Syvätiivistys Jorma Havukainen, diplomi-insinööri Projektipäällikkö, Ramboll Finland Oy jorma.havukainen@ramboll.fi Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry 1 Syvätiivistys Maaperän geoteknisen laadun parantamistarve rakentamisessa ei rajoitu pelkästään pehmeikköalueille. Myös luonnontilaiset löyhät kitkamaat ja rakennetut kitkamaa- ja louhetäytteet vaativat usein pohjanvahvistustoimenpiteitä ennen varsinaista rakentamista. Näissä kohteissa sovellettava pohjanvahvistusmenetelmä on syvätiivistys, jonka avulla paksusta luonnonmaa- tai täytekerroksesta saadaan löysät pois. Samalla sen kantavuus- ja lujuusominaisuudet paranevat. Syvätiivistyksellä tarkoitetaan yli 1 1,5 m maakerroksen tiivistämistä yhdellä kertaa. Tiivistysvaikutus voidaan ulottaa Suomessa yleisimmin käytetyllä pudotustiivistysmenetelmällä ja -kalustolla yli 10 m:n syvyyteen. Muualla maailmassa yleisesti käytettävällä vibrotiivistysmenetelmällä voidaan tiivistää jopa yli 30 m:n hiekkakerroksia. Syvätiivistyksen ansiosta voidaan monissa tapauksissa saavuttaa myös säästöjä rakennusten perustamisessa, kun paaluperustus voidaan korvata maanvaraisella perustamisella. 2 Menetelmät Esikuormittaminen on yleisesti käytetty staattinen syvätiivistysmenetelmä, mutta se toimii parhaiten koheesiomaakerrosten kokoonpuristamisessa, yleensä pystyojituksella tehostettuna. Myös kitkamaa- ja louhekerroksen esikuormittamisella voidaan pohjamaata jossain määrin tiivistää, mutta tehokkaimmat syvätiivistysmenetelmät ovat näillä maapohjilla dynaamisia. Dynaamisessa tiivistyksessä tiivistysenergia voidaan siirtää maaperään joko maanpintaan kohdistettavilla iskuilla (pudotustiivistys) tai tärytyksellä (pintatiivistys). Samankaltainen vaikutus saadaan aikaan myös maakerroksen sisällä tapahtuvalla tärytyksellä (vibrotiivistys) tai räjäyttämällä (räjäytystiivistys). Pudotustiivistyksen ja pintatiivistyksen välimuotona voidaan pitää ns. nopeaiskutiivistystä (Rapid Impact Compaction = RIC), jonka käyttö on viime vuosina lisääntynyt maailmalla merkittävästi. Tässä kirjoituksessa keskitytään Suomen oloihin ja työmaiden mittakaavaan parhaiten soveltuvaan perinteiseen pudotustiivistykseen sekä kerrotaan periaatteet RIC-menetelmästä ja vibrotiivistyksestä. 2.1 Maakerroksen dynaamisen tiivistämisen periaate Dynaamisessa tiivistyksessä aikaansaatu liike-energia synnyttää maassa etenevän puristusaallon ja leikkausaallon, jotka ovat luonteeltaan tilavuusaaltoja ja ovat tiivistymisen kannalta merkittäviä. Puristusaalto aiheuttaa huokospaineen nousun ja maapartikkelien edestakaisen liikkeen pienentäen samalla hetkellisesti maan leikkauslujuutta. Leikkausaalto aiheuttaa hetkellisesti heikentynyttä leikkauslujuutta suuremman leikkausjännityksen maarakeiden välille, minkä johdosta maarakeet järjestyvät tiiviimpään muotoon. Maanpinnalta tapahtuvassa tiivistyksessä syntyvä pinta-aalto on tiivistymisen kannalta lähes merkityksetön. Tiivistämisen vaikutuksesta maan huokostilavuus, vedenläpäisevyys ja kokoonpuristuvuus pienenevät ja leikkauslujuus kasvaa [3], [6] ja [7]. 3 Pudotustiivistys Paksujen maakerrosten tiivistämiseen yleisimmin käytetty menetelmä on pudotustiivistys. Menetelmän on nykyiseen muotoon kehittänyt ranskalainen Louis Ménard 1960-luvun lopulla. Suomessa pudotustiivistystä on käytetty 1980-luvulta lähtien paksuilla ja löyhillä kitkamaa-alueilla varastokenttien, hallien teollisuusrakennusten ja siltapenkereiden maapohjan vahvistamisessa. Viime vuosina menetelmän käyttö on lisääntynyt runsaasti myös paksujen, mereen tehtyjen kitkamaa- ja louhetäyttöjen syvätiivistämisessä, muun muassa Helsingin Vuosaaren satamassa sekä asuntoalueiksi muutettavilla entisillä satama-alueilla Jätkäsaaressa ja Kalasatamassa. 3.1 Soveltuvuusalueet Pudotustiivistys soveltuu erityisesti karkeille materiaaleille, kuten louheelle, soralle, hiekalle ja muille rakeisuudeltaan näitä vastaaville sekalaisille kiviainesperäisille maa- tai jäteaineksille, joiden vedenläpäisevyys on riittävän suuri vapauttamaan tiivistysimpulssin synnyttämän huokosveden ylipaineen ennen seuraavaa pudotusta. Tiivistysmenetelmästä käytetään tällöin nimitystä iskutiivistys. Menetelmää voidaan soveltaa myös hienorakeisten maakerrosten tiivistämiseen tapauksissa, joissa 142
Kuva 1. Pudotustiivistyksen soveltuvuus raekokojakauman mukaan. (muokattu lähteestä [3]) Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry huokosveden vapautumismatka karkeisiin kerroksiin on lyhyt, tai aikaa on käytettävissä pudotusten välillä niin paljon, että huokosveden paine ehtii tasaantua. Tällöin menetelmää kutsutaan dynaamiseksi konsolidoinniksi. Tiivistystä voidaan tällaisissa tapauksissa tehostaa yhdistämällä menetelmään pystyojitus. Kuvassa 1 on esitetty maalajien rakeisuuteen perustuvat pudotustiivistyksen soveltuvuusalueet. Pohjanvahvistusmenetelmänä pudotustiivistystä voidaan soveltaa alueellisessa esirakentamisessa ja yksittäisissä kohteissa, kuten rakennuksissa, silloissa, tukimuureissa, laiturirakenteissa, urheilurakenteissa, rautateissä, kaduissa, putkijohdoissa ja kenttäalueissa. 3.2 Syvyysvaikutus Pudotustiivistyksen syvyysvaikutus riippuu käytettävästä tiivistysenergiasta ja tiivistettävän pohjamaan laadusta. Enimmäissyvyysvaikutus arvioidaan kokemusperäisellä Lukasin kaavalla [3] D = k WH, jossa max D max = on enimmäisvaikutussyvyys metreinä (m) W = pudotusjärkäleen paino tonneina (t) H = pudotuskorkeus metreinä (m) k = 0,35 1,0 (kokeellinen, maalajista riippuva kerroin) Kertoimen k arvo on sitä suurempi, mitä karkeampaa ja samalla syvätiivistykseen sopivampaa tiivistettävä maakerros on. Kertoimen arvoon vaikuttavat muun muassa pudotusjärkäleen kosketuspaine, nostokoneen pudotusmekanismin hyötysuhde sekä tiivistettävän kerroksen päälle tehdyn iskualustana toimivan kiviaineskerroksen ominaisuudet. Suositeltava pudotusjärkäleen pohjan kosketuspaine on 40 75 kn/m 2. Kosketuspaineen pienentyessä kertoimen k arvo pienenee, ja suuremmilla kosketuspaineilla järkäle voi upota syvälle maaperään menettäen tiivistystehoaan. Lieriömäisen pudotusjärkäleen pohjan halkaisija vaihtelee tyypillisesti välillä 1,5 2,5 m. Järkäleen massa vaihtelee vastaavasti yleensä välillä 10 25 tonnia (~100 250 kn). Pudotuskorkeudet vaihtelevat yleensä välillä 10 20 m, joten käytetyt tiivistysenergiat vaihtelevat välillä 1 5 MJ. Paksuilla täytöillä kaksivaiheista tiivistystä käytettäessä kokonaisenergian määrä voi olla vieläkin suurempi. Järkäleen nosto- ja pudotusmekanismina käytetään yleisesti vaijeriripustuksella varustettua laitteistoa, koska vapaasti putoavan järkäleen käyttö on selvästi edellä mainittua hitaampaa. Vaijeriripusteisessa pudotuksessa hyötysuhde on noin 80 % kokonaispotentiaalienergiasta. Kuva 2. Pudotustiivistystä Vuosaaren satamassa. [2]. 143
Kuva 3. Pudotustiivistyksen likimääräinen syvyysvaikutus järkäleen massan ja pudotuskorkeuden funktiona Lukasin kaavalla ja kokemusperäisesti arvioituna. Iskualustana käytetään yleensä 0,3 1,0 m:n paksuista tiivistettyä murskekerrosta, joka tehdään tasatun pohjamaan päälle ennen tiivistyksen aloittamista. Louhepengertä tiivistettäessä tulee sen pinta kiilata pienlouheella tai murskeella ennen iskualustan tekemistä. Esimerkiksi Vuosaaren sataman rakentamisen yhteydessä vuosina 2004 2008 mereen tehdyt kent- 144
täalueiden louhe-, merihiekka- ja moreenitäytteet tiivistettiin laitteistolla, jossa käytettiin vaijeriripustusta, ja järkäleen kosketuspaine oli noin 50 kn m 2. Käytettyjen järkäleiden massat vaihtelivat 11 ja 27,5 tonnin välillä, ja pudotuskorkeudet vaihtelivat välillä 7 20 m. Täytteiden paksuus oli keskimäärin noin 14 m ja enimmillään jopa 27 m. Iskualustana käytettiin 0,3 0,5 m:n paksuista murskekerrosta # 0 60 mm tai # 0 90 mm. Pudotustiivistys tapahtui kenttäalueilla tasolta +1 +2, kuva 2. Tehdyissä tutkimuksissa saatiin syvyysvaikutuskertoimeksi seuraavat k-arvot: louhe k ~ 0,8 1,0 merihiekka k ~ 0,6 0,7 silttimoreeni k ~ 0,5. Kuvassa 3 on esitetty pudotustiivistyksen likimääräinen syvyysvaikutus pudotuskorkeuden ja järkäleen massan funktiona louheelle, hiekalle/soralle ja silttimoreenille. 145 Kuva 4. Pudotustiivistyksessä tiivistysalustakerrokseen muodostunut kraateri [2]. 3.3 Pudotustiivistystyö Suurissa kohteissa on suositeltavaa tehdä koetiivistys, jonka yhteydessä tehtävien mittausten tuloksista saadaan selville käytettävällä kalustolla saavutettava tiivistyssyvyys, ja samalla voidaan hakea kohteessa tarvittava optimaalinen tiivistysenergia. Syvyysvaikutus voidaan mitata asentamalla tiivistettävän koekentän ulkopuolelle yksi tai useampia sivusiirtymämittausputkia, joista tiivistämisen jälkeen mitatut siirtymät ilmaisevat, mille syvyydelle tiivistysvaikutus on ulottunut. Kun pohjamaa on kitkamaata, saadaan selville ennen tiivistämistä ja sen jälkeen tehtävien kairausten kärkivastuksen muutoksen perusteella tiivistysvaikutuksen syvyys ja samalla tiivistyksen tehokkuus. Louhepenkereen syvätiivistyksen onnistumista voidaan mitata järkäleeseen kiinnitetyllä PDA-mittauslaitteistolla. Koetiivistyksen yhteydessä on selvitettävä myös mahdolliset tärinävaikutukset ympäristöön. Pudotustiivistys tehdään suunniteltuun neliöruudukkoon, jonka sivun pituus on yleensä 2,5 5 m. Pudotukset tehdään 2 6 kierroksena siten, että parittomat pudotuskierrokset tehdään ruudun keskelle ja parilliset ruudun nurkkiin. Järkälettä pudotetaan kullakin kierroksella yleensä kolme, mutta vähintään kaksi kertaa peräkkäin samaan kohtaan. Seuraavilla kierroksilla pudotuskohtien järjestys on sama. Pudotukset on suositeltavaa tehdä ensin joka toiseen pisteeseen ja tämän jälkeen näiden väliin, jotta pudotusjärkäle ei kallistuisi maahan iskeytyessään. Jokaisen pudotuskierroksen jälkeen kraaterit (kuva 4) täytetään tiivistysalustan materiaalilla tai lisämurskeella ja tiivistetään tärylevyllä. Pudotukset lopetetaan, kun viimeisen pudotuskierroksen kahden viimeisen pudotuksen yhteispainuma alittaa kohteelle asetetun kriteerin, joka voi olla kohteesta riippuen esimerkiksi < 5 cm, < 10 cm, < 15 cm tai < 20 cm. Tyypillisesti pudotuksia on keskimäärin on 1 2 kpl/m 2. Pudotustiivistetyn alueen pinta tasataan lopuksi ja tiivistetään täryjyrällä tai tärylevyllä. Tiivistettäessä paksua, yli 10 m:n maakerrosta on suositeltavaa käyttää kaksivaiheista tiivistämistä. Primaaritiivistys tehdään harvaan pudotusruudukkoon, esimerkiksi 5 m x 5 m, suurta järkälettä ja pudotuskorkeutta käyttäen, jolloin syvimmät kerrokset saadaan tiivistetyksi. Samalla kuitenkin pintakerrokset voivat löyhtyä, minkä vuoksi tehdään sekundaaritiivistys tiheämpään pudotusruudukkoon, esimerkiksi 2,5 m x 2,5 m, pienempää järkälettä ja pudotuskorkeutta käyttäen. Pudotustiivistystä voidaan soveltaa myös vedenalaisten penkereiden tiivistämiseen. Järkälettä ei voida pudottaa vedenpinnan yläpuolelta, vaan pudotus tapahtuu vedenpinnan alapuolelta. Veden vastus pienentää tiivistysenergiaa, minkä vuoksi vedenalaisissa pudotustiivistyskohteissa tulisi käyttää pieniprofiilista ja korkeaa järkälettä. Vesisyvyyden ollessa pieni voidaan pudotukset tehdä myös tiivistettävän penkereen päällä lepäävään, pohjastaan umpinaiseen teräsputkeen. Pudotustiivistyksestä pidetään pöytäkirjaa, johon kirjataan: työkohde pudotustiivistyksen tekijä työnjohtaja ja hänen allekirjoituksensa päivämäärä, aloitus- ja lopetusajankohta säätila ja lämpötila kentän numero pudotuskierros ja pudotusten määrä/piste pudotuskone ja pudotustapa pudotusjärkäleen paino ja pudotuskorkeus pudotuspiste ja pudotuskerta järkäleen painumat muut pudotustyön aikana tehdyt havainnot.
3.4 Laadunvarmistus Pudotustiivistettävän alueen maanpinta vaaitaan ennen tiivistämistä ja tiivistämisen jälkeen. Mitatusta korkeuserosta saadaan selville tiivistetyn kerroksen likimääräinen tilavuuden muutos, josta pääosa on maamassojen pystysuoraa kokoonpuristumista eli tiivistyspainumaa. Pudotustiivistyksellä saavutettava kokoonpuristuminen on yleensä 2 5 % tiivistettävän kerroksen paksuudesta. Pudotustiivistyksen aikainen laadunvalvonta tehdään yleensä seuraamalla viimeisten pudotusten aiheuttamaa painumaa. Viimeisen pudotuskierroksen kahden viimeisen pudotuksen mitattu yhteispainuma ei saa ylittää suunnitelmassa määritettyä tai koetiivistyksessä riittäväksi todettua arvoa. Laadunvarmistukseen kuuluu myös muita mittauksia. Kitkamaatäytteen tiiviyttä ja tiivistyssyvyyttä voidaan välillisesti arvioida puristinheijarikairauksen kärkivastuksen perusteella. Tiivistämättömän löyhän hiekan läpäisemiseen riittää yleensä puristusmenetelmä. Pudotustiivistyksen jälkeen vaaditaan yleensä heijarikairauksen käyttöä kerroksen läpäisemiseksi. Tämä onkin yleensä hyvä kriteeri hiekkatäytön tiivistystulosta arvioitaessa. Kuvassa 5 on esitetty puristinheijarikairauksen diagrammeja tiivistämättömällä ja pudotustiivistetyllä merihiekkatäyttöalueella. Alue on täytetty kahdessa vaiheessa. Aiemmin täytetty alin kerros on tiivistynyt päälle tehdyn täytön vaikutuksesta, mikä on nähtävissä pudotustiivistämättömän alueen diagrammeista. Diagrammit osoittavat suurempaa kairausvastusta tiivistetyillä alueilla verrattuna tiivistämättömään alueeseen. Hiekkatäytteissä yleisesti käytetty vaihtoehtoinen testausmenetelmä on CPT- tai CPTU-kairaus, jonka kärkivastuksen ollessa >11 12 MPa hiekkakerros on yleensä riittävän tiivis. Pudotustiivistyksen ansiosta kärkivastuksen arvo kasvaa esimerkiksi löyhässä hiekassa yleensä 2 3 -kertaiseksi alkuperäisestä. Paremmin tunkeutuvana menetelmänä puristinheijarikairauksen käyttöalue on kärkivastukseen perustuvassa laadunvalvonnassa laajempi kuin CPT- ja CPTU-kairauksen. Geoteknisen kestävyyden kannalta täytteen ylimpien 0 10 m:n tiivistäminen on yleensä tärkeintä. Syvemmällä olevien kerrosten oletetaan tiivistyvän riittävästi päällä olevan täytteen kuormituksesta. Louhetäytteiden laadunvalvonnassa voidaan viimeisten pudotusten painuman mittaamisen lisäksi käyttää PDA-mittausta, jossa pudotusjärkäleeseen kiinnitetyn 1 2 kiihtyvyysanturin avulla mitataan järkäleen hidastuvuutta (käänteinen kiihtyvyys) sen iskeytyessä iskualustan pintaan (kuva 6). Tuloksena saadaan järkäleen maksimihidastuvuus, keskihidastuvuus, maksiminopeus ja keskinopeus törmäyksen keston aikana. Suureiden avulla voidaan laskea maakerroksessa vaikuttava dynaaminen maksimijännitys. Sen ja kokoonpuristuman perusteella voidaan laskea maakerroksen keskimääräinen dynaaminen kokoonpuristuvuusmoduuli M dyn [5]. Kuvassa 7 on esitetty Vuosaaren satamassa tehdyn louhetäytteen koetiivistyksen yhteydessä laskettu dynaamisen moduulin arvo pudotuskierrosten määrän funktiona. Esitetyn kuvaajan avulla voidaan likimäärin arvioida tiivistämättömän louhetäytön moduulin arvoksi M dyn ~ 15 20 MN/m 2 ja 6. pudotuskierroksen jälkeen M dyn ~ 45 MN/ m 2 [2]. Kuva 5. Poikkileikkaus tiivistämättömästä ja syvätiivistetystä alueesta. Puristinheijarikairauksen diagrammeissa tiheä viivoitettu alue kuvaa heijarikairausvastusta ja vaihteleva murtoviiva kuvaa puristinkairausvastusta. Heijarikairattu kerros edustaa lujempaa/tiiviimpää maakerrosta kuin puristamalla läpäisty maakerros [2]. 146
Kuva 6. Vaijerikiinnitteinen pudotusjärkäle ja siihen kiinnitetty kiihtyvyysanturi [5]. Kun suunnitellaan rakennuksen tai muun vaativan rakenteen perustamista syvätiivistetyn maan varaan, voidaan pohjamaan tiiviys ja geotekninen kestävyys varmistaa esikuormituksella. Käyttökelpoinen tapa on välivarastoida kiviainesta, esim. louhetta tulevan rakennuksen tai rakenteen kohdalle niin korkeana penkereenä, että sen kuorma on esimerkiksi 1,5 2 kertaa tulevan kuorman suuruinen. Rakennuspaikka instrumentoidaan pohjamaan painumien seurantaa varten. Painumamittausten tuloksista saadaan tieto alueen painumakäyttäytymisestä ja esikuormituksen poistamisajankohdasta. 3.5 Ympäristövaikutukset Pudotustiivistys aiheuttaa ympäristöön säteittäisesti leviävää matalataajuista tärinää ( f ~ 5 15 Hz), joka voi vaurioittaa lähistön rakenteita. Tämän vuoksi tärinää tulee mitata lähialueen rakenteissa työn aikana. Yleensä tärinävapaana varoetäisyytenä pidetään 150 m:ä lähimpiin rakennuksiin tai rakenteisiin. Tarkoitukseen käytetään ns. kolmikomponenttimittareita, jotka rekisteröivät pitkittäis-, pysty- ja poikittaissuuntaisen aaltoliikkeen sekä mittaavat amplitudin, nopeuden, kiihtyvyyden ja taajuuden. Kuvassa 8 on esitetty Vuosaaren satamassa tehdyn louhetäytteen koetiivistyksen yhteydessä tehtyjen tärinämittausten tuloksista laadittu kuvaaja. Tulosten perusteella arvioitiin läheisen betonisen melumuurin valmiin osan turvaetäisyydeksi 30 m, jolloin heilahdusnopeuden maksimiarvot olivat muurin rakenteissa ko. etäisyydellä noin 5 mm/s. Pudotustiivistys soveltuu haitallisten tärinävaikutustensa vuoksi parhaiten rakentamattomien alueiden tiivistämiseen. Suunniteltaessa pudotustiivistystä rakennetulle alueelle, on otettava huomioon, että kohteessa joudutaan mahdollisesti käyttämään tavanomaista pienempää tiivistysenergiaa, jolloin tärinät ovat vähäisempiä, mutta tiivistyksen syvyysvaikutus jää pienemmäksi. Läheisten rakennusten tärinöitä tulee seurata erityisen huolellisesti. Tärinäherkillä alueilla voidaan käyttää myös seinämäisiä tärinänvaimennusrakenteita. Myös avo-ojituksella voidaan jossain määrin vähentää tärinöiden leviämistä. Muita ympäristöhaittoja ovat pudotustiivistyksen aiheuttama melu ja ympäristöön mahdollisesti sinkoutuvat kivet. Pölyhaitat ovat yleensä vähäisiä. 3.6 Työsuorite ja kustannukset Pudotustiivistys on edullinen menetelmä, jonka kustannukset riippuvat kohteen laajuuden lisäksi monista muista tekijöistä, kuten tiivistettävän kerroksen laadusta ja paksuudesta, ympäristörajoitteista ja käytettävissä olevasta työajasta/vrk sekä jossain määrin myös vuodenajasta (kesä/talvi). Pudotustiivistyksen työsuorite vaihtelee kohteen mukaan yhdellä koneella tiivistäen välillä 200 300 m 2 /työvuoro. Kokonaiskustannukset ovat vaihdelleet < 10 m paksuja täyttöjä tiivistettäessä nykyhin- Kuva 7. Pudotuskierrosten määrän ja lasketun dynaamisen keskimääräisen kokoonpuristuvuusmoduulin M dyn välinen riippuvuus Vuosaaren sataman louhetäytössä. Katkoviivan jatko-osa 2. pudotuskierroksen vasemmalle puolelle on arvioitu [5]. 147
Kuva 8. Koetiivistyksessä mitatut heilahdusnopeuden maksimiarvot pudotuspisteen ja tärinämittauspisteen etäisyyden funktiona 6. pudotuskierroksen aikana (12 tonnin järkäle, pudotuskorkeus 12 m, 2 pudotusta/kierros) [5]. Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry tatasossa likimain välillä 10 20 /m 2. Kustannukset lisääntyvät yleensä tätä paksummilla täytteillä jonkin verran neliömetriä kohden laskettuna, koska tiivistäminen joudutaan tekemään yleensä kahdessa vaiheessa (primaari- ja sekundaarivaihe). Kustannusten nousu kompensoituu kuitenkin jossain määrin, kun otetaan huomioon, että kustannukset vähenevät tiivistettyä kuutiometriä kohden tiivistyspaksuuden kasvaessa. 3.7 Suunnittelunäkökohtia Pudotustiivistyksen suunnittelussa on otettava huomioon muun muassa seuraavat asiat: tavoiteltava laatutaso, josta määräytyy tarvittavan tiivistysenergian määrä tiivistettävien materiaalikerrosten laatu ja paksuus (pudotusruudukon koko/1- tai 2-vaiheinen tiivistys) hienoainesta sisältävät kerrokset, jotka vaativat odotusajan huokosveden paineen vapautumiseksi tiivistyssyvyys ja käytettävissä oleva kalusto (k-ar vo, järkäleen paino ja pudotuskorkeus) toiminta rakentamattomalla tai rakennetulla alueella etäisyys rakennuksiin ja rakenteisiin (varoetäisyys ja tärinämittaukset) tiivistysalustan materiaali ja paksuus koetiivistyksen tarpeellisuus ja sen suunnitelma kokoonpuristumisesta aiheutuva massamenekki (esimerkiksi 0,2 m:n tiivistyminen aiheuttaa 2 000 m 3 /ha:n lisämassojen tarpeen) laadunvarmistus ja dokumentointi työsaavutus/tarvittava aika. 4 Nopeaiskuinen pudotustiivistys Tiheäiskuinen, hydraulisesti kiihdytetyllä järkäleellä varustettu syvätiivistyslaite on kehitetty 1990-luvulla Iso-Britanniassa maailmalla pommitettujen kiitoratojen kunnostamiseen. Menetelmästä käytetään nimitystä Rapid Impact Compaction (RIC) ja sen on kehittänyt BSP International Foundations Ltd. Korkealta pudotettavan painavan järkäleen sijasta pudotus tapahtuu matalalta yhtäjaksoisesti noin sekunnin välein, kuva 9. Koska tiivistysjalusta pysyy koko ajan kontaktissa tiivistettävän maan pintaan, energian siirtyminen maahan on perinteistä pudotustiivistystä tehokkaampaa. Laite on varustettu taltioivalla rekisteröintilaitteella, joka tallentaa tiivistymisen kannalta oleellisen datan. Hollantilainen Cofra/Boskalis on kehittänyt menetelmää vuodesta 2006 lähtien. Kiinnostus menetelmään on heräämässä myös Suomessa. Nykyisin RIC menetelmässä painoltaan 9 16 tonnin järkäle kiihdytetään ohjainputken sisällä. Järkäle törmää 1,2 m:n korkeudelta taajuudella 40 60 pudotusta/minuutti pyöreään jalustaan, joka on kontaktissa maanpintaan. Tiivistystä jatketaan niin kauan, kunnes suunniteltu tiivistymispainumakriteeri tai laitteen pystysuora maksimiulottuma (1 m) on saavutettu. Yleisimmin käytetyn jalustan halkaisija vaihtelee välillä 1,5 2,6 m. RIC-menetelmän tiivistysvaikutus ulottuu enintään noin 8 m:n syvyyteen, mikä on useimmiten riittävä pohjanvahvistusprojekteissa. Tiivistysvärähtely aiheuttaa hetkellisesti maapartikkelien välisen leikkausjännityksen ylittymisen, mikä saa aikaan maarakeiden uudelleen järjestymisen aikaisempaa tiiviimpään muotoon. Vedenpinnan yläpuolella tiivistymisen saavat aikaan lähinnä leikkaus- ja pinta-aallot sekä veden- 148
Kuva 9. RIC-menetelmän periaate [1]. pinnan alapuolella puristus- ja leikkausaallot. Menetelmässä on helppo valita tiivistysruudukon tiheys, ja yleensä käytetään niin tiheää ruudukkoa, että tiivistysvaikutusalue peittää jokaisen pisteen toistuvasti useaan kertaan, jolloin saavutetaan hyvä ja tasalaatuinen tiivistystulos [1]. 4 Vibrotiivistys 4.1 Vibrosyvätiivistys Vibrosyvätiivistysmenetelmä soveltuu parhaiten paksujen hiekka- ja sorakerrosten tiivistämiseen (kuva 10), ja siitä käytetään myös nimitystä täryhuuhtelu, koska tiivistäminen tapahtuu voimakkaalla täryttävällä sauvalla vesihuuhtelua käyttäen. Menetelmä on kehitetty Saksassa 1930-luvulla ja tunnetuin toimija alalla oli tuolloin J. Keller. Nykyisin alalla on useita toimijoita, joista suurimpia on Keller Group plc. Menetelmässä mastolla varustettuun tiivistyskoneeseen ripustettu sauva upotetaan täryttämällä ja vesisuihkun avulla ylös-alas-liikkein tiivistettävän maakerroksen alaosaan. Tavoitesyvyydessä vedensyöttöä vähennetään tai se lopetetaan kokonaan, ja tämän jälkeen sauvaa nostetaan vaiheittain ylöspäin, jolloin sauvan ympärille muodostuu sylinterimäinen tiivis maakerros sitä mukaa kuin sauvaa nostetaan. Sauvan värähtelyn voimakkuutta säädellään maaperäolosuhteiden mukaan. Sauvan ympärille tiivistettävän kerroksen yläosaan muodostuu suppilomainen tyhjätila, joka täytetään joko alueen omalla materiaalilla tai muualta tuodulla kiviaineksella. 149
Kuva 10. Vibrosyvätiivistykseen ja kivipilarointiin soveltuvien maakerrosten rakeisuusalueista. (muokattu lähteestä [4]) Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Vibrotiivistyksellä voidaan tiivistää jopa yli 30 m paksuja maakerroksia, ja syvimmillään menetelmällä on päästy nykyään jo yli 50 m:n. Suomessa ei menetelmää ole käytetty ainakaan merkittävässä määrin. Suomessa on Terramare Oy soveltanut täryttävää tekniikkaa vuonna 2012 myös vedenalaisen louhepenkereen tiivistämiseen Helsingin Jätkäsaaren sataman laajennustyön yhteydessä. Menetelmässä suurta profiloitua terässauvaa työnnetään lautalta ohjaimen avulla louheeseen ja samalla sauvaa tärytetään voimakasta energiaa käyttäen. Tulokset ovat olleet lupaavia ja menetelmän kehittäminen jatkuu. 4. 2 Kivipilarimenetelmä Kivipilarimenetelmää on käytetty täryhuuhtelumenetelmää soveltamalla jo 1930-luvulta lähtien kitkamaita tiivistettäessä, mutta koheesiomaissa menetelmää on käytetty vasta 1950-luvun lopulta lähtien. Menetelmästä on käytetty myös nimitystä sora- tai hiekkapilarointi käytettävän materiaalin mukaan. Menetelmässä tiivistettävää maata syrjäytetään samankaltaisella tärysauvalla kuin vibrosyvätiivistyksessä, mutta vettä ei käytetä yleensä apuna. Kuvassa 10 on esitetty menetelmään soveltuva maakerroksen rakeisuusalue. Kun tiivistettävän maakerroksen alaosa on saavutettu, sauvatärytintä nostetaan hitaasti ylöspäin ja samalla tyhjätilaan syötetään karkeaa kiviainesta paineilman avulla. Kiviaines pakkautuu paineen vaikutuksesta tiiviiksi pilariksi tiivistäen ympäröivää maata. Sauvaa nostetaan maaperäolosuhteiden edellyttämässä tahdissa maanpintaan saakka samalla kiviainesta syöttäen. Lopuksi valmiin kivipilarikentän päälle levitetään kiviaineskerros, jonka päältä kenttä tiivistetään tärylevyllä tai täryjyrällä. Kivipilarimenetelmästä on maailmalla muunnelmia, ja pilarimateriaalina on käytetty myös betonimursketta. Kivipilarimenetelmän käyttökelpoisuutta myös savikerrosten pohjanvahvistamiseen on kehitetty varustamalla kivipilari sitä ympäröivällä geolujitesukalla, jolloin pilarin nurjahtamistaipumus vähenee. Lähteet [1] Dijkstra J.W., Nooy van der Kolff A.H., Ground Improvement Tank Terminal Amsterdam The Netherlands. ISSMGE TC 211 International Symposium on Ground Improvement IS-GI Brussels 31 May 1 June 2012. [2] Havukainen J., Deep Compaction of Reclaimed Ground in the New Vuosaari Harbour of Helsinki. 12th Baltic Sea Geotechnical Conference Rostock, Germany 31st May 2nd June 2012. [3] Lukas R.G., Geotechnical Engineering Circular No. 1, Dynamic Compaction. Washington D.C., USA 1995, Federal Highway Administration, Report No. FHA-SA-95-037. s 105. [4] Raju V.R., Valluri S., Practical Application of Ground Improvement. Symposium on Engineering of Ground & Environmental Geotechnics, Hyderabad, india 29th Feb 1st March 2008. [5] Suutarinen Ilkka., Vuosaaren sataman pudotustiivistyskoe. Tutkimusraportti. Helsingin Satama/Ramboll Finland Oy, 30.4.2004. [6] Viljanen J., Korhonen O., Pudotustiivistys Saukonpaaden täyttöalueella. Helsingin kaupungin geotekninen osasto. Julkaisu 85/2002. [7] Vuola P., Dynamic Compaction of Saturated Sand. Lisensiaatintutkimus. 66 s. Tampereen teknillinen korkeakoulu. Rakennustekniikan osasto. Geotekniikan laitos. Tampere 1996. 150