57 2013 LKENNEVRASTON tutimusia ja selvitysiä jania alanen Pohjaveden alenemisesta aiheutuvien painumien mallintaminen pehmeiöohteissa
Jania Alanen Pohjaveden alenemisesta aiheutuvien painumien mallintaminen pehmeiöohteissa Liienneviraston tutimusia ja selvitysiä 57/2013 Liiennevirasto Helsini 2013
Kannen uva: Jania Alanen Verojulaisu pdf (www.liiennevirasto.fi) SSN-L 1798-6656 SSN 1798-6664 SBN 978-952-255-393-5 Liiennevirasto PL 33 00521 HELSNK Puhelin 0295 34 3000
3 Jania Alanen: Pohjaveden alenemisesta aiheutuvien painumien mallintaminen pehmeiöohteissa. Liiennevirasto, unnossapito-osasto. Helsini 2013. Liienneviraston tutimusia ja selvitysiä 57/2013. 81 sivua ja 9 liitettä. SSN-L 1798-6656, SSN 1798-6656, SBN 978-952-255--393-5, SSN 1798-6664, SBN 978-952-255-393-5 Avainsanat: Painuma, pohjaveden alenema, elementtimenetelmä, Soft Soil malli, Tangenttimoduuli Tiivistelmä Pohjavedenpinnan aleneminen aiheuttaa lisäuormitusta pohjavedenpinnan alapuolisille maaerrosille. Koheesiomaalajeille lisäuormasta seuraava jännitystilan muutos aiheuttaa usein painumia, joita pohjavedenpinnan palautuminen ei välttämättä pysäytä. Usein nämä painumat ovat epätasaisia synnyttäen seä esteettisiä että raenteiden antavuuteen liittyviä ongelmia raennetussa ympäristössä. Tässä diplomityössä tutittiin pohjavedenpinnantason merittävistä muutosista pehmeiöohteille aiheutuvien painumien lasentaa ja siihen liittyvää mallinnusta. Työssä vertailtiin analyyttisten ja numeeristen lasentamenetelmien antamia tulosia tehtyihin painumahavaintoihin. Analyyttiset laselmat tehtiin GeoCalc 2.4 -ohjelmalla ja äsinlasennalla tangenttimoduulimenetelmällä. Numeeriset laselmat tehtiin elementtimenetelmään perustuvalla Plaxis 2011 -ohjelmalla. Lasentaohteena oli Vantaan lolassa sijaitseva pehmeiö, joa sijaitsee Kehäradan itäisen suuauon eteläpuolella. Alueella on raennustöiden myötä havaittu merittäviä muutosia pohjavedenpinnantasossa vuosien 2010 ja 2012 välillä. Työn tavoitteena oli arvioida analyyttisillä ja numeerisilla menetelmillä lasettujen painumien vastaavuutta tehtyjen havaintojen anssa. Työn tavoitteena oli myös selvittää alueen lopullisten lasennallisten painumien mittaluoa, alueellinen painumajaauma ja jäljellä olevan painuman suuruus. GeoCalcilla saadut lasennalliset painumat olivat noin viisinertaiset painumahavaintoihin verrattuna. Tämä johtui tavasta, jolla pohjavedenpinnan alenemasta maaerrosille aiheutuva tilavuusuorma jouduttiin mallintamaan GeoCalcissa. Käsinlasennan tuloset vastasivat painumahavaintojen mittaluoaa ja aia-painumauvaajan muotoa paremmin. Käsinlasennassa monimutaisten uormitusolosuhteiden ysinertaistaminen aiheutti uitenin runsaasti virheitä tulosiin. Numeerisessa mallinnusessa pohjavedenpinnantason muutoset syötettiin ohjelmaan utain ajanheteä vastaavana moreenissa vallitsevana pohjavedenpainetasona. Tuloset olivat mittaluoansa puolesta usottavia, mutta aia-painumauvaajan muoto poiesi painumahavainnoista. Heryystarastelujen perusteella todettiin lasennallisten painumien ja aia-painumauvaajan muodon riippuvan vahvasti äytetyistä vedenläpäisevyyden ja sen muutosen arvoista.
4 Jania Alanen: Modellering av sättningar orsaade av avsänningar av grundvattnet i mjua marområden. Trafiveret, drift och underhåll. Helsingfors 2013. Trafiverets undersöningar och utredningar 57/2013. 81 sidor och 9 bilagor. SSN-L 1798-6656, SSN 1798-6664, SBN 978-952-255-393-5. Nycelord: Sättning, avsänning av grundvattnet, elemenmetod, Soft Soil modell, tangentmodul Sammanfattning Sänning av det hydraulisa trycet av grundvatten orsaar extra belastning i jordlagren nedanför freatis nivå. Den ytterligare belastningen orsaar förändringar i spänningstillståndet för ohesionsjordar, vilet ofta genererar sättningar som inte alltid upphör vid återhämtning av hydraulisa trycnivån. Ojämna sättningar orsaar ompliationer utav både estetisa och struurella perspeivet i den byggda miljön. Denna diplomarbete studerar beräning och modellering av sättningar orsaade av stora avsänningar av grundvattnet i mjua marområden. Arbetet jämför resultat producerad av analytisa och numerisa alylmetoder med de observerade sättningarna. De analytisa beräningarna gjordes med GeoCalc 2.4 -programmet och handberäningarna utfördes med tangentmodulmetoden. Elementmetodbaserade Plaxis 2011 -programvaran användes för numeris alyl. Området som användes för beräningarna ligger i lola, Vanda, södra Finland, söderut från den östra avfarten av Ringbanan. När byggandet av den östra avfarten pågic mellan år 2010 och 2012 visade observationerna förändringar i grundvattensnivån i närheten. Syftet med arbetet var att evaluera trovärdigheten av det analytisa och numerisa alylerna baserat på observationer av sättningar. Ett annat mål var att bedöma omfattningen, arealspridningen och resterande mängden av sättingarna. Sättningar beränade av GeoCalc 2.4 programmet blev fem gånger större än de observerade värdena. Detta berodde på det sättet på vilet belastningen som orsaas av grundvatten upptre an modelleras i GeoCalc. Resultaten av handberäningar besriver de observerade sättningar väl när det gäller omfattningen av forsjutningar och tid-reglering -urvans form. Resultaten av handberäningar drabbades doc mycet av förenlingar som gjordes för att underlätta alylprocessen. de numerisa beräningarna grundvattnets opptre modellerades genom att ange freatisa nivåer som motsvarar de uppmätta porevatten presset i moränen vid varje tidssteg. De resultat som erhållits genom numeris modellering var trovärdiga när det gäller omfattningen av sättningarna, men graden av sättningarna matchas inte med observationer. Därför onluderades det att permeabiliteten och förändring av permeabilitetparametrar har en stor påveran på formen av tid-regleringsurvan.
5 Jania Alanen: The modelling of settlements in soft soil areas caused by groundwater drawdown. Finnish Transport Agency, Railway Maintenance Department. Helsini 2013. Research reports of the Finnish Transport Agency 57/2013. 81 pages and 9 appendices. SSN-L 1798-6656, SSN 1798-6664 SBN 978-952-255-393-5 (pdf) Keywords: Settlement, groundwater drawdown, finite element method, Soft Soil model, TAngen modulus Summary Lowering of the hydraulic pressure of groundwater causes additional loading in the soil layers located below the phreatic level. For cohesive soils the alterations in the stress state caused by the additional loading often generate settlements, which might not be caused by the recovery of the hydraulic pressure level. Differential settlements inflict complications for both aesthetic and structural perspectives in the built environment. This master s thesis studies the calculation and modelling of settlements caused by dramatic groundwater drawdowns in soft soil areas. The wor compares the results produced by analytical and numerical calculation methods together with the observed settlements. The analytical calculations were conducted using the GeoCalc 2.4 program and by hand calculations using the tangent modulus method. For numerical calculations Paxis 2011 program based on finite element method was used. The area used for the calculations is located in lola, Vantaa, Southern Finland, South from the East exit of the Helsini Ring Rail Line tunnel. During the constructions of the Eastern exit between the years 2010 and 2012 changes were detected in the groundwater levels in the surrounding areas. The aim of the thesis was to evaluate the credibility of the analytical and numerical calculations based on the settlement observations. Another goal was to assess the scale, areal distribution and remaining amount of the settlements. Settlements calculated by GeoCalc 2.4 program were fivefold compared to the observed values. This was due to the manner in which the loading caused by the groundwater drawdown could be modelled in GeoCalc. The results of the hand calculations described the observed calculations well regarding the scale of the displacements and the shape of the time-settlement-curve. Nevertheless results of the hand calculations were heavily affected by the simplifications made to the loading history in order to facilitate the hand calculation process. n the numerical calculations the groundwater drawdown was modelled by entering the phreatic levels corresponding to the measured pore water pressures in the moraine at each timestep. The results gained by numerical modelling were credible in respect of the scale of the settlements. However the rate of the settlements did not match the observations. Hence the permeability and change of permeability parameters were concluded to have a major influence on the shape of the time-settlement-curve.
6 Esipuhe Tämä julaisu on tehty diplomityönä Aalto yliopiston nsinööritieteiden oreaoulun Pohjaraennusen ja maameaanian laboratoriolle. Työn on tehnyt teniian andidaatti Jania Alanen Pöyry Finland Oy:ssä. Työn tilaajana ja rahoittajana toimi Liiennevirasto. Työn valvojana toimi Aalto yliopiston nsinööritieteiden oreaoulun professori Leena Koriala-Tanttu Pohjaraennusen ja maaaniian laboratoriosta. Ohjaajina toimivat D Jaao Heiilä Arcus Oy:stä ja D Essi Hartman Pöyry Finland Oy:stä. Heidän lisäseen ohjausryhmään uului Eri Mäelä Liiennevirastosta. Helsingissä jouluuussa 2013 Liiennevirasto Kunnossapito
7 Sisällysluettelo MERKNNÄT JA LYHENTEET... 9 1 JOHDANTO... 11 1.1 Tutimusen tausta... 11 1.2 Työn tavoitteet ja rajaus... 12 1.3 Työn raenne... 12 2 MAAPERÄ JA POHJAVES... 13 2.1 Yleistä... 13 2.2 Vedenläpäisevyys... 14 2.3 Pohjavesi... 14 2.4 Huoosvedenpaine... 15 2.5 sotropia ja homogeenisuus... 16 3 PANUMAT... 18 3.1 Elastinen ja plastinen muodonmuutos... 18 3.2 Painumalajit... 19 3.3 Avoin- ja suljettu tila... 20 4 ANALYYTTSET PANUMALASKENTAMENETELMÄT... 23 4.1 Koonaispainumamenetelmät... 23 4.1.1 Yleistä 23 4.1.2 Tangenttimoduulimenetelmä... 23 4.1.3 Ruotsalainen painumalasentamenetelmä... 25 4.1.4 Kooonpuristuvuusindesi-menetelmä... 27 4.1.5 Vesipitoisuusmenetelmät... 28 4.2 Aiapainuman lasentamenetelmät... 29 4.2.1 Terzaghin onsolidaatioteoria... 29 4.2.2 Janbun onsolidaatioteoria... 31 4.3 Seundääripainuman laseminen... 34 5 ELEMENTTMENETELMÄ... 35 5.1 Yleistä... 35 5.2 Lineaarisesti elastinen malli... 35 5.3 Mohr-Coulombin malli... 36 5.4 Soft Soil- ja Soft Soil Creep -mallit... 37 6 LAAKSOTEN PANUMASEURANTA-ALUE... 41 6.1 Yleistä... 41 6.2 Maaperä... 42 6.2.1 Pohjasuhteet... 42 6.2.2 Kairausten ja laboratoriooeiden tuloset... 44 6.3 Pohjavesi... 47 6.4 Painumahavainnot... 48 7 LASKELMAT... 50 7.1 Käytetyt ohjelmat ja suoritetut laselmat... 50 7.2 Analyytiset laselmat... 50 7.2.1 Yleistä 50 7.2.2 Vesipitoisuusmenetelmät... 53
8 7.2.3 Tangenttimoduulimenetelmä... 55 7.2.4 Käsinlasenta tangenttimoduulimenetelmällä... 56 7.3 Numeerinen mallinnus Plaxis 2011 -ohjelmalla... 59 7.3.1 Yleistä 59 7.3.2 Kaivantojen uivatusen mallintaminen ajan funiona... 61 7.3.3 Kaivannon uivatusen mallintaminen aivojen avulla... 62 7.3.4 Pohjaveden mallintaminen moreenin painetason avulla... 64 7.4 Heryystarastelut... 70 8 LASKEMEN TULOSTEN ANALYYS JA VERTALU... 72 9 JOHTOPÄÄTÖKSET JA KEHTYSEHDOTUKSET... 79 LÄHDELUETTELO... 80 LTTEET Liite 1 Pohjatutimusartta Liite 2 Leiaus A Liite 3 Leiaus B Liite 4 Laasotien geoteniset laboratoriotutimuset Liite 5 Painumaseurantapisteet Liite 6 Pohjavedenpintamallit Liite 7 Painumalasennan tuloset (GeoCalc 2.4) Liite 8 Käsinlasenta tangenttimoduulimenetelmällä Liite 9 Painumalaselmien tuloset (Plaxis 2011)
9 Merinnät ja lyhenteet Cc [-] ooonpuristuvuusindesi Cr [-] palautus- ja toistouormitusen ooonpuristuvuusindesi C α [-] seundääripainuman erroin huoosluvun muaan C αε [%] seundääripainuman erroin muodonmuutosen muaan H [m] veden ulema mata (onsolidaatiossa) M [Pa] ooonpuristuvuusmoduuli M [Pa] moduuliluu un tehoasjännitys ylittää rajajännitysen Mt [Pa] tangenttimoduuli ML [Pa] vaioooonpuristuvuusmoduuli onsolidaatio- ja rajajännitysen välillä M0 [Pa] ylionsolidoituneen alueen ooonpuristuvuusmoduuli R [s/mm] aiavastus Sr [%] ylläisyysaste S [mm] painumapotentiaali S [mm] primääripainuma Sp [mm] lopullinen painuma Tp [-] Janbun aiateijä Tv [-] Terzaghin aiateijä Up [-] primäärionsolidaation onsolidaatioaste V [mm 3 ] maanäytteen oonaistilavuus Vs [mm 3 ] raeiden tilavuus Vv [mm 3 ] huoosten tilavuus c [Pa] oheesio c [Pa] tehoas oheesio cv [m 2 /a] onsolidaatioerroin e [-] huoosluu e0 [-] aluhuoosluu [m/a] vedenläpäisevyyserroin m [-] moduuliluu m1 [-] normaalistionsolidoituneen osan moduuliluu m2 [-] ylionsolidoituneen osan moduuliluu ms [g] maaperässä olevan uivan ainesen massa mw [g] maaperässä olevan veden massa n [%] huooisuus p [Pa] hydrostaattinen paine (aavassa 2.5) p [Pa] hydrostaattinen jännitys p [Pa] hydrostaattinen tehoas jännitys q [Pa] pintauorma q [Pa] deviatorinen jännitys rs [-] Janbun hiipumaluu s [mm] painuma s0 [mm] alupainuma t [s] aia tr [s] referenssiaia u [Pa] huoosvedenpaine uexcess [Pa] huoosvedenylipaine w [%] vesipitoisuus
10 wn [%] luonnollinen vesipitoisuus z [m] syvyysoordinaatti [-] muutos β [-] jännitysesponentti β [-] vedenläpäisevyyden muutos γ [N/m 3 ] maan tilavuuspaino γ [N/m 3 ] maan tehoas tilavuuspaino γ w [N/m 3 ] veden tilavuuspaino δ [mm] painuma ε [%] muodonmuutos ε cr [%] hiipuman muodonmuutos ε p [%] pystysuuntainen muodonmuutos ε v [%] tilavuuden muutos κ [-] paisumisvaiheen suoran altevuus lnp -v -oordinaatistossa (Cam Clay malli) κ* [-] munnettu paisumisindesi (Plaxis) λ [-] normaalisti onsolidoituneen tilan suoran altevuus lnp -v -oordinaatistossa (Cam Clay malli) λ* [-] muunnettu ooonpuristuvuusindesi (Plaxis) μ* [-] muunnettu hiipumaindesi (Plaxis) ν [-] Poissonin luu ρ s [N/m 3 ] iintotiheys σ [Pa] oonaisjännitys σ [Pa] tehoas oonaisjännitys σ a [Pa] referenssijännitys σ v0 [Pa] tehoas pystysuuntainen alujännitys σ n [Pa] tehoas normaalijännitys σ p [Pa] tehoas onsolidaatiojännitys σ L [Pa] rajajännitys σ 1 [Pa] suurin pääjännitys σ 2 [Pa] esimmäinen pääjännitys σ 3 [Pa] pienin pääjännitys τ f [Pa] leiauslujuus φ [º] itaulma φ [º] tehoas itaulma ψ [º] dilataatioulma CPTU FEM LE MC SS SSC POP Puristinairaus huoospainemittausella Elementtimenetelmä Lineaarisesti elastinen materiaalimalli Mohr-Coulombin materiaalimalli Soft Soil Model Soft Soil Creep Model ylionsolidaatio (Pre-Overburden Pressure)
11 1 Johdanto 1.1 Tutimusen tausta Pohjavedenpinnan aleneminen aiheuttaa uormitusen lisäystä pohjavedenpinnan alapuolisille maaerrosille. Koheesiomaalajeista oostuville maaerrosille, jota ovat tyypillisesti ooonpuristuvia, lisäuorma aiheuttaa usein merittäviä muodonmuutosia. Tämä johtuu pohjaveden nostevaiutusen pienenemisestä pohjavedenpinnan aletessa. Muutoset pohjavedenpinnantasossa vaiuttavat maaperässä vallitsevaan jännitystilaan, jona muutosten seurausena maaperässä tapahtuu pysyviä muodonmuutosia, pääasiassa maaperän painumista. Näistä pysyvistä muodonmuutosista aiheutuu moninaisia haittoja raennetulle ympäristölle. Vaia maaperän painuminen saataisiinin pysäytettyä nostamalla pohjavedenpinta taaisin luonnolliselle tasolleen, eivät jo tapahtuneet siirtymät tule uitenaan palautumaan. Sen lisäsi on mahdollista, että painumien jatuu vielä jonin aiaa viipeellä. Painumat itsessään eivät välttämättä aiheuta haittaa ympäröivälle raennusannalle. Pohjasuhteiden vaihtelusta johtuen painumat ovat uitenin usein epätasaisia. Epätasaiset painumat aiheuttavat esteettisten haittojen lisäsi antoyyyn ja toimintaan liittyviä ongelmia raennusille seä unnallisteniialle että aduille. Maanvaraisesti perustetuille raennusille epätasaiset painumat aiheuttavat lisäuormitusta, joa voi johtaa vääntymiin, haleiluun ja mahdollisesti lopulta raenteiden murtumiseen. Paaluperusteisten raenteiden yhteydessä ongelmia tuottavat lisääntyneestä pystyuormasta (ns. negatiivinen vaippahanaus) ja maan painumisesta johtuvat, erityisesti vinopaaluihin ohdistuvat rasituset, joita estämään paaluja ei välttämättä ole suunniteltu. Paaluperusteisten raennusten usein maanvaraiset pihat painuvat paalutettujen raennusten ympärillä. Tästä seuraa paitsi esteettisiä haittoja, myös mahdollisia painumia tai murtumia unnallisteniian liittymissä. Katu- ja piha-alueilla painumien suurimpana haittana ovat painumista unnallisteniialle aiheutuvat muutoset putien aatoihin. Kaadon pieneneminen tai oonaan häviäminen heientää unnallisteniian verostojen toimivuutta seä aiheuttaa raenteille lisärasitusia lyhentäen niiden äyttöiää. Pohjavedenpinnan muutosia arvioidaan erilaisin virtausmallein. Yleensä virtausen mallintaminen vaatii monimutaisten virtausolosuhteiden vuosi laaja-alaista ja olmiulotteista tarastelua. Tämän seurausena myös painumatarasteluissa on suositeltavaa ottaa huomioon uormitusen olmiulotteisuus. Pohjavedenpinnan muutosista aiheutuvien uormitusolosuhteiden muutosten mallintaminen ei ole yhtä suoraviivaista uin uloisen uorman mallintaminen. Tämä johtuu siitä, että pohjavedenpinnantason muutosista aiheutuvat uormat eivät ohdistu maanpinnantasoon, vaan uorma on ns. tilavuusuormaa ja sen suuruus vaihtelee syvyyden funiona. Pohjavedenpinnan muutosista aiheutuvan uormitusen monimutaisuudesta johtuen pohjaveden hallinnan rooli on painumien mallintamisen ja ehäisyn annalta merittävä.
12 1.2 Työn tavoitteet ja rajaus Työn tavoitteena on tutia pohjavedenpinnantason alenemisen aiheuttamia painumia pehmeiöillä esimeriohteen avulla. Työssä tutitaan tapausta, jossa pohjavedenpinnantason alenema on merittävä ja tapahtuu suhteellisen lyhyellä aiavälillä. Painumat lasettiin analyyttisillä ja numeerisilla menetelmillä, joiden antamia tulosia verrattiin toisiinsa seä todellisiin painumahavaintoihin. Työssä mallinnettiin ensin jo tapahtuneet painumat. Vertaamalla lasennallisia painumia painumahavaintoihin voitiin arvioida laselmien luotettavuutta. Lisäsi työssä pyrittiin mallintamaan lopullisten painumien mittaluoaa, alueellista painumajaaumaa seä jäljellä olevaa painumaa. Diplomityö esittyi pehmeiön painumatarasteluihin pohjaveden muutosten seurausena. Työn esimerissä oletettiin, että painumaprosessi on jo alanut, eiä painumien syihin voida enää vaiuttaa pohjaveden hallinnan einoilla. 1.3 Työn raenne Työ oostuu ahdesta osasta. Ensimmäinen osa on irjallisuusselvitys; toisessa osassa äsitellään aihetta esimeriohteen autta olemassa olevaa tilannetta mallintamalla. Kirjallisuusselvitysessä aavoissa on äytetty unin lähdeteosen muaisia merintätapoja. Työn mallinnusosaan liittyen tehtiin täydentäviä pohja- ja laboratoriotutimusia. Laboratoriotutimuset on tehty ja raportoitu erillisenä erioistyönä Aalto yliopistolle (Liite 4). Esimeriohteena oli Vantaan lolassa sijaitsevaa Kehäradan täisen suuauon eteläpuolista aluetta. Alueelta suoritettiin asiulotteisia painumalasentoja seä analyyttisillä, että numeerisilla painumalasentamenetelmillä. Laselmissa äytettiin seä analyyttisiin menetelmiin perustuvaa Novapoint GeoCalc 2.4 -lasentaohjelmaa että elementtimenetelmään perustuvaa Plaxis 2011 -ohjelmaa. Painumatarastelut suoritettiin Laasotien linjalta, jona alueelta myös merittävimmät täisen suuauon aivannon ulopuoliset painumahavainnot on tehty. Työssä ei mallinnettu pohjavedenpinnan äyttäytymistä, vaan lähtötietona äytettiin Pöyry Finland Oy:n tuottamaa pohjavedenpinnan 3D-pintamallia. Olemassa olevasta pintamallista projisoitiin lasentaleiauseen pohjavedenpinnantasot, jota syötettiin painumalasentaohjelmiin pohjavedenpinnantason pisteistöinä. Pohjaveden muutosista aiheutuneiden uormien olmiulotteisuus otettiin siis mallinnusessa huomioon, vaia itse painumalaselmat suoritettiinin 2D-laselmina. Painumalaselmissa pohjaveden virtaussuunnat huomioitiin mallin raja-arvojen määrittelyssä.
missä u on huoosvedenpaine [Pa] (2.8) 13 2 Maaperä ja pohjavesi 2.1 Yleistä Maaperä voidaan jaaa iinteään aineseen eli raeisiin ja huoostilaan. Kosa maaperän raeet oletetaan ooonpuristumattomisi, on maaperän huooisuus painumisen annalta olennainen ominaisuus. Maanäytteen oonaistilavuus V voidaan jaaa raeiden tilavuuteen Vs ja huoostilavuuteen Vv. Huooisuus n ertoo huoostilavuuden suhteen näytteen oonaistilavuuteen nähden aavan 2.1 muaan. Painumalaselmissa puhutaan usein huooisuuden sijaan huoosluvusta e, joa saadaan jaamalla huoostilavuus Vv iintoainesen Vs tilavuudella (aava 2.2). Huooisuuden ja huoosluvun välille voidaan johtaa aavan 2.3 muainen yhteys. (2.1) (2.2) (2.1) (2.2) (2.3) (2.1) (2.3) missä n on huooisuus [-] missä n on huooisuus [-] (2.2) Vv huoosten tilavuus [mm 3 ] V v maanäytteen huoosten oonaistilavuus tilavuus [mm 3 ] [mm 3 ] e V huoosluu maanäytteen [-] oonaistilavuus [mm 3 ] (2.3) Vs e raeiden huoosluu tilavuus [-] [mm 3 ] missä n V s on raeiden huooisuus tilavuus [-] [mm 3 ] Huoostilavuudesta V voidaan erottaa vielä eriseen huoosveden tilavuus Vw. Huoosvedentilavuuden ja huoostilavuuden suhde ertoo maaperän ylläisyysasteen Sr, eli v huoosten tilavuus [mm 3 ] V maanäytteen oonaistilavuus [mm 3 ] uina suuri osa näytteen huoosista on veden yllästämää. Huoosluuun ja ylläisyysasteeseen e huoosluu liittyy myös maaperän [-] vesipitoisuus w, jolla taroitetaan maaperässä olevan missä veden Vm s w ja raeiden on uivan maaperässä ainesen tilavuus massojen olevan [mm 3 ] suhdetta veden massa (aava 2.4). [g] (2.4) m s uivan ainesen massa [g] (2.4) (2.4) (2.5) missä mw m w on maaperässä olevan olevan veden veden massa [g] massa [g] missä ms mc v s uivan on onsolidaatioerroin ainesen massa massa [g] [m [g] 2 /a] γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] Suomessa on yleisesti sovellettu aivuluoitustutimusen yhteydessä vuonna 1971 M ooonpuristuvuusmoduuli [Pa] ehitettyä geotenistä maalajiluoitusta (GEO-luoitus) (Korhonen et al. 1974). Geoteninen maalajiluoitus otettiin äyttöön vuonna 1974. Vuonna 2008 siirryttiin eurooodin missä muaiseen c v on onsolidaatioerroin maalajiluoituseen (EN[mSO /a] 14688-2.). Geotenistä maalajiluoitusta (2.5) (2.6) äytetään γ w veden uitenin tilavuuspaino yhä eurooodin [N/m muaisen ] luoitusen rinnalla. missä M p ooonpuristuvuusmoduuli on hydrostaattinen paine [Pa] [Pa] Geotenisen ϒ w maalajiluoitusen vedentilavuuspaino maalajirajat [N/m 3 vastaavat ] pitälti muualla maailmassa yleisesti z äytettyjä etäisyys maalajiluoitusia. vedenpinnasta Eurooodin [m] muaisen EN SO 14688-2 (2.6) -luoitusen myötä on uitenin pyritty yhtenäistämään eri maiden maalajiluoitusia. missä Merittävimmät p on hydrostaattinen erot eurooodin paine ja geotenisen [Pa] maalajiluoitusen välillä ovat (2.7) moreenimaalajien puuttuminen eurooodista seä plastisuusominaisuusien äyttö ϒ w vedentilavuuspaino [N/m 3 ] hienoraeisten missä u on maalajien huoosvedenpaine luoitusessa. z etäisyys vedenpinnasta [Pa] [m] γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] z syvyys pohjavedenpinnantasosta mitattuna [m] (2.7)
14 2.2 Vedenläpäisevyys Maaerrosen vedenläpäisevyys riippuu errosen raejaaumasta ja maaperän raenteesta. Karearaeisissa maissa ivennäisraeet ovat niin suuria, että niiden voidaan olettaa toimivan erillisinä partieleina. Hienoraeisilla maalajeilla raeet ovat puolestaan niin pieniä, että niiden välillä vallitsee sähöemiallisia vetovoimia, jota pitävät raeet asassa. Tämä äy ilmi jos hiea- ja savinäytteet nostetaan pöydälle: savi pysyy hyvin asassa, mutta hiea valuu olmiosi, jona sivun ulma vastaa tyypillisesti hiean itaulmaa. Hienoraeisilla maalajeilla on arearaeisia maalajeja alhaisempi vedenläpäisevyys. Tämä johtuu ahdesta asiasta. Ensisi hienoraeisessa maassa ivennäisraeet pääsevät asettumaan tiiviimmin uin arearaeisessa maassa. Toisesi hienoraeisissa missä n on huooisuus [-] maalajeissa V v raeiden huoosten välillä tilavuus vallitsevat [mm sähöemialliset 3 ] voimat vaiuttavat vahvasti myös veden V virtauseen maanäytteen raeiden oonaistilavuus välissä. Moreenien [mmvedenläpäisevyyteen 3 ] vaiuttaa vahvasti e maalajin huoosluu raejaauma: [-] mitä enemmän moreeni sisältää hienoainesta, sitä alhaisempi Vvedenläpäisevyys s raeiden tilavuus sillä on. [mm (Korhonen 3 ] 1985a.) Vedenläpäisevyyttä voidaan mitata laboratoriossa ysiasiaalisen painumaoeen, ödometrioeen, yhteydessä. Tällöin tulosesi saadaan myös saven vedenläpäisevyys ja sen muutos eri tiiveysasteilla. Miäli vedenläpäisevyysoeita ei ole äytettävissä, missä m w voidaan on maaperässä se määrittää myös olevan ödometrioeesta veden massa onsolidaatioertoimen [g] cv ja ooonpuristuvuusmoduulin uivan ainesen M avulla massa aavan [g] 2.5 muaan (Terzaghi & Pec 1948). m s (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.5) cv missä c [m 2 /a] v on onsolidaatioerroin [m 2 /a] w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] ooonpuristuvuusmoduuli [Pa] M ooonpuristuvuusmoduuli [Pa] 2.3 Pohjavesi (2.6) missä p on hydrostaattinen paine [Pa] Kun maaperän huooset ovat täysin vedellä yllästyneitä, on maaperän ylläisyysaste Sr=1(100 ϒ%). w vedentilavuuspaino Pohjavedenpinnan tasolla [N/m 3 maaperän ] huoosissa olevan veden paine vastaa ilmanpainetta. z etäisyys Pohjavedenpinnan vedenpinnasta yläpuolella [m] maaperän huoosten tilavuus oostuu yleisimmin vedestä ja ilmasta. Jos vettäläpäiseviä errosia erottaa tiivis maaerros, saattaa sen yläpuolelle olla ertynyt ns. orsivettä vaia varsinainen pohjavedenpinta olisiin syvemmällä. Savioaltaiden pohjavesi on usein todellisuudessa (2.7) orsivettä. missä u on huoosvedenpaine [Pa] γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] Hyvin vettäläpäisevässä z syvyys pohjavedenpinnantasosta maassa pohjavedenpinta (pohjaveden mitattuna aiheuttama [m] paineoreus) voidaan määrittää mittaamalla vedenpinta maahan asennetusta havaintoputesta tai aivosta. Hienoraeisilla maalajeilla pohjaveden pinnan määrittäminen (2.8) on vaieampaa uin arearaeisilla maalajeilla. Savi- ja silttierrosilla pohjavedenpinta määritellään näiden errosten alla hyvin vettä johtavista errosista mitattua missä σ on tehoas oonaisjännitys [Pa] pohjavedenpainetta vastaavana pietsometrisenä painetasona. σ oonaisjännitys [Pa] Pohjavedenpinta u huoosvedenpaine Suomessa sijaitsee yleensä [Pa] noin 2 5 metrin syvyydessä ja seurailee areasti maanpinnan muotoja. Hyvin vettä johtavissa maalajeissa pohjavedenpinta (2.9)
missä n on huooisuus [-] (2.3) V v huoosten tilavuus [mm 3 ] 15 missä n V on maanäytteen huooisuus oonaistilavuus [-] [mm 3 ] e V v huoosten huoosluu tilavuus [-] [mm 3 ] voi uitenin V s raeiden tilavuus [mm 3 ] sijaita maanäytteen jopa 30 50 oonaistilavuus metrin syvyydessä; [mm savioilla 3 ] se sijaitsee tyypillisesti noin 1 metrin syvyydellä (Suomen ympäristöesus 2012). e huoosluu [-] V s raeiden tilavuus [mm 3 ] (2.4) 2.4 Huoosvedenpaine missä m w on maaperässä olevan veden massa [g] (2.4) m s uivan ainesen massa [g] Huoosnesteen ja maaraeiden välillä vallitsevaa painetta utsutaan huoosvedenpaineesi. m w on maaperässä olevan veden massa [g] (2.1) missä Tässä appaleessa esitytään tarastelemaan tilannetta, jossa maaperä on täysin m vedellä s uivan ainesen massa [g] (2.5) yllästynyt eli ylläisyysaste Sr on 100 %. Tällaisessa tapausessa voidaan puhua huoosvedenpaineesta. Kosa arearaeisten maalajien vedenläpäisevyys missä c v on onsolidaatioerroin [m 2 (2.2) /a] on tyypillisesti suuri, on niissä vallitseva huoosvedenpaine lähellä vallitsevaa pohjaveden γ w veden hydrostaattista tilavuuspaino painetasoa [N/m 3 (aava ] 2.6). Tästä johtuen huoosve- (2.5) denpainetta missä M c v mitataan ooonpuristuvuusmoduuli on onsolidaatioerroin usein vain hienojaoisista [m 2 (2.3) /a] [Pa] maalajeista. γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] missä n on huooisuus [-] M ooonpuristuvuusmoduuli [Pa] V v huoosten tilavuus [mm 3 ] (2.6) (2.6) missä p on hydrostaattinen paine paine [Pa] V [Pa] maanäytteen oonaistilavuus [mm 3 ] ϒw ϒe [N/m 3 w vedentilavuuspaino huoosluu [-] [N/m ] ] (2.6) missä z p V s vedenpinnasta [m] etäisyys on raeiden hydrostaattinen vedenpinnasta tilavuus [mm paine ] [m] [Pa] Huoosvedenpaineen ϒ w vedentilavuuspaino u voidaan tasapainotilassa [N/m 3 ] olettaa oostuvan ysinomaan hydrostaattisesta z jännitysestä etäisyys vedenpinnasta aavan 2.7 muaan. [m] (2.7) (2.4) missä u on huoosvedenpaine [Pa] missä m w on maaperässä olevan veden (2.7) γ w veden tilavuuspaino [N/m 3 massa [g] (2.7) ] m s uivan ainesen massa [g] missä u z on syvyys huoosvedenpaine pohjavedenpinnantasosta [Pa] [Pa] mitattuna [m] γ [N/m 3 w veden tilavuuspaino [N/m ] ] z syvyys pohjavedenpinnantasosta mitattuna mitattuna [m] [m] Tasapainotilassa missä σ c v on huoosylipaine tehoas onsolidaatioerroin oonaisjännitys on nolla, ja [m 2 huoosvesi /a] [Pa] pysyy liiumattomana. Tasapainotilan σ γ w voidaan oonaisjännitys veden olettaa tilavuuspaino olevan [Pa] voimassa [N/m 3 ] silloin, un normaalionsolidoituneeseen (2.5) (2.8) (2.8) maaperään ei ohdistu ylimääräisiä uormia, eiä maaperässä ole oreuserois- missä u σ M huoosvedenpaine on ooonpuristuvuusmoduuli tehoas oonaisjännitys [Pa] [Pa] [Pa] ta aiheutuvia virtauspaineita. (Wood 1990.) σ oonaisjännitys [Pa] (2.9) (2.6) Kun maaperää u huoosvedenpaine uormitetaan uormalla [Pa] q, pyrii maa-aines seä painumaan asaan että missä leviämään sivusuunnassa. Painumalasentateorioissa iintoaines ja huoosneste oletetaan p on hydrostaattinen paine [Pa] usein täysin ooonpuristumattomisi (Terzaghi & Pec 1948). Näin ollen (2.9) ϒ w vedentilavuuspaino [N/m 3 ] saven painumisen oletetaan olevan seurausta huoosten tilavuuden muutosesta. z etäisyys vedenpinnasta [m] Tästä voidaan päätellä uormitusen lisäysen näyvän huoosvedenpaineen asvuna u välittömästi uormitusen lisäysen jäleen. Primäärionsolidaation aiana huoosylipaine (2.7) purautuu ylimääräisen huoosveden poistuessa saven huoosista aiheuttaen saven tilavuuden pienenemisen. (Wood 1990.) missä u on huoosvedenpaine [Pa] Saven muodonmuutoset γ w veden tilavuuspaino riippuvat maaperän [N/mtehoaasta 3 ] jännitystilasta σ aavassa 2.8 esitetyllä z tavalla. syvyys pohjavedenpinnantasosta mitattuna [m] (2.8) (2.8) missä σ σ u on tehoas oonaisjännitys [Pa] [Pa] oonaisjännitys [Pa] [Pa] huoosvedenpaine [Pa] huoosvedenpaine [Pa] (2.9)
Maan isotrooppisuudella taroitetaan sitä, että maaperän ominaisuudet ovat samansuuruisia M (4.1) (3.2) aiissa eri tarastelusuunnissa. Eroosiosta ja sedimentoitumisesta johtuen maaperä ei uitenaan äytännössä ole osaan täysin isotrooppista vaan sen omi- missä εm v naisuudet t on tilavuudenmuutos tangenttimoduuli [Pa] [%] vaihtelevat eri suuntiin. Tätä utsutaan anisotropiasi. Anisotrooppisuus e vaiuttaa dσ myös tehoaan huoosluu pohjaveden oonaisjännitysen [-] virtauseen, sillä maaperän muutos tiiviysasteen [Pa] ja raeoon vaihtelut seä ε raemuoto muodonmuutos aiheuttavat muutosia [-] maaperän vedenläpäisevyyteen. M (4.1) Maan homogeenisyydellä taroitetaan sitä, että maaperän elementin fysiaaliset ja M meaaniset missä M t ominaisuudet on tangenttimoduuli pysyvät samanlaisina. [Pa] (4.2) Homogeenisessä maaerrosessa pysty- ja dσ vaaasuuntaiset tehoaan ominaisuudet oonaisjännitysen voivat uitenin muutos poieta [Pa] toisistaan. Esimerisi missä saven ε m vaaasuuntainen muodonmuutos on moduuliluu vedenläpäisevyys [-] on usein huomattavasti pystysuuntaista vedenläpäisevyyttä β jännitysesponentti suurempi. [-] M σ tehoas oonaisjännitys [Pa] Mitoituslaselmissa (4.2) maaperä jaetaan maaerrosiin. Maaerrosella taroitetaan σ a referenssi jännitys [Pa] homogeenista aluetta, jona sisällä materiaalin ominaisuusien oletetaan olevan sa- missä m on moduuliluu [-] M (4.3) β jännitysesponentti [-] σ tehoas oonaisjännitys [Pa] γ w veden tilavuuspaino [N/m ] z syvyys pohjavedenpinnantasosta mitattuna [m] 16 (2.8) missä σ on tehoas oonaisjännitys [Pa] Kun maaperää σ oonaisjännitys ei uormiteta ulopuolisilla [Pa] uormilla, voidaan yhtälö 2.8 irjoittaa myös aavan u 2.9 huoosvedenpaine muotoon maaperän ylläisyysasteen [Pa] ollessa 100 %. (2.9) (2.9) ja (2.10) (2.10) missä σ on tehoas oonaisjännitys [Pa] [Pa] ja γ maaerrosen tehoas tehoas tilavuuspaino tilavuuspaino [N/m 3 ][N/m ] maaerrosen tilavuuspaino [N/m 3 ] γ maaerrosen tilavuuspaino [N/m 3 ] w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] γ z w veden tilavuuspaino [N/m 3 ] etäisyys maanpinnasta [m] missä z σ etäisyys on tehoas maanpinnasta oonaisjännitys [m] [Pa] (2.10) Toisin sanottuna γ maaerrosen huoosveden tehoas voidaan ajatella tilavuuspaino eventävän [N/m savea oman tilavuuspainonsa γ ] w verran nostevaiutusen ansiosta (Wood 1990). Kosa muutoset pohjaveden painetasossa vaiuttavat myös pohjaveden nostevaiutuseen, voidaan pohja- (2.11) γ maaerrosen tilavuuspaino [N/m 3 ] veden missä äillisen γq w veden on alenemisen pintauorma tilavuuspaino olettaa [Pa] vastaavan [N/mmaaperään 3 ] ohdistuvaa pintauormaa q (aava 2.11). z γ w veden etäisyys tilavuuspaino maanpinnasta [N/m3] [m] z w pohjaveden alenema [m] (2.11) (2.11) missä q on pintauorma [Pa] [Pa] [N/m3] γ w veden tilavuuspaino [N/m3] z alenema [m] w pohjaveden alenema [m] (3.1) Tämä missä taroittaa p on sitä, tehoas että pohjaveden hydrostaattinen yhden metrin jännitys suuruinen [Pa] alenema vastaa maaperässä σ 10 1 Pa:n suurin suuruista pääjännitys lisäuormaa. [Pa] Näin ollen pohjaveden lasiessa pystyjännitys σ v asvaa σ lineaarisesti aluperäisen ja uuden pohjavedenpinnan välisissä maaerrosissa 1 esimmäinen pääjännitys [Pa] (uva 24). Savien alhaisesta vedenläpäisevyydestä johtuen oletetaan saven huoospaineen asvavan samassa suhteessa pystyjännitysen asvun anssa (3.1) σ 1 pienin pääjännitys [Pa] (Leroueil missä p et al. on 1990. tehoas s.149 ). hydrostaattinen jännitys [Pa] (3.2) σ 1 suurin pääjännitys [Pa] 2.5 missä sotropia σ ε v 1 on esimmäinen tilavuudenmuutos ja homogeenisuus pääjännitys [%] [Pa] e σ 1 pienin huoosluu pääjännitys [-] [Pa]
manlaisia. Maaerrosjao tehdään jaamalla pohjamaa errosiin, joissa maaperän ominaisuudet saavat esimäärin vaioarvoja. Muodostuneille maaerrosille äytetään näin ollen esimääräisiä maaerrosen äyttäytymistä uvaavia arvoja tai arvoja, jota muuttuvat tasaisesti esimerisi syvyyden funiona. 17
18 3 Painumat 3.1 Elastinen ja plastinen muodonmuutos Maaperä tiivistyy uormitusen alaisena. Hienoraeiset maalajit ovat useimmiten voimaaammin ooonpuristuvia uin arearaeiset maalajit, jona vuosi maaperän painuminen aiheuttaa ongelmia pääasiassa pehmeiöalueilla. Painumat itsessään eivät välttämättä aiheuta vaurioita raenteille, ongelmallisempaa on maaperän epätasaisista painumista aiheutuvat raenteen tai raennusen eri ulmien tai osien väliset painumaerot. Painumaerot aiheuttavat perustusiin ja raenteisiin ohdistuvia vääntö- ja leiausrasitusia, joita raenteita ei useinaan ole mitoitettu estämään. Risialteimpia raenteita painumien annalta ovat maanvaraisesti perustetut raenteet, mutta myös paalutetut raenteet voivat ärsiä maaperän painumista. Maaperän painuminen aiheuttaa paaluille negatiivisen vaippahanausen lisäsi myös huomattavia vertiaalivoimia vinopaalujen tapausessa. Paalutettujen raenteiden yhteydessä myös raennusta ympäröivien maanvaraisten pihojen, atujen ja unnallisteniian painuminen suhteessa painumattomiin raennusiin voi aiheuttaa vaavia ongelmia ja putijohtojen murtumista. Hooen lain muaan materiaalin muodonmuutoset ovat riippuvaisia materiaaliin ohdistuvasta jännitysestä (Wood 1990). Maaperän muodonmuutoset voidaan jaaa immoisiin ja plastisiin muodonmuutosiin (uva 1). Kimmoisella muodonmuutosella taroitetaan muodonmuutosta, joa palautuu uormitusen poistuttua ennalleen. Plastiset muodonmuutoset ovat puolestaan pysyviä. (Korhonen 1985a.) Maaperän painuessa immoista ja plastista muodonmuutosta on uitenin vaiea erottaa erillisisi ilmiöisi. Kuormitusen poistuessa saven muodonmuutoset palautuvat vain osittain. Muodonmuutoset ovat siis osin immoisia, osin plastisia. Miäli savea uormitetaan uudestaan aiemmin vallinneelle uormitustasolle, voidaan nyt tapahtuvien muodonmuutosten havaita olevan pääasiassa immoisia. Jos aiaisemmin vallinnut uormitustaso uitenin ylitetään, asvaa plastisten muodonmuutosten osuus oonaismuodonmuutosesta. Kuormitusen asvaessa niin suuresi, että muodonmuutoset vaihtuvat elastisista elastoplastisisi (uva 1), sanotaan materiaalin myötäävän. Tätä pistettä, jossa muutos elastisesta plastiseen muodonmuutoseen tapahtuu, utsutaan myötöpisteesi. Kuvassa 1 on havainnollistettu myötöpisteiden sijaintia jännitys-muodonmuutosuvaajalla. Ylempänä ideaalitilanne, jossa muodonmuutoset on jaettu immoisiin ja plastisiin muodonmuutosiin. Alempana on uvattu saven todellista äyttäytymistä. Jos uormitus lopetetaan myötöpisteen jäleen, palautuvat muodonmuutoset immoisen muodonmuutosen osalta taaisin. Jos uormitusta taas lisätään, huomataan että raennetta voidaan uormittaa aina edeltävään uormitustasoon asti ennen uin materiaalissa on havaittavissa merittäviä plastisia muodonmuutosia. Edellisen uormitusen masimiarvosta on siis tullut materiaalin uusi myötöpiste. (Wood 1990, s. 55 76.) Kosa maaperä on oostumuseltaan epähomogeenistä, maaperän lujuusominaisuudet - ja näin ollen myös myötöpiste - vaihtelevat usein seä syvyyden että vaaageometrian suhteen. (Wood 1990.)
19 plastinen muodonmuutos q [ Pa a) elastinen muodonmuutos ε [%] q [ Pa elastinen muodonmuutos b) ε [%] plastinen muodonmuutos Kuva 1. Saven myötääminen. Punaiset ympyrät uvaavat myötöpisteitä, siniset ympyrät toistouormitusen myätöpisteitä. Käyrä a) edusta ideaalista tilannetta, jossa elastinen ja plastinen muodonmuutos tapahtuvat eriseen. Käyrä b) uvaa saven todellista äyttäytymistä, jossa immoinen ja elastinen muodonmuutos tapahtuvat osin samanaiaisesti. 3.2 Painumalajit Maaperän painuminen voidaan luoitella erilaisiin painumalajeihin usealla eri tavalla: elastiseen ja plastiseen painumaan (uva 1), alu-, onsolidaatio- ja seundääripainumaan (uva 2) tai tilavuuden- ja leiausmuodonmuutoseen. Nämä jaottelut ovat rinnaaisia esenään, eivätä siis sulje toisiaan pois. Esimerisi onsolidaatiopainuma voi olla osin elastista ja osin plastista. Tässä appaleessa äsitellään jaoa alu-, primääriseen onsolidaatio- ja seundääripainumaan, joa perustuu painuman aiariippuvuuteen ja painumameanismeihin. Alupainumalla taroitetaan raenteessa raentamisen aiana tai heti sen jäleen tapahtuvaa painumaa. Vedellä yllästetyssä oheesiomaassa alupainuma tapahtuu suljetussa tilassa, jossa ei tapahdu tilavuuden muutosia tai suotovirtausta. Alupainuma johtuu uormitusen aiheuttamista leiausmuodonmuutosista. Alupainuma tapahtuu myötöpinnan alapuolella, eli elastisella alueella. Kitamailla painumat oostuvat lähes ysinomaan välittömästä painumasta. Hyvin vettäläpäiseviin maaerrosiin ei synny suljettua tilaa, jona vuosi lyhyen ajan painumat tapahtuvat erilaisissa olosuhteissa uin oheesiomaiden alupainuma. Kitmaaerrosissa tapahtuu tilavuudenmuutosta samanaiaisesti leiausmuodonmuutosten anssa. (Korhonen 1985b, s. 371 397.)
20 Primäärisellä onsolidaatiopainumalla taroitetaan painumaa, joa tapahtuu veden poistuessa maaperän huoosista maanperän tiivistyessä. Kitamailla onsolidaatiopainuma tapahtuu samanaiaisesti välittömän painuman anssa. Tämä johtuu itamaiden oreasta vedenläpäisevyydestä, jona ansiosta vesi pääsee virtaamaan nopeasti pois maaperästä. Koheesiomailla onsolidaatio on tyypillisesti hidasta. Painuma on riippuvainen ajasta ja maaperän onsolidaatioasteesta (Terzaghi & Pec, 1948). Savella onsolidaatio alaa saven myötöpisteen ylityttyä eli normaalionsolidoidulla alueella. (Korhonen 1985b.) Kuva 2 Koheesiomaan painumalajit. Saven on oemusperäisesti havaittu jatavan painumistaan primäärisen onsolidaation päätyttyä. Tätä vaihetta utsutaan seundäärisesi onsolidaatiopainumasi eli hiipumasi. Seundäärisessä onsolidaatiossa savi painuu tehoaiden jännitysten pysyessä vaiona. Toisin sanottuna savi jataa painumistaan huoosylipaineen jo tasaannuttua. (Leroueil et al. 1990, Wood 1990.) Primäärisen ja seundäärisen onsolidaation on myös esitetty olevan yhtenäinen ilmiö, jota ei voida erottaa toisistaan (Barden, 1968). 3.3 Avoin- ja suljettu tila Geotenisessä suunnittelussa muodonmuutoset jaotellaan avoimen- ja suljetun tilan muodonmuutosiin (Kuva 3). Suljetulla tilalla taroitetaan tilaa, jossa uormitusen aiheuttama huoosveden ylipaine ei ehdi poistua maaperästä. Geotenisessä mielessä tämä taroittaa lyhyen aiavälin tarastelua, yleisimmin raentamisen aiaista ti-
21 lannetta. Avoimessa eli pitäaiaisessa tilassa huoosvesi pääsee poistumaan maaperästä, aiheuttaen saven onsolidoitumisen: veden ylipaineen poistuessa huoosista ympäröivät savipartielit tiivistyvät eli savi ooonpuristuu. (Leroueil et al. 1990, s. 147.) Avoimessa tilassa saven painumanopeus riippuu nopeudesta, jolla ylimääräinen huoosvesi poistuu saven huoosista. Painumanopeuteen vaiuttavat saven vedenläpäisevyys, savierrosen pasuus seä rajapinnat. Tasapasussa, horisontaalisesti yhtenäisessä ja rajoittamattomassa savierrosessa huoosveden oletetaan yleensä poistuvan vain savierrosen ylä- tai alapinnan läpi. Jos esimerisi aivanto ataisee savierrosen vaaasuunnassa, on otettava huomioon myös saven vaaasuuntainen vedenläpäisevyys. Miäli savi rajoittuu vettä läpäisemättömään erroseen, uten allioon, voidaan aien ylimääräisen huoosveden olettaa poistuvan saven vapaan yläpinnan lävitse. Tämä luonnollisesti asvattaa huoosveden ulemaa mataa ja hidastaa onsolidaatiota. Kuva 3 Raentamisen aiainen ja pitän aiavälin tilanne (Leroueil et al. 1990.) Suljetussa tilassa huoosvesi ei maaperän alhaisen vedenläpäisevyyden vuosi pääse virtaamaan maaperän läpi ja näin ollen poistumaan maasta. Sisi suljetun tilan uormitusessa täysin vedellä yllästetyn materiaalin oonaistilavuudenmuutos ε v on nolla. Tällöin aii muodonmuutoset aiheutuvat leiausmuodonmuutosista. Tämä taroittaa, että tehoas hydrostaattinen jännitys (aava 3.1) vastaa uormitusta edeltänyttä tilaa. Eli uormitusesta aiheutuva jännitys siirtyy oonaisuudessaan huoosveden ylipaineesi (aava 2.8). (Leroueil et al. 1990.)
missä γq w veden on pintauorma tilavuuspaino [Pa] [N/m 3 ] z γ w etäisyys veden tilavuuspaino maanpinnasta [N/m3] [m] 22 z w pohjaveden alenema [m] (2.11) missä q on pintauorma [Pa] γ w veden tilavuuspaino [N/m3] z w pohjaveden alenema [m] missä p on tehoas hydrostaattinen jännitys jännitys [Pa] [Pa] σ 1 [Pa] 1 suurin pääjännitys [Pa] σ 1 esimmäinen pääjännitys [Pa] 1 esimmäinen pääjännitys [Pa] σ 1 pienin pääjännitys [Pa] σ 1 pienin pääjännitys [Pa] Pitän ajan tilanteessa huoosveden ylipaine uitenin purautuu veden hitaasti missä poistuessa p savesta. on tehoas hydrostaattinen jännitys [Pa] Kosa maapartielit oletetaan ooonpuristumattomisi, voidaan aien σ 1 tilavuuden suurin pääjännitys muutosen olettaa [Pa] johtuvan huoosten ooonpuristumises- (3.2) ta. missä Näin σ εollen v 1 saadaan esimmäinen on tilavuudenmuutos pääjännitys muutosen [%] ja [Pa] huoosluvun välille aavassa 3.2 esitetty yhteys. σ e 1 pienin huoosluu pääjännitys [-] [Pa] M (3.2) (3.2) (4.1) missä ε M v t on tilavuudenmuutos tangenttimoduuli [%] [Pa] [%] e dσ huoosluu tehoaan [-] oonaisjännitysen [-] muutos [Pa] ε muodonmuutos [-] M (4.1) M missä M t on tangenttimoduuli [Pa] (4.2) dσ tehoaan oonaisjännitysen muutos [Pa] missä m on moduuliluu [-] ε muodonmuutos [-] β jännitysesponentti [-] σ tehoas oonaisjännitys [Pa] M referenssi jännitys [Pa] (4.2) σ a (3.1) (3.1) (3.1) missä M m on moduuliluu [-] (4.3) β jännitysesponentti [-] σ tehoas oonaisjännitys [Pa] σ a referenssi jännitys [Pa] M (4.3)
23 4 Analyyttiset painumalasentamenetelmät 4.1 Koonaispainumamenetelmät 4.1.1 Yleistä Monet onsolidaatioteoriat ovat ysinertaistusia ja sisältävät olettamusia, jota eivät todellisuudessa vastaa maaperän ominaisuusia eivät äyttäytymistä. Mittausja laboratorioteniian ja riittisen tilan teorioiden ehittymisen myötä on uitenin ollut mahdollista luoda edistysellisempiä elementtimenetelmän (FEM) soveltamiseen perustuvia numeerisia malleja uvaamaan painumaa paremmin. (Leroueil et al. 1990.) Geoteniiassa elementtimenetelmää hyödyntävien lasentaohjelmien ehitys on ollut suhteellisen hidasta johtuen osin geotenisten ongelmien monimutaisuudesta ja osin vanhojen ysinertaisempien menetelmien vaiintuneesta asemasta suunnittelun osana. Analyyttisten menetelmien ongelmana on, että niiden antamat tuloset ovat usein epätaroja ja saattavat näin ollen johtaa yli- tai alimitoituseen. Numeerisilla menetelmillä muodonmuutosia voidaan uvata paremmin uin analyyttisillä lasentamenetelmillä. Numeeristen menetelmien äyttämät materiaalimallit vaativat uitenin usein lähtötiedoisi parametreja, joiden määrittäminen vaatii runsaasti näytteitä ja niistä suoritettuja laboratoriooeita. Tämä on seä allista että aiaa vievää. Analyyttisten lasentamenetelmien äyttö mitoitusessa voi olla perusteltua, un tarasteltava ongelma on laajuudeltaan pieni. Vaativissa ohteissa elementtimenetelmän äyttö on uitenin yleensä suositeltavaa, josaan ei ovin yleistä. Suomessa on savierrosten painumalasentaan yleisesti äytetty Janbun 1963 ehittämää tangenttimoduulimenetelmää (Länsivaara 2000, s. 7). Menetelmä perustuu suhteellisen ooonpuristuman lasemiseen ödometrioeesta saatavan, jännitysestä riippuvan ooonpuristuvuusmoduulin avulla. Kooonpuristuvuusmoduulin jännitysriippuvuutta uvaavat moduuliluu m ja jännitysesponentti β. (Janbu, 1970.) Tangenttimoduulimenetelmän lisäsi tässä työssä äsitellään ruotsalaista painumalasentamenetelmää, ooonpurituvuusindesimenetelmää, seä Janbun ja Helenelundin vesipitoisuusmenetelmiä. Joissain ödometrioeiden tulintamenetelmissä ja niihin perustuvissa lasentamenetelmissä äytetään aritmeettisen mittaaavan sijaan puolilogaritmistä mittaaavaa. Näistä yleisin on ooonpuristuvuusindesimenetelmä, jona sovellutusia muut puolilogaritmiset menetelmät tavalla tai toisella ovat. (Länsivaara 2000, s. 37.) 4.1.2 Tangenttimoduulimenetelmä Tangenttimoduulimenetelmä perustuu suoraviivaiseen syy-seuraussuhteeseen, jossa maaperässä vallitsevan jännitystilan muutosesta aiheutuvaa saven muodonmuutosta uvataan tangenttimoduulin Mt (aava 4.1) avulla (uva 4) (Janbu 1970, s. 153).
1 σ 1 esimmäinen pääjännitys [Pa] (3.1) σ (3.2) 1 pienin pääjännitys [Pa] 24 missä p on tehoas hydrostaattinen jännitys [Pa] missä ε v on tilavuudenmuutos [%] σ 1 suurin pääjännitys [Pa] (3.2) σ e 1 esimmäinen huoosluu [-] pääjännitys [Pa] missä εσ v 1 on pienin tilavuudenmuutos pääjännitys [Pa] [%] M (4.1) e huoosluu [-] (4.1) (3.2) missä Mt M t on tangenttimoduuli [Pa] M [Pa] (4.1) dσ tehoaan oonaisjännitysen muutos muutos [Pa] missä ε [Pa] v on tilavuudenmuutos [%] muodonmuutos [-] missä Me ε t on huoosluu muodonmuutos tangenttimoduuli [-] [-] [Pa] Tangenttimoduuli dσ tehoaan määritellään oonaisjännitysen empiirisellä yhtälöllä muutos 4.2 (Ohde [Pa] 1939, s. 451; Janbu 1963). M ε muodonmuutos [-] (4.1) (4.2) missä M t Mmissä (4.2) m on on tangenttimoduuli [Pa] moduuliluu [-] (4.2) dσ tehoaan oonaisjännitysen muutos [Pa] β jännitysesponentti [-] missä ε on muodonmuutos moduuliluu [-] [-] missä m σ on tehoas moduuliluu oonaisjännitys [-] [Pa] jännitysesponentti [-] β σ σ a jännitysesponentti referenssi [Pa] tehoas oonaisjännitys [-] M [Pa] σ (4.2) σa tehoas referenssi oonaisjännitys [Pa] [Pa] M σ (4.3) a referenssi jännitys [Pa] Referenssijännitystä missä m on moduuliluu (100 Pa) [-] äytetään muodonmuutosparametrien dimensiot- β saamiseen. jännitysesponentti Jännitysesponentin [-] ollessa nolla (=0), voidaan tangenttimo- (4.3) Mtomasi duulin todeta σ olevan tehoas aavan oonaisjännitys 4.3 muaisesti [Pa] lineaarisesti jännitysestä riippuvainen (Janbu 1970, s. referenssi 170). jännitys [Pa] σ a M (4.3) (4.3) Tehoaan oonaisjännitysen asvaessa vallitsevasta jännitysestä σ 0 arvoon σ voidaan muodonmuutoselle johtaa aavoissa 4.4 ja 4.5 esitetyt, jännitysesponentin β arvoista riippuvat yhtälöt (Janbu 1970, s. 178, 185). (4.4) (4.4) (4.4) (4.4) (4.4) (4.5) (4.5) Ylionsolidoituneelle savelle muodonmuutoset lasetaan eriseen normaali- ja ylionsolidoituneelta (4.5) osalta un β = 0 (4.6) aavojen 4.6 ja 4.7 muaan. Kaavoissa on oletettu jännitysesponentin saavan arvon nolla. (4.5) (4.5) un (4.6) un (4.7) un un β = 0 (4.6) (4.6) (4.6) missä ε p = pystysuuntainen muodonmuutos un [%] β = 0 (4.7) (4.7) m 1 = normaaliosolidoituneen osan moduuliluu un un β = 0 [-] (4.7) (4.7) missä mε p 2 = pystysuuntainen ylionsolidoituneen muodonmuutos osan moduuliluu [%] [-] [%] missä missä σ mε p m1 1 = uormanlisäysen normaaliosolidoituneen osan moduuliluu [-] = normaaliosolidoituneen pystysuuntainen pystysuuntainen muodonmuutos muodonmuutos jäleen vallitseva osan moduuliluu [%] [%] jännitystila [Pa] [-] σ m2 m p 21 = esionsolidaatiojännitys ylionsolidoituneen ylionsolidoituneen normaaliosolidoituneen normaaliosolidoituneen osan osan [Pa] moduuliluu osan osan moduuliluu moduuliluu moduuliluu [-] [-] [-] [-] σ m 0 2 = uormanlisäysen vallitseva ylionsolidoituneen ylionsolidoituneen jännitystila jäleen jäleen osan osan vallitseva ennen moduuliluu moduuliluu vallitseva uormitusta jännitystila jännitystila [-] [-] [Pa] [Pa] [Pa] σ p σ p = uormanlisäysen uormanlisäysen esionsolidaatiojännitys jäleen jäleen [Pa] [Pa] vallitseva vallitseva jännitystila jännitystila [Pa] [Pa] σ 0 0 p vallitseva jännitystila ennen ennen uormitusta uormitusta [Pa] = esionsolidaatiojännitys esionsolidaatiojännitys [Pa] [Pa] [Pa] (4.8) σ σ 0 = vallitseva vallitseva jännitystila jännitystila ennen ennen uormitusta uormitusta [Pa] [Pa] missä Tangenttimoduulimenetelmästä on vuosien äytön tulosena muodostunut useita eri M t on tangenttimoduuli (4.8) muunnosia m aavasta moduuliluu 4.2, joita äytetään eri maalajeille. Ensinnäin saven ylionsolidoituneelle osalle äytetään usein ysinertaisuuden vuosi vaiomoduulia Mt = (4.8) (4.8) MOC missä σ M yhtälön 4.2 t tehoas on tangenttimoduuli oonaisjännitys [Pa] sijaan. Toisesi hiealla ja silttisellä hiealla jännitysesponentin esimissä missä σm M a t referenssijännitys moduuliluu on on tangenttimoduuli tangenttimoduuli [Pa] σ m moduuliluu moduuliluu tehoas oonaisjännitys [Pa] σ σ σ a referenssijännitys tehoas tehoas oonaisjännitys oonaisjännitys [Pa] [Pa] [Pa] (4.9)
un β = 0 (4.6) missä ε p = pystysuuntainen muodonmuutos [%] m 1 = normaaliosolidoituneen osan moduuliluu [-] 25 un β = 0 (4.7) m 2 = ylionsolidoituneen osan moduuliluu [-] σ uormanlisäysen jäleen vallitseva jännitystila [Pa] missä ε arvona voidaan σ p = pystysuuntainen muodonmuutos [%] pitää p esionsolidaatiojännitys arvoa β=0,5. Tästä seurausena [Pa] moduulille saadaan aavan 4.8 m muainen lausee. σ 1 = normaaliosolidoituneen osan moduuliluu [-] 0 (Länsivaara vallitseva 2000, jännitystila s. 11.) ennen uormitusta [Pa] m 2 = ylionsolidoituneen osan moduuliluu [-] σ = uormanlisäysen jäleen vallitseva jännitystila [Pa] (4.8) (4.8) σ p = esionsolidaatiojännitys [Pa] missä Mt t on σ 0 tangenttimoduuli = vallitseva jännitystila ennen uormitusta [Pa] m moduuliluu σ oonaisjännitys [Pa] σ tehoas oonaisjännitys [Pa] (4.8) a referenssijännitys [Pa] σ a referenssijännitys [Pa] missä M t on tangenttimoduuli Kolmannesi ansainvälisessä irjallisuudessa yhtälö 4.2 esitetään usein aavan 4.3 muodossa, m moduuliluu jolloin β =0. Tällaisilla savilla vesipitoisuus on tyypillisesti suomalaisia (4.9) savia alhaisempi σ tehoas (Länsivaara oonaisjännitys 2000, s. 11). Janbun [Pa] (1998) muaan moduuliluvun ja vesipitoisuuden σ a referenssijännitys välillä on oemusperäinen [Pa] yhteys (aava 4.9). missä w n on saven luonnollinen vesipitoisuus (4.9) (4.9) (4.10) wn missä w vesipitoisuus n on saven luonnollinen vesipitoisuus (4.11) Tulosen vaihteluväli on ± 30 %. Janbun (1998) yhtälön (4.7) voidaan olettaa pätevän jännitysesponentin (4.10) ollessa nolla; yhtälö perustuu uitenin saviin, joiden vesipitoisuus on oreintaan 70 % (Länsivaara 2000, s. 11). Neljännesi suomalaisilla savilla (4.13) tangenttimoduulin arvo putoaa tyypillisesti esionsolidaation jäleen hetellisesti (4.11) (4.14) hyvin alas, jona vuosi saatetaan joutua äyttämään jännitysesponentille negatiivista arvoa. Jännitysesponentin arvo vaihtelee tyypillisesti välillä 0-1. Tätä suurempien (4.13) missä Cnegatiivisten c on ooonpuristuvuusindesi arvojen äyttöä tulisi Länsivaaran [-] (2000, s. 12) muaan välttää painumalasennan e 0 aluhuoosluu virheiden välttämisesi. [-] (4.14) Tyypillisimmät virheet tangenttimoduulimenetelmän äytössä ovat ilmenneet epärealistisen (4.15) missä C c suurina on ooonpuristuvuusindesi painuman arvoina. Tangenttimoduulimenetelmän [-] äytössä esiintyneistä virheistä suuri osa johtuu moduuliluvun ja jännitysesponentin arvojen äyt- e 0 aluhuoosluu [-] tämisestä saven yleisinä parametreina myös esionsolidaatiota pienemmilllä jännitysväleillä. Kuten aiaisemmin mainittiin, tangenttimoduuli, ja siten myös moduuli- (4.16) luu (4.15) ja jännitysesponentti, vaihtelevat saven syvyyden suhteen. Yhdeltä tasolta suoritetun ödometrioeen tulosia ei siis voi soveltaa saven oopasuudelle, vaan ödometrioeita tulisi tehdä useammalta tasolta. (Länsivaara 2000, s. 12) (4.16) 4.1.3 Ruotsalainen painumalasentamenetelmä Ruotsalainen painumalasentamenetelmä (Embanco) perustuu CRS-ödometrioeen jatuvan ooonpuristuvuusmoduuliuvaajan hyödyntämiseen. Alun perin Embanco oli tietooneohjelma, joa ehitettiin primäärisen ja seundäärisen painuman lasentaan. (Statens Geotenisa nstitut 1994.) Nyyään myös GeoCalc 2.4 -ohjelma äyttää ruotsalaista painumalasentamenetelmää (GeoCalc, 2012). Menetelmä perustuu Janbun tangenttimoduulimenetelmään, mutta eroaa tangenttimoduulin uvaamiseen äytettävien yhtälöiden osalta (Kuva 7) (Länsivaara 2000, s. 28). Ruotsalaisessa menetelmässä äytetään ylionsolidoituneella alueella vaiomoduulia M=M0. Ylionsolidoituneen alueen jäleen äytetään myös vaiomoduulia M=ML rajajännityseen asti, jona jäleen äytetään lineaarisesti asvavaa moduulia (Kuva 4). (Larsson et al. 1997.) Kosa moduuli on lineaarisesti asvava, ei ruotsalaisessa pai-