Tutkimusraportti TPPT 44

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-21 Tutkimusraportti TPPT 44 Espoo 28.11.21 POHJAMAAN MODUULI JA SEN MÄÄRITTÄMINEN CPTU-KAIRAUKSELLA PL 14867-1 G -2-3 qc, MPa ft, kpa Ua, kpa -4-5 -6 Ua, kpa -7-4 -3-2 -1 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 qc, MPa ft, kpa G, MPa Markku Juvankoski Rainer Laaksonen Jouko Törnqvist VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikka

2(33) Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPTohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tässä tutkimusraportissa on esitetty pohjamaan moduulin määrittämistä CPTUkairauksella koskeneiden kenttätutkimusten tulokset. Raportissa on myös arvioitu menetelmän käyttökelpoisuutta. Tuloksia on käytetty hyväksi Menetelmäkuvauksen TPPT 11 "CPTU-kairaus" laadinnassa. Tämän raportin on laatineet tutkijat Markku Juvankoski ja Rainer Laaksonen sekä erikoistutkija Jouko Törnqvist VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Joulukuussa 21 Markku Tammirinne

3(33) Pohjamaan moduuli ja sen määrittäminen CPTU-kairauksella 1 MAAPOHJAN JÄYKKYYS TIEN RAKENTEELLISESSA SUUNNITTELUSSA...4 1.1 Jäykkyyden jännitystilariippuvuus...4 1.2 Kevätkantavuuden huomiointi...7 1.3 Muodonmuutostason huomioiva korjaus...8 2 TUTKIMUSTEN LÄHTÖKOHTA JA KOEKOHDE...1 3 MITTAUSTEN SUORITUS JA VÄLINEET...11 4 TULOSTEN TULKINTA...14 5 KOHDE ELIMÄKI - MITTAUSTULOKSET...15 6 CROSS HOLE -MITTAUKSEN VIRHELÄHTEET...17 7 CPTU -KAIRAUKSEN KÄRKIVASTUKSEN JA LEIKKAUSMODUULIN G VÄLINEN VUOROSUHDE...18 8 LEIKKAUSAALLON ETENEMISNOPEUDEN ARVIOINTI PURISTINKAIRAUSVASTUKSEN POHJAUTUEN...2 9 MENETTELY POHJAMAAN JÄYKKYYDEN MÄÄRITTÄMISEKSI CPTU- KAIRAN KÄRKIVASTUKSEN PERUSTEELLA...24 KIRJALLISUUS...28 LIITE 1...29

4(33) 1 MAAPOHJAN JÄYKKYYS TIEN RAKENTEELLISESSA SUUNNITTELUSSA Rakeisten tierakennusmaamateriaalien jäykkyysmoduuli (mitoitusmoduuli) (E tai M) riippuu materiaalityypin ohella voimakkaasti vallitsevasta jännitystilasta ja kuormituksen aiheuttamasta lisäjännityksestä. TPPT:n suunnittelujärjestelmän kantavana ajatuksena on, että rakenteiden lopullinen suunnittelu ja mitoitus suoritettaisiin aina materiaali- ja paikkakohtaisesti määritetyillä parametreilla. Tällöin sekä kohteen että materiaalin ominaisuudet tulevat parhaiten huomioiduiksi ja hyödynnetyiksi. Rakennekerroksissa käytettävien materiaalien moduuleja on tutkittu laboratoriokokein myös TPPT:ssä. Rakennekerroksissa käytettävien materiaalien jännitystilariippuvuuksia ja moduulien määritystä sekä itse moduulin käsitettä on tarkasteltu TPPT-raportissa: Tien rakennekerrosten materiaalit.taustatietoa materiaalivalinnoille (Tiehallinnon selvityksiä 66/21). Maapohjan materiaalien moduulien laboratoriomäärityksiä ei TPPT:ssä suoritettu. Sitomattomien rakennekerrosmateriaalien jäykkyysmoduuli määritetään yleensä syklisellä tai dynaamisella kolmiaksiaalikokeella. Koemenettelyssä pyritään toistamaan pyöräkuorman tierakenteeseen aiheuttamaa kuormitussykliä. Jäykkyysmoduulin jännitystilariippuvuus määritetään materiaalille ainakin rakenteessa ominaisessa kosteus- ja tiiviystilassa ja tarvittaessa useammissa kosteuksissa ja tiiviyksissä. Myös pohjamaan moduuli voidaan määrittää dynaamisella kolmiakselikokeella laboratoriossa. Hienorakeisilla materiaaleilla käytetään usein kesällä otettuja häiriintymättömiä näytteitä moduulin määrityksessä, jolloin tuloksena saadaan ns. kesäkantavuusmoduuli. Ns. kevätkantavuusmoduuli saattaa poiketa tästä arvosta suuresti ja tämä riippuu mm. materiaalin routimisesta ja siinä olevan ylimääräisen veden kuivattumismahdollisuudesta. Pohjamaan kevätkantavuusmoduuli saataneenkin parhaiten suoraan määritettyä esimerkiksi keväällä suoritettujen pudotuspainolaitemittausten tuloksista takaisinlaskien (Menetelmäkuvaus TPPT 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta). Toisena mahdollisuutena on arvioida kevätkantavuusmoduuli laboratoriokokeissa saadun kesäkantavuusmoduulin ja materiaalikohtaisten kevätkantavuuskertoimien avulla. Pudotuspainolaitteella suoritetun kevätkantavuusmoduulin määrityksen etuna on, että koemenettely vastaa mahdollisimman hyvin pyöräkuormasta aiheutuvia rasituksia maapohjassa. Mikäli moduulin määritys suoritetaan jollain muulla menettelyllä, kuten esimerkiksi seismisellä cross hole - mittauksella, jota tässä raportissa esitetyssä case-tapauksessa on käytetty, on moduulille suoritettava myös muodonmuutoksen tasosta aiheutuva korjaus. 1.1 Jäykkyyden jännitystilariippuvuus Tienrakennusmateriaaleilla jännityksen ja muodonmuutoksen välinen riippuvuus on epälineaarinen. Maamateriaalin kohdistuvan hydrostaattisen

5(33) jännitystilakomponentin kasvu kasvattaa myös tiettyä muodonmuutostasoa vastaavien muodonmuutosmoduulien arvoja periaatteessa kaikilla maamateriaaleilla (esim. Raportti TPPT 22: Sitomattomat materiaalit tien rakennekerroksissa. Taustatietoa materiaalien käyttäytymisestä). Käytännössä tämä tapahtuu vain avoimissa kuormitusolosuhteissa, eli vasta sitä mukaan kun jännitystilassa tapahtunut muutos välittyy maarakeiden väliseksi tehokkaaksi jännitykseksi /1/. Karkearakeisilla maamateriaaleilla jännitystason kasvun vaikutusta voidaan arvioida kaavalla (1). E = k1θ θ θ k 2 (1) missä, E = kimmomoduuli, kpa θ = pääjännitysten summa, kpa (=σ 1 +σ 2 +σ 3 ) θ = vertailujännitys, 1 kpa k 1 = materiaaliparametri ('moduuliluku') k 2 = materiaaliparametri ('jännityseksponentti'), karkearakeisilla maalajeilla voidaan tavallisesti otaksua k 2 =.5 Deviatorisen jännitystilakomponentin kasvulla on vastaavasti maamateriaalien muodonmuutosmoduuleja alentava vaikutus. Poikkeuksen voivat muodostaa tiiviit karkearakeiset materiaalit, joissa tietyissä kuormitusolosuhteissa voi deviatorisen jännityksen kasvaessa esiintyä dilataatiosta johtuvaa tilapäistä jäykkyyden kasvua /1/. Hienorakeisilla maalajeilla, joilla deviatorisen jännitystilakomponentin vaikutuksen huomioon ottaminen voi tulla kysymykseen, vaikutus on periaatteessa kaavan (2) mukainen. E = k 3 θ q θ k 4 (2) missä, E = kimmomoduuli, kpa q = deviatorinen jännitys, kpa (=σ 1 -σ 3 ) θ = vertailujännitys, 1 kpa k 3 = materiaaliparametri ('moduuliluku') k 4 = materiaaliparametri ('jännityseksponentti') Käytännössä tiekuormituksessa pääjännitystilaa ja deviatorista jännitystä voidaan arvioida kaavoilla (3) ja (4) /2/. θ = σ 1 + γ*z + σ 2 + σ 3 + 2*K *γ*z (3) missä θ = pääjännitysten summa, kpa σ 1, σ 2, σ 3 = liikennekuormitusten synnyttämät pääjännityskomponentit, kpa γ = tarkastelupisteen yläpuolisten kerrosten keskimääräinen tilavuuspaino, kn/m 3

6(33) z = tarkastelu pisteen etäisyys tierakenteen pinnasta, m K = lepopainekerroin (.6) σ d = σ 1 + γ*z -.5*(σ 2 + σ 3 ) - K *γ*z (4) missä σ d = alusrakenteessa vallitseva deviatorinen jännitys, kpa σ 1, σ 2, σ 3 = liikennekuormitusten synnyttämät pääjännityskomponentit, kpa γ = tarkastelupisteen yläpuolisten kerrosten keskimääräinen tilavuuspaino, kn/m 3 z = tarkastelupisteen etäisyys tierakenteen pinnasta, m K = lepopainekerroin (.8) Laboratoriossa suoritettavassa kolmiaksiaalikokeessa deviatorinen jännitys on σ d = σ 1 - σ 3 (5) Hienorakeisella alusrakenteella moduuli pääsääntöisesti pienenee deviatorisen jännityksen kasvaessa. Pohjamaamateriaaleille määritettyjä parametriarvoja on kuitenkin hyvin vähän ja moduuliarvot on yleensä annettu taulukoituna ilman jännitystilariippuvuutta /4/. Kuvaan 1 on luonnosteltu viitteessä /7/ esitellyn hienorakeisten materiaalin pohjamaaluokituksen mukaisten materiaalien kaavan (2) mukaista käyttäytymistä deviatorisen jännityksen suhteen. 12 Jäykkyysmoduuli, MPa 6 "Stiff" "Medium" "Soft" "Very soft" 5 1 15 2 25 Deviatorinen jännitys, kpa Kuva 1. Hienorakeisen materiaalin jäykkyysmoduulin käyttäytyminen deviatorisen jännityksen funktiona. Periaatekuva. Pohjautuu viitteessä /7/ esitettyyn luokitteluun. Jos materiaaliparametrille k 4 (kaava 6) oletetaan arvoksi -.5 (Tierakenteen suunnitteluohjeen uusiminen, muistio 11.6.1999, Kari Lehtonen), alentaa

7(33) deviatorisen jännityksen kaksinkertaistuminen moduulin arvoa n. 3 % ja nelinkertaistuminen 5 %. Tyypillisellä tierakenteella pehmeällä pohjamaalla deviatorinen jännitys alusrakenteessa noin metrin syvyydellä kaksinkertaistuu, kun pyöräkuorma on 5 kn. Deviatorin jännityksen kasvu riippuu kuitenkin rakenteen ja pohjamaan ominaisuuksista ja kuormituksesta. Mitä paksumpi ja jäykempi rakenne on, sitä pienempi on deviatorisen jännityksen kasvu. Kuvaan 2 on luonnosteltu deviatorisen jännityksen lisäyskerrointa päällysrakenteen paksuuden funktiona. Mitoituksessa kulloinkin käytettävä moduulin arvo on laskettava todellisiin parametreihin pohjautuen. Deviatorisen jännityksen lisäyskerroin 4 3 2 1..5 1. 1.5 2. Rakennekerrospaksuus, m Kuva 2. Deviatorisen jännityksen lisäyskerroin pohjamaassa päällysrakennepaksuuden funktiona. Periaatekuva. Huom. Kuvan arvoja laskettaessa myös ylempien rakennekerrosten paksuuksia on muutettu kerrospaksuuden kasvaessa. 1.2 Kevätkantavuuden huomiointi Mikäli alusrakenne on alttiina jäätymisen ja roudan vaikutuksille, on myös näiden ilmiöiden vaikutus moduulin tasoon huomioitava. Käytetystä mitoitusmenetelmästä riippuen moduuli korjataan vain tietyille ajanjaksoille tai kokonaan ns. kevätkantavuusmoduuliksi. Moduulin vaihtelusta eri vuodenaikoina ei olemassa tarkkaa tietoa. Vaihtelut ovat suuria eri vuosina ja eri olosuhteissa. Suuntaa-antavia alustavia, eri lähteissä esitettyihin laboratorio- ja kenttätutkimuksiin perustuvia moduulin vuodenaikaisvaihtelun suhteellisia arvoja on esitetty viitteissä /4/ ja /5/. Taulukossa 1 on esitetty jälkimmäiseen viitteeseen /5/ pohjautuvat suhteelliset kertoimet. Taulukko 1. Tien sitomattomien rakennekerrosten ja alusrakenteen materiaalien jäännösmoduulien vuodenaikaisvaihtelukertoimien arvoja /5/. Materiaalityyppi kesä n. 3-4 kk 15.5. -15.9. kesäkerroin syksy 2-3 kk 1.9. -3.11. syksykerroin talvi 5-7 kk 1.1. -3.4. talvikerroin kevät.7-1.5 kk 1.4. -31.5. kevätkerroin

8(33) Murske Sora Hk, routimaton SrMr, routimaton HkMr, routimaton Hk, routiva SrMr, routiva HkMr, routiva Si SiMr Savi vaihtelu "normaaliarvo " 1..85-1..9 1..75-.95.85 1..65-.85.75 1..6-.8.7 vaihtelu "normaaliarvo" 5-1.55-.9.8 5-15.45-.8.7 5-2.35-.7.5 5-25.3-.65.4 1.3 Muodonmuutostason huomioiva korjaus Cross hole -menetelmällä määritetty hyvin pienen leikkausmuodonmuutoksen moduuli on korjattava liikenteen rasittamissa rakenteissa toteutuvaa muodonmuutostasoa vastaavaksi. Liikennekuormitusten aiheuttama leikkausmuodonmuutoksen taso on suuruusluokkaa 1-7...5*1-4, kuva 3. Mikäli rakenne tunnetaan, voidaan liukuman suuruusluokka luonnollisesti myös laskea yksinkertaisilla mitoitusohjelmilla kuten esim. Bisarilla. Rakennekerrospaksuuden suhteen leikkausmuodonmuutos käyttäytyy samalla tavoin kuin deviatorisen jännityksen kasvu (edellä kuva 2) eli samalla maapohjalla muodonmuutos pieneen rakennepaksuuden kasvaessa. Mitoituksessa kulloinkin käytettävä muodonmuutoksen arvo lasketaan todellisiin parametreihin pohjautuen kuten deviatorinen jännityskin. Laboratoriossa suoritettavassa kolmiaksiaalikokeessa leikkausmuodonmuutos eli liukuma on σ d = ε 1 - ε 3 (6) Leikkausmoduulin muutoksen materiaalikohtaisia riippuvuussuhteita on tarkasteltu myös viitteessä /8/.

Kuva 3. Leikkausmoduulin periaatteellinen vaihtelu muodonmuutostason funktiona sekä eri kuormitustilanteisiin ja muodonmuutosominaisuuksien määritys menetelmiin liittyviä tyypillisiä muodonmuutostasoja /1/. 9(33)

1(33) 2 TUTKIMUSTEN LÄHTÖKOHTA JA KOEKOHDE Pohjamaan moduulia tarvitaan tierakenteiden kuormituskestävyysmitoituksen lähtötietona (Menetelmäkuvaus TPPT 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen). Perinteinen tapa on ottaa pohjamaasta näytteitä ja määrittää niistä laboratoriossa moduuli. Menettely on työläs ja myös kustannuksiltaan suhteellisen kallis. Mm. tästä syystä pohjamaan moduulin määritys on harvinaista ja silloin, kun se määritetään, se arvioidaan esim. pohjamaan rakeisuuden perusteella. TPPT-suunnittelujärjestelmän yksi lähtökohdista kuitenkin on, että suunnittelu ja rakenteiden mitoitus tapahtuu riittävän luotettavasti määritetyillä paikallisilla ja kohdekohtaisilla parametreilla. CPTU-kairauksia tehdään tielinjan pohjatutkimuksissa geoteknisen suunnittelun tarpeisiin, jolloin myös pohjamaan moduulin määrittäminen tuloksista on luontevaa ja kustannuksiltaan edullista. CPTU:n kärkivastuksen ja pohjamaan moduulin välistä yhteyttä ei kuitenkaan tunneta kovinkaan luotettavasti (mm. Menetelmäkuvaus TPPT 11 CPTU-kairaus). Tässä raportissa on selvitetty mahdollisuutta arvioida tien suunnittelussa käytettävää pohjamaan moduulia puristinkairauksen (CPTU) kärkivastuksen q c perusteella. Puristinkairauksen kärkivastuksen ja maapohjan leikkausmoduulin välistä riippuvuutta on tarkasteltu case-tapauksena VT6:lla välillä kohteessa Koskenkylä-Kouvola tiellä Elimäen kohdalla. Puristinkairaukset on suoritettu vuosina 2-1 tien parantamisen suunnittelua varten. Pohjamaan leikkausmoduulimääritykset käytettyjen puristinkairauspisteiden kohdalla suoritettiin toukokuussa 21 reikäseismisellä cross hole -menetelmällä. Tutkimuksessa käytetyt tutkimuspisteet ja mittaussyvyydet valittiin siten, että saatiin mahdollisimman laaja valikoima erilaisia kärkivastuksia olosuhteista, joista vastaavaa informaatiota ei ole saatavissa kirjallisuudesta. Tutkimuspisteitä valittiin yhteensä 5 ja tutkimussyvyyksiä oli yhteensä 37. Leikkausmoduulin määrityksessä leikkausaallon etenemisnopeuden mittauspisteet pyrittiin sijoittamaan siten, että aikaisemmin suoritetun puristinkairauksen kohta jäi mittauspisteiden väliin. Paaluluvulla pl 93 anturit jouduttiin kuitenkin sijoittamaan siten, että lähin mittauskärki oli 1.5 m päässä puristinkairauspisteestä kasvavan paaluluvun suuntaan. Puristinkairausten kairausvastukset on esitetty pistekohtaisesti liitteessä 1. Tutkimusalueella on 2...3 m paksuinen kuivakuori. Eri pisteissä ja mittaussyvyyksissä maalaji on pääasiassa laihaa tai lihavaa savea, vaihdellen kuitenkin liejuisesta savesta silttiseen saveen. Savien leikkauslujuudet ovat melko suuria, yleensä reilusti yli 3 kpa, määritettynä joko puristinkairauksesta tai lähistön siipikairauksista. Pienimmillään leikkauslujuus on ollut paaluluvun 86 kahdessa viimeisessä mittaussyvyydessä n. 1 kpa sekä niinikään paaluluvun 93 kahdessa viimeisessä mittaussyvyydessä n. 3 kpa. Paaluluvulla 14867 kuivakuoren alla olevan saven leikkauslujuus on ollut CPTU-tulkinnan ja siipikairausten mukaan 3...4 kpa. Paaluluvun 17113 viimeisessä mittaussyvyydessä leikkauslujuus on ollut n. 2 kpa.

11(33) 3 MITTAUSTEN SUORITUS JA VÄLINEET Maakerrosten leikkausmoduulin määrityksessä käytettiin VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan cross hole -mittauslaitteistoa. Laitteisto koostuu - kahdesta mittauskärjestä, joissa molemmissa on kolme toisiaan vastaan kohtisuoraan sijoitettua kiihtyvyysanturia, - antureista mitattujen signaalien käsittelyyn ja tallentamiseen tarvittavista laitteista eli anturien varausvahvistimista, - kannettavaan tietokoneeseen liitettävästä tiedonkeruukortista ja - mittausohjelmasta. Valokuvia laitteistosta ja mittauksen suorituksesta on esitetty liitteessä 1. Cross-hole mittausmenetelmää ja muitakin seismisä menetelmiä on käsitelty mm. viitteessä /9/. Mittaus sisältää kolme vaihetta: mittauskärkien ja herätelähteen painamisen tai kiertämisen mittaussyvyyteen, herätteen eli aaltoliikkeen synnyttämisen ja signaalin taltioinnin. Periaatteena on mitata erilaisten aaltojen (puristus- ja leikkausaalto) nopeus maassa kahden vastaanottimen (mittauskärjen) välillä. Kussakin erillisessä mittauksessa herätetaso ja vastaanottotasot ovat samalla syvyydellä maapohjassa. Vastaanottimet ja herätelähde on asennettu pohjamaahan samaan linjaan. Kärkien ja herätelähteen välinen etäisyys pehmeissä maapohjissa on tyypillisesti 2...3 m. Suoritetuissa mittauksissa mittauskärkien keskinäinen väli ja ensimmäisen mittauskärjen ja herätelähteen väli oli 1.5 m. Herätelähteenä käytettiin mittaussyvyyteen kierrettyä kierrekairaa ( 8 mm), jota lyötiin herätteen aikaansaamiseksi yläpäähän muovinuijalla. Mittausjärjestelyn periaate on esitetty kuvassa 4. vahvistimet näyttö tallennin iskuvasara mittaussyvyys puristus- ja leikkausaalto t 1.5 m 1.5 m

12(33) Kuva 4. Cross hole -mittausjärjestelyn periaatekuva. Kussakin mittaussyvyydessä tehtiin kolme määritystä eli iskua, joiden keskiarvona leikkausaallon etenemisnopeus mittauskärkien välillä määritettiin. Kukin isku tallennettiin.1 sekunnin aikainkrementtiä käyttäen 2 sekunnin aikaikkunaan, josta puristus- ja leikkausaallon kulkuajat määritettiin. Kuvassa 5 on esitetty esimerkkinä yhdestä mittauspisteestä mitattu aikaikkuna kokonaisuudessaan. Kuvassa 6 on pystysuuntaisten antureiden signaalit ja kuvassa 7 vaakasuuntaisten antureiden signaalit lyönnin vaikutuksen ajalta. Mittauskärjessä on myös kolmas, mittauslinjaa vastaan kohtisuorassa suunnassa oleva anturi, jonka signaalia ei tässä yhteydessä kuitenkaan mitattu. 3 CH Elimäki PL17113 A3 B3 Signaali A3/B3 (V) 2 1-1 -2-3.5 1 1.5 2 2.5 Aika (s) Kuva 5. Mittausanturien A3 ja B3 mittaustulokset. Mitattu aikaikkuna kokonaisuudessaan. CH Elimäki PL17113 A3 B3 5 4 Signaali A3/B3 (V) 3 2 1.48-1.49.5.51.52.53.54.55-2 Aika (s) Kuva 6. Mittausanturien A3 ja B3 mittaustulokset, pystysuuntaiset anturit (kuvassa A3 signaaliin on lisätty 2 V).

13(33) Kuvasta 6 nähdään, että A3 -signaalissa alkaa tapahtua ajan hetkellä.4816 s, jolloin puristusaalto saapuu. Leikkausaalto saapuu noin ajan hetkellä.49 s. Signaalin B3 puristusaallon saapumisaika on.4826 s ja leikkausaallon saapumisaika noin hetkellä.51 s. Leikkausaallon kulkuaika pisteiden välillä n..15 sekuntia. Mittauspistevälillä 1.5 m leikkausaallon etenemisnopeus on siten 1.5 m/.15 s eli n. 143 m/s. Kun tarkastellaan puristus- tai leikkausaallon etenemistä, niin havaitaan, että - voidaan olettaa, että lyönti tapahtui hetkellä.48 -.481 - puristusaalto tulee kärkeen B noin.1 sekuntia A:n jälkeen - ensimmäinen leikkausaalto kärkeen A saapuu n..1 sekuntia lyönnin jälkeen ja - ensimmäinen leikkausaalto kärkeen B saapuu n..21 sekuntia lyönnin jälkeen. CH Elimäki PL17113 A1 B1 5 4 Signaali A1/B1 (V) 3 2 1-1.48.49.5.51.52.53.54.55-2 -3 Aika (s) Kuva 7. Mittausanturien A1 ja B1 mittaustulokset, linjan suuntaiset vaakaanturit (kuvassa A1 signaaliin on lisätty 2 V).

14(33) 4 TULOSTEN TULKINTA Cross hole -mittausten tulkinta perustuu samassa syvyydessä ja samalla linjalla herätelähteen kanssa sijaitsevien mittauskärkien ja antureiden signaalien saapumisaikojen aikaeron määrittämiseen. Tämän lisäksi on tunnettava kärkien välinen etäisyys ja välissä olevan maamateriaalin tiheys. Aikaeron ja etäisyyden avulla lasketaan aaltoliikkeen (lähinnä leikkausaallon) etenemisnopeus. Kyllästetyssä maassa puristusaallon etenemisnopeus on n. 15 m/s. Leikkausmoduuli G lasketaan aaltoliikkeen etenemisnopeuden ja tiheyden avulla kaavalla (7): 2 G = ρ v (7) missä G = leikkausmoduuli (Pa) ρ = tiheys (kg/m 3 ) v = aaltoliikkeen etenemisnopeus (m/s) Aikaeron määritys tehtiin koilemella tavalla: - tarkoitusta varten laaditulla ohjelmalla, jolla voitiin etsiä pysty- ja vaakaantureiden signaalien saapumisaikojen erotus, - visuaalisen tarkastelun perusteella ja - laskennallisesti. Leikkausaallon tulkinta tehtiin etsimällä aikaero anturien signaalien parhaimman yhteneväisyyden perusteella. Puristusaallon tulkinta tehtiin lähinnä visuaaliseen tarkasteluun perustuen. Koska materiaalien tilavuuspainoja ei tässä yhteydessä määritetty, on kaikkien materiaalien tiheytenä käytetty arvoa 18 kg/m 3. Mittausmenetelmästä johtuen määritetty leikkausmoduuli on ns. pienten deformaatioiden muodonmuutosmoduuli eli initiaalileikkausmoduuli G.

15(33) 5 KOHDE ELIMÄKI - MITTAUSTULOKSET Elimäellä VT 6:lla suoritettujen cross hole -mittausten tulkitut tulokset on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Leikkausaaltojen etenemisnopeudet, puristinkairan kärkivastus ja leikkausmoduuli sekä maalaji tutkimuspisteittäin ja syvyyksittäin. Pohjavedenpinnan yläpuolen havainnot tummennettuna. Maalajit perustuvat osittain silmämääräiseen näytteen arviointiin. Puristinkairan kärkivastus q c on laskettu keskiarvona mittaussyvyyden ylä- ja alapuolelta ±.5 m matkalta (1. m; pisteväli 2.5 cm eli 41 havaintoa). PL 86 Kärkien Kärkien Aikaero, syvyydet etäisyys, s, m m Leikkaus aallon nop., m/s Irtotihey q c, MPa Leikkaus Maalaji s märkä, -moduuli kg/m 3 G, MPa 1. 1.542.113 136.4 18 1.64 33.5 lisa 1.5 1.542.1117 138.1 18 1.21 34.31 lisa 2. 1.542.963 16.1 18.68 46.15 lisa 2.5 1.543.1163 132.7 18.34 31.68 lisa 3. 1.544.134 115.2 18.25 23.9 lisa Pl 93 Kärkien syvyydet, m Kärkien Aikaero, etäisyys, s m Leikkaus aallon nop., m/s Irtotihey s märkä, kg/m 3 q c, MPa Leikkaus -moduuli G, MPa Maalaji 1.5 1.465.89 165.2 18 2.25 49.14 lasa 2. 1.465.86 169.7 18 2.2 51.83 lasa 2.5 1.46.77 188.8 18 1.99 64.16 lasa 3. 1.455.9 161.1 18 1.6 46.7 lasa 3.5 1.45.111 131. 18 1.33 3.9 lasa 4. 1.445.15 96.1 18 1.9 16.63 lasa 4.5 1.44.148 97.1 18.83 16.97 lisa 5. 1.435.17 134.5 18.63 32.59 lisa 5.5 1.43.115 124.4 18.59 27.84 lisa Pl 14867 Kärkien Kärkien Aikaero, syvyydet etäisyys, s, m m Leikkaus aallon nop., m/s Irtotihey s märkä, kg/m 3 q c, MPa Leikkaus -moduuli G, MPa Maalaji 1. 1.5.115 13.4 18 1.39 3.62 ljsa 1.5 1.5.117 128.6 18 1.13 29.76 ljsa 2. 1.5.122 123.3 18.69 27.36 ljsa 2.5 1.5.15 1. 18.52 18. lisa 3. 1.5.155 97. 18.53 16.93 lisa 3.5 1.5.178 84.3 18.54 12.78 lisa

16(33) 4. 1.5.183 82.1 18.57 12.14 lisa 4.5 1.5.189 79.4 18.61 11.34 lisa 5. 1.5.191 78.7 18.62 11.14 lisa Pl 17113 Kärkien syvyydet, m Kärkien Aikaero, etäisyys, s m Leikkaus aallon nop., m/s Irtotihey s märkä, kg/m 3 q c, MPa Leikkaus -moduuli G, MPa Maalaji 1. 1.52.173 141.6 18 1.71 36.1 lisa 1.5 1.52.111 136.9 18 1.9 33.75 lasa 2. 1.53.187 14.8 18 1.68 35.69 lasa 2.5 1.54.14 148.1 18 1.23 39.47 lasa 3. 1.55.11 153.5 18.84 42.4 sasi 3.5 1.56.163 146.7 18.56 38.75 sasi

17(33) 6 CROSS HOLE -MITTAUKSEN VIRHELÄHTEET Cross hole -mittauksen perusteella määritettyyn aaltoliikkeen etenemisnopeuteen ja sen perusteella laskettavaan leikkausmoduulin arvoon ja sen epätarkkuuteen vaikuttavat ainakin seuraavat seikat: - kärkien etäisyys, - maakerrosten tiheys, - voimakas kerroksellisuus ja - aikaeron määritystarkkuus. Maanpinnalla kärkiväli voidaan mitata alle 1 % epätarkkuudella, mutta syvemmällä epätarkkuus kasvaa. Epätarkkuuden 1 m syvyydessä voidaan arvioida olevan jo luokkaa 5-1 %. Jos kärjet vielä poikkeavat yhteiseltä linjalta, niin siitä aiheutuu ylimääräistä virhettä tuloksiin. Maakerroksen tiheys hienorakeisissa materiaaleissa voidaan määrittää näytteenoton avulla kohtuullisella tarkkuudella. Karkearakeisten materiaalien tiheyden määritys näytteenotolla on vaikeaa ja epätarkkaa. Karkearakeisilla (ja myös hienorakeisilla) materiaaleilla voidaan käyttää mm. radiometrista mittausta tiheyden määritykseen. Radiometrisellä luotauksella päästään alle 5 % epätarkkuuteen tiheydessä (Menetelmäkuvaus TPPT 1 Radiometrinen reikämittaus). Maaperän voimakas kerroksellisuus aiheuttaa tulkintavaikeuksia erityisesti silloin, jos mittaus tehdään lähellä kerrosrajaa. Aikaeron määritystarkkuus nykyisillä mittalaitteilla on erittäin hyvä edellyttäen, että mittausheräte on yksikäsitteinen ja häiriötön. Huono heräte, jossa matalamman "tosisignaalin" päälle jää esimerkiksi "metalli vastaan metalli" lyönnistä aiheutuva korkeataajuinen värähtely, vaikeuttaa tuloksen tulkintaa ja tämä saattaa aiheuttaa epätarkkuutta aikaeron määrityksessä.

18(33) 7 CPTU -KAIRAUKSEN KÄRKIVASTUKSEN JA LEIKKAUSMODUULIN G VÄLINEN VUOROSUHDE VT 6:lla Elimäellä suoritettujen cross hole -mittausten mittaustulokset on esitetty yhdessä CPTU -kairauksen keskimääräisen kärkivastuksen kanssa kuvassa 5. Tuloksia analysoitaessa pyrittiin löytämään mahdollisimman hyvä korrelaatio kärkivastuksen ja cross hole -mittauksen tuloksen välillä. Parhaiten koko aineistoon, jossa kärkivastus laskettiin ±.5 m:n matkalta cross hole - mittaussyvyyden kohdalta, soveltui lineaarinen sovitusfunktio (8). G =15*q c +15 (r=.66). (8) Koska havaintoaineistosta oli kuitenkin selvästi havaittavissa, että se on kaksijakoinen, suoritettiin sovitus erikseen sekä pohjavedenpinnan yläpuolisille mittauksille sekä pohjavedenpinnan alapuolisille mittauksille. Pohjavedenpinnan yläpuolisille mittauksille korrelaatiokerroin on kohtuullinen (r=.82). Pohjavedenpinnan alapuolella suoritettujen mittausten tulokset hajoavat suuresti (r=.16) ja lineaarisen sovitusfunktion mukaan materiaalille jää vielä huomattava leikkausmoduuli, vaikkei kärkivastusta enää olisikaan. Kuvassa 8 tiettyä moduulimääritystä vastaava kärkivastus on laskettu mittauspisteen molemmin puolin.5 m:n matkalta mitattujen kärkivastusten keskiarvona. Kuivakuoressa tämä menettely antoikin parhaan korrelaation. Mikäli kairausvastuksen keskiarvo laskettiin cross hole -mittaussyvyyden molemmin puolin.25 m:n matkalta, korrelaatio oli kuivakuoressa vain hieman heikompi (r=.77). Koska leikkaus- ja puristusaallot saattavat kulkea kerroksellisessa maassa nopeammin suuremman tilavuuspainon omaavien kerrosten kautta, otettiin vertailukohdaksi myös ±.5 m ja ±.25 m matkalta kärkivastuksesta löytyvät maksimi ja minimiarvot. Kuivakuoressa korrelaatiokertoimet olivat tällöin vastaavasti r=.74 (maksimi q c ) ja r=.62 (minimi q c ). Pohjaveden pinnan alapuolella paras korrelaatio (r=.67) saavutettiin, kun kärkivastuksen arvona käytettiin ±.5 m:n matkalta määritettyä kärkivastuksen maksimiarvoa (sovitusfunktio on tällöin G =21.4*q c +7.7 tai origon kautta kulkien G =29*q c ; r=.62).

19(33) CPTU qc (MPa) vs. cross-hole -moduuli, G, (MPa) G, MPa 7 6 5 4 3 2 1. 1. 2. 3. qc, MPa Leikkausmoduuli, G, MPa (kuivakuori) Leikkausmoduuli, G, MPa (pv:n alla) G=28*qc^1.4 G=23.5*qc y = 24.973x - 2.783 R 2 =.6774 y = 22.25x + 12.681 R 2 =.1594 Kuva 8. Puristinkairan kärkivastuksen q c ja leikkausmoduulin G välinen vuorosuhde. Leikkausmoduliin G ja puristinkairan kärkivastuksen q c välisen vuorosuhteen etenkin kitkamaissa on yleensä esitetty olevan lineaarinen, kärkivastuksen kertoimen ollessa 4...1. Myös pehmeillä savilla vuorosuhteen on havaittu olevan lineaarinen. Sekä pehmeitä että jäykempiä savia sisältävällä aineistolla havaintoihin on kuitenkin lineaarista vuorosuhdetta paremmin havaittu soveltuvan eksponenttimuotoa olevan vuorosuhteen. Kuvassa 8 on esitetty nyt määritettyjen pisteparien ja niiden sovitusfunktioiden ohella kaksi kärkivastuksen ja leikkausmoduulin riippuvuudelle viitteessä /3/ esitettyä sovitusfunktiota. Näissä funktioissa käytetty kärkivastuksen määritystapa ei ole tiedossa. Kuvan 8 pohjaveden alapuolella olevissa havainnoissa näkyvä suurehko hajonta voi osaksi aiheutua myös mittausanturin herkkyydestä. Pienillä vastuksilla vaihtelu voi olla.5 MPa:n suuruusluokkaa. Toisen sovitusfunktion, G =23.5*q c, havaintoaineisto on sisältänyt 12 havaintopistettä ja toisen laajemman, G =28*q 1.4 c sovitusfunktion havaintoaineisto 35 pistettä (edellisten 12 pisteen lisäksi 23 havaintopistettä). Sovitusfunktioiden korrelaatiokertoimet ovat olleet vastaavasti r=.88 ja r=.97. Vaikka näissä kirjallisuudessakin esitetyissä tutkimuksissa havaintopistemäärät ovat olleet pieniä, on ilmeistä että leikkausmoduuli voidaan kohtuullisella tarkuudella arvioida puristinkairauksen kärkivastuksen perusteella. Tarkkuuden parantamiseksi vuorosuhteiden verifiointiaineistoa tulisi kuitenkin laajentaa sisältämään useampia maapohjatyyppejä (alusrakennemateriaaleja).

2(33) 8 LEIKKAUSAALLON ETENEMISNOPEUDEN ARVIOINTI PURISTINKAIRAUSVASTUKSEN POHJAUTUEN Oman aineiston vähäisyydestä johtuen seuraavassa on käsitelty lyhyesti eräitä kirjallisuudesta poimittuja puristinkairauksen vastukselle (kärkivastus q c ja/tai vaippakitka f s ) ja leikkausaallon etenemisnopeudelle esitettyjä vuorosuhteita. Viimemainittuja vuorosuhteita määritettäessä muualta kirjallisuudesta poimittu käytettävissä ollut aineisto on ollut jo merkittävästi suurempi. Määrittämällä leikkausaallon etenemisnopeus esitettyjen yhteyksien perusteella voidaan leikkausmoduulia arvioida samalla lailla kuin cross hole - mittausten perusteella on aiemmin esitetty. Viitteessä /6/ on esitetty yhteensä 61 kohteesta kerätylle aineistolle muodostetut riippuvuudet lähinnä puristinkairausvastuksen ja leikkausaallon etenemisnopeuden etenemisnopeuden välille. Kohteista 24 on ollut hiekkapohjia ja 36 savimaita. Leikkausaallon nopeuden määrittämiseen on käytetty eri tekniikoita (seisminen puristinkairauskärki, cross hole- ja down hole -tekniikat ja SASW). Eri maalajeille saadut riippuvuudet on esitetty taulukossa 3. Taulukko 3. Eri maalajeille ehdotetut leikkausaallon etenemisnopeuden ja puristinkairausvastuksen riippuvuussuhteet /6/. Maalaji Ehdotettu korrelaatio* n r 2 Savi V s = 14.13 q c.359 e -.473 Savi V s = 3.18 q c.549 f s.25 46.885 229.778 Hiekka V s =13.18 q c.192 σ' v.179 133.684 Hiekka V s =12.2 q c.319 f s -.466 92.574 "Kaikki" materiaalit V s = (1.1*Log q c -11.4) 1.67 (f s /q c *1).3 323.695 * Yksiköt V s [m/s]; q c, f s, ja σ' v [kpa] Kuviin 6...8 on piirretty tässä tutkimuksessa mitatut leikkausaallon etenemisnopeudet sekä taulukossa 3 toisella savelle ja "kaikille" materiaaleille esitetyillä kaavoilla puristinkairausvastuksen perusteella määritetyt leikkausnopeudet pistepareina. Kuvassa 9 on esitetty kaikki havainnot. Kuvissa on esitetty myös pelkästään vaippavastukselle esitetyn riippuvuuden mukaiset pisteparit (V s =117+1.33 f s /6/). Vaippavastuksen korrelaatiota ja tarkkuutta muiden ominaisuuksien suhteen pidetään yleensä heikompana kuin kärkivastukselle saatuja korrelaatioita. Kuivakuoreksi tulkittujen havaintojen osalta taulukon 3 kaavat näyttävät antavan leikkausaallon etenemisnopeudelle järjestelmällisesti suurempia etenemisnopeuksia, kuin mitä maastossa on mitattu (kuva 1). Vedenpinnan

21(33) alapuolella olevien savien osalta käytetyt mallit sensijaan antavat suhteellisen hyvin havaintoihin soveltuvia arvoja (kuva 11). Mitattu vs (m/s) vs. ennustettu vs Ennustettu leikkausaallon nopeus, m/s 3 25 2 15 1 5 1 2 3 Savet, Vs=3.18*qc^.549*f s^.25 Kaikki, Vs=117+1.33*fs Kaikki, Vs=(1.1*log(qc- 11.4)^1.67*(fs/qc*1 )^.3 Mitattu leikkausaallon nopeus, m/s Kuva 9. Koekohteessa mitatut ja puristinkairausvastuksen perusteella arvioidut leikkausaallon etenemisnopeudet (kaikki havainnot). Mitattu vs (m/s) vs. ennustettu vs Ennustettu leikkausaallon nopeus, m/s 3 25 2 15 1 5 1 2 3 Savet, Vs=3.18*qc^.549*f s^.25 Kaikki, Vs=117+1.33*fs Kaikki, Vs=(1.1*log(qc- 11.4)^1.67*(fs/qc*1 )^.3 Mitattu leikkausaallon nopeus, m/s Kuva 1. Koekohteessa mitatut ja puristinkairausvastuksen perusteella arvioidut leikkausaallon etenemisnopeudet (kuivakuoren havainnot).

22(33) Mitattu vs (m/s) vs. ennustettu vs Ennustettu leikkausaallon nopeus, m/s 3 25 2 15 1 5 1 2 3 Savet, Vs=3.18*qc^.549*f s^.25 Kaikki, Vs=117+1.33*fs Kaikki, Vs=(1.1*log(qc- 11.4)^1.67*(fs/qc*1 )^.3 Mitattu leikkausaallon nopeus, m/s Kuva 11. Koekohteessa mitatut ja puristinkairausvastuksen perusteella arvioidut leikkausaallon etenemisnopeudet (pohjavedenpinnan alapuoliset havainnot). Leikkausaallon etenemisnopeudelle hiekassa on viitteessä /1/ esitetty kaava (8). V s =277 q c.13 σ v'.27 (8) q c ja σ v' [MPa] Hiekan initiaalimoduulin G riippuvuudelle puristinkairan kärkivastuksesta on samassa viitteessä esitetty kuvassa 12 oleva diagrammi.

Kuva 12. Hiekan initiaalimoduulin arviointi puristinkairan kärkivastuksen perusteella /1/. 23(33)

24(33) 9 MENETTELY POHJAMAAN JÄYKKYYDEN MÄÄRITTÄMISEKSI CPTU-KAIRAN KÄRKIVASTUKSEN PERUSTEELLA Tien suunnittelussa ja erityisesti päällysrakenteen kuormituskestävyysmitoituksessa tarvittavan maapohjan jäykkyyden, E- moduulin, määrittämisessä tulee tarvittaessa ottaa huomioon luvussa 1 esitetyt jännitystilaan, muodonmuutostasoon ja kevätkantavuuteen liittyvät tekijät. Koska cross hole -menettelyllä saatu pohjamaan leikkausmoduuli G on ns. initiaalileikkausmoduuli, on moduulille suoritettava muodonmuutostason huomioiva korjaus. Tämän jälkeen moduuli on muutettava suunnittelussa käytettäväksi E-moduuliksi (tai M r -moduuliksi). Isotrooppisessa elastisessa maamateriaalissa mitoituksessa käytettävä E- moduuli saadaan leikkausmoduulin ja Poissonin luvun avulla kaavoilla (9) ja (1). E'=2*G'*(1+ν') (9) E=3*G (1) E-moduulissa on puolestaan huomioitava moduulin mahdollinen jännitystilariippuvuus ja korjattava moduuli tarpeen vaatiessa kevätkantavuutta vastaavaksi moduuliksi (mm. Raportti TPPT 22 Sitomattomat materiaalit tien rakennekerroksissa. Taustatietoa materiaalien käyttäytymisestä). Tien suunnittelussa ja kuormituskestävyysmitoituksessa käytettävä pohjamaan jäykkyys suositellaan määritettäväksi CPTU -kairausten perusteella seuraavasti. 1. Lasketaan CPTU -kairauksen keskimääräinen kairausvastus q c Kairauksen tuloksista lasketaan keskimääräinen kärkivastus q c 1 metrin syvyysväliltä tulevan suodatinkerroksen tai muun vastaavan alimman rakennekerroksen alapinnasta lähtien. Koska tämä taso ei välttämättä ole suunnittelun alkuvaiheessa tiedossa, on suositeltavaa määrittää tämä keskimääräinen kärkivastus kairauksen alusta lähtien muutaman metrin syvyyteen asti. Jos vastus pienenee voimakkaasti syvyyden mukana, tulee harkita käytettävän kärkivastuksen arvon pienentämistä. Mikäli on käytettävissä useita puristinkairaustuloksia ja muita pohjatutkimustuloksia, pyritään näitä hyödyntämään homogeenisten pohjamaa-alueiden määrittämiseksi. 2. Määritetään maapohjan G -moduuli CPTU:n keskimääräisen kairausvastuksen q c perusteella Saville voidaan käyttää kirjallisuudessa esitettyä riippuvuussuhdetta (11)

25(33) G =23.5*q c (11) Koekohteen VT 6 tulosten perusteella kuivakuorikerroksen materiaaleille saatu sovitusfunktio on (12) G =25*q c -2.7 (12) Pohjaveden pinnan alapuolella oleville saville määritetyt leikkausmoduulit G ovat arvoltaan lähes kaikki em. kaavan antamia arvoja suuremmat, joten kaavalla saadaan mitoituksen kannalta varmemmalla puolella oleva arvo. 3. Suoritetaan leikkausmoduuliin G muodonmuutostasosta johtuva korjaus Koska cross hole -menetelmällä määritetyn leikkausmoduuli vastaa hyvin pientä leikkausmuodonmuutoksen tasoa, on leikkausmoduulia korjattava liikenteen rasittamissa rakenteissa toteutuvaa muodonmuutostasoa vastaavaksi. Käytetty muodonmuutoksen taso valitaan aiemmin esitetystä leikkausmoduulin ja liukuman välistä vuorosuhdetta esittävästä kuvasta 3. 4. Määritetään E-moduuli leikkausmoduulin avulla (kaava 9 tai 1) 5. Suoritetaan tarvittaessa E-moduulin kevätkantavuuskorjaus (taulukko 1) 6. Korjataan tarvittaessa E-moduulia jännitystilan muutos huomioiden ja tarkistetaan saadun moduulin suuruusluokka (kaava 2) Kuvassa 12 on esitetty edellä kuvatun menettelyn mukaan E-moduuliksi lasketut cross hole -mittauksen tulokset suhteessa CPTU -kairauksen kärkivastukseen. Tarkastelussa on huomioitu muodonmuutostasosta aiheutuva korjaus (kerroin.7; muodonmuutostaso ~ 1-4 ) ja kevätkantavuuden korjaus (kerroin.5; savi / kuivakuori). E-moduuli on laskettu suljetussa tilassa (ν=.5). Mahdollista deviatorisen jännityksen muutoksen vaikutusta moduulin tasoon ei ole huomioitu.

26(33) E, MPa 7 6 5 4 3 2 1. 1. 2. 3. qc, MPa Muodonmuutosmoduuli, E, MPa (kuivakuori) Muodonmuutosmoduuli, E, MPa (pv:n alla) Linear (Muodonmuutosmoduuli, E, MPa (kuivakuori)) Linear (Muodonmuutosmoduuli, E, MPa (pv:n alla)) y = 26.221x - 2.8437 R 2 =.6774 y = 23.126x + 13.315 R 2 =.1594 Kuva 12. E-moduuli CPTU -kairauksen kärkivastuksen funktiona VT 6:n tutkimuspisteiden mukaan. Edellä kuvatulla menettelyllä saatua moduulia on syytä verrata taulukkoarvoihin ja tarvittaessa tarkistaa sen suuruusluokka. Viitteessä /2/ on esitetty maalajien jäykkyysmoduulin arvoja sekä laboratoriokokeisiin että pudotuspainomittausten takaisinlaskentoihin perustuen. Taulukossa 4 on esitetty koheesiomaalajien dynaamisiin kuormituskokeisiin perustuvia jäykkyysmoduuleja. Tulokset kuvaavat sitä tilannetta, jossa deviatorinen jännitys alusrakenteen yläpinnassa on 1...3 kpa. Tämä vastaa tavanomaisilla tierakenteilla alusrakenteessa vallitsevaa jännitystilaa /2/. Taulukossa 5 esitetyt moduuliarvot pohjautuvat ns. havaintoteillä tehtyihin pudotuspainolaitemittauksiin. Arvoissa on otettu huomioon alusrakenteessa vallitseva jännitystila. Koska esitetyt arvot on tarkoitettu tierakenteen mitoitukseen, on moduulien arvoissa huomioitu myös hajonta vähentämällä keskiarvosta keskihajonta /2/. Taulukko 4. Koheesiomaalajien jäykkyysmoduuleja tavanomaisilla tierakenteilla dynaamisten kolmiaksiaalikokeiden perusteella. Jäykkyysmoduulien yläraja vastaa lähinnä 1 kpa deviatorista jännitystä /2/. Maalaji Kosteus Jäykkyysmoduuli, MPa savi kuivakuori 3-6 savi normaali 2-3 savi märkä 5-1 savinen siltti kuivakuori 6-8 savinen siltti normaali 3-4 savinen siltti märkä 5-2 hiekkainen siltti kuiva 8

27(33) hiekkainen siltti normaali 4 hiekkainen siltti märkä 2 silttinen hiekka kuiva 1 silttinen hiekka normaali 5 silttinen hiekka märkä 4 Taulukko 5. Pudotuspainolaitteella määritettyjä alusrakenteen jäykkyysmoduuleja /2/. Maalaji Jäykkyysmoduuli, MPa Pääll. rakent. paksuus, m kevät kevät pv* kesä ja syksy kesä ja syksy pv* penkereessä h > 1 m σ d / θ, kpa Sa (ei pehmeä) 35 5 45 5 5 1. σ d 14-16 sisa, Si, sasi 2 25 25 35 5 1. σ d 12-16 sihk, sahk 35 5 45 5 6.6 45-61 hk, srhk (routimaton) 5 5 5 5 5.6 48 hksr, Sr (routimaton) 75 75 75 75 75.6 54 SiMr, sasimr 45 6 6 6 7.6 47-53 sihkmr, hksimr 7 8 8 8 8.6 53-55 srhkmr (routimaton) 125 125 125 125 125.6 Louhe 15 * arvot pohjaveden etäisyyden ollessa yli metrin syvyydellä alusrakenteen pinnasta

28(33) KIRJALLISUUS /1/ Baldi, G., et. al, Modulus of sans from CPT's and DMT's. Proceedings of 12th International Conference on Soil Mechanics and Foudation Engineering, Vol 1, Rio de Janeiro, pp 165-17. /2/ Belt, J., Sitomattomien kerrosten ja alusrakenteen jäännösmoduulit ja deformoituminen. Tielaitoksen sisäisiä julkaisuja 15/1997. Tiehallinto, Tie- ja liikennetekniikka, Helsinki 1997. TIEL 4173. 55 s. + liitt. 11 s. /3/ Bouckovalas, G., Shear wave velocity in a very soft clay, Measurements and correlations. Proc. of 12 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, Brazil 1989. Vol 1, ss. 191-194. /4/ Ehrola, E., Mechanistic design of asphalt pavements. Bituminous pavements: Materials, design and evaluation, 25-28.4.1995. /5/ Ehrola, E., Liikenneväylien rakennesuunnittelun perusteet, Rakennustieto Oy, Helsinki 1996. 357 s. /6/ Hegazy, Y., & Mayne, P., Statistical correlations betveen V s and cone penetration data for different soil types, Proceeding of International Symposium on Cone Penetration Testing CPT'95, vol 2, Linköping 4-5.1.1995. Swedish Geotecnical Society, Report 3:95 pp. 173-177. 7 /7/ Huang, Y. H., Pavement Analysis and Desing, Prentice Hall, 1993, 85 p. /8/ Korkiala-Tanttu, L. et al. Kevytpäällysteiset tierakenteet, Tierakenteen plastinen käyttäytyminen, Kirjallisuustutkimus 31.12.1999, VTT Yhdyskuntatekniikka. /9/ Larsson, R., Mulabdic, M., Shear moduli in Scandinavian clays. Measurement on initial shear modulus with seismic cones. Empirical correlations for the initial shear modulus in clay. SGI Rapport No 4. Linköping 1991, 127 p. /1/ Tielaitos, Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet, luonnos 2.6.2.

29(33) LIITE 1 Pohjamaan moduulin määrittäminen CPTU-kairauksen ja cross hole -mittauksen tulokset PL 86-1 -2 G -3 qc, MPa ft, kpa Ua, kpa -4 Ua, kpa -5-4 -3-2 -1 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 qc, MPa ft, kpa G, MPa PL 93-1 -2-3 -4 G qc, MPa ft, kpa Ua, kpa -5-6 -7 Ua, kpa -8 qc, MPa -8-6 -4-2 2 4 6 8 1 ft, kpa 2 4 6 8 1G, MPa

3(33) Pohjamaan moduulin määrittäminen CPTU-kairauksen ja cross hole -mittauksen tulokset PL 14867-1 G -2-3 qc, MPa ft, kpa Ua, kpa -4-5 -6 Ua, kpa -7-4 -3-2 -1 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 qc, MPa ft, kpa G, MPa PL 17113-1 -2-3 G qc, MPa ft, kpa Ua, kpa -4 Ua, kpa -5-6 -4-2 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 qc, MPa ft, kpa G, MPa

31(33) Cross hole -mitta-anturi kaapeleineen. Mittauskärjen asennus maahan.

32(33) Cross hole mittausjärjestely: kuvassa oikealla herätetanko lekan takana ja siitä vasempaan mittaustangot. Herätteen aikaansaaminen.

Mittauksen tiedonkeruulaitteisto. 33(33)