettujen näytteiden Saavi 1, Lempola 6, 7 & 8 sekä kenttänäytteiden määritetyt vedenläpäisevyydet ovat suuruusluokkaa k = 10 10...10 9 m/s (kuva 5.22). Poikkeuksen tekevät ödometrinäytte S1, 52,7 kg/m 3, jonka koetulos on todennäköisesti virheellinen, näyte K2, 30 d sekä laboratoriossa rakennettu joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla testattu näyte K1, 30 kg/m 3,J (kuva 5.21). Jos näytteet S1, stabiloimaton ja S1, stabiloimaton edustavat vedenläpäisevyyden luontaista hajontaa, niin stabiloitujen näytteiden vedenläpäisevyystulokset ovat pääosin tämän hajonnan rajoissa (kuva 5.19). Esimerkiksi kuivairtotiheydessä1,200 g/cm 3 (1200 kg/m 3 ) stabiloitujen näytteiden vedenläpäisevyydet ovat stabiloimattomien näytteiden vedenläpäisevyyksien välissä. Näytteen S1, stabiloimaton vedenläpäisevyyskäyrän muoto poikkeaa merkittävästi muiden näytteiden kuvaajista ja tulokset ovat huonosti sovitettavissa sekä Taylorin että HUT:in vedenläpäisevyysmalleihin (ks. kuvat 5.23 ja 5.24) (Ravaska & Aalto 2003). Jos näytteen tulokset tulkitaan epäluotettaviksi, ovat stabiloitujen näytteiden vedenläpäisevyydet hieman stabiloitujen näytteiden vedenläpäisevyyksiä suuremmat tarkasteltavassa kuivairtotiheydessä. Tämä toteutuu sekä näytteellä Saavi 1 (kuva 5.19) että näytteellä Lempola 6, 7 &8(kuva 5.20). Ödometri ei anna luotettavia tuloksia vedenläpäisevyydestä, kun näytteen stabiloinnissa käytetty sideainemäärä on yli 30 kg/m 3 ja näytettä säilytetään renkaassa 28 päivän ajan ennen koetta. Tähän viittaa sementtimäärällä C w = 52,7 kg/m 3 stabiloitu Saavi 1 -näyte, jonka vedenläpäisevyys on joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteella määritettynä merkittävästi pienempi kuin missään vaiheessa ödometrikoetta (kuva 5.19). Vaikka näytteen tiheys kasvaa ödometrikokeen aikana, sen vedenläpäisevyysarvo jää suuremmaksi kuin Lempolan pohjarakenteelle asetettu vaatimus k 6 10 10 m/s. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla saman näytteen vedenläpäisevyys on k = 3, 7 10 10 m/s. On todennäköistä, että ödometrikokeessa vesi kulkee näytteen ja ödometrirenkaan välistä. Kuten ödometrikokeen vedenläpäisevyystuloksiin, myös joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritettyihin vedenläpäisevyyksiin sementtimäärän vaikutus on ollut vähäinen (kuva 5.21. Toisin kuin ödometrituloksissa, sementtimäärällä C w = 52,7 kg/m 3 stabiloidun näytteen Saavi 1 vedenläpäisevyysarvo on pienin joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetyistä vedenläpäisevyyksistä (k = 3, 7 10 10 m/s). Laboratoriossa stabiloi- 89
duista näytteistä suurin vedenläpäisevyys on näytteellä S1, 31,6 kg/m 3, J, jonka vedenläpäisevyysarvo on k = 6, 3 10 10 m/s). Laitteistolla ei testattu stabiloimattoman näytteen vedenläpäsevyyttä, koska häiritystä savesta tehdyn koekappaleen ei uskottu pysyvän kasassa niin, ettävedenläpäisevyys olisi voitu kappaleesta määrittää. Kuvasta 5.19 voidaan havaita, ettälaboratoriossa stabiloiduille näytteille joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetty vedenläpäisevyysarvo k on pienempi kuin ödometrilaitteistolla mitattu k vastaavassa kuivairtotiheydessä. Tosin, koekappaleiden tiheyksien määrittäminen joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla koestetuista näytteistä on paljon likimääräisempää kuin ödometrinäytteistä. Yleisesti ottaen eri sementtimäärillä stabiloitujen näytteiden vedenläpäisevyydet poikkeavat toisistaan sekäödometrituloksissa ettäjoustavaseinäisellä laitteistolla määritetyissä tuloksissa niin vähän, että on mahdoton sanoa, johtuvatko erot näytteiden stabiloinnista vai näytekappaleiden epähomogeenisuuksista. Todennäköisesti näytekappaleisiin mahdollisesti jääneet ilmakuplat ovat vaikuttaneet tuloksiin enemmän kuin stabiloinnissa käytetyn sideainemäärät. Suurin ödometrikokeissa havaittava ero stabiloitujen ja stabiloimattomien näytteiden välillä on näytteiden kokoonpuristumisessa. Stabiloitujen näytteiden kuivairtotiheys muuttuu kokeen aikana vähemmän kuin stabiloimattomien näytteiden kuivairtotiheys. 5.2.4 Stabiloitujen savien soveltuvuus Lempolan eristysrakenteeseen Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla koestetuista neljästä laboratoriossa stabiloidusta näytteestä kolmen näytteen vedenläpäisevyysarvo on pienempi kuin Lempolan kaatopaikan pohjarakenteelle asetettu vaatimus k = 6, 0 10 10 m/s. Näytteen S1, 31,6 kg/m 3, J vedenläpäisevyysarvo (k = 6, 3 10 10 m/s) on vain hieman vaatimusta suurempi (kuva 5.21). Ödometritulosten tulkintaa häiritsee useissa kokeissa todennäköisesti näytteen ja ödometrirenkaan välistä virrannut vesi; useiden näytteiden vedenläpäisevyysarvot ovat liian suuria kokeen alussa. Vedenläpäisevyysvaatimus k = 6, 0 10 10 m/s täyttyy ödometrikokeessa stabiloidulla näytteelläsaavi 1, kun näytteen kuivairtotiheys ρ d on noin 1, 150 g/cm 3 (1150 kg/m 3 )ja pystyjännitys σ 1 noin 130 kpa. Stabiloidulla näytteellä Lempola 6, 7 & 8 ödometritulosten hajonta on suurempaa. Stabiloimaton näyte ( L, stabiloimaton ) täyttää vedenläpäisevyysvaatimuksen jo kuivairtotiheydessä 0, 700 g/cm 3 (700 kg/m 3 ), mutta sta- 90
Vedenläpäisevyys, Saavi 1 (S1) k (m/s) 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,000 S1, stabiloimaton S1*, stabiloimaton S1*, 52,7 kg/m3 S1, 42,2 kg/m3 S1, 31,6 kg/m3 S1, 21,1 kg/m3 S1, 52,7 kg/m3, J S1, 42,2 kg/m3, J S1, 31,6 kg/m3, J S1, 21,1 kg/m3, J 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 1,700 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) Kuva 5.19: Näytteen Saavi 1 vedenläpäisevyys. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetyt vedenläpäisevyydet on merkitty kirjaimella J. Tähdellä ( ) merkityt kokeet on tehty vuonna 2008. Vedenläpäisevyys, Lempola 6, 7 & 8 (L) 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 k (m/s) 0,600 0,700 L, 38,2 kg/m3, 7 d L, 30,6 kg/m3, 7 d L*, stabiloimaton stabiloimaton 6 stabiloimaton 7 stabiloimaton 8 0,800 0,900 1,000 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) Kuva 5.20: Näytteen Lempola 6, 7 & 8 vedenläpäisevyys. Tähdellä ( ) merkityt kokeet on tehty vuonna 2008. 91
biloiduista näytteistä ensimmäinen vasta kuivairtotiheydessä 0, 875 g/cm 3 (875 kg/m 3 ) ja toinen, kun ρ d 1, 010 g/cm 3 (1010 kg/m 3 ). Sementtimäärillä 50 kg/m 3 stabiloitu savi täyttää asetetun vedenläpäisevyysvaatimuksen, mikäli sama savi täyttää vaatimuksen stabiloimattomana ja stabiloitu savi pystytään tiivistämään tarvittavaan kuivairtotiheyteen. Tiivistämiseen vaikuttaa saven plastisuus. Jos savi on plastista, sitä on vaikea tiivistää. Jos savi on lähellä kiinteää konsistenssia (w/w p 1), sen tiivistäminen helpottuu. Näytteen Saavi 1 konsistenssi muuttuu lähelle kiinteää, kun näyte stabiloidaan sementtimäärällä 40 kg/m 3 (ks. 5.3 kuva 5.31). Näytteen Lempola 6, 7 & 8 konsistenssi ei muuttunut lähelle kiinteää käytetyillä sideainemäärillä. Stabiloidun pohjarakenteen mallintamisen kannalta laboratoriossa stabiloitujen näytteiden ödometrikokeet on tehty väärällä aikataululla. Stabiloidun saven rakenne rikotaan ja savi tiivistetään työmaalla pohjarakenteeksi 1... 3 päivän kuluttua saven stabiloinnista. Ödometrikokeissa näytteen tiivistys on aloitettu vasta 28 päivää stabiloinnin jälkeen. Jotta koe vastaisi paremmin rakentamista, tulisi se aloittaa stabiloiduilla näytteillä aikaisemmin ja lähempänä stabiloinnin ajankohtaa. Kenttänäytteiden kohdalla kokeiden aikataulutus on vastannut työmaaolosuhteita paremmin. Vedenläpäisevyys, Saavi 1 (S1) ja Kenttä 1 (K1) 1,00E-10 1,00E-09 1,00E-08 k (m/s) 1,000 S1, 52,7 kg/m3, J S1, 42,2 kg/m3, J 1,050 S1, 31,6 kg/m3, J S1, 21,1 kg/m3, J K1, 30 kg/m3, J 1,100 1,150 1,200 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) 1,250 1,300 Kuva 5.21: Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetyt vedenläpäisevyydet. Harmaiden pisteiden kuivairtotiheydet on määritetty vedenläpäisevyyskokeen jälkeisistämittaustuloksista, valkoisten pisteiden kuivairtotiheyden on laskettu mittaustuloksista ennen koetta. 92
Vedenläpäisevyys, ödometritulokset k (m/s) 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 0,700 0,800 0,900 1,000 1,100 1,200 1,300 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) 1,400 1,500 1,600 1,700 L, 38,2 kg/m3, 7 d L, 30,6 kg/m3, 7 d L*, stabiloimaton L, stabiloimaton 6 L, stabiloimaton 7 L, stabiloimaton 8 K1, 1 d Märkä, 1 d Rakenteesta, 4 d K2, >30 d S1, stabiloimaton S1*, stabiloimaton S1*, 52,7 kg/m3, 28d S1, 42,2 kg/m3, 28 d S1, 31,6 kg/m3, 28d S1, 21,1 kg/m3, 28d Kuva 5.22: Näytteiden Saavi 1, Lempola 6, 7 & 8 sekä kenttänäytteiden ödometrilaitteella määritetyt vedenläpäisevyydet samassa kuvaajassa 93
5.2.5 Ödometrilaitteistolla määritettyjen vedenläpäisevyystulosten sovitus Taylorin ja HUT:n vedenläpäisevyysmalleihin Näytteen Saavi 1 ödometritulokset on sovitettu sekä Taylorin vedenläpäisevyysmalliin että HUT-malliin (kuvat 5.23 ja 5.24). Sovitusten korrelaatiokertoimet (R 2 ) sekä laskennalliset luonnontilaiset vedenläpäisevyydet (k 0 ), kun näyte ei ole vielä konsolidoitunut, on esitetty taulukossa 5.5. Useimpien sovitusten laskennassa on jätetty huomioimatta ensimmäisen kuormitusportaan vedenläpäisevyystulokset, koska vettä on virrannut näytteen ja ödometrirenkaan välistä. Stabiloitujen näytteiden osalta korrelaatiokertoimet ovat paremmat Taylorin mallissa kuin HUT-mallissa. Stabiloimattomallenäytteelle S1, stabiloimaton HUT-mallin korrelaatiokerroin on suurempi kuin Taylorin mallin. Taulukko 5.5: Näytteen Saavi 1 luonnontilaiset vedenläpäisevyyskertoimet (k 0 ) ja korrelaatiokertoimet (R 2 ) Taylorin kuva 5.23) ja HUT:n vedenläpäisevyysmallien mukaan (kuva 5.24) Taylorin malli HUT-malli k 0 R 2 k 0 R 2 10 10 m/s - 10 10 m/s - S1, stabiloimaton 6,85 0,9851 5,53 0,9887 S1, stabiloimaton 7,85 0,9655 S1, 52,7 kg/m 3 S1, 42,2 kg/m 3 7,36 0,9937 7,30 0,9922 S1, 31,6 kg/m 3 8,80 0,9907 8,53 0,9874 S1, 21,1 kg/m 3 10,58 0,9999 10,02 0,9997 5.2.6 Ajan vaikutus stabiloidun näytteen vedenläpäisevyyteen Sideainemäärillä C w = 42, 2 kg/m 3 ja C w = 21, 1 kg/m 3 stabiloidun saven Saavi 1 vedenläpäisevyys määritettiin ödometrikokeella sekä 7 että 28 päivän ikäisille näytteille (kuva 5.25). Kaikissa neljässä kokeessa käytettiin samoja kuormitusportaita. Pienen koemäärän perusteella säilytysajan vaikutusta vedenläpäisevyyteen on vaikea arvioida. Sideainemäärällä C w = 21, 1 kg/m 3 7päivännäytteen vedenläpäisevyys ensimmäisillä kuormitusportailla on pienempi kuin 28 päivä nnäyt- teen vedenläpäisevyys. Kokeen viimeisilläkuormitusportailla, 246 ja 492 kpa, 94
Taylorin malli: = A * ln k + B, Saavi 1 (S1) k (m/s) 1,00E-11 1,00E-10 1,00E-09 1,00E-08 0 S1, stabiloimaton S1*, stabiloimaton S1*, 52,7 kg/m3 S1, 42,2 kg/m3 S1, 31,6 kg/m3 S1, 21,1 kg/m3 5 10 15 20 25 30 35 Suhteellinen kokoonpuristuvuus (%) 40 Kuva 5.23: Näytteen Saavi 1 ödometritulosten sovitus Taylorin vedenläpäisevyysmalliin HUT-malli: k = k 0 *(1- ), Saavi 1 (S1) k (10-10 m/s) 16 14 12 10 8 6 S1, stabiloimaton S1*, stabiloimaton S1, 42,2 kg/m3 S1, 31,6 kg/m3 S1, 21,1 kg/m3 4 2 0 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Suhteellinen kokoonpuristuvuus 1- (-) Kuva 5.24: Näytteen Saavi 1 ödometritulosten sovitus HUTvedenläpäisevyysmalliin 95
näytteiden vedenläpäisevyydet ovat likimain yhtäsuuret, vaikka 7 päivä nnäy- te on painunut enemmän ja sen kuivairtotiheys on 28 päivä nnäytettäsuurem- pi. Sideainemäärällä C w = 42, 2 kg/m 3 7päivännäyte painuu kokeen aikana kasaan niin ikään enemmän kuin 28 päivän näyte, mutta 28 päivän näytteen vedenläpäisevyys on koko kokeen ajan pienempi kuin 7 päivä nnäytteen. Mikäli sementtiä on näytteessä riittävästi, ajalla voi olla vedenläpäisevyyttä pienentävä vaikutus. Syy on sementin reagoidessa syntyvissä stabiloitua massaa kovettavissa reaktiotuotteissa, jotka täyttävät stabiloidun maan huokostilaa ja hidastavat veden virtausta stabiloidun massan läpi. Mikäli sementtiä ei ole riittävästi stabiloidussa massassa, syntyneiden reaktiotuotteiden määrä muuttuu ajan myötävain vähän, eikä vaikutusta massan vedenläpäisevyyteen havaita. Tehtyjä päätelmiä ja havaintoja tukee tutkimusryhmän Chew et al. (2004) koetulokset. Chew et al. tutkivat singaporelaisen merellisen saven vedenläpäisevyyttä ödometrilaitteistolla. Stabiloidun saven vedenläpäisevyys ja huokoisuus kasvoivat verrattuna saven alkutilaan. Stabiloiduista näytteistä7 päivän ikäisten näytteiden vedenläpäisevyys oli suurempi kuin 28 päivä n ikäisten näytteiden. Toisaalta, Hassanin et al. (2007) tekemissä vastaavissa vedenläpäisevyysmäärityksissä säilytysajan vaikutus ei ollut yksiselitteinen, vaan 7 päivää vanhan näytteen vedenläpäisevyys oli toisinaan suurempi ja toisinaan pienempi kuin 28 päivää vanhan vedenläpäisevyys, riippuen kuormitusportaasta. Ajan (1... 28 päivään) vaikutus stabiloidun saven vedenläpäisevyysarvoihin jää käytetyillä sideainemäärillä hyvin pieneksi. Ödometrikokeessa ajan vaikutus näkyy pikemminkin näytteen kokoonpuristuvuudessa kuin määritetyissä vedenläpäisevyyksissä 28 päivän näytteillä saavutetaan suurin piirten samat vedenläpäisevyydet kuin 7 päivän näytteillä, mutta 7 päivän näytteet puristuvat enemmän kasaan kuin 28 päivän näytteet. Sideainemäärillä 20 kg/m 3 ajan vaikutus kokoonpuristuvuuteenkin jää todennäköisesti merkityksettömäksi, koska lujuudenkehitystäkään ei havaita tätä pienemmilläsideainemäärillä. Vedenläpäisevyyden määrittämisen kannalta stabiloidun saven ödometrikoe on parempi aloittaa vain muutamia päiviä stabiloinnin jälkeen. Mikäli näyte kovettuu renkaassa useita päiviä, näytteen muodonmuutokset ödometrikokeessa jäävät pieniksi ja ödometrirenkaan ja näytteen väliin mahdollisesti jääneet vettä johtavat kanavat eivät umpeudu. Kanavia pitkin virtaava vesi vääristää ödometrikokeen tuloksia antaen näytteen vedenläpäisevyysarvoksi k liian suuria lukemia. 96
Vedenläpäisevyys, Saavi 1 (S1) 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 k (m/s) 1,000 S1, 42,2 kg/m3, 28 d S1, 42,2 kg/m3, 7 d S1, 21,1 kg/m3, 28 d 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) S1, 21,1 kg/m3, 7 d 1,600 Kuva 5.25: Ajan vaikutus stabiloidun näytteen Saavi 1 ödometrituloksiin 5.2.7 Kenttänäytteiden vedenläpäisevyys Joustavaseinäisellä laitteistolla määritetty vedenläpäisevyysarvo k on kenttänäytteiden kohdalla jopa yli kymmenkertainen verrattuna ödometrillä määritettyyn vedenläpäisevyyteen (kuva 5.26). Ödometrinäyte K1, 1 d ja joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla koestettu näyte K1, 28 d, J on rakennettu samasta näyte-erästä. Eroja näytekappaleiden tiheyksissä ja vedenläpäisevyyksissä ei selitä näytteiden ikäero, vaan erilaiset tulokset johtuvat näytteiden rakenteellisista eroista. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla koestettujen näytekappaleiden koko on moninkertainen ödometrinäytteisiin verrattuna. Laitteistolla koestettu kenttänäyte rakennettiin laboratoriossa Lempolan työmaalla stabiloidusta savesta. Näytteen rakentamisessa kiinnitettiin erityistä huomiota valmiin näytekappaleen edustavuuteen ja kappaleeseen pyrittiin tiivistämään oikeissa suhteissa sekä pehmeäksi jäänyttä ettäkovettunutta ja murentunutta savea. Pieneen ödometrirenkaaseen on todennäköisesti sullottu kentällä stabiloidusta näytteestä suhteellisen homogeenista materiaalia, joka on ollut kauttaaltaan myös pehmeää ja helposti renkaaseen muotoiltavaa. Käytetystä ödometrilaitteesta riippuen rakeisen maa-aineksen saaminen ödometrirenkaaseen voi osoittautua jopa mahdottomaksi. Joustavaseinäiseen laitteistoon rakennetun näytekappaleen kuivairtotiheys on 97
suurempi, kuin mihin vastaava ödometrinäyte tiivistyy ödometrikokeen aikana. Tästä huolimatta joustavaiseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla testatun koekappaleen vedenläpäisevyys k on yli kymmenkertainen ödometrinäytteeseen verrattuna. Silmämääräisen tarkastelun perusteella syy on selväja suuri vedenläpäisevyys johtuu joustavaseinäisella laitteistolla testatun koekappaleen epähomogeenisesta rakenteesta. Ödometrinäyte K2, 30 d on putkinäytteenottimella suoraan pohjarakenteesta otettu näyte. Näytteen perusteella on kuitenkin mahdotonta vetää johtopäätöksiä koko Lempolan kaatopaikan pohjarakenteen vedenläpäisevyydestä. Kenttä 2 -ödometrinäytteen tiheys, noin 1940 kg/m 3, on poikkeuksellisen suuri; Kenttä2 -puristuskoenäytteidenkin keskitiheys on vain noin 1770 kg/m 3. Lisäksi kokeessa on virrannut vettä näytteen ohi, mutta ohivirtaus on voinut tapahtua näytteen ja ödometrirenkaan välistä ja/tai näytekappaleessa olevia halkeamia pitkin. Kenttänäytteet osoittavat, ettätiivistystyön onnistuminen ei yksin takaa alhaisen vedenläpäisevyyden saavuttamista. Vaikka stabiloidulla savella olisi suuri (kuivairto)tiheys, saven vedenläpäisevyysarvo voi olla 10 10 9 m/s, jos massa on epähomogeenista. Lempolan kaatopaikan pohjarakenteen vedenläpäisevyyttä tulisi tutkia joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla suo- Vedenläpäisevyys, Kenttä 1 ja 2 (K1 ja K2) k (m/s) 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 0,900 K1, 1 d Märkä, 1 d 1,000 Rakenteesta, 4 d K2, >30 d 1,100 K1, 28 d, J 1,200 1,300 1,400 1,500 Kuivairtotiheys, d (g/cm 3 ) 1,600 1,700 Kuva 5.26: Kenttänäytteiden vedenläpäisevyys. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetyt vedenläpäisevyydet on merkitty kirjaimella J. 98
raan rakenteesta otetuista näytteistä, jotta tuloksissa näkyisi massan epähomogeenisuuden vaikutus ja kentällä saavutettu rakenteen tiheys. 5.2.8 Muut ödometrikokeessa määritettävät ominaisuudet Näytteen Saavi 1 ödometrikokeista määritetty jännitys tilavuudenmuutoskäyttäytyminen on esitetty kuvassa 5.27. Ylikonsolidoituneella osalla havaitaan stabiloinnin vaikutus saven huokoslukuun e, joka on stabiloidulla savella pienempi kuin stabiloimattomalla savella, koska sementin ja veden muodostamat reaktiotuotteet alkavat täyttää maan huokostilaa. (Hassan & Ravaska 2009) Sideainelisäyksen ohella myös saven pitkäaikainen säilyttäminen pienentää saven huokoslukua: näytteen S1, stabiloimaton huokosluku on pienempi kuin vuotta aikaisemmin koestetun näytteen S1, stabiloimaton huokosluku. Näyte on konsolidoitunut säilytyksen aikana. Koska stabilointi vaikuttaa saven lujuuteen, ovat myös stabiloidun saven tilavuudenmuutosominaisuudet erilaiset kuin stabiloimattoman saven. Myötöjännitys σ y on jännitys tilavuudenmuutos-käyrän lineaaristen alku- ja loppuosien suorien leikkauspiste. Myötöjännitys kasvaa sideainemäärän lisäämisen myötä. Jännitys tilavuudenmuutos-käyrän alkuosan (ylikonsolidoituneen osan) kaltevuutta kuvaa kokoonpuristuvuusparametri κ ja loppuosan (normaalikonsolidoituneen osan) kaltevuutta parametri λ. Hassan et al. (2007, 2009) arvioivat, ettästabiloinnissa käytettävän sideainemäärän kasvaessa κ pienenee ja λ suurenee hivenen. Kuvan 5.27 käyristäkäy ilmi parametrin κ pieneneminen, mutta λ vaikuttaa sideainemäärillä C w =21, 1 kg/m 3 ja C w =31, 6 kg/m 3 stabiloidulla savella olevan suurempi kuin stabiloimattomalla savella. Parametrin λ arvon kehitystäon vaikea arvioida suuremmilla sideainemäärillä stabiloiduista näytteistä, koska koetta ei ole jatkettu pidemmälle normaalikonsolidoituneelle alueelle. 5.2.9 Yhteenveto vedenläpäisevyyskokeista Saven stabilointi pienilläsementtimäärillä ( 50kg/m 3 ) ei laboratorio-oloissa, joissa stabiloitu massa pystytään sekoittamaan homogeeniseksi, vaikuta merkittävästi stabiloitavan saven vedenläpäisevyyskertoimeen k. Stabiloinnista kuluneen ajan (7...28 vuorokautta) vaikutus näytteen vedenläpäisevyyteen on niin ikään lähes olematon. Joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla määritetyt vedenläpäisevyysarvot olivat pienempiä kuin ödometrillä määritetyt vedenläpäisevyydet vas- 99
Jännitys tilavuudenmuutos, Saavi 1 Jännitys 1 1 10 (kpa) 100 1000 1,7 1,6 1,5 1,4 Huokosluku e 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 S1, stabiloimaton S1*, stabiloimaton S1, Cw = 21,1 kg/m3 S1, Cw = 31,6 kg/m3 S1, Cw = 42,2 kg/m3 S1*, Cw = 52,7 kg/m3 Kuva 5.27: Näytteen Saavi 1 jännitys tilavuudenmuutos-kuvaajat. taavassa näytteen tiheydessä. Useiden ödometrinäytteiden kohdalla vesi kulkee todennäköisesti ödometrirenkaan ja näytteen välistä, jolloin ödometrilaitteistolla määritetty vedenläpäisevyys on liian suuri. Näytteen pitkä säilytysaika renkaassa ennen koetta vaikuttanee ohi virranneen veden määrään. Koska säilytysajalla ei ole ainakaan pienten sementtimäärien kohdalla juurikaan merkitystä stabiloidun näytteen vedenläpäisevyyteen, tulisi stabiloidun näytteen vedenläpäisevyysmääritys aloittaa ödometrilaitteistolla mahdollisimman pian näytteen stabiloinnin jälkeen. Stabiloidun saven vedenläpäisevyyteen vaikuttavat ratkaisevasti näytteen rakenne ja homogeenisuus. Vaikka kenttänäytteiden tiheydet olivat suurempia kuin vastaavilla sementtimäärillä stabiloitujen laboratorionäytteiden tiheydet, joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaittestolla määritetyn kenttänäytteestärakennetun koekappaleen vedenläpäisevyyskerroin k oli moninkertainen labora- 100
toriossa stabiloituihin näytteisiin verrattuna. Kenttänäytteen huokosluku e oli merkittävästi pienempi kuin laboratorionäytteiden. Saven stabiloimisella laboratoriossa tässä tutkimuksessa käytetyillä menetelmillä ei pystytä arvioimaan massastabiloidusta savesta tehdyn rakenteen vedenläpäisevyyttä. Rakenteen vedenläpäisevyyden tutkimiseen tarvitaan suoraan rakenteesta otettuja näytteitä, joiden vedenläpäisevyyskerroin voidaan määrittää joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla. Stabilointi muuttaa saven tiivistymistä ja painumaominaisuuksia. Saven stabilointiin käytetyn sementtimäärän kasvamisen myötä sekä saven huokoisuus ettämyötöjännitys kasvavat. Ödometrikokeessa ylikonsolidoituneen osan tilavuudenmuutosta kuvaavan parametrin κ arvo pienenee sementtimäärän kasvaessa. 101
5.3 Plastisuus 5.3.1 Sementtipitoisuus Kun savi stabiloidaan, sen olomuoto muuttuu kiinteämmäksi ja samalla plastisuusraja nousee. Kuvassa 5.28 on esitetty pienten sementtilisäysten vaikutus savien Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 plastisuusrajoihin. Kuvassa on esitetty sekä yksittäisten kokeiden tulokset ettäniiden perusteella määritetyt keskiarvokäyrät. Näytteen Saavi 1 plastisuusraja määritettiin kuudessa eri sideainepitoisuudessa ja näytteen Lempola 6, 7& 8 viidessä. Plastisuusrajan määritys tehtiin noin 3 7 tuntia näytteen stabiloinnin jälkeen, kun stabiloitu massa oli kuivunut riittävästi plastisuusrajan määrittämiseksi. Jo hyvin pienet sementtimäärät vaikuttavat saven olomuotoon. Ilmeisesti vaikutus on sitävoimakkaampi, mitäsuurempi vesipitoisuus stabiloitavalla savella on. Kuvassa 5.28 saven Lempola 6, 7 & 8 (w 0 = 95 %) plastisuusraja nousee enemmän, kuin saven Saavi 1 (w 0 = 58 %). Myös Hassanin et al. (2008) saamat tulokset tukevat tätä päätelmää vesipitoisuuden ja plastisuusrajan kasvun välisestä yhteydestä(kuva 5.29). Hänen tutkimiensa savien vesipitoisuudet olivat: Clay 1 74 76 %, Clay 263%ja Clay 3 (lieju) 210 %. 60 Kieritys- eli plastisuusraja w p 50 40 w p (%) 30 20 SAAVI 1 SAAVI 1, ka 10 Lempola 6, 7 & 8 Lempola 6, 7 & 8, ka 0 0 10 20 30 40 50 60 Sementtimäärä, C w (kg/m 3 ) Kuva 5.28: Stabiloinnin vaikutus plastisuusrajaan w p. Ympyröidyt pisteet on tulkittu virheellisiksi mittaustuloksiksi ja jätetty poiskeskiarvoja laskettaessa. 102
150 Clay 1 (I) Clay 1 (1d) Clay 1 (7d) Clay 2 (I) Clay 2 (1d) Clay 2 (7d) Clay 3 (I) Clay 3 (1d) Clay 3(7d) 125 Plastic Limits (%) 100 75 50 25 0 0 25 50 75 100 125 150 C w (kg/m3) Kuva 5.29: Stabiloinnin vaikutus plastisuusrajaan w p Hassanin et al. (2008) mukaan. 5.3.2 Kieritysraja ja puristuslujuus Kieritysrajan ja puristuslujuuden välistä yhteyttä on käsitelty useissa tutkimuksissa. Kuvassa 5.30 Lempolan savien 1 d -puristuslujuus on esitetty saven plastisuusrajan w p suhteen. Savien Lempola 6, 7 & 8 ja Saavi 1 välillä on huomattava ero, eikä plastisuusrajan perusteella pystytä päättelemään, kuinka suuri saven puristuslujuus on. Kuvassa 5.31 plastisuusraja on normalisoitu niin, ettävaaka-akselilla on saven vesipitoisuuden ja plastisuusrajan suhde. Käytetty vesipitoisuus on seitsemän päivän ikäisistä koekappaleista puristuskokeen jälkeen mitattu vesipitoisuus. Kun vesipitoisuuden ja plastisuusrajan suhde on yksi, on stabiloidun näytteen vesipitoisuus plastisuusrajalla. Jos suhde w/w p on alle yksi, on sementtiä lisätty saveen niin paljon, että stabiloidun saven konsistenssi on muuttunut kiinteäksi. Åhnberg (2006) viittaa Woodin (1990) tutkimuksiin luonnollisilla savimailla, joissa häiriintyneen saven leikkauslujuus oli noin 200 kpa, kun näytteen vesipitoisuus oli plastisuusrajalla. Mitchellin (2005) arvio samasta lujuudesta oli 100 300 kpa. Åhnbergin omissa tutkimuksissa eri sideaineilla stabiloitujen näytteiden leikkauslujuus riippui niin ikään näytteen konsistenssista 103
sideaineesta ja maalajista riippumatta suhteen w/w p pieneneminen aiheutti samankaltaisen kasvun stabiloidun näytteen leikkauslujuudessa. Leikkauslujuuden hajonta oli kuitenkin hyvin suuri suhteen w/w p ollessa likimain yksi tai sen alle. Osasyynä suureen hajontaan Åhnberg mainitsee plastisuusrajan määrittämiseen liittyvät epätarkkuuden sekä vaikeudet silloin, kun näyte on kiinteässä tai lähes kiinteässä konsistenssissa. Åhnberg ei kerro, miten plastisuusraja määritettiin. (Åhnberg 2006) Tässä tutkimuksessa käytetyt sideainemäärät ovat sen verran pieniä, että suhde w/w p ei laske minkään näytteen kohdalla alle yhden. Kuvan 5.31 puristuslujuudet ovat 7 ja 28 päivän puristuskoekappaleiden lujuuksia. Kuvaajan perusteella ei pystytä päättelemään, mikäon se w/w p -suhde, jossa puristuslujuusvaatimus q u 100 kpa täyttyy. Sen perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että savesta riippumatta lujuusvaatimus ei täyty, jos w/w p 2, 0. Tulosten hajontaa lisää pienten koekappaleiden (h =40mm) puristuskoetulosten käyttö. Jotta stabiloidusta savesta rakennettavan tiivistysrakenteen kuivumisen takia tapahtuva kutistuminen jää vähäiseksi ja kuivumiskutistumisen aiheuttamilta halkeamilta vältytään, pitää saven olla konsistenssiltaan mahdollisimman kiinteää. Tällöin suhteen w/w p arvo on lähellä yhtä. Nyt tutkituilla näytteillä w/w p oli pienimmillään noin 1,3, kun savi Saavi 1 stabiloitiin sideainemäärillä C w =52, 7 kg/m 3 tai C w =42, 2 kg/m 3. Näillä sideainemäärillä stabiloituna Saavi 1 täyttää myös puristuslujuusvaatimuksen q u 100 kpa. Näytteet on merkitty w/w p q u -kuvaajan (kuva 5.31). Stabiloidun näytteen Lempola 6, 7 & 8 w/w p oli pienimmilläänkin vain hieman alle kaksi (2). 104
225 1 d -puristuslujuus, q u (kn/m 2 ) 200 175 150 125 100 75 50 25 SAAVI 1 Lempola 6, 7 & 8 0 0 10 20 30 40 50 60 Kieritys- eli plastisuusraja, w p (%) Kuva 5.30: 1 d -puristuslujuus plastisuusrajan w p funktiona. 450 400 C w = 52,7 kg/m 3 SAAVI 1, 7 d (P) SAAVI 1, 7 d (I) Puristuslujuus, q u (kn/m 2 ) 350 300 250 200 150 100 C w = 42,2 kg/m 3 SAAVI 1, 28 d (P) Lempola 6, 7 & 8, 7 d (P) Lempola 6, 7 & 8, 7 d (I) Lempola 6, 7 & 8, 28 d (P) 50 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 w / w p (%) Kuva 5.31: Puristuslujuus suhteen w/w p funktiona. Kuvaajassa on käytetty sekä isojen (h = 100 mm) ettäpienien (h =40mm) koekappaleiden puristuskoetuloksia 7 ja 28 päivä n ikäisiltä näytteiltä. 105
Luku 6 Johtopäätökset Ylijäämämaaksi luokitellun pehmeän saven ominaisuuksia voidaan parantaa maarakennukseen paremmin soveltuviksi sementtistabiloinnilla. Stabiloidun saven puristuslujuuden kehitys on merkittävää, kun lisätty sideainemäärä C w on noin 20 kg/m 3. Samalla, kun sementti kasvattaa saven lujuutta, se muuttaa saven konsistenssia plastisesta kiinteäksi. Saven kieritys- eli plastisuusrajan vesipitoisuus w p nousee ja vesipitoisuuden ja plastisuusrajan suhde w/w p pienenee. Kun w/w p on 1,0, on stabiloitu savi kiinteän ja plastisen konsistenssin rajalla. Plastista savea on vaikea tiivistää, sillä suuri osa tiivistämiseen käytetystäenergiasta menee saven muodonmuutoksiin tilavuuden pysyessä ennallaan, aivan kuten muovailuvahaa muovailtaessa. Saven tiivistäminen onnistuu ainoastaan, mikäli suhdetta w/w p pystytään laskemaan lähelle arvoa 1,0 joko saven vesipitoisuutta w laskemalla (saven kuivatus) tai plastisuusrajaa w p nostamalla. Saven stabilointi sementillänostaa plastisuusrajaa. Stabiloidun saven plastisuus ja puristuslujuus eivät kulje käsi kädessä, mutta voidaan olettaa, ettäjos w/w p on suurempi kuin 2,0, stabiloidun saven puristuslujuus ei yllä kaatopaikan tiivistysrakenteelta ohjeellisesti vaaditusta leikkauslujuudesta johdettuun puristuslujuuden arvoon q u > 100 kpa. Laboratoriossa stabiloiduilla savilla puristuslujuusvaatimus täyttyi, kun stabilointiin käytetty sementtimäärä C w oli suurempi kuin 35 kg/m 3. Lähimmäksi kiinteän ja plastisen konsistenssin rajaa päästiin, eli paras tiivistettävyys saavutettiin, kun lisätty sementtimäärä oli yli 40 kg/m 3. Tällöin w/w p oli noin 1,3. Stabiloidun saven plastisuus riippunee kuitenkin merkittävästi saven alkuperäisestä vesipitoisuudesta. Konsistenssin muuttuminen stabiloinnin vaikutuksesta ei paranna ainoastaan saven tiivistettävyyttä vaan se myös vähentää kuivumisen aiheuttamaa halkeilua, kuivumiskutistumaa. Yleisesti ottaen saven vedenläpäisevyys on hyvin 106
alhainen, mutta halkeamia pitkin vesi kulkee nopeasti savesta tehdyn rakenteen läpi. Saven vedenläpäisevyyskertoimen k arvoon saven stabilointi pienillä sementtimäärillä (C w 50 kg/m 3 ) ei juuri vaikuta, jos sementtionsekoittunut saveen tasaisesti ja stabiloitu savi on rakenteeltaan homogeenista. Kaatopaikalle asetetut puristuslujuus- ja vedenläpäisevyysvaatimukset on helppo saavuttaa, kun saven stabilointi tapahtuu laboratoriossa sementtiätäytyy vain sekoittaa riittävästi ja vedenläpäisevyysvaatimuskin täyttyy, jos stabiloitavan saven vedenläpäsevyyskerroin on luonnontilassa riittävän pieni. Lempolan kaatopaikan tapaustutkimus osoitti, että työmaalla suurissa erissä massastabiloidun saven koostumus jää kauaksi laboratoriossa stabiloitujen näytteiden homogeenisuudesta. Työmaalla riittävän alhainen vedenläpäisevyyskerroin on tiivistysrakenteelle asetetuista vaatimuksista ehkä kaikkein vaikeiten täytettävissä. Sementin epätasainen sekoittuminen ja stabiloidun saven tiivistyminen vaikuttavat ratkaisevasti tiivistysrakenteen vedenläpäisevyyteen. Stabilointi- ja tiivistyskaluston sekä käytettyjen työmenetelmien soveltuvuus tiivistysrakenteen rakentamiseen rakenteen vedenläpäisevyyden kannalta voidaan todeta ainoastaan työn suoritusta tarkkailemalla ja kokeellisesti suoraan rakenteesta otetuista näytteistä. Ödometrikokeen yhteydessätehdyllävedenläpäisevyysmäärityksellävoidaan osoittaa tiivistysrakenteessa käytettäväksi suunnitellun saven riittävän pieni vedenläpäisevyys, mutta valmiin rakenteen tiiviys voidaan osoittaa ainoastaan rakenteesta otettujen, joustavaseinäisellävedenläpäisevyyslaitteistolla koestettavien, näytteiden perusteella. Koerakenne ja siitäotetut, joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla tutkitut, näytteet ovat välttämättömiä oikeiden työmenetelmien toteamiseksi. Varsinaisen tiivistysrakenteen vedenläpäisevyyttä ja työn onnistumista tarkkaillaan kontrollinäyttein, joita tulee ottaa säännöllisesti satunnaisista pisteistä eri puolilta tiivistettyä rakennetta. Ödometrinäytteet soveltuvat huonosti rakenteen vedenläpäisevyyden tarkkailuun, sillä kenttänäytteitä on vaikea muotoilla niin hyvin ödometrirenkaaseen sopivaksi, ettei vesi virtaisi renkaan ja näytteen välistä vääristäen näytteen vedenläpäisevyystuloksia. Tässä työssäon tutkittu pääasiassa laboratoriossa stabiloituja savia. Tehtyjen kokeiden lukumäärä oli suuri, joten saatuja tuloksia voisi epäilemättä työstää edelleenkin. Rakenteesta otettuja näytteitäoli vähän, mutta ne osoittivat työmaalla massastabiloidun ja tiivistetyn saven eroavan merkittävästi laboratoriossa stabiloidusta savesta. Työssäesitetyt tulokset vaativat tuekseen laajempia tutkimuksia työmaaoloissa toteutetuista tiivistysrakenteista, esimerkiksi koetiivistyskenttien muodossa, jotta tulosten soveltuvuus käytännön rakentamiseen kävisi ilmi. Tukimusta tulisi laajentaa myös pilaristabiloituun saveen, jota voidaan ylös kaivettuna, tarvittaessa murskattuna ja seulottuna, käyttää niin ikään mineraalisen tiivisteen rakennusaineena. Lisätutkimusta voitaisiin 107
tehdä myös muilla sideaineilla, kuten voimalaitosten lentotuhkalla tai rikinpoistotuotteella. 108
Lähdeluettelo Aalto, A. 2006a. Indeksi- ja standardikoementelmän välinen vertailu, Tietoverkottunut, 3D-mallinnukseen ja -mittauksiin perustuva pohjavahvistusautomaatio (POHVA). Tekninen raportti. Espoo: Teknillinen korkeakoulu, Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio. Aalto, A. 2006b. Indeksikokeet, Tietoverkottunut, 3D-mallinnukseen ja - mittauksiin perustuva pohjavahvistusautomaatio (POHVA). Tekninen raportti. Espoo: Teknillinen korkeakoulu, Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio. Allu Finland Oy s.a. http://www.allu.net. käyty: huhtikuu 2008. Al-Tabbaa, A. 2005. State of Practice Report - Stabilisation/Solidification of Contaminated Materials with Wet Deep Soil Mixing. Julkaisussa International Conference on Deep Mixing, Best Practice and Recent Advances, Deep Mixing '05, Stockholm, Sweden May 23-25, 2005, Osa 2 Best Practise. Bergado, D. T., Anderson, L. R., Miura, N. & Balasubramaniam, A. S. 1996. Soft Ground Improvement in Lowland and Other Environments. New York: ASCE Press. ISBN 0-7844-0151-9. Chew, S. H., Kamruzzaman, A. H. M. & Lee, F. H. 2004. Physicochemical and Engineering Behavior of Cement Treated Clays. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 130, no. 7, s. 696 706. Dahlbo, H. 2002. Jätteen luokittelu ongelmajätteeksi arvioinnin perusteet ja menetelmät. Ympäristöopas 98. Helsinki: Suomen ympäristökeskus. ISBN 952-11-1207-7, ISSN 1238-8602. Daniel, D. E. & Wu, Y.-K. 1993. Compacted Clay Liners and Covers for Arid Sites. The Journal of Geotechnical Engineering, vol. 119, no. 2, s. 223 237. ISSN 0733-9410/93/0002-0223. 109
Elinkaarikonsultit/Sito Oy, Ramboll Finland Oy, Pöyry Oy 2007. E18 rakentaminen moottoritienä Muurla-Lohja EKM palvelusopimus, Suunnitteluosa 3 Oittila-Lempola, Pilaantuneiden maiden loppusijoitusalue, Lempola, Loppusijoitusalueen työkohtainen työselitys. TYL E18, 3- R13/L3-13/1. Euroopan unionin neuvosto 1999. Neuvoston direktiivi 1999/31/EY, annettu 26. päivänä huhtikuuta 1999, kaatopaikoista. ISSN 1024-3038, saatavissa: http://eur-lex.europa.eu/lexuriserv/ LexUriServ.do?uri=OJ:L:1999:182:0001:0019:FI:PDF. EuroSoilStab 2002. EuroSoilStab, Development of design and contruction metrhods to stabilise soft organic soils, Design Guide Soft Soil Stabilisation. EU: European Community. CT97-0351, Project No.: BE 96-3177. Finnsementti Oy 2006. Rakennussementit. tuote-esite, http://www.finnsementti.fi/ käyty: huhtikuu 2008. Forsman, J. 1998. Savi kaatopaikan pohjan ja pinnan mineraalitiivisteenä. Espoo: Viatek Oy. 17.3.1998. Forsman, J. & Hakari, M. 2004. Vuosaaren satama, melumäki. Pohjan mineraalinen eriste, rakennusvaihe 1 ja 3A, laadunvalvontaraportti. Espoo: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. luonnos 16.12.2004. Forsman, J. & Hakari, M. 2006. Vuosaaren satama, melumäki. Pohjan, luiskan, pinnan ja pystyeristeen mineraalinen tiivistyskerros, MELU 2 - urakka (vuoden 2005 työt), laadunvalvontaraportti. Espoo: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. 5.1.2006. Forsman, J. & Hakari, M. 2008a. Vuosaaren satama, melumäki. Pintaeriste ja pystyeristeen mineraalinen tiivistyskerros, SMRU 4/4 -urakka (vuoden 2007 työt), laadunvalvontaraportti. Helsinki: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. VuGEO5701-22-6022, 20.2.2007. Forsman, J. & Hakari, M. 2008b. Vuosaaren satama, melumäki. Pintaeristeen mineraalinen tiivistyskerros, SMRU 4/5 -urakka (vuoden 2008 työt), laadunvalvontaraportti. Helsinki: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. VuGEO5701-22-6022, 12.8.2008. Forsman, J., Kivekäs, L. & Hakari, M. 2004. Vuosaaren satama, melumäki. Pohjan mineraalinen eriste, koetiivistyskenttä, laadunvalvontaraportti. Espoo: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. 110
Forsman, J. & Leivo, A. 2007. Vuosaaren satama, melumäki. Pystyeristeen mineraalinen tiivistyskerros, SMRU 4/3 -urakka (vuoden 2006 työt), laadunvalvontaraportti. Espoo: Ramboll Finland Oy, Helsingin satama. 20.2.2007. Geo-Con s.a. http://www.geocon.net/geossm.html. käyty: joulukuu 2008. Hassan, M. M., Lojander, M. & Ravaska, O. 2007. Utilization of soft clay in construction. Julkaisussa 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Madrid, 24-27 September 2007. Netherlands: Milpress Rotterdam, s. 1318-1322. Hassan, M. M., Lojander, M. & Ravaska, O. 2008. Characteristics of soft clay stabilized for construction purposes. Julkaisussa Ellis, Yu, McDowell, Dawson & Thom (toim.), Advances on Transportation Geotechnics, Nottingham, UK. London: Taylor & Francis Group, s. 651-656. ISBN 978-0-415-47590-7. Hassan, M. M. & Ravaska, O. 2009. Strength and permeability characteristics of cement stabilized soft Finnish clay. Julkaisussa Karstunen & Leoni (toim.), Second International Workshop on Geotechnics of Soft Soils Focus on ground improvement (IWGSS), Glasgow, UK. London: Taylor & Francis Group, s. 227-233. ISBN 978-0-415-47591-4. Helsingin kaupunki, Kiinteistövirasto, geotekniikka 2008. www.geotekniikka.fi. käyty: joulukuu 2008. Jelisic, N. 1999. Masstabilisering. Lund: Lunds Universitet, Lunds Tekniska Högskola, Avdelning för Geoteknik. ISBN 91-630-8364-7, ISRN LUTVDG/TVGT-1007-SE, saatavissa: http://www.swedgeo.se/ Sd/pdf/SD-R5.pdf. Keller Ground Engineering s.a. http://www.keller-ge.com/engineering/products/. käyty: tammikuu 2009. Kitazume, M. 2005. State of Practice Report - Field and laboratory investigations, properties of binders and stabilized soil. Julkaisussa International Conference on Deep Mixing, Best Practice and Recent Advances, Deep Mixing '05, Stockholm, Sweden May 23-25, 2005, Osa 2 Best Practice. Kääriä, K. 2001. Kilteisen kaatopaikka, Uuden täyttöalueen pohja- ja kuivatusrakenteiden rakentaminen, loppuraportti. Espoo: SCC Viatek Oy. 12.10.2001. 111
Kézdi, A. 1979. Stabilized Earth Roads. Osa 19 sarjassa Development in Geotechnical Engineering. Amsterdam: Elsevier. ISBN-0-444-99786-5. Lahtinen, P., Kolisoja, P., Kuula-Väisänen, P., Leppänen, M., Jyrävä, H., Maijala, A. & Ronkainen, M. 2005. UUMA-esiselvitys. Suomen ympäristö 805. Helsinki: Ympäristöministeriö. ISBN 951-731-354-3(pdf), ISSN 1238-7312, saatavissa: http://www.ymparisto.fi/julkaisut. Larsson, S. 2005. State of Practice Report - Execution, monitoring and quality control. Julkaisussa International Conference on Deep Mixing, Best Practice andrecent Advances, Deep Mixing '05, Stockholm, Sweden May 23-25, 2005, Osa 2 Best Practice. Leppänen, M. (toim.) 1998. Kaatopaikan tiivistysrakenteet. Ympäristöopas 36. Helsinki: Suomen ympäristökeskus. ISBN 952-11-0232-2, ISSN 1238-8602. Lesanco Aps s.a. http://www.lesanco.dk/52_stehr.htm. käyty: joulukuu 2008. Lojander, M. 1985. Geomekaaniset ominaisuudet. Julkaisussa RIL 157-1 Geomekaniikka I. Helsinki: Suomen Rakennusinsinöörien Liitto. S. 93-124. Mitchell, J. K. & Soga, K. 2005. Fundamentals of Soil Behavior. 3. laitos. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-46302-7. Nagaraj, T. S. 1993. Principles of Testing Soils, Rock and Concrete. Amsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-88911-6. Palolahti, A., Lojander, M. & Ravaska, O. 2003. Natural clay barriers in Finland. Julkaisussa Proceedings of 13th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Prague 25-28 August 2003. Pilequip Australia Pty Ltd s.a. http://www.pilequip.com.au/news/ news_articles/bauer_csm_wall. käyty: tammikuu 2009. Puolanne, J., Pyy, O. & Jeltsch, U. (toim.) 1989. Saastuneet maa-alueet ja niiden käsittely Suomessa, Saastuneiden maa-alueiden selvitys- ja kunnostusprojekti; loppuraportti. Muistio 5/1994. Helsinki: Ympäristöministeriö, Ympäristönsuojeluosasto. ISSN 0788-5911, ISBN 951-47-4823-9. Purdue University s.a. http://rebar.ecn.purdue.edu/ect/links/technologies/- civil/deepmix.aspx. käyty: tammikuu 2009. 112
Pätsi, K. 2008. Työn tutkimus pilaristabiloinnin konetyön tehostamismahdollisuuksista. Espoo. Tutkimusraportti TKK:n kurssille Yhd-10.351 Tienrakentamisen automaatio. Rantamäki, M., Jääskeläinen, R. & Tammirinne, M. 2004. Geotekniikka. 20 laitos. Helsinki: Otatieto. ISBN 951-672-257-1. Ravaska, O. 2005. Use of soft clay in protection barriers, Research plan. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Ravaska, O. & Aalto, A. 2003. Modelling peameability in consolidation. Julkaisussa Proceedings of 13th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Prague 25-28 August 2003, Osa 1. Czech Republic: The Czech Geotechnical Society CICE, s. 205-210. Rowe, K. R., Quigley, R. M. & Booker, J. R. 1995. Clayey Barrier Systems for Waste Disposal Facilities. London: E & FN Spon. ISBN 0 419 19320 0. Ruohonen, E. 2006. Ylijäämäsavien käyttö rakennustekniikassa. Diplomityö. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. saatavissa: http://civil.tkk.fi/fi/tutkimus/pohjarakennus/opinnaytteet/diplomityot/ index.html. Schuppener, B., Amar, S. & Kavvadas, M. 1995. Determination of soil permeability by constant and falling head. Julkaisussa 11. European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Workshop 2: Standardisation of laboratory testing. Dansk Geoteknisk Forening. ISBN 87-89833-01-5. Sito Oy, Helsingin kaupunkisuunnitteluvirasto 2005. Ylijäämämassatarkastelu. Helsinki. 21.1.2005, saatavissa: http://www.hel2.fi/helakanslia/kaupunginhallitus/esityslistat/liitteet/ 060170054.pdf. Stehr - Baumaschinen GmbH s.a. http://www.stehr.com/uk/ products_soil_stabilisation.html. käyty: joulukuu 2008. Suomen geoteknillinen yhdistys ry 1985. GLO-85, Geotekniset laboratorio-ohjeet, 1. Luokituskokeet. Helsinki. ISBN 951-676-308-1. Suomen standardisoimisliitto 2007-12-17. CEN ISO-TS 17892-11:fi, Geotekninen tutkimus ja koestus. Maan laboratoriokokeet. Osa 11: Vedenläpäisevyyden määritys. Vakiopaine- ja muuttuvapainekoe. Helsinki. luonnos. 113
Tiehallinto 2001. Syvästabiloinnin suunnitteluohje, tarkistettu verkkojulkaisu 2100008-v-04. Helsinki. ISBN 951-726-823-8, TIEH 2100008-01, saatavissa: http://alk.tiehallinto.fi/thohje/pdf/2100008-v-04.pdf. Tiehallinto 2009. http://www.tiehallinto.fi/e18/. käyty: maaliskuu 2008, helmikuu 2009. Toivanen, T. 2007. E18 Muurla Lohja-moottoritie. Julkaisussa Geotekniikan päivä 22.11.2007, Sokos Hotel Presidentti, Helsinki, Luentoaineisto. Suomen geoteknillinen yhdistys, SGY, s. 97-107. Uudenmaan ympäristökeskus 2004. Ympäristölupapäätös No YS1/8.1.2004. Helsinki. Dnro UUS-2003-Y-136-111. Uudenmaan ympäristökeskus 2007. Ympäristölupapäätös No YS1157/19.9.2007. Helsinki. Dnro UUS-2007-Y-209-111. Virtanen, P., Hämäläinen, J. & Laaksonen, R. 2006. Huokoisen materiaalin vedenläpäisevyyden mittaaminen joustavaseinäisellä vedenläpäisevyyslaitteistolla muuttuvapainekokeena tai vakiopainekokeena. S.l.: Tieliikelaitos, Suomen ympäristökeskus ja VTT. VNp 861/97 1997. Valtioneuvoston päätös kaatopaikoista 861/1997, liite 1. Ympäristöministeriö. saatavissa: http://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/1997/19970861. Wu, T. H. 1967. Soil Mechanics. Boston, USA: Allyn and Bacon, Inc. Library of Congress Catalog Card Number: 65-17868. Ympäristöministeriö 2008. http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid =200340. käyty: joulukuu 2008. Åhnberg, H. 2006. Strength of Stabilised Soils, A Laboratory Study on Clays and Organic Soils Stabilised with Different Types of Binder. Väitöskirja. Lund, Sweden: Lund University. ISBN 978-91-628-6790-4, ISSN 0281-6679. Åhnberg, H., Johansson, S.-E., Retelius, A., Ljungkrantz, C., Holmqvist, L. & Holm, G. 1995. Cement och kalk för djupstabilisering av jord. En kemisk-fysikalisk studie av stabiliseringseffekter Rapport 48. Linköping: Statens geotekniska institut. ISSN 0348-0755, ISRN SGI-R 95/48 SE. 114
Liite 1
100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % TKK Pohjarak. ja maamek Luokituskokeet Rakeisuus HIEKKA SORA 0,02 hieta 0,2 hiekka 2 sora 20 kiviä hieno 0,06 karkea hieno 0,6 karkea hieno 6 karkea pieniä SAVI SILTTI savi 0,002 hiesu 0,006 0,0002 1 2 4 8 16 32 64 Raekoko (mm) 0,5 0,25 0,125 0,0002 0,0006 0,002 0,006 0,02 0,074 Saavi 1 Lempola 6, 7 & 8 Lempola 12 HUT Clay Äijänpelto Läpäisy - % Liite 2 (1)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU K I I N T O - Tekijä: A. Leivo Pohjarakennus ja maamekaniikka T I H E Y D E N M Ä Ä R I T Y S ρ s = ρ w * m k / (m k +m a -m b ) Pykn.+ Näyte Pyk- Pyknom. Pykn.+ Kuiva näyte+ Pykn.+ Keskinom. massa kuiva näyte vesi vesi m k +m a - arvo N:o näyte m k T m b m a m b ρ w ρ s ρ s g g g o C g g g g/cm 3 g/cm 3 g/cm 3 Saavi 1 A 1373 28,86 53,39 24,53 19,0 150,60 135,105 9,04 0,9984 2,71 Saavi 1 B 1461 29,56 49,46 19,90 19,0 147,76 135,167 7,31 0,9984 2,72 2,72 Saavi 1 101 26,8 47,80 21,00 19,0 157,38 144,049 7,67 0,9984 2,73 Lempola 6, 7 & 8 4 42,11 55,61 13,50 20,0 158,87 150,178 4,81 0,9982 2,80 2,80 Lempola 6, 7 & 8 46 41,73 56,10 14,37 20,0 160,05 150,821 5,14 0,9982 2,79 Lempola 12 74 42,68 57,88 15,20 20,0 159,06 149,339 5,48 0,9982 2,77 2,77 Lempola 12 86 42,3 55,26 12,96 20,0 156,54 148,257 4,68 0,9982 2,77 HUT Clay A, 1373 28,86 40,58 11,72 19,5 142,56 135,096 4,26 0,9983 2,75 2,76 HUT Clay B, 1461 29,56 40,43 10,87 19,5 142,10 135,160 3,93 0,9983 2,76 Äijänpelto 101 26,80 39,54 12,74 20,0 151,76 144,030 5,01 0,9982 2,54 2,54 Äijänpelto 1457 28,97 40,58 11,61 20,0 141,10 134,032 4,54 0,9982 2,55 Liite 2 (2)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU H U M U K S E N - Tekijä: A. Leivo Pohjarakennus ja maamekaniikka M Ä Ä R I T Y S H k % =H h *100/m k Polt. Polt. Polt. Kuiva Polt. Hehkt. Hehkt. Kide- Savi- Näyte ast. ast. ast.+ näyte ast.+ häviö häviö vesi % Humus Humus kuiva hehkt. B k -B h < ka näyte näyte = 0.002 N :o B k m k B h H h H k K v mm Hm Hm g g g g g % % % % % Saavi 1 12 25,49 40,74 15,25 40,11 0,63 4,13 3 60 1,13 Saavi 1 14 28,18 42,02 13,84 41,45 0,57 4,12 3 60 1,12 1,09 Saavi 1 15 26,35 39,05 12,7 38,54 0,51 4,02 3 60 1,02 Lempola 6, 7 & 8 13 25,71 34,64 8,93 34,29 0,35 3,92 3,5 77 0,42 0,39 Lempola 6, 7 & 8 15 26,35 34,13 7,78 33,83 0,3 3,86 3,5 77 0,36 Lempola 12 19 23,52 32,91 9,39 32,58 0,33 3,51 2,9 56,0 0,6 0,6 HUT Clay 14 28,18 32,25 4,07 32,13 0,12 2,95 3,4 74-0,45-0,49 HUT Clay 12 25,5 29,34 3,84 29,23 0,11 2,86 3,4 74-0,54 Äijänpelto 21 15,55 19,62 4,07 19,17 0,45 11,06 2,5 41 8,6 8,41 Äijänpelto 2 18,5 22,12 3,62 21,73 0,39 10,77 2,5 41 8,3 Liite 2 (3)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus- ja ympäristötekniikan osasto Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio HIENOUSLUKU Kartion painuma (mm) 1 10 100 100 95 Saavi 1 90 85 80 75 70 65 60 Saavi 1, w_luonn Lempola 6, 7 & 8 Lempola 6, 7 & 8, 10 g Lempola 6, 7 & 8, w_luonn, 10 g Lempola 12 Lempola 12, w_luonn HUT Clay HUT Clay, w_luonn, 10 g Vesipitoisuus w (%) 55 50 45 40 Liite 2 (4a)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus- ja ympäristötekniikan osasto Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio HIENOUSLUKU Kartion painuma (mm) 1 10 100 200 195 Äijänpelto 190 Äijänpelto, w_luonn 185 180 175 170 165 Vesipitoisuus w (%) 160 155 150 Liite 2 (4b)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus- ja ympäristötekniikan osasto Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio Juoksuraja Pudotusten lkm 100,0 1 10 100 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 Saavi 1 Saavi 1, w_luonn Lempola 6, 7 & 8 Lempola 6, 7 & 8, w_luonn Vesipitoisuus w (%) 55,0 50,0 Lempola 12 Lempola 12, w_luonn HUT Clay 45,0 HUT Clay, w_luonn 40,0 Liite 2 (5a)
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus- ja ympäristötekniikan osasto Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorio Juoksuraja Pudotusten lkm 200,0 1 10 100 195,0 190,0 185,0 180,0 175,0 170,0 Äijänpelto 165,0 Vesipitoisuus w (%) 160,0 Äijänpelto, w_luonn 155,0 150,0 Liite 2 (5b)
Kenttänäytteitä lukuun ottamatta kaikki näytekappaleet säilytettiin veden alla. Säilytyslämpötila oli noin 21 23 Tunnus M koenumeron edessä viittaa isoon koekappaleeseen (h=1000 mm, d=50 mm) koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa 1 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 1 20 23 1 103,2 3,2 87,6 1,503 15220 2 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 2 20 23 1 86,1 3,5 86,8 1,493 20264 3 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 3 20 23 1 94,3 3,0 86,0 1,486 20128 4 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 4 20 23 3 105,3 3,2 85,6 1,500 12913 5 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 5 20 23 3 112,1 2,9 86,6 1,484 15045 6 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 6 20 23 3 109,5 2,1 86,7 1,493 19047 7 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 7 20 23 7 124,2 2,5 87,4 1,501 17337 8 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 8 20 23 7 108,4 2,2 87,8 1,456 15764 9 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 9 20 23 7 130,7 2,5 87,2 1,497 17156 10 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 10 20 23 14 135,2 1,8 87,2 1,487 21799 11 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 11 20 23 14 125,7 1,6 88,9 1,498 29834 12 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 12 20 23 14 142,9 1,7 88,3 1,481 20988 13 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 13 20 23 28 146,9 2,5 88,1 1,429 35271 14 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 14 20 23 28 156,4 2,0 87,7 1,483 27622 15 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 15 20 23 28 161,7 1,8 88,6 1,495 28859 M105 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 M105 20 23 7 105,0 1,9 88,2 1,455 16242 M76 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 M76 20 23 7 98,4 1,2 90,2 1,477 18736 M106 Lempola 6, 7 & 8 5 38,2 M106 20 23 7 107,5 1,6 89,2 1,465 24777 17 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 17 20 23 1 27,5 3,1 86,6 1,485 1003 19 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 19 20 23 3 28,4 2,9 87,3 1,478 2245 20 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 20 20 23 3 23,0 2,9 89,4 1,508 1444 21 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 21 20 23 3 25,7 3,5 89,4 1,495 1711 22 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 22 20 23 7 29,9 2,3 89,4 1,390 2621 23 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 23 20 23 7 34,3 2,8 89,0 1,474 3455 24 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 24 20 23 7 34,9 4,0 89,3 1,488 3130 25 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 25 20 23 14 41,2 2,8 89,2 1,495 3329 26 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 26 20 23 14 36,8 2,6 89,9 1,492 4943 27 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 27 20 23 14 27,1 2,0 89,5 1,476 3898 28 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 28 20 23 28 58,3 1,5 89,8 1,463 20593 29 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 29 20 23 28 48,4 2,7 90,7 1,487 4395 Liite 3 (1)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa 30 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 30 20 23 28 45,6 2,6 90,6 1,467 4632 M29 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 M29 20 23 7 28,6 3,2 90,6 1,464 7572 M138 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 M138 20 23 7 26,6 2,9 90,8 1,454 5855 M110 Lempola 6, 7 & 8 3 22,9 M110 20 23 7 26,9 2,1 91,2 1,496 6823 31 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 31 20 23 1 6,0 10,0 89,7 1,541 240 32 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 32 20 23 1 6,7 10,0 90,1 1,504 542 33 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 33 20 23 1 5,5 10,0 89,3 1,415 34 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 34 20 23 3 7,5 10,0 90,6 1,489 624 35 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 35 20 23 5 7,4 3,7 92,5 1,484 358 36 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 36 20 23 7 7,9 10,0 91,5 1,476 204 37 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 37 20 23 7 10,5 10,0 90,8 1,463 150 38 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 38 20 23 14 8,5 2,6 89,9 1,476 612 39 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 39 20 23 14 9,2 5,2 90,1 1,498 358 40 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 40 20 23 14 8,1 6,3 90,5 1,523 414 41 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 41 20 23 28 5,8 2,1 91,4 1,476 381 42 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 42 20 23 28 6,7 5,9 102,0 1,506 398 43 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 43 20 23 28 9,1 2,7 90,1 1,419 571 44 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 44 20 23 28 8,5 2,9 77,2 1,526 519 45 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 45 20 23 36 8,5 2,4 92,7 1,711 739 M61 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 M61 20 23 7 13,4 1,4 92,2 1,519 2783 M50 Lempola 6, 7 & 8 1 7,6 M50 20 23 7 13,0 1,4 93,7 1,501 2832 46 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 46 20 23 1 49,4 94,7 1,498 47 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 47 20 23 1 66,6 85,6 1,887 48 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 48 20 23 1 66,0 85,0 1,899 49 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 49 20 23 3 70,2 2,2 87,6 1,454 16580 50 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 50 20 23 3 71,0 2,9 88,2 1,435 17661 51 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 51 20 23 3 74,3 2,1 88,0 1,486 21598 52 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 52 20 23 7 73,0 2,2 87,6 1,469 9387 53 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 53 20 23 7 76,1 1,6 87,8 1,479 9343 54 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 54 20 23 7 71,9 1,9 87,1 1,452 9033 55 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 55 20 23 14 109,2 2,0 87,3 1,487 16567 56 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 56 20 23 14 90,5 2,2 88,5 1,500 13235 57 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 57 20 23 14 99,7 2,2 88,0 1,468 20516 58 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 58 20 23 28 155,4 1,5 84,6 1,511 22616 59 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 59 20 23 28 109,9 2,5 88,0 1,499 15152 60 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 60 20 23 28 129,8 1,5 85,7 1,486 19142 Liite 3 (2)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa M19 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 M19 20 23 7 55,1 2,5 88,8 1,464 7203 M22 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 M22 20 23 7 58,7 2,4 90,4 1,454 9677 M31 Lempola 6, 7 & 8 4 30,6 M31 20 23 7 56,4 1,5 90,2 1,442 10449 101 Saavi 1 5 52,7 101 20 23 1 206,2 2,4 54,6 1,673 24478 102 Saavi 1 5 52,7 102 20 23 1 188,2 2,2 48,2 1,728 22033 103 Saavi 1 5 52,7 103 20 23 1 200,8 1,9 54,3 1,688 23965 104 Saavi 1 5 52,7 104 20 23 3 293,4 2,7 52,5 1,659 22306 105 Saavi 1 5 52,7 105 20 23 3 274,4 2,0 52,5 1,669 31914 106 Saavi 1 5 52,7 106 20 23 3 304,8 2,1 50,9 1,660 27123 107 Saavi 1 5 52,7 107 20 23 7 300,2 2,0 51,5 1,671 32686 108 Saavi 1 5 52,7 108 20 23 7 285,1 1,9 50,9 1,679 43107 109 Saavi 1 5 52,7 109 20 23 7 258,8 1,9 51,4 1,680 33247 110 Saavi 1 5 52,7 110 20 23 14 321,6 1,1 52,6 1,663 44758 111 Saavi 1 5 52,7 111 20 23 14 356,1 1,8 52,7 1,670 33379 112 Saavi 1 5 52,7 112 20 23 14 355,2 2,1 53,0 1,671 31661 113 Saavi 1 5 52,7 113 20 23 28 367,1 0,9 53,3 1,671 59054 114 Saavi 1 5 52,7 114 20 23 28 441,0 1,3 53,7 1,669 59906 115 Saavi 1 5 52,7 115 20 23 28 440,5 1,7 53,4 1,672 43827 M15 Saavi 1 5 52,7 M15 20 23 7 211,6 0,6 53,7 1,653 274858 M23 Saavi 1 5 52,7 M23 20 23 7 230,6 1,1 54,0 1,755 93117 M33 Saavi 1 5 52,7 M33 20 23 7 310,1 0,7 53,6 1,654 154922 116 Saavi 1 4 42,2 116 20 23 1 153,3 2,8 52,9 1,669 17298 117 Saavi 1 4 42,2 117 20 23 1 125,9 2,4 53,1 1,666 16506 118 Saavi 1 4 42,2 118 20 23 1 138,1 3,3 53,4 1,670 18244 119 Saavi 1 4 42,2 119 20 23 3 193,0 2,3 51,7 1,683 30599 120 Saavi 1 4 42,2 120 20 23 3 177,6 2,3 53,3 1,638 29984 121 Saavi 1 4 42,2 121 20 23 3 146,0 2,7 54,0 1,678 16789 122 Saavi 1 4 42,2 122 20 23 7 189,9 1,3 53,1 1,690 44471 123 Saavi 1 4 42,2 123 20 23 7 195,7 1,7 52,8 1,673 24953 124 Saavi 1 4 42,2 124 20 23 7 203,5 1,9 53,1 1,690 33317 125 Saavi 1 4 42,2 125 20 23 14 203,0 1,7 52,9 1,700 22976 126 Saavi 1 4 42,2 126 20 23 14 237,7 1,6 53,6 1,660 25867 127 Saavi 1 4 42,2 127 20 23 14 253,5 2,1 53,7 1,681 23019 128 Saavi 1 4 42,2 128 20 23 28 272,1 1,5 54,2 1,686 34283 129 Saavi 1 4 42,2 129 20 23 28 231,1 1,0 54,7 1,633 44628 130 Saavi 1 4 42,2 130 20 23 28 165,1 1,2 55,3 1,665 28293 Liite 3 (3)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa M22B Saavi 1 4 42,2 M22B 20 23 1 100,5 1,4 54,6 1,637 24558 M23B Saavi 1 4 42,2 M23B 20 23 1 111,9 1,6 53,7 1,652 19790 M31B Saavi 1 4 42,2 M31B 20 23 1 97,2 1,6 54,8 1,656 19909 M33B Saavi 1 4 42,2 M33B 20 23 3 129,8 1,6 54,3 1,658 34406 M39B Saavi 1 4 42,2 M39B 20 23 3 116,6 2,2 54,9 1,651 23570 M40B Saavi 1 4 42,2 M40B 20 23 3 112,9 2,0 54,9 1,664 23878 M43 Saavi 1 4 42,2 M43 20 23 7 123,6 1,1 54,6 1,668 97750 M53 Saavi 1 4 42,2 M53 20 23 7 158,3 1,3 55,1 1,665 32996 M67 Saavi 1 4 42,2 M67 20 23 7 141,1 1,4 54,9 1,651 33046 M45 Saavi 1 4 42,2 M45 20 23 14 177,0 1,6 54,8 1,647 34264 M52 Saavi 1 4 42,2 M52 20 23 14 149,4 1,6 54,5 1,667 33485 M131 Saavi 1 4 42,2 M131 20 23 14 170,3 1,6 54,9 1,653 29569 M120 Saavi 1 4 42,2 M120 20 23 28 239,7 1,1 54,6 1,659 46376 M123 Saavi 1 4 42,2 M123 20 23 28 243,9 0,8 55,0 1,670 57572 M124 Saavi 1 4 42,2 M124 20 23 28 180,9 1,0 55,3 1,660 30704 131 Saavi 1 3 31,6 131 20 23 1 106,2 2,9 52,5 1,655 15919 132 Saavi 1 3 31,6 132 20 23 1 101,9 3,7 54,7 1,520 22203 133 Saavi 1 3 31,6 133 20 23 1 96,3 3,1 53,9 1,665 20582 134 Saavi 1 3 31,6 134 20 23 2 101,7 3,1 53,4 1,706 35685 135 Saavi 1 3 31,6 135 20 23 2 103,9 2,8 53,1 1,696 34294 136 Saavi 1 3 31,6 136 20 23 2 92,2 4,1 52,9 1,693 26850 137 Saavi 1 3 31,6 137 20 23 7 107,2 2,4 53,7 1,684 24855 138 Saavi 1 3 31,6 138 20 23 7 92,8 2,4 54,6 1,687 24179 139 Saavi 1 3 31,6 139 20 23 7 94,8 2,6 53,5 1,651 28002 140 Saavi 1 3 31,6 140 20 23 14 123,6 3,3 54,3 1,663 13876 141 Saavi 1 3 31,6 141 20 23 14 98,2 3,1 54,5 1,669 14475 142 Saavi 1 3 31,6 142 20 23 14 109,5 2,2 54,9 1,662 17786 143 Saavi 1 3 31,6 143 20 23 28 142,1 1,7 54,2 1,708 21565 144 Saavi 1 3 31,6 144 20 23 28 136,3 2,7 53,0 1,705 30659 145 Saavi 1 3 31,6 145 20 23 28 143,9 2,2 54,2 1,711 25036 M13B Saavi 1 3 31,6 M13B 20 23 1 51,7 2,6 55,0 1,671 15180 M15B Saavi 1 3 31,6 M15B 20 23 1 54,2 3,0 55,2 1,662 8246 M19B Saavi 1 3 31,6 M19B 20 23 1 46,3 2,4 55,1 1,648 10678 M42B Saavi 1 3 31,6 M42B 20 23 3 63,2 2,1 55,6 1,650 7612 M43B Saavi 1 3 31,6 M43B 20 23 3 66,8 2,1 55,3 1,664 9784 M50B Saavi 1 3 31,6 M50B 20 23 3 68,7 2,1 55,6 1,652 16511 Liite 3 (4)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa M79 Saavi 1 3 31,6 M79 20 23 7 54,8 1,668 M82 Saavi 1 3 31,6 M82 20 23 7 73,2 2,0 55,1 1,675 15593 M93 Saavi 1 3 31,6 M93 20 23 7 64,8 2,4 55,6 1,637 15637 M24 Saavi 1 3 31,6 M24 20 23 14 108,7 1,0 55,9 1,679 31443 M25 Saavi 1 3 31,6 M25 20 23 14 102,8 1,9 55,3 1,650 18429 M49 Saavi 1 3 31,6 M49 20 23 14 98,7 2,0 55,1 1,670 17970 M134 Saavi 1 3 31,6 M134 20 23 28 115,3 2,2 56,1 1,665 15784 M142 Saavi 1 3 31,6 M142 20 23 28 112,7 1,7 55,9 1,646 23231 M149 Saavi 1 3 31,6 M149 20 23 28 115,4 1,2 54,4 1,675 24283 146 Saavi 1 2 21,1 146 20 23 1 45,2 4,6 54,1 1,678 147 Saavi 1 2 21,1 147 20 23 1 49,2 4,6 54,1 1,672 148 Saavi 1 2 21,1 148 20 23 1 48,4 2,1 54,6 1,665 149 Saavi 1 2 21,1 149 20 23 3 46,3 3,8 54,8 1,657 150 Saavi 1 2 21,1 150 20 23 3 50,6 3,4 55,2 1,642 151 Saavi 1 2 21,1 151 20 23 3 47,4 2,6 54,6 1,647 152 Saavi 1 2 21,1 152 20 23 7 57,5 10,0 54,4 1,673 153 Saavi 1 2 21,1 153 20 23 7 42,0 5,5 54,8 1,663 154 Saavi 1 2 21,1 154 20 23 7 48,0 10,0 53,7 1,684 155 Saavi 1 2 21,1 155 20 23 14 55,7 2,4 53,6 1,702 156 Saavi 1 2 21,1 156 20 23 14 49,9 2,1 54,5 1,685 157 Saavi 1 2 21,1 157 20 23 14 42,3 1,9 54,2 1,697 158 Saavi 1 2 21,1 158 20 23 28 54,6 2,4 54,7 1,713 159 Saavi 1 2 21,1 159 20 23 28 46,2 2,1 55,1 1,670 160 Saavi 1 2 21,1 160 20 23 28 43,9 1,9 55,6 1,711 M94 Saavi 1 2 21,1 M94 20 23 7 29,8 7,1 55,4 1,686 6370 M100 Saavi 1 2 21,1 M100 20 23 7 27,4 4,2 55,6 1,675 9910 M109 Saavi 1 2 21,1 M109 20 23 7 26,9 6,9 55,2 1,666 3972 201 Saavi 1 0,5 5,3 201 20 23 7 11,0 10,0 52,3 1,697 637 202 Saavi 1 0,5 5,3 202 20 23 7 10,5 10,0 53,6 1,772 703 203 Saavi 1 0,5 5,3 203 20 23 7 12,0 10,0 51,7 1,768 662 204 Saavi 1 0,5 5,3 204 20 23 14 6,3 6,8 54,2 1,648 366 205 Saavi 1 0,5 5,3 205 20 23 14 8,6 10,0 53,8 1,701 397 206 Saavi 1 0,5 5,3 206 20 23 14 9,6 10,0 55,1 1,682 716 207 Saavi 1 0,5 5,3 207 20 23 28 9,0 10,0 55,4 1,660 666 208 Saavi 1 0,5 5,3 208 20 23 28 9,0 10,0 55,9 1,691 772 209 Saavi 1 0,5 5,3 209 20 23 28 8,0 10,0 56,1 1,700 472 Liite 3 (5)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa M17C Saavi 1 0,5 5,3 M17C 20 23 7 9,3 5,0 56,0 1,651 M45C Saavi 1 0,5 5,3 M45C 20 23 7 8,1 6,0 55,8 1,651 M73C Saavi 1 0,5 5,3 M73C 20 23 7 9,4 3,5 52,7 1,623 214 Saavi 1 1 10,5 214 20 23 7 21,0 10,0 53,7 1,704 838 215 Saavi 1 1 10,5 215 20 23 7 23,5 10,0 53,7 1,810 1081 217 Saavi 1 1 10,5 217 20 23 7 24,5 10,0 52,0 1,701 1005 216 Saavi 1 1 10,5 216 20 23 14 23,0 10,0 53,6 1,714 1337 223 Saavi 1 1 10,5 223 20 23 14 19,0 10,0 54,4 1,719 811 224 Saavi 1 1 10,5 224 20 23 14 22,0 10,0 54,4 1,663 1104 219 Saavi 1 1 10,5 219 20 23 28 20,8 10,0 55,0 1,688 816 220 Saavi 1 1 10,5 220 20 23 28 25,0 10,0 53,5 1,689 1264 221 Saavi 1 1 10,5 221 20 23 28 25,0 10,0 53,7 1,708 1410 M78C Saavi 1 1 10,5 M78C 20 23 7 20,0 10,0 54,5 1,666 4500 M79C Saavi 1 1 10,5 M79C 20 23 7 18,0 10,0 55,5 1,650 3000 225 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 225 20 23 7 13,0 10,0 87,8 1,544 476 226 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 226 20 23 7 14,0 10,0 87,5 1,509 505 227 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 227 20 23 7 13,3 5,9 88,0 1,529 552 228 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 228 20 23 14 14,9 5,6 86,5 1,515 817 229 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 229 20 23 14 15,0 5,2 87,2 1,514 838 230 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 230 20 23 14 14,8 4,9 86,7 1,531 578 231 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 231 20 23 28 15,5 4,0 88,6 1,524 945 232 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 232 20 23 28 14,0 10,0 89,8 1,511 1169 233 Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 233 20 23 28 15,0 10,0 87,6 1,496 679 M132c Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 M132c 20 23 7 13,1 2,5 88,9 1,467 M138C Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 M138C 20 23 7 11,1 1,6 89,2 1,504 M146C Lempola 6, 7 & 8 2 15,3 M146C 20 23 7 10,9 2,4 89,2 1,505 testi2_pieni Kenttä 1 30 testi2_pieni 20 23 1 151,0 10,0 36,5 1,802 7806 201 Kenttä 1 30 201 20 23 7 205,4 5,4 35,7 1,871 20714 202 Kenttä 1 30 202 20 23 7 178,2 3,7 33,2 1,942 31286 203 Kenttä 1 30 203 20 23 7 190,0 2,3 35,6 1,785 34449 204 Kenttä 1 30 204 20 23 28 456,9 4,0 32,8 1,815 26446 205 Kenttä 1 30 205 20 23 28 427,0 2,4 32,7 1,811 32863 206 Kenttä 1 30 206 20 23 28 428,2 2,1 33,6 1,808 37005 testi_m147b Kenttä 1 30 testi_m147b 20 23 1 112,4 3,7 39,5 1,713 11106 M53B Kenttä 1 30 M53B 20 23 3 130,0 3,4 36,7 1,769 9600 M56B Kenttä 1 30 M56B 20 23 3 183,5 2,7 36,8 1,716 13963 Liite 3 (6)
koe savi A w C w koe säil.lämpö säil.aika q u ε w ρ Ε 50 % kg/m 3 C d kpa % % g/cm 3 kpa M59B Kenttä 1 30 M59B 20 23 7 223,2 1,3 37,1 1,703 42543 M61B Kenttä 1 30 M61B 20 23 7 145,7 2,9 37,3 1,777 17380 M67B Kenttä 1 30 M67B 20 23 7 125,6 2,3 39,2 1,740 15460 M73B Kenttä 1 30 M73B 20 23 14 262,1 1,6 36,6 1,769 32625 M78B Kenttä 1 30 M78B 20 23 14 274,6 1,4 37,1 1,779 33787 M79B Kenttä 1 30 M79B 20 23 14 269,7 1,0 35,6 1,766 35520 M82B Kenttä 1 30 M82B 20 23 28 240,8 1,6 36,2 1,784 28188 M93B Kenttä 1 30 M93B 20 23 28 185,0 2,5 37,9 1,795 14657 M94B Kenttä 1 30 M94B 20 23 28 259,2 1,3 37,1 1,782 32667 1B_A Kenttä 2 30 1B_A 20 23 >28 198,0 3,6 31,0 1,859 10587 1B_B Kenttä 2 30 1B_B 20 23 >28 188,2 5,0 33,2 1,717 8235 1D Kenttä 2 30 1D 20 23 >28 265,7 1,3 45,2 1,705 27839 2E Kenttä 2 30 2E 20 23 >28 84,2 4,0 42,8 1,781 6262 2F Kenttä 2 30 2F 20 23 >28 85,6 8,2 38,4 1,819 3137 3G Kenttä 2 30 3G 20 23 >28 321,1 3,2 36,5 1,774 15792 3H Kenttä 2 30 3H 20 23 >28 175,0 10,0 37,6 1,708 7000 Liite 3 (7)
Isojen ja pienten koekappaleiden vesipitoisuuksien ja puristuslujuuksien vertailu. A w C w W/C Säilytysaika Vesipit. isot Vesipit. pienet (ka), w i (ka), w p w i -w p Lujuus, isot (ka), Lujuus, pienet q u, i (ka), q u, p q u, i / q u, p % kg/m 3 d % % %-yks kpa kpa Lempola 6,7 & 8 5 38,2 19,0 7 89,2 87,5 1,73 103,6 121,2 0,85 Lempola 6,7 & 8 4 30,6 23,8 7 89,8 87,5 2,30 56,7 73,7 0,77 Lempola 6,7 & 8 3 22,9 31,7 7 90,9 89,2 1,63 27,4 33,0 0,83 Lempola 6,7 & 8 2 15,3 47,5 7 89,1 87,8 1,33 11,7 13,0 0,90 Lempola 6,7 & 8 1 7,6 95,0 7 93,3 91,2 2,12 6,8 9,2 0,74 SAAVI 1 5 52,7 19,0 7 53,8 51,3 2,50 250,8 281,5 0,89 SAAVI 1 4 42,2 23,8 1 54,4 53,0 1,33 103,2 139,2 0,74 SAAVI 1 4 42,2 23,8 3 54,7 53,6 1,13 119,8 172,2 0,70 SAAVI 1 4 42,2 23,8 7 54,9 53,0 1,87 141,0 196,5 0,72 SAAVI 1 4 42,2 23,8 14 54,7 53,4 1,33 165,6 231,7 0,71 SAAVI 1 4 42,2 23,8 28 55,0 54,7 0,23 221,5 251,8 0,88 SAAVI 1 3 31,6 31,7 1 55,1 53,7 1,40 50,7 101,6 0,50 SAAVI 1 3 31,6 31,7 3 55,5 53,1 2,37 66,2 99,5 0,67 SAAVI 1 3 31,6 31,7 7 55,2 53,9 1,23 68,2 98,4 0,69 SAAVI 1 3 31,6 31,7 14 55,4 54,6 0,87 103,4 110,5 0,94 SAAVI 1 3 31,6 31,7 28 55,5 53,8 1,67 114,5 140,9 0,81 SAAVI 1 2 21,1 47,5 7 55,4 54,3 1,10 28,0 50,3 0,56 SAAVI 1 1 10,5 95,0 7 55,0 53,1 1,87 17,7 23,7 0,74 SAAVI 1 0,5 5,3 190,0 7 54,8 52,5 2,30 9,0 12,3 0,73 KENTTÄ 1 30 7 37,9 34,8 3,03 164,8 191,2 0,86 KENTTÄ 1 30 28 37,1 33,0 4,03 228,3 437,6 0,52 KENTTÄ 1 30 1 39,5 36,5 3,00 112,4 155,2 0,72 min 0,23 min 0,50 maks 4,03 maks 0,94 ka 1,84 ka 0,75 Liite 4
VEDENLÄPÄISEVYYS JOUSTAVASEINÄISELLÄ VEDENLÄPÄISEVYYSLAITTEISTOLLA VAKIOPAINEKOE pvm. 12.11.2007 AL Paikka: Lempola Koe n:o 6sw Tutkimus, tilaaja: SAAVI 1, Aw = 2% Syvyys: 0,1 0,3 Selli n:o 1 Piste, paalu: Näytteenottopiste 1 Käsittelijä: A. Leivo Näyte n:o M147 Huom. ENNEN KOETTA KOKEEN JÄLKEEN Massa, m 276,6 g Massa, m 268,96 g Optimivesipitoisuus % Halkaisija, d 49,82 mm Halkaisija, d 49,46 mm Maksimikuivatiheys kg/m³ Korkeus, L 84,95 mm Korkeus, L 82,28 mm Maksimikuivatilavuuspaino kn/m³ Vesipitoisuus, w 57 % Vesipitoisuus, w 53 % Märkäirtotiheys 1670 kg/m³ Märkäirtotiheys 1701 kg/m³ Käytetty liuos tislattu, ilmaton vesi Kuivairtotiheys 1063 kg/m³ Kuivairtotiheys 1115 kg/m³ Lämpötila, T 20 C Kyllästysaste, Sr 99,8 % Kyllästysaste 99,6 % Kyllästysasteen muutos % Huokosluku, e 1,6 Huokosluku, e 1,4 Huokoisuus, n 60,9 % Huokoisuus, n 59,0 % HUOM! Sullonta-aste % Sullonta-aste % VEDENLÄPÄISEVYYS (neljän viimeisimmän mittauksen mukaan, menovesi) k 20 C (keskiarvo) 5,8E-10 m/s keskihajonta 2,1E-11 m/s k 20 C (mediaani) 5,9E-10 m/s k T (keskiarvo) 5,8E-10 m/s Vedenläpäisevyys 1,0E-08 1,0E-09 1,0E-10 menovesi tulovesi Vedenläpäisevyys, k (m/s) 1,0E-11 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Aika (h) 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 (menovesi/tulovesi)*10 gradientti Aika (h) Käytetyt paineet 250 200 150 100 Paine (kpa) 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 sellipaine etupaine takapaine tehokas jännitys Aika (h) Liite 5 (1)
VEDENLÄPÄISEVYYS JOUSTAVASEINÄMÄISELLÄ VEDENLÄPÄISEVYYSLAITTEISTOLLA VAKIOPAINEKOE pvm. 1.8.2007 AL/TKK Paikka: Lempola Koe n:o 4sw Tutkimus, tilaaja: SAAVI 1, Aw = 3 % Syvyys: 0,1 0,3 Selli n:o 1 Piste, paalu: Näytteenottopiste 1 Käsittelijä: A. Leivo Näyte n:o M13B Huom. Rinnakkaisnäyte Luopioisiin lähetetyille näytteille. ENNEN KOETTA KOKEEN JÄLKEEN Massa, m 316,91 g Massa, m 319,3 g Optimivesipitoisuus % Halkaisija, d 49,94 mm Halkaisija, d 49,78 mm Maksimikuivatiheys kg/m³ Korkeus, L 97,91 mm Korkeus, L 97,55 mm Maksimikuivatilavuuspaino kn/m³ Vesipitoisuus, w 57 % Vesipitoisuus, w 57 % Märkäirtotiheys 1620 kg/m³ Märkäirtotiheys 1682 kg/m³ Käytetty liuos tislattu, ilmaton vesi Kuivairtotiheys 1030 kg/m³ Kuivairtotiheys 1069 kg/m³ Lämpötila, T 20 C Kyllästysaste, Sr 95,1 % Kyllästysaste 101,1 % Kyllästysasteen muutos % Huokosluku, e 1,6 Huokosluku, e 1,5 HUOM. Huokoisuus, n 62,1 % Huokoisuus, n 60,7 % Huokoskivet testattu kokeen jälkeen. Sullonta-aste % Sullonta-aste % Kokeen alkuvaiheessa sekä meno- että tuloveden VEDENLÄPÄISEVYYS (neljän viimeisimmän mittauksen mukaan, menovesi) mukaan mitatut vedenläpäisevyydet olisivat negak 20 C (keskiarvo) 6,1E-10 m/s keskihajonta 2,2E-10 m/s tiivisia. Syy: tulovesi: näyte on imaissut vettä. Menok 20 C (mediaani) 6,3E-10 m/s k T (keskiarvo) 6,0E-10 m/s vesi:? Vedenläpäisevyys 1,0E-07 1,0E-08 1,0E-09 1,0E-10 menovesi tulovesi Vedenläpäisevyys, k (m/s) 1,0E-11 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Aika (h) 40 30 20 10 0-10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550-20 (menovesi/tulovesi)*10 gradientti Aika (h) Käytetyt paineet 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 sellipaine etupaine takapaine tehokas jännitys Aika (h) Paine (kpa) Liite 5 (2a)
Liite 5 (2b)