4/6/219 LASKENTAESIMERKIT PAINUMAT Esimerkki 1: Kentän kevennysmitoitus Leca kevytsoralla Kevennysmitoituksessa tavoitteena on kompensoida rakenteen painosta pohjamaalle aiheutuva lisäkuorma kokonaisuudessaan (kokonaiskevennys) tai siten, että kuorma jää aikaisempaa kuormaa vähäisemmäksi (osittainen kevennys). Osittaista kevennystä voidaan käyttää tapauksissa, joissa painumat ovat suurelta osin jo tapahtuneet, tapahtuvat rakentamisen jälkeen suhteellisen nopeasti tai hallitut painumat ovat hyväksyttävissä. Lisäksi korkea pohja tai orsiveden tai ulkoisen veden pinnan taso voi myös olla syynä osittaisen kevennyksen käyttämiseen (nostemitoitus rajoittava). Painumatarkastelut tehdään käyttäen GeoCalclaskentaohjelmaa ja tangenttimoduulimenetelmää (OhdeJanbu). Tarkastellaan tilannetta (kuva 1.1), jossa kentän tasausta nostetaan 1, m nykyistä maanpintaa korkeammalle. Riittävän kantavuuden saavuttamiseksi kenttärakenteen ylin,5 m rakennetaan kantavasta kiviaineksesta. Tasauksen nostaminen toteutetaan routimattomalla maaainekselle tai kevennystarkastelussa Lecakevytsorakerroksella. Esimerkin kentällä suurin sallittu kokonaispainuma 5 vuodessa on 1 mm. Kuva 1.1 Laskentatapausten pohjamaa ja suunniteltu tasaus (TSV).
1. Ei kevennystä Esimerkin tapauksessa lasketaan tilanne ilman kevennystä. Pohjamaalta poistetaan pintamaat (,2 m), ja päälle ajetaan,7 m routimatonta maaainesta. Maapenkereen päälle rakennetaan kentän rakennekerrokset murskeesta ja sitomaton kulutuskerros kivituhkasta. Rakennekerrosten paino kuormana, kun huomioidaan poistettu pintamaakerros, on yhteensä 2,5 kpa. Taulukossa 1.1 on esitetty painumalaskennan maaparametrit ja kuvassa 1.2 on havainnollistettu tarkasteltavan rakenteen geometria. Taulukko 1.1 Painumalaskennan maaparametrit. Maan Maan Normaalikonsolidoituneen tehokas Normaalikonsolidoituneen tilavuuspaino, maan tilavuuspaino, maan moduuliluku, m [] 3?d [kn/m ] jännityseksponentti,?1 []? d [kn/m3] Rakennekerrokset (kuormana) Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 2 17,5 7,5 1 15 5 15 kerroksen painuma merkityksetön tässä tapauksessa
Kuva 1.2 Keventämätön rakenne. Pohjamaa ja rakenne valmiina. Kuvassa 1.3 on esitetty painumatulos, jonka perusteella rakenteen kokonaispainuma 5 vuodessa on n. 2 mm. Rakenteen painumien hallitsemiseksi esitetään Lecakevytsoran käyttöä kevennyksenä, jolla voidaan korvata täyttökerroksen materiaalia jakavan ja kantavan kerroksen pysyessä vakiona. Kevennys voidaan tehdä joko osittaisena, jolloin kuormitusta ei kompensoida kokonaisuudessaan, tai kokonaiskevennyksenä, jossa kuormitustilanne ei muutu pohjamaan suhteen. Kuva 1.3 Keventämätön rakenne. Aikapainumakuvaaja. 2. Osittainen kevennys Esimerkin tapauksessa lasketaan tilanne osittaisella kevennyksellä. Pohjamaalta poistetaan pintamaat (,2 m), ja päälle rakennetaan,7 m kevennyskerros Lecakevytsoralla. Lecakevytsoran päälle rakennetaan kentän rakennekerrokset murskeesta ja sitomaton kulutuskerros kivituhkasta. Rakennekerrosten ja kevennyskerroksen paino kuormana, kun huomioidaan poistettu pintamaakerros, on yhteensä 9,3 kpa. Taulukossa 1.2 on esitetty painumalaskennan maaparametrit. Kuvassa 1.4 on havainnollistettu geometria. Taulukko 1.2 Painumalaskennan maaparametrit. Osittain kevennetty rakenne. Maan Maan Normaalikonsolidoituneen tehokas Normaalikonsolidoituneen tilavuuspaino, maan tilavuuspaino, maan moduuliluku, m []?d [kn/m3] jännityseksponentti,?1 []? d [kn/m3] Rakennekerrokset (kuormana) Lecakevytsora (kuormana) Kuivakuorisavi Pehmeä savi 2 4 6* 17,5 15 7,5 5 1 15
Moreeni kerroksen painuma merkityksetön tässä tapauksessa * Tilavuuspaino kevytsoran ollessa ajoittain veden alla. Kuva 1.4 Osittain kevennetty rakenne. Pohjamaa ja rakenne valmiina. Kuvassa 1.5 on esitetty painumalaskentatulos, jonka perusteella rakenteen kokonaispainuma 5 vuodessa on n. 1 mm. Kuva 1.5 Osittain kevennetty rakenne. Aikapainumakuvaaja. 3. Kokonaiskevennys Mikäli painumista ei sallita, on kokonaiskevennys sopiva vaihtoehto. Tällöin ylimääräistä
kuormitusta ei tasauksen nostamisesta synny ja rakenteen aiheuttamasta lisäkuormasta aiheutuva painuminen on siten estetty. Kokonaiskevennys pohjavedenpinnan yläpuolella lasketaan poistettavan maakerroksen sekä Lecakevytsoran ja rakennekerrosten kuormien avulla kaavalla 1.1. Mikäli osa Lecakevytsorasta sijoitetaan pohjavedenpinnan alapuolelle, lasketaan kokonaiskevennys kaavalla 1.2 (kaavojen selitteet on esitetty kuvissa 1.6 ja 1.7). qkaiv.maa? qrak + qkev (1.1) qkaiv.maa? qrak + qkev + q kev + qw (1.2) qrak on rakennekerrosten kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?rak x hrak) qkev kevytsoran kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?kev x hkev)+(?kev x htä) qkev' kevytsoran kuorma pohjavedenpinnan alapuolella (?kev' x hrak') qkaiv.maa kevytsoran kohdalta poistetun maan kuorma (?maa x hkev) + (?maa' x hkev') qw rakentamisen aiheuttaman pohjaveden alenemisen aiheuttama kuorma (?maa?maa') x h?w h?w pohjavedenpinnan alenema Kuva 1.6 Kokonaiskevennyksen periaate pohjavedenpinnan yläpuolella.
Kuva 1.7 Kokonaiskevennyksen lasketakaavojen 1.1 ja 1.2 merkinnät. Taulukko 1.3 Kokonaiskevennyksen laskennan lähtötiedot. Maan Maan Normaalikonsolidoituneen tehokas Normaalikonsolidoituneen tilavuuspaino, maan tilavuuspaino, maan moduuliluku, m []?d [kn/m3] jännityseksponentti,?1 []? d [kn/m3] Rakennekerrokset (kuormana) Lecakevytsora (kuormana) Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 2 4 6* 17,5 7,5 1 15 5 15 kerroksen painuma merkityksetön tässä tapauksessa * Tilavuuspaino kevytsoran ollessa ajoittain veden alla Esimerkin tapauksessa lasketaan tilanne kokonaiskevennyksellä. Riittävän kevennysmateriaalin määrän laskenta voidaan optimoida esittämällä kaavan 1.1 epäyhtälö yhtälönä kaavan 1.3 mukaisesti: qkaiv.maa = qrak + qkev (1.3)?maa x hkev =?rak x hrak +?kev x (htä + hkev)
?maa x hkev?kev x hkev =?rak x hrak +?kev x h tä hkev (?maa?kev) =?rak x hrak +?kev x htä hkev = (?rak x hrak +?kev x htä) / (?maa?kev) hkev = (2 kn/m3 x,5 m + 4 kn/m3 x,5 m) / (17,5 kn/m3 4 kn/m3) hkev = 12 kn/m2 / 13,5 kn/m2 =,889 m hkev =,9 m Kokonaiskevennyksen saavuttaminen edellyttää Lecakevytsorakerroksen alapinnan viemistä,9 m nykyisen maanpinnan alapuolelle. Näin ollen pohjamaata leikataan,9 m ja päälle rakennetaan 1,4 m kevennyskerros Lecakevytsoralla, jonka päälle rakennetaan kentän rakennekerrokset murskeesta ja sitomaton kulutuskerros kivituhkasta. Rakennekerrosten ja kevennyskerroksen paino vastaa nyt poistettua pintamaa ja savikerrosta, jolloin ylimääräistä kuormaa ei luonnontilaiselle pohjamaalle synny. Kuvassa 1.8 on havainnollistettu esimerkin geometria. Kuva 1.8 Kokonaiskevennetty rakenne. Pohjamaa ja rakenne valmiina.
Nostemitoitus kokonaiskevennetylle ratkaisulle Nostemitoitus on tehtävä, mikäli vedenpinta voi nousta kevytsorakerrokseen esimerkiksi vesialueiden läheisyydessä tai tulvaalueella. Nostemitoitus tarkastellaan ylimmän mahdollisen toteutuvan vesipinnan tasoon. Varmuus veden aiheuttamaa nostetta vastaan lasketaan kuormavoimien Q ja nostevoiman U (merkinnät on esitetty kuvissa 1.7 ja 1.9) suhteen. Nostemitoituksessa käytetään kevytsoralle tilavuuspainoa 3 kn/m3 vesipinnan yläpuolella. Vesipinnan alapuolella kevytsoran tilavuuspaino määritetään huokoisuuden perusteella kaavalla 1.5. Kuva 1.9 Kevennysrakenteen nostemitoitus, merkinnät. Mitoitetaan esimerkin Lecakevytsoralla kokonaiskevennetty kenttärakenne nostetta vastaan tulvatilanteessa. Tulvatilanteessa vedenpinnan korkeus voi nousta enimmillään maanpinnan tasolle. Kevytsorarakenne on mitoitettu 1,4 m paksuksi ja sijaitsee kokonaisuudessaan normaalin pohjavedenpinnan yläpuolella ja kerros on luotettavasti kuivatettu. Tulvatilanteessa oletetaan veden nousevan nopeasti, mikä on nosteen kannalta vaarallisin tapaus. Tässä tarkastelussa Lecakevytsora on ennen tulvatilannetta kuivaa. Tulvaveden noustessa vesi pääsee Lecakevytsorakerrokseen ja täyttää rakeiden välisen vapaan huokostilan. Rakeiden sisäistä huokostilavuutta vesi ei kyllästä. Nostemitoitus suoritetaan tarkastamalla kokonaistilavuuspainojen perusteella laskettujen voimien aiheuttama varmuus murtumista vastaan. Tarkastelu perustuu epäyhtälöön 1.4. Gdst;d + Qdst;d? Gstb;d (1.4) jossa Gdst;d = pystysuorien kaatavien pysyvien kuormien mitoitusarvot (veden aiheuttama noste) Qdst;d = pystysuorien kaatavien muuttuvien kuormien mitoitusarvot (laskennassa ei muuttuvia kuormia)
Gstb;d = vakauttavien pysyvien pystysuorien kuormien mitoitusarvot (rakennekerrosten kiviainesten ja kevennysmateriaalien tilavuuspainot) Lecakevytsoran tilavuuspaino vedellä kyllästettynä:?dkev = 3, kn/m3 n =,35 Kevytsoran kiintoaineksen ja kevytsorarakeiden välisen huokostilan täyttämän veden paino lasketaan kaavalla 1.5.?SATkev =?Dkev + n x 1 kn/m3 (1.5)?SATkev = 3 kn/m3 +,35 x 1 kn/m3 = 6,5 kn/m3 Tarkastellaan kevennyksen pohjan tasoa tulvatilanteessa (GWtulva = ±, m maanpinnasta) kaavalla 1.6.: Gstb;k = grak + gkev + gsatkev (1.6) =?rak x hrak +?kev x (htä + hkev) +?SATkev x hkev = 2 kn/m3 x,5 m + 3 kn/m3 x,5 m + 6,5 kn/m3 x,9 m = 17,35 kn/m2 Gstb;d = Gstb;k x?stb;d = 17,35 kn/m2 x,9 = 15,62 kn/m2 Gdst;k =?w x hkev = 1 kn/m3 x,9 m = 9 kn/m2 Gdst;d = Gdst;k x?dst;d = 9 kn/m2 x 1,1 = 9,9 kn/m2 jossa Gstb;k = pystysuorien vakauttavien pysyvien kuormien ominaisarvot Gdst;k = pystysuorien kaatavien pysyvien kuormien ominaisarvot (veden aiheuttama noste) grak = rakennekerrosten aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?rak x hrak) gkev = kevytsorakerroksen aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?kev x htä) + (?kev x hkev) gkev = kevytsorakerroksen aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan alapuolella (?kev x hkev ) Gdst;d? Gstb;d > OK Kokonaisvarmuudeksi saadaan Fkok = Gstb;k / Gdst;d = 17,35 kn/m2 / 9 kn/m3 = 1,93 Esimerkki 2: Tiepenkereen kevennysmitoitus Lecakevytsoralla Kevennysmitoituksessa tavoitteena on kompensoida rakenteen painosta pohjamaalle aiheutuva
lisäkuorma kokonaisuudessaan (kokonaiskevennys) tai siten, että kuorma jää aikaisempaa kuormaa vähäisemmäksi (osittainen kevennys). Osittaista kevennystä voidaan käyttää tapauksissa, joissa painumat ovat suurelta osin jo tapahtuneet, tapahtuvat rakentamisen jälkeen suhteellisen nopeasti tai hallitut painumat ovat hyväksyttävissä. Lisäksi korkea pohja tai orsiveden tai ulkoisen veden pinnan taso voi myös olla syynä osittaisen kevennyksen käyttämiseen (nostemitoitus rajoittava). Painumatarkastelut tehdään käyttäen GeoCalclaskentaohjelmaa ja tangenttimoduulimenetelmää (OhdeJanbu). Tarkastellaan tilannetta (kuva 2.1), jossa tien tasaus on 2,5 m nykyisen maanpinnan yläpuolella. Tiepenger rakennetaan routimattomalla maaainekselle tai kevennystarkastelussa Leca kevytsoralla. Riittävän kantavuuden saavuttamiseksi kevytsoran yläpuolisen päällysrakenteen paksuus on,7 m. Kuva 2.1 Tiepenkereen geometria ja pohjamaan maakerrokset. 1. Ei kevennystä Esimerkin tapauksessa tarkastellaan tiepenkereen painumaa ilman kevennystä. Taulukossa 2.1 on esitetty painumalaskennan maaparametrit ja kuvassa 2.2 painumalaskennan lähtötilanne sekä painumatulokset. Taulukko 2.1 Painumalaskennan maaparametrit. Maan Maan Normaalikonsolidoituneen tehokas Normaalikonsolidoituneen tilavuuspaino, maan tilavuuspaino, maan moduuliluku, m [] 3?d [kn/m ] jännityseksponentti,?1 []? d [kn/m3] N m k [m
Penger (kuormana) Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 2 17,5 7,5 1 15 5 15 kerroksen painuma merkityksetön tässä tapauksessa 1 Kuva 2.2 Ei kevennystä. Painumakuvaaja,1 5 vuoden painumaajoilla. Laskennan perusteella kokonaispainuma 5 vuodessa on 35 mm, joka on suurempi kuin sallittu painuman arvo (2 mm). Sivukaltevuuden muutos kymmenessä vuodessa on,43 % ja 5 vuodessa,93 % tien keskiviivan suuntaan. Rakenteen painumien hallitsemiseksi esitetään Lecakevytsoran käyttöä kevennyksenä, jolla voidaan korvata tiepenkereen materiaalia jakavan ja kantavan kerroksen pysyessä vakiona. Kevennys voidaan tehdä joko osittaisena, jolloin kuormitusta ei kompensoida kokonaisuudessaan, tai kokonaiskevennyksenä, jossa penger ei aiheuta lisäkuormaa pohjamaan. 2. Osittain kevennetty rakenne Esimerkin tapauksessa lasketaan tilanne osittaisella kevennyksellä, jossa osa tien pengermateriaalista korvataan Lecakevytsoralla. Tällöin pohjamaalle muodostuva kuormitus on pienempi ja painuminen on vähäisempää. Aluksi pohjamaalta poistetaan pintamaat (,2 m) sekä leikataan kuivakuorisavea,4 m. Leikatun pohjamaan päälle rakennetaan 2,4 m kevennyskerros Lecakevytsoralla. Lecakevytsoran päälle rakennetaan tien rakennekerrokset murskeesta ja asfalttipäällysteestä. Taulukossa 2.2 on esitetty painumalaskennan maaparametrit. Taulukko 2.2 Painumalaskennan maaparametrit Maan Maan Normaalikonsolidoituneen tehokas Normaalikonsolidoituneen tilavuuspaino, maan tilavuuspaino, maan moduuliluku, m []?d [kn/m3] jännityseksponentti,?1 []? d [kn/m3] N m k [m
Penger (kuormana) Lecakevytsora Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 2 4 1 17,5 7,5 1 15 5 15 kerroksen painuma merkityksetön tässä tapauksessa Tarkastelussa osa tiepenkereen maa ja kiviaineksesta korvataan Lecakevytsoralla, jolloin pohjamaalle muodostuva kuormitus on pienempi ja kokonaispainuma pysyy sallituissa rajoissa. Vedenpinnan yläpuolella sijaitsevan Lecakevytsoran tilavuuspainona kevennysmitoituksessa käytetään 4 kn/m3. Painumalaskennassa tarkastellaan tilannetta, jossa tiepenger rakennetaan nopeasti, jolloin rakennekerroksista aiheutuva kuormitus muodostuu välittömästi. Penger kuvataan laskennassa muuttuvana pintakuormana leikatulle pohjamaalle. Leikatun kuivakuorisaven osuus vähennetään pengerkuormasta. Tien keskellä rakennekerrosten ja kevennyskerroksen paino, kun huomioidaan leikattu pohjamaakerros, lasketaan kaavalla 2.1. Mikäli osa Lecakevytsorasta sijoitetaan pohjavedenpinnan alapuolelle, lasketaan kokonaiskevennys kaavalla 2.2 (kaavojen selitteet on esitetty kuvissa 2.3 ja 2.4). qpenger = qrak + qkev qkaiv.maa (2.1) qpenger = qrak + qkev + q kev + qw qkaiv.maa (2.2) qpenger on leikatulle pohjamaalle aiheutuva kuorma qrak rakennekerrosten kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?rak x hrak) qkev kevytsoran kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?kev x hkev)+(?kev x htä) qkev' kevytsoran kuorma pohjavedenpinnan alapuolella (?kev' x hrak') qkaiv.maa kevytsoran kohdalta poistetun maan kuorma (?maa x hkev)+(?maa' x hkev') qw rakentamisen aiheuttaman pohjaveden alenemisen aiheuttama kuorma (?maa?maa') x h?w h?w pohjavedenpinnan alenema qpenger = 2 kn/m3 x,7 m + 4 kn/m3 x 2,4 m 17,5 kn/m3 x,6 m = 13,1 kpa Tiepenkereen reunoilla pohjamaalle aiheutuva kuorma on suurempi tukipenkereiden painosta ja ohuemmasta Lecakevytsorakerrosta johtuen. Kuvassa 2.5 kuorma on esitetty pinta kuormana, jonka suuruus on määritetty lamelleittain penkereiden reunoilla. Todellisuudessa kuormitus jakautuu pohjamaalle tasaisemmin.
Kuva 2.3 Osittain kevennetyn rakenteen laskentakaavojen 2.1 ja 2.2 merkinnät. Kuva 2.4 Osittain kevennetyn rakenteen laskentakaavojen 2.1 ja 2.2 merkinnät. Kuvassa 2.5 on esitetty painumalaskentatulos painumaviivoilla. Laskennan perusteella rakenteen kokonaispainuma 5 vuodessa on 196 mm, joka on sallittu painuman arvo (alle 2 mm). Sivukaltevuuden muutos kymmenessä vuodessa on,48 % ja 5 vuodessa,58 %. Kaltevuuden muutos on tierakenteen reunoja kohden eli rakenteen pintakuivatus ei heikkene painuman myötä. Lecakevytsorakevennyksen riittävän kerrospaksuuden laskeminen edellyttää yleensä iteratiivista prosessia.
Kuva 2.5 Osittain kevennetty rakenne. Kevennyksen paksuus on 2,4 m Lecakevytsora. Kuormitustilanne ja painumakuvaajat,1 5 vuoden ajalle. Nostemitoitus osittain kevennetylle ratkaisulle Nostemitoitus on tehtävä, mikäli vedenpinta voi nousta kevytsorakerrokseen esimerkiksi vesialueiden läheisyydessä tai tulvaalueella. Nostemitoitus tehdään ylimmän mahdollisen toteutuvan vesipinnan tasoon. Varmuus veden aiheuttamaa nostetta vastaan lasketaan kuormavoimien Q ja nostevoiman U (merkinnät on esitetty kuvissa 2.4 ja 2.6). Nostemitoituksessa käytetään kevytsoralle tilavuuspainoa 3 kn/m3 vesipinnan yläpuolella. Vesipinnan alapuolella kevytsoran tilavuuspaino määritetään huokoisuuden perusteella kaavalla 2.4. Kuva 2.6 Kevennysrakenteen nostemitoitus, merkinnät. Mitoitetaan esimerkin Lecakevytsoralla kevennetty tiepenger nostetta vastaan tulvaalueella. Tarkastellussa tapauksessa tulvatilanteessa vedenpinnan korkeus voi mahdollisesti nousta 1, m maanpinnan yläpuolelle. Kevytsorakerros on mitoitettu 2,4 m paksuksi ja sijaitsee kokonaisuudessaan pohjavedenpinnan yläpuolella. Tulvatilanteessa oletetaan veden nousevan
nopeasti, mikä on nosteen kannalta vaarallisin tapaus. Tällöin Lecakevytsora on ennen tulvatilannetta kuivaa. Tulvaveden noustessa vesi pääsee Lecakevytsorakerrokseen ja täyttää rakeiden välisen huokostilan. Rakeiden sisäistä huokostilavuutta vesi ei kyllästä. Tiepenkereen nostemitoitus suoritetaan Eurokoodi 7 osan 1 ja sen kansallisen liitteen sekä Liikenneviraston eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 mukaisesti tarkastamalla kokonaistilavuuspainojen perusteella laskettujen voimien aiheuttama murtumisen vaara. Murtumisen vaara tarkastetaan rajatilassa UPL. Tarkastelu perustuu epäyhtälöön 2.3: Gdst;d + Qdst;d? Gstb;d (2.3) jossa Gdst;d = pystysuorien kaatavien pysyvien kuormien mitoitusarvot (veden aiheuttama noste) Qdst;d = pystysuorien kaatavien muuttuvien kuormien mitoitusarvot (laskennassa ei muuttuvia kuormia) Gstb;d = vakauttavien pysyvien pystysuorien kuormien mitoitusarvot (rakennekerrosten kiviainesten ja kevennysmateriaalien tilavuuspainot) Lecakevytsoran tilavuuspaino vedellä kyllästettynä:?dkev = 3, kn/m3 n =,35 Kevytsoran kiintoaineksen ja kevytsorarakeiden välisen veden paino:?satkev =?Dkev + n x 1 kn/m3 (2.4)?SATkev = 3 kn/m3 +,35 x 1 kn/m3 = 6,5 kn/m3 Tarkastellaan kevennyksen pohjan tasoa tulvatilanteessa (GWtulva = +1, m maanpinnasta, yhtälö 2.5): Gstb;k = grak + gkev + gsatkev (2.5) =?rak x hrak +?kev x (htä + hkev) +?SATkev x hkev = 2 kn/m3 x,7 m + 3 kn/m3 x,8 m + 6,5 kn/m3 x 1,6 m = 26,8 kn/m2 Gstb;d = Gstb;k x?stb;d = 26,8 kn/m2 x,9 = 24,12 kn/m2 Gdst;k =?w x hkev = 1 kn/m3 x 1,6 m = 16 kn/m2 Gdst;d = Gdst;k x?dst;d = 16 kn/m2 x 1,1 = 17,6 kn/m2 Gstb;k Gdst;k on pystysuorien vakauttavien pysyvien kuormien ominaisarvot pystysuorien kaatavien pysyvien kuormien ominaisarvot (veden aiheuttama noste)
grak rakennekerrosten aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?rak x hrak) gkev kevytsoran aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan yläpuolella (?kev x htä) + (?kev x hkev) gkev kevytsoran aiheuttama kuorma pohjavedenpinnan alapuolella (?kev x hkev ) Gdst;d? Gstb;d > OK Mitoitusta vastaava kokonaisvarmuus on yhtälön 2.6 mukaisesti: Fkok = Gstb;k / Gdst;k = 26,8 kn/m2 / 16 kn/m3 = 1,675 (2.6) STABILITEETTI Maarakenteet aiheuttavat pohjamaahan kuormitusta, jonka seurauksena maaperän vakavuus, eli stabiliteetti, voi heiketä. Stabiliteetin ollessa riittämätön pohjamaahan syntyy murtotila, jonka seurauksena rakenne voi sortua tai rakenteessa ja ympäröivissä rakenteissa voidaan havaita sallittua suurempia siirtymiä. Stabiliteettimitoituksessa tavoitteena on mitoittaa ratkaisut, joiden varmuus sortumaan vastaan on riittävä. Lecakevytsoralla voidaan vähentää tehokkaasti maarakenteen aiheuttamaa lisäkuormitusta, minkä ansiosta saavutetaan riittävä varmuus sortumista vastaan. Esimerkki 1: Tiepenkereen kevennystäyttö Leca kevytsoralla Tarkastellaan tilannetta (kuva 1.1), jossa kaksikaistainen, kymmenen metriä leveä maantie rakennetaan pehmeikölle, jonka pinnassa on 1,5 m paksu kuivakuorisavikerros. Sen alapuolella sijaitsee pehmeä savikerros, joka on paksuimmillaan 7 m. Suunnitellun maantien tasausviiva on 2,5 m nykyisen maanpinnan yläpuolella.
Kuva 1.1 Laskentatapausten pohjamaa ja suunniteltu tiepenger. Tarkastelu aloitetaan määrittämällä keventämättömän tiepenkereen luonnontilainen vakavuus ilman liikennekuormaa ominaisarvoilla laskettuna. Ominaisarvoilla tehdyllä tarkastelulla saadaan selkeä kokonaiskuva tilanteesta. Vaarallisimman liukupinnan laskenta tehdään Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä. Taulukossa 1.1 on esitetty maaparametrien ominaisarvot. Taulukko 1.1 Laskennassa käytettävien maaparametrien ominaisarvot Leikkauslujuuden Tehokas Suljettu lisäys Tilavuuspaino, tilavuuspaino, leikkauslujuus, syvyyden?k [kn/m3] 3 2? k [kn/m ] suk [kn/m ] mukaan,?sud [kn/m2/m] Rakennekerrokset 2 Penger 2 Lecakevytsora 4 Kuivakuorisavi 17,5 7,5 25 Pehmeä savi 15 5 6 1 Moreeni kerroksen vaikutus stabiliteettiin ei merkittävä Kuvassa 1.2 on esitetty laskettu kokonaisvarmuus keventämättömälle tiepenkereelle. Leikkauskestävy?k [ ] 38 36 37
Sovellettaessa osavarmuusmenettelyä on mahdollista, että vaarallisimman liukupinnan sijainti muuttuu suhteessa ominaisarvoilla laskettuun tilanteeseen. Tämä on aina syytä tarkastaa. Kuva 1.2 Kokonaisvarmuus Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä 1,23 Tiepenkereen stabiliteettilaskennassa noudatetaan murtorajatilan osalta Eurokoodi 7 osaa 1 ja osan 1 kansallista liitettä sekä Liikenneviraston eurokoodin soveltamisohjetta NCCI7. Maantieliikennekuorma määritetään Liikenneviraston eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 mukaisesti. Stabiliteettitarkasteluissa tieliikennekuorman ominaisarvo on tyypillisesti 12 kpa, mikä vastaa n. 25 m pituiselle penkereelle tai penkereen osuudelle tasaisesti jaettua pintakuormaa. Mitoituskuormaksi saadaan käytettävällä mitoitustavalla DA3 qliikenne = 1,15 x 12 kpa = 13,8 kpa. Mitoitustavassa DA3 osavarmuuskertoimet kohdennetaan muuttumiin kuormiin sekä maan lujuusominaisuuksiin. Taulukossa 1.2 on esitetty stabiliteettilaskennassa käytettävien maaparametrien mitoitusarvot sekä osavarmuusluvut. Taulukko 1.2 Stabiliteettilaskennassa käytettävien maaparametrien mitoitusarvot Leikkauslujuuden Tehokas Suljettu lisäys Tilavuuspaino, Leikkauskestävy tilavuuspaino, leikkauslujuus, syvyyden?d [kn/m3]?d [ ]? d [kn/m3] sud [kn/m2] mukaan,?sud [kn/m2/m] Osavarmuusluku 1,?M Rakennekerrokset 2 Tiepenger 2 1, 1,4 1,4 1,25* 32, 3,2
Lecakevytsora Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 4 17,5 7,5 17,9 15 5 4,3 kerroksen vaikutus stabiliteettiin ei merkittävä,7 31,1 * Leikkauskestävyyskulman osavarmuusluvulla jaetaan leikkauskestävyyskulman tangentti. Tarkastellaan seuraavaksi keventämättömän tiepenkereen vakavuus mitoitusarvoilla laskettuna. Mitoitusarvoilla lasketaan rakenteen ylimitoituskerroin (ODF, engl. Over Design Factor). Kuvassa 1.3 on esitetty Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä laskettu ODF. Kuva 1.3 Kiviainespenger. ODF on Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä,71. Kiviainespenkereen stabiliteetti ei täytä vaatimusta ODF? 1,, joten stabiliteetti ei ole riittävä. Stabiliteetin parantamiseksi esitetään Lecakevytsoran käyttöä penkereen kevennysmateriaalina. Lasketaan Lecakevytsorakevennys 1,5 m kerrospaksuudella, joka sijoitetaan leikatulle pohjamaalle. Kuvassa 1.4 on esitetty osittain kevennetyn tiepenkereen stabiliteettilaskennan tulos.
Kuva 1.4 Osittain kevennetty penger. ODF on Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä 1,5 Penkereen stabiliteetti täyttää vaatimuksen ODF? 1,, joten stabiliteetti on riittävä. Lisäksi yllä esitetty laskelma (kuva 1.4) osoittaa, että vaarallisimman liukupinnan paikka ei ole muuttunut suhteessa ominaisarvoilla tehtyyn laskentaan (kuva 1.2). Riittävä varmuus pohjamaan sortumisen suhteen saavutetaan Lecakevytsoran kerrospaksuudella 1,5 m. Esimerkki 2: Tiepenger kaltevalla tasolla Stabiliteettimitoitus Tarkastellaan tilannetta (kuva 2.1), jossa kymmenen metriä leveä maantie rakennetaan kaltevalle pehmeikölle vesistön läheisyyteen. Tiepenkereen kohdalla on 1,5 m paksu kuivakuorisavikerros, jonka alapuolella on pehmeä, enimmillään 7 m paksu savikerros. Savikerroksen alapuolella on tiivis pohjamoreeni. Suunnitellun maantien tasausviiva on 2,5 m nykyisen maanpinnan yläpuolella tien keskellä. Taulukossa 2.1 on esitetty stabiliteettitarkastelun maaparametrien ominaisarvot.
Moreeni Kuva 2.1 Laskentatapausten pohjamaa ja suunniteltu tiepenger. Taulukko 2.1 Laskennassa käytettävien maaparametrien ominaisarvot Leikkauslujuuden Tehokas Suljettu lisäys Tilavuuspaino, tilavuuspaino, leikkauslujuus, syvyyden?k [kn/m3]? k [kn/m3] suk [kn/m2] mukaan,?sud [kn/m2/m] Rakennekerrokset 2 Penger 2 Lecakevytsora 4 Kuivakuorisavi 17,5 7,5 25 Pehmeä savi 15 5 9 1 Moreeni kerroksen vaikutus stabiliteettiin ei merkittävä Leikkauskestävy?k [ ] 38 36 37 Stabiliteettitarkastelu aloitetaan laskemalla keventämättömän tiepenkereen kokonaisvarmuus ominaisarvoilla laskettuna. Kuvassa 2.2 on esitetty Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä laskettu kokonaisvarmuus. Ominaisarvoilla tehdyllä tarkastelulla saadaan kokonaiskuva tilanteesta. Sovellettaessa osavarmuusmenettelyä on mahdollista, että vaarallisimman liukupinnan sijainti muuttuu suhteessa ominaisarvoilla laskettuun tilanteeseen. Tämä on aina syytä tarkastaa. Kuva 2.2 Kiviainespenger. Kokonaisvarmuus Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä,97. Tiepenkereen stabiliteetti laskennassa noudatetaan murtorajatilan osalta Eurokoodi 7 osaa 1 ja
osan 1 kansallista liitettä sekä Liikenneviraston eurokoodin soveltamisohjetta NCCI7. Maantieliikennekuorma määritetään Liikenneviraston eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 mukaisesti. Stabiliteettitarkasteluissa tieliikennekuorman ominaisarvo on 12 kpa, mikä vastaa n. 25 m pituiselle penkereelle tai penkereen osuudelle tasaisesti jaettua pintakuormaa. Mitoituskuormaksi saadaan käytettävällä mitoitustavalla DA3 qliikenne = 1,15 x 12 kpa = 13,8 kpa. Mitoitustavassa DA3 osavarmuuskertoimet kohdennetaan muuttumiin kuormiin sekä maan lujuusominaisuuksiin. Taulukossa 2.2 on esitetty stabiliteettilaskennassa käytettävien maaparametrien mitoitusarvot. Taulukko 2.2 Laskennassa käytettävien maaparametrien mitoitusarvot Leikkauslujuuden Tehokas Suljettu lisäys Tilavuuspaino, Leikkauskestävy tilavuuspaino, leikkauslujuus, syvyyden 3?d [kn/m ]?d [ ]? d [kn/m3] sud [kn/m2] mukaan,?sud [kn/m2/m] Osavarmuusluku ym Rakennekerrokset Tiepenger Lecakevytsora Kuivakuorisavi Pehmeä savi Moreeni 1, 1, 1,4 2 2 4 17,5 7,5 17,9 15 5 6,4 kerroksella ei ole tässä vaikutusta stabiliteettiin 1,4 1,25*,7 32, 3,2 31,1 *Leikkauskestävyyskulman osavarmuusluvulla jaetaan leikkauskestävyyskulman tangentti. Tarkastellaan keventämättömän tiepenkereen vakavuus mitoitusarvoilla laskettuna. Mitoitusarvoilla lasketaan rakenteen ylimitoituskerroin (ODF, engl. Over Design Factor). Kuvassa 2.3 on esitetty Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä laskettu ODF.
Kuva 2.3 Kiviainespenger. ODF on Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä,6 Penkereen stabiliteetti ei täytä vaatimusta ODF? 1,, joten stabiliteetti ei ole riittävä. Stabiliteetin parantamiseksi esitetään Lecakevytsoran käyttöä penkereen kevennysmateriaalina. Lasketaan Lecakevytsorakevennys 2,5 3, m kerrospaksuudella, joka sijoitetaan leikatulle pohjamaalle. Kuvassa 2.4 on esitetty Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä laskettu ODF. Kuva 2.4 Kiviainespenger osittaisella kevennyksellä. ODF on Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä 1,5 Penkereen stabiliteetti täyttää vaatimuksen ODF? 1,, joten stabiliteetti on riittävä. Lisäksi yllä esitetty laskelma (kuva 2.4) osoittaa, että vaarallisimman liukupinnan paikka ei ole muuttunut merkittävästi suhteessa ominaisarvoilla tehtyyn laskentaan (kuva 2.2).
Tiepenkereen stabiliteetin parantamiseksi riittävä kevennyskerroksen paksuus on 2,5 m. Mikäli tiepenkereen tasausta olisi suunnitteluvaiheessa mahdollista laskea, voitaisiin riittävä stabiliteetti saavuttaa ohuemmalla Lecakevytsorakerroksella. Tällöin tulee lisäksi huomioida riittävä kerrospaksuus routanousua vastaan. Routamitoitus tehdään tiepenkereelle Liikenneviraston routamitoituksen periaatteella (Tiehallinto 24). Routamitoitus Lecakevytsoralla kevennetylle tiepenkereelle Tiepenkereen routamitoituksessa ainoa ilmastosta riippuva parametri on mitoitusroudansyvyys (S). Tällä huomioidaan alueen sijainnista riippuva roudaton perustamissyvyys. Valitaan laskentaan mitoitusroudan syvyydeksi 2, m. Routanousua tierakenteelle ei sallita. Liikenneviraston mitoitusohjeessa rakennemateriaalin eristävyys otetaan huomioon kertoimella ai, joka kuvaa rakennemateriaalin eristävyyden vastaavuutta hiekkarakenteeseen (taulukko 2.3). Kevytsoralla kertoimen ai arvo on 4, kun kevytsorakerroksen syvyystaso on vähintään,7 m, kuivatiheys enintään 4 kg/m3 ja kevytsorakerroksen alla on vähintään,15 m kuivatuskerros. Kuivatuskerros voidaan korvata rakentamalla kevytsorakerros paksumpana. Taulukko 2.3 Materiaalien eristävyyden vastaavuuskertoimia (Tiehallinto 24) Materiaali Hiekka Bitumilla sidotut Sora, Murske Lecakevytsora Vastaavuskerroin ai 1, 1,,9 4, Päällysrakenne suunnitellaan siten, että laskennallinen routanousu jää sallittua routanousua pienemmäksi. Routanousun laskennassa lähdetään liikkeelle siitä, että routimattoman hiekkarakenteen laskennallinen routanousu on mm, kun rakenteen paksuus on sama kuin mitoitusroudansyvyys (S). Kokonaan routimattomista materiaaleista rakennetulla tierakenteella pohjamaan laskennallinen routanousu (RNlask) saadaan kaavalla 2.1 (Tiehallinto 24). RNlask = (Sa1 R1a2 R2ai Ri) t/1 (2.1) RNlask on pohjamaan laskennallinen routanousu [mm] S mitoitusroudansyvyys [m] ai materiaalin eristävyyden vastaavuus hiekan eristävyyteen [] Ri routimattoman kerroksen paksuus [mm] t alusrakenteen routaturpoama [%]
Pohjamaan routanousu Lecakevytsorakevennyksellä, kun S=2, m ja t=12 % Lecakevytsorakerroksen laskennalliseksi paksuudeksi saadaan,325 m. Kun huomioidaan kuivatuskerros, saadaan paksuudeksi,475 m. Riittävän routasuojauksen saavuttaminen edellyttää siis Lecakevytsorakerroksen paksuudeksi pyöristettynä,5 m. Tarkastellaan tierakenteen pinnantaso, jolla stabiliteetti on riittävä,5 m kevennyskerroksella. Kuvassa 2.5 on esitetty mitoitusarvoilla tehty tarkastelu, jossa tien tasausta on voitu laskea n. 1,6 m alkuperäisestä, kun Lecakevytsorakerros toimii sekä routaeristeenä että kevennysmateriaalina. Lisäksi tasauksen laskeminen vähentää merkittävästi pohjamaan leikkaustarvetta. Kuva 2.5 Kiviainespenger, jossa,5 m Lecakevytsorakevennys. ODF on Bishopin yksinkertaistetulla menetelmällä 1,8. Esimerkki 3: Päällysrakenteen mitoituksen periaate tie ja katurakenteelle Tien ja kadun kuormitusmitoituksen suunnittelua varten on määritetty laskennallisia kantavuusvaatimuksia. Suunniteltujen rakenteiden kantavuuslaskenta voidaan suorittaa esimerkiksi Odemark kantavuusmitoitusmenetelmällä (kaava 3.1). Kantavuuslaskelman lähtötiedoksi tarvitaan tavoitekantavuus, päällystekerrosten paksuus sekä pohjamaan tai alapuolisen penkereen kantavuus.
Taulukoissa 3.1 ja 3.2 on esitetty kadun päällysrakenteen kantavuuden mitoitus heikolle pohjamaalle (pohjamaaluokka F), kun kevytsoran päällä olevan rakennekerroksen paksuus on 5 mm tai 7 mm. Lisätietoja mitoitusmenetelmästä ja laskennassa käytettävistä materiaaliparametreista saa mm. Liikenneviraston ohjeista. Kantavuusmitoitus täyttää kantavuusvaatimukset kaikille katuluokille, kun kevytsoran päälle rakennetaan InfraRYL:n mukaiset 7 mm päällysrakennekerrokset. Päällysrakennekerroksien paksuuden ollessa 5 mm, täyttää kevytsorarakenne laskennallisesti kantavuusvaatimukset katuluokissa 5 ja 6. Taulukko 3.1. Kevytsorarakenteen kantavuusmitoituksessa käytetyt rakennekerrokset ja moduulit. Mitoituksessa kevytsorakerroksen yläpuolisen päällysrakenteen paksuus on 7 tai 5 mm. Jakavassa kerroksessa kerrospaksuus on esitetty 7 / 5 mm kerrokselle. Katuluokka 1 Katuluokka 2 Katuluokka 3 Katuluokka 4 Katuluokka 5 Katuluokka 6 Asfaltti (25 MPa) [mm] 22 19 16 9 9 4 Kantava (3 MPa) [mm] 15 15 15 15 15 15 Jakava (2 MPa) [mm] 3 / 13 36 / 16 39 / 19 46 / 26 46 / 26 51 / 31 Leca (5 MPa) [mm] 1 1 1 1 1 1 Pohjamaa F (1 MPa) [mm] Taulukko 3.2 Kantavuusmitoituksen tulokset 7 mm ja 5 mm päällysrakenteille. Kuormitusluokka: Katuluokka 1 Katuluokka 2 Kantavuusvaatimus (MPa) 5 42 Laskettu kantavuus (MPa): 7 mm 52 (Täyttää) 46 (Täyttää) 5 mm 412 (Ei täytä) 383 (Ei täytä)
Katuluokka 3 Katuluokka 4 Katuluokka 5 Katuluokka 6 35 25 2 175 413 (Täyttää) 286 (Täyttää) 286 (Täyttää) 212 (Täyttää) 347 (Ei täytä) 241 (Ei täytä) 241 (Täyttää) 179 (Täyttää) MAANPAINE Esimerkki 1: Täyttö maanalaista muuria vasten Maapaineelle altistuvien rakenteiden rakentamisessa on tärkeää huomioida rakenteiden suhteellinen liike. Maapainelaskelmissa on kolme merkitsevää tapausta (kuva 1.1) riippuen rakenteen tyypistä ja suhteellisesta liikkeestä: Maan lepopaine,? Aktiivinen maapaine,?a Passiivinen maapaine,?p Talojen kellarit ja muut suuret rakennelmat, jotka eivät liiku suhteessa ympäröivään maahan, altistuvat maan lepopaineelle. Pienemmät rakenteet, kuten esim. tuetut ponttiseinät, voivat liikkua suhteessa ympäröivään maaainekseen. Kuva 1.1 Eri maanpainelajien määräytymisperiaate tukirakenteen liikkeen perusteella sekä murtopinnan laajuus. Raportissa Kevytsorasta tehdyn taustatäytön kellarin seinään kohdistama maanpaine (Ramboll 25) on tutkittu kevytsoran vaikutusta maanpaineeseen kellarin taustatäytössä. Laskenta on tehty käyttäen FEMlaskentaohjelmaa PLAXIS. Laskelmissa tarkastelun kohteina olivat: 1. Kevytsoratäyttö hiekkamaassa, kaivuluiskan kaltevuus 6 kevytsoratäyttö ja kellarinseinä ulotettu 1, 2 tai 3 m syvyydelle maanpinnasta eri herkkyystarkastelu hiekan kitkakulman ja tilavuuspainon osalta
2. Kevytsoratäyttö hiekkamaassa, pystysuora kaivuluiska pystysuoran kevytsoratäytön leveyden (,1 3, m) vaikutus maanpaineeseen 3. Kevytsoratäyttö kallioleikkauksessa (rakoilematon kallio) hiekkakerroksen ja liikennekuorman vaikutus maanpaineeseen Raportissa tehtyjen tarkasteluiden 1. ja 3. geometria on havainnollistettu kuvissa 1.2 ja 1.3. Kuva 1.2 Raportissa esitelty geometria 1, 3, m paksuiselle kevytsoratäytölle hiekkamaassa kaivuluiskan kaltevuuden ollessa 6.
Kuva 1.3 Raportissa esitelty geometria kevytsoratäytölle kallioleikkauksessa. FEMmallinnuksen perusteella Lecakevytsoran käyttö kellarin seinän taustatäyttönä vähentää tehokkaasti maanpainetta. Jo kapea pystysuora Lecakevytsoratäyttö vähentää maanpainetta merkittävästi. Tässä tapauksessa maaleikkauksen yhteydessä ympäröivä maa pääsee liikkumaan ja muodostaa aktiivipainetta. Kuvassa 1.4 on esitetty Lecakevytsora täytön aiheuttamaa maanpainetta verrattuna käsinlaskentaan. Hiekkamaassa sijaitsevan kevytsorakiilan, jonka pohjan leveys on,8 m ja kaivuluiskan kaltevuus 6, seinään aiheuttama kokonaispaine on noin 5 % pienempi kuin tilanteessa, jossa taustatäyttönä oli hiekkaa.
Kuva 1.4 Lecakevytsoratäytön aiheuttama maanpaine verrattuna käsinlaskentaan. Raportissa on vertailtu yhtä suurien Lecakevytsoratäyttötilavuuksien aiheuttamia maanpaineita ja tulosten perusteella on todettu kiilamaisen kevytsoratäytön vähentävän maanpainetta tehokkaammin kuin täysin pystysuoran kevytsoratäytön. Pystysuoralla kevytsoratäytöllä enimmäispaine todettiin olevan vastaavaan hiekkatäyttöön verrattuna noin 2 % pienempi. Lisäksi pystysuoran kevytsoratäytön leveyden kasvaessa yli 1, m levyiseksi, maanpaine ei enää merkittävästi pienene. Tuettavan seinän taustalla olevan täytön tiivistäminen lisää maanpainetta, ja sen vaikutussyvyys pienenee maan painosta johtuvan maanpaineen lisääntyessä. Käytettäessä Lecakevytsoraa tukiseinän taustatäyttönä tiivistyksen aiheuttama maanpaine on noin 5 % pienempi kuin hiekalla. Tiivistyksen vaikutussyvyys on puolestaan kevytsorassa noin 55 % suurempi kuin hiekassa. Yhteenveto raportin Kevytsorasta tehdyn taustatäytön kellarin seinään kohdistama maanpaine (Ramboll 25) enimmäismaanpaineiden tuloksista on esitetty kuvassa 1.5. Tuloksista näkee, että kiilamainen Lecakevytsoratäyttö vähentää enimmäismaanpainetta lähes yhtä tehokkaasti kuin käytettäessä ainoastaan Lecakevytsoraa. Tarkemmat laskentatapauskuvaukset ja laskennan tulokset on esitetty raportissa Kevytsorasta tehdyn taustatäytön kellarin seinään kohdistama maanpaine (Ramboll 25).
Kuva 1.5 Maanpainelaskelmien enimmäismaanpaineiden yhteenveto eri laskentageometrioilla. Esimerkki 2: Kulmatukimuurin maanpainemitoituksen periaate Kulmatukimuurin suunnittelu ja mitoitus tehdään betonirakenteiden osalta eurokoodin SFS EN 199211 ja geoteknisen suunnittelun osalta SFSEN 19971 mukaisilla suunnitteluvaatimuksilla ja periaatteilla, jotka ovat tarkemmin esitetty eurokoodin suunnitteluohjeessa RIL 2729. Tässä laskentaesimerkissä vertaillaan kulmatukimuurin eri taustatäyttömateriaalien aiheuttamaa maanpainetta. Tarkastelussa ei huomioida eurokoodin mukaista osavarmuusmenettelyä, vaan tarkastelu perustuu ominaisarvoilla laskemiseen. Näin saadaan selkeä kuva taustatäyttömateriaalin vaikutuksesta maanpaineen muodostumiseen. Tukiseinän maanpainemitoituksessa maanpaineen suuruus riippuu muun muassa tukiseinän taustalla olevan maan laadusta ja lujuudesta sekä tukiseinän liikkeistä. Laskentaan tarvittavat maasta riippuvat mitoitusparametrit määritetään maakerroksittain pohjatutkimuksilla tai muulla tavoin kerroksista hankittujen tietojen perusteella. Tukiseinän liikkeiden perusteella maanpaine jaetaan kolmeen eri tyyppiin, jotka ovat lepopaine, aktiivinen maanpaine ja passiivinen maanpaine. Maanvaraisen kulmatukimuurin, joka ei saa liikkua suhteessa taustalle täytettyyn maahan, mitoituksessa tarkastellaan tukimuurin taustatäytön aiheuttamaa lepopainetta. Esimerkin kulmatukimuuri mitoitetaan lepopaineelle. Maan lepopainekerroin määritetään RIL 263214 mukaan kaavalla 2.1 (merkinnät on esitetty kuvassa 2.1).
? on maan leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) OCR maan ylikonsolidaatioaste Kuva 2.1 Maanpainekertoimen laskemiseksi tarvittavat kulmat lepopaineelle. Lepopaine lasketaan kaavan 2.2 mukaan (RIL 263214):? maan tilavuuspaino [kn/m3] h syvyys ko. maakerroksen pinnasta [m] q pintakuorma, joka muodostuu ko. maakerroksen päällä olevien maakerrosten tehokkaasta painosta ja maanpinnalla vaikuttavasta pintakuormasta [kn/m2] K lepopainekerroin [] Siirtymättömän tukirakenteen, kuten esimerkin tukimuurin taustatäytön aiheuttamaa maanpainetta lisää täytön kerroksellinen tiivistäminen. Tiivistyksen aiheuttaman lisäpaineen suuruus riippuu käytetystä tiivistysenergiasta, tiivistettävän kerroksen paksuudesta ja tiivistyslaitteiden kulkureitistä. Tiivistämisestä aiheutuva lisäpaine määritetään kaavan 2.3 ja kuvan 2.3 mukaisesti (RIL 263214)
Kuva 2.3 Tiivistämisestä aiheutuva maapaine. Tiivistyksen aiheuttama maanpaine pt lasketaan kaavalla 2.3: jossa q on tiivistimen aiheuttama pintakuorma? maan tilavuuspaino Taustatäytön ollessa tavanomaista maaainesta, on tiivistyksen aiheuttama maanpaine kaavan 2.3 mukaisesti: pt =?(2 x 2 kpa x 2 kn/m3 /?) = 16 kn/m2 Käytettäessä taustatäytön materiaalina Lecakevytsoraa, on tiivistämisestä aiheutuva maanpaine kaavan 2.3 mukaisesti: pt =?(2 x 2 kpa x 4 kn/m3 /?) = 7,1 kn/m2 Tiivistyksen vaikutussyvyys z, kun tukirakenne on myötäämätön, lasketaan kaavalla 2.4: Taustatäytön ollessa tavanomaista maaainesta, tiivistyksen vaikutussyvyys z on kaavan 2.4 mukaisesti: z =,384 x?(2 x 2 kpa / (2 kn/m3 x? ) =,31 m Kevytsoran tiivistyksen vaikutussyvyys z on kaavan 2.4 mukaisesti:
z =,398 x?(2 x 2 kpa / (4 kn/m3 x? ) =,71 m Tiivistyksen vaikutuksen laskennassa tulee huomioida se, että tiivistyksen aiheuttama maanpaine ei voi olla passiivipainetta suurempi. Passiivipainekerroin esimerkin tilanteessa on Kp = 9,64, jolloin passiivipaineen suuruus voidaan laskea kaavalla 2.5. Pp = (?h + q)kp (2.5) Tarkastetaan passiivipaineen suuruus, kun taustatäyttönä on tavanomainen maaaines. Tasolla z =,31 m passiivipaineen suuruus olisi kaavan 2.5 mukaisesti: Pp = (2 kn/m3 x,31 m + 1 kn/m2) x 9,64 = 156,2 kn/m2 Tiivistyksen aiheuttama maanpaine (16 kn/m2) ei ole passiivipainetta (156,2 kn/m2) suurempi. Taulukossa 2.1 ja 2.2 on esitetty tukimuurin taustatäytön aiheuttama maanpaineen suuruus kalliomurskeella sekä Lecakevytsoralla tehdyllä taustatäytöllä. Taulukoissa on lisäksi huomioitu tiivistyksen vaikutus, joka on keventämättömällä ratkaisulla merkitsevä 1,42 m saakka ja kevennetyllä,8 m saakka. Kuvissa 2.4 ja 2.5 on esitetty taustan täyttömateriaalin ja tiivistämisen aiheuttamat maanpaineen kuvaajat syvyyden suhteen. Taulukko 2.1 Laskentaesimerkki, maanpaineen laskentataulukko keventämättömällä ratkaisulla. Syvyys [m],31 (KaM),8 (KaM),8 (Hk) 1,42 (Hk) 4,4 (Hk) 5, Keventämätön rakenne?v =??i si + q?h = K?v 2 [kn/m ] [kn/m2] 1 3,8 26 1, 26 1,7 16, 94,4 38,9 16 43,6 pp =?(2q?/?) [kn/m2] 16, 16, 16, 16, 15,6 15,6 Taulukko 2.2 Laskentaesimerkki, maanpaineen laskentataulukko kevennetyllä ratkaisulla. Syvyys [m],31 (KaM) Kevytsoralla kevennetty rakenne?v =??i si + q?h = K?v pp =?(2q?/?) [kn/m2] [kn/m2] [kn/m2] 1 3,8 16,
,8 (KaM),8 (Leca ) 4,4 (Leca ) 4,4 (Hk) 5, 26 26 4,4 4,4 51,8 1, 1,4 16,1 16,7 21,4 16, 7,1 7,1 15,6 15,6 Kuva 2.4 Keventämättömän ja kevennetyn tukimuurin taustatäytön aiheuttama maanpaine rakenteiden tiivistys huomioiden.
Kuva 2.5 Laskentaesimerkin lähtötiedot ja maanpaineen kuvaajat kevennetylle (vihr.) ja keventämättömälle (pun.) rakenteelle. q = 1 kn/m2 Kalliomurske:?s = 2 kn/m3?s = 38, K =,384 Lecakevytsora:?Leca = 4 kn/m3?leca = 37, K =,398 Hiekka:?s = 19 kn/m3?s = 36, K =,412 Maanpaine vähentäminen vaikuttaa oleellisesti tukimuurin rakenteelliseen mitoitukseen vähentämällä kuvassa 2.6 esitettyihin rakenteelliseen murtumiseen johtavia voimia. Rakenteellisen mitoituksen lisäksi kevennyksen käyttäminen tukimuurin taustan täyttömateriaalina parantaa rakennekokonaisuuden alueellista vakavuutta, vähentää mahdollisuutta rakennuspohjan kantokyvyn menetykselle tai suurille muodonmuutoksille. Kuvassa 2.7 on esitetty tukimuurin maapohjan murtumistapoja. Lisäksi tukimuurin mitoituksessa tulee tapauskohtaisesti tarkastella vedenpaineen aiheuttaman nosteen vuoksi tapahtuva maapohjan tai rakenteen tasapainotilan menetys sekä hydraulisten gradienttien aiheuttama maapohjan nouseminen.
Kuva 2.6 Esimerkkejä tukirakenteiden rakenteellisista murtumistavoista.
Kuva 2.7 Esimerkkejä tukimuurin perustusten murtumistavoista. Esimerkki 3: Ponttikaivannon mitoituksen periaate Ponttikaivannon suunnittelu ja mitoitus tehdään geoteknisen suunnittelun osalta SFSEN 19971 mukaisilla suunnitteluvaatimuksilla ja periaatteilla, jotka on tarkemmin esitetty eurokoodin suunnitteluohjeessa RIL 2729. Tässä esitetyssä laskentaesimerkissä vertaillaan ponttikaivannon tuentatarvetta eri taustatäyttömateriaaleilla. Tarkastelu on tehty esimerkinomaisesti eikä sen tuloksia voida käyttää kaivantosuunnitelmaan sellaisenaan, vaan jokainen kaivanto on suunniteltava tapauskohtaisesti paikalliset olosuhteet huomioiden. Kaivannon tuentatarpeeseen vaikuttaa oleellisesti ponttiseinän taustalla muodostuva maanpaine, jonka suuruus riippuu muun muassa tukiseinän taustalla olevan maan laadusta ja lujuudesta sekä tukiseinän liikkeistä. Laskentaan tarvittavat maasta riippuvat mitoitusparametrit määritetään maakerroksittain pohjatutkimuksilla tai muulla tavoin kerroksista hankittujen tietojen perusteella. Tukiseinän liikkeiden perusteella maanpaine jaetaan kolmeen eri tyyppiin, jotka ovat lepopaine, aktiivinen maanpaine ja passiivinen maanpaine. Ankkurein tuetun ponttikaivannon, joka voi liikkua suhteessa taustalle täytettyyn maahan, mitoituksessa tarkastellaan taustatäytön aiheuttamaa aktiivipainetta. Esimerkissä käsitellään ponttikaivannon rakentamista savikolle. Ponttiseinän kohdalla olevan maaperän geometria sekä ponttikaivannon tuentatavat on esitetty kuvassa 3.1. Kaivannon tukeminen kallioankkureilla ei ole mahdollista johtuen voimakkaasti viettävästä kalliosta. Tarkastellaan vaihtoehtoina ponttikaivannon tukemista maaankkureilla sekä toteuttamalla kevennyskaivu ponttiseinän taustalle. Kaivannon tausta on pystyttävä säilyttämään työmaan käytössä, joten laajaa kevennyskaivua tai kokonaan luiskattua kaivantoa ei ole mahdollista toteuttaa. Kaivannon rakentamisen yhteydessä pohjavedenpinta pääsee laskemaan savikerroksessa. Kaivannon läheisyydessä ei ole painumaherkkiä rakennuksia.
Kuva 3.1 Ponttikaivannon geometria ja tuentatapa sekä vaihtoehtoinen ratkaisu Lecakevytsoralla. 1. Tuenta maaankkureilla Tilanteessa, jossa kalliopinta on syvällä tai se viettää jyrkästi, voidaan kaivannon tukeminen toteuttaa maaankkureilla. Esimerkin tilanteessa keventämättömällä rakenteella tuentatarve edellyttää vähintään kahta tukitasoa. Tuetun ponttiseinän mitoituksen lähtötiedot sekä maaankkureiden laskennassa käytettävät mitoitusparametrit on esitetty kuvassa 3.2. Tukiseinämitoituksen tulokset on esitetty kuvissa 3.23.3.
Kuva 3.2 Ponttikaivannon laskentageometria sekä valitun tuentatavan tarkastelu GeoCalclaskentaohjelmalla.
Kuva 3.3 GeoCalclaskennan tulokset. Ylhäällä vasemmalla ponttiseinään kohdistuvan vääntömomentin kuvaaja, ylhäällä oikealla ponttiseinän siirtymät, alhaalla vasemmalla mobilisoituvien maanpaineiden kuvaajat ja alhaalla oikealla ankkureihin kohdistuva jännitys kaivusyvyyden suhteen. 2. Vapaasti seisova ponttiseinä Lecakevytsoralla Käytettäessä ponttiseinän taustatäyttönä Lecakevytsoraa voidaan pontit suunnitella vapaasti seisovina. Tällöin ei ole tarpeen rakentaa maaankkureita tai muutakaan tuentaa. Vapaasti seisovien ponttien seuranta on erityisen tärkeää. Esimerkiksi automaattisilla siirtymämittareilla voidaan seurata ponttien liikettä reaaliajassa ja tarvittaessa siirtymiin voidaan reagoida keventämällä taustatäyttöä entisestään. Laskelmien perusteella riittävä Lecakevytsoran määrä taustatäyttönä on 2, m, kun pohjaveden pinta annetaan laskea kevytsoran alapintaan. Tukiseinämitoituksen tulokset on esitetty kuvissa 3.43.5.
Kuva 3.4 Ponttikaivannon laskentageometria sekä kevennetyn taustatäytön tarkastelu GeoCalclaskentaohjelmalla.
Kuva 3.5 GeoCalclaskennan tulokset. Ylhäällä vasemmalla ponttiseinään kohdistuvan vääntömomentin kuvaaja, ylhäällä oikealla ponttiseinän siirtymät ja alhaalla vasemmalla mobilisoituvien maanpaineiden kuvaajat.