GEOCALC Syvästabilointi Viasys VDC Oy Versio 3.1 10.1.2015
2(36) SISÄLLYSLUETTELO 1. Yleistä... 3 2. Calculation... 3 3. Geometrian lähtötiedot... 4 4. Laskennan tiedot (General)... 8 5. Poikkileikkausgeometria (Geometry)... 9 6. Maakerrosten ja pilareiden parametrit (Material)... 9 7. Stabilointipilareiden koko ja kaavio (Columns)... 10 8. Kuormatietojen syöttäminen (Load)... 11 9. Laskenta (Calculate)... 11 10. Laskentaesimerkki 1, laaja-alainen kenttä... 13 10.1. Yleistä... 13 10.2. Geometrian tuonti... 13 10.3. Laskennan lähtötiedot... 14 10.4. Laskennan tulokset... 15 11. Laskentaesimerkki 2, muuttuva pilarointi... 20 11.1. Yleistä... 20 11.2. Laskennan lähtötiedot... 21 11.3. Laskennan tulokset... 21 12. Stabilointi esimerkki 3: Putkilinja... 24 12.1. Yleistä... 24 12.2. Laskennan lähtötiedot... 24 12.3. Laskennan tulokset... 26 13. Stabiloinnin stabiliteetin laskenta.... 28 13.1. Yleistä... 28 13.2. Laskennan lähtötiedot... 29 13.3. Laskennan suorittaminen... 29 14. YHTEYSTIEDOT... 32 1. SYVÄSTABILOINTIPILARIN MITOITUS... 33 1.1. Yleistä... 33 1.2. Pilarin murto- ja myötökuorma... 33 1.3. Pilarin ja maan painumien laskenta... 34
3(36) 1. Yleistä GeoCalc Syvästabilointi ohjelma on tarkoitettu syvästabilointipilareiden painumamitoitukseen. Mitoitus voidaan tehdä joko Liikenneviraston syvästabiloinnin suunnittelu (liikenneviraston ohjeita 11/2010) mukaisesti tai Espoon kaupungin ohjeen (KPO 2000) mukaisesti. Kumassakin ohjeessa laskenta perustuu oletukseen, että pilarit ja maapohjatoimivat yhdessä, ja että ne painuvat yhtä paljon. Liikenneviraston ohjeen mukaan pilarit mitoiteetaan kimmoisina (ei myötäävinä) kun taas KPO 2000 ohjeen mukaan pilarit voivat olla joko kimmoisia tai myötääviä. Painumalaskennan lisäksi Syvästabilointiohjelmassa voidaan luoda lähtötiedosto stabiloidun alueen stabiliteettilaskentaa varten. 2. Calculation Calculation valikko sisältää tiedostotason valinnat uusien laskentamallien tekoa varten ja aikaisemmin laadittujen avaamiseen. Import... toiminnalla voidaan käyttää laskennan pohjana aikaisemmin luotua painuma- tai stabiliteettilaskelmaa. Laskelmista voidaan geometrian lisäksi tuoda materiaaliparametrejä soveltuvin osin sekä projektitiedot. Import dialogista valitaan mitä tuodaan aikaisemmin luodusta mallista:
4(36) 3. Geometrian lähtötiedot Poikkileikkausgeometrian käsittelyyn liittyvät toiminnot löytyvät Geometry -valikosta ja Geometry -välilehdeltä, jossa geometrian käsittelytoiminnot ryhmitelty painonapeiksi. Samat toiminnot löytyvät myös Geometry valikosta: Geometrian piirtäminen Geometria voidaan piirtää joko kokonaan piirtoalustan avulla tai vaihtoehtoisesti toisesta suunnitteluohjelmasta tuotua kuvaa voidaan edelleen editoida piirtoalustan avulla. Kummassakin tapauksessa mallin uudet geometriatiedot piirretään Polyline piirtotoiminnan avulla. Polyline -toiminnon voi käynnistää esimerkiksi Geometry välilehden toiminnolla
5(36) Draw Polyline. Mikäli Fill off -valintaruutu on valittuna, sammutetaan kuvassa mahdollisesti jo olevien materiaalialueiden täyttö viivan piirron ajaksi, jotta piirtäminen olisi helpompaa. Polyline viivan taitepisteet voidaan antaa hiiren avulla vapaasti, ja käyttää Grid (verkko) ja Snap (tartunta) toimintoja, tai antaa tarkat koordinaatit numeroina piirtoalustan vasemmassa alakulmassa olevaan syöttöruudukkoon. Geometriaa voidaan muokata sen syöttämisen jälkeen. Mallia voidaan kaventaa, pistetiheyttä voidaan harventaa, siihen voidaan lisätä yksittäisiä kerroksia sekä poistaa yksittäisiä kerroksia. Geometriamallin muodostaminen Kun tarvittava geometria on saatu joko piirrettyä tai luettua kuvaan, luetaan geometria kuvasta laskentamalliin Geometry valikon Select Soil Layers Polyline tai Geometry lehden - Create layers from- valintalistan toiminnoilla: Valinnalla Free Order viivat voidaan valita vapaassa järjestyksessä, jos viivat eivät leikkaa toisiaan. Jos kahdesta viivasta ei voi päätellä kumpi on toisen yläpuolella, niin aikaisemmin osoitettu tulkitaan yläpuoliseksi. Viivoja ei lyhennetä kummastakaan päästä, vaan kaikki jatkuvat yhtä kauas vasemmalle ja oikealle. Vajaata viivaa jatketaan vaakasuorassa. Mikäli jatkettu viiva leikkaisi olemassa olevaa viivaa, niin viiva seuraa olemassa olevaa viivaa reunaan saakka. Valinnalla From Top to Bottom viivat osoitetaan ylhäältä alaspäin pakotetussa järjestyksessä, jolloin saadaan geometria määritettyä vaikka viivat menisivätkin ristiin. Tässäkään vaihtoehdossa viivoja ei lyhennetä. Kaikkein pisin viiva tulee määrääväksi. Sen alapuolella olevat viivat siirtyvät tarvittaessa alaspäin ja yläpuolella olevat viivat väistävät yläpuolelle. Viivoja ei jatketa vaakasuoraan vaan jatkot hakeutuu kulkemaan valmiin viivan pisteiden kautta. Vaikka ohjelmaan on sisällytetty automatisoituja toimintoja, tulisi käyttäjän kuitenkin aina pyrkiä piirtämään mahdollisimman selkeä malli geometriasta. Alkutilanteessa paras tapa mallin luonnissa olisi vapaa järjestys niiden viivojen kohdalla, jotka eivät leikkaa toisiaan. Sitten mahdollisesti leikkaavat viivat lisätään yksittäisinä kerroksina. Maakerrosrajojen ohella myös muut rajapinnat, pohjavedenpinta, huokospaineen tasaarvokäyrät sekä kallionpinta syötetään vastaavalla tavalla, käyttäen omia toimintojaan. Maakerroksen lisääminen malliin Geometriaan voi myös lisätä yksittäin uusia maakerrosrajoja. Uudet maakerrosrajat piirretään kuten muutkin kerrosrajat Polyline toiminnon avulla. Maakerroksen lisäys tapahtuu Geometry > Add Soil Layer. toiminnon avulla.
6(36) Valinnalla Automatic layer numbering (automaattisessa lisäämisessä) uusi viiva ei saa leikata olemassa olevia kerroksia. Uusi viiva jatkuu vasempaan reunaan segmentin suunnassa. Jos uusi viiva leikkaa olemassa olevaa kerrosviivaa, se seuraa viivaa. Vastaavasti toimitaan oikeassa reunassa. Ohjelma tutkii mihin väliin viiva sijoittuu. Lisätty viiva ei levennä mallia. Vajaata viivaa jatketaan sen viimeisen segmentin suunnassa. Jos viiva törmää olemassa olevaan kerrosrajaan, niin viiva seuraa rajaa reunaan saakka, eli yhtyy rajaan. Käyttäjä voi aina myös piirtää lisättävän kerrosrajan kokonaan, jos automatiikka ei toimi toivotulla tavalla. Valinnalla Define layer number voidaan, esimerkiksi stabiloinnin tai ojien mallintamista varten, lisätä maalajikerros halutun kerroksen yläpuolelle. Kerroksen valinta valintalistalta toiminnolla Add on top of Layer. Uusi kerros voi leikata useampiakin alempia kerroksia. Lisätty viiva jatkuu reunoihin saakka siten, että se väistää yläpuolella olevaa kerrosta ja alapuolella olevat kerrokset taas väistävät uutta kerrosta. Maakerroksen poistaminen Toiminnolla Geometry > Remove Soil Layer voidaan poistaa yksittäinen maakerros. Poistossa valitaan kerros, jonka yläreunaviiva poistetaan. Ylimmäisen kerroksen poistaminen ohentaa mallia. Muuten poistossa syntyy kahdesta kerroksesta yksi kerros, joka perii ominaisuudet alemmalta kerrokselta Geometrian muokkaaminen
7(36) Maalajirajoja voidaan muokata myös yksittäisinä viivoina tai ryhminä. Geometrian muokkaustoiminto käynnistyy valikosta Geometry > Modify > Edit Geometry toimintoja Kun toiminto käynnistetään, poistetaan näkyvistä maakerrosten täytöt, jotta muokkaus olisi helpompaa. Muokkaustilassa voi maalajirajojen nurkkapisteitä vapaasti siirtää tarttumalla nurkkapisteeseen ja siirtämällä sitä uuteen paikkaan. Myös piirtoalustan Modify valikon toiminnoista esimerkiksi Stretch -toiminto no käyttökelpoinen jos halutaan siirtää kerralla useampia nurkkapisteitä ja/tai päällekkäisiä rajaviivoja. Toiminnoilla Add Break point ja Remove Break point voidaan lisätä ja poistaa maalajirajoista yksittäisiä nurkkapisteitä. Toiminnolla Accept Changes kaikki tehdyt muutokset hyväksytään ja vastaavasti Cancel toiminnolla kaikki muutokset hylätään. Maalajirajan pisteiden harventaminen Mallin maalajirajaviivoissa voi olla paljon taitepisteitä, ja kukin piste tulee kaikkiin kerrosrajoihin. Laskennassa liian tiheässä ja liian kapeat lamellit heikentävät laskennan luotettavuutta. Toiminnoilla Geometry > Modify > Smoothen Geometry voidaan harventaa ja yksinkertaistaa liian tiheässä olevista pisteistä koostuvaa maalajirajaa. Toiminto pyytää osoittamaan harvennettavan alueen vasemman ja oikean rajan, kummankin kahdella pisteellä. Harvennukseen otetaan mukaan ne maalajirajaviivat jotka leikkaavat näitä rajoja. Harvennuksen kriteeri on seuraava: Jos viivan kolmesta peräkkäisestä pisteestä keskimmäinen poikkeaa alle 2 mm pystysuunnassa ensimmäistä ja kolmatta yhdistävästä suorasta, niin piste tulee ehdolle poistettaviin. Tämä ehto pitää täyttyä pisteelle kaikissa kerrosrajoissa. Toiminnon suorituksen jälkeen ohjelma kertoo kuinka paljon pistemäärä väheni. Mallin kaventaminen Mikäli laskentamallia on jatkettu tarpeettoman leveälle alueelle, voidaan laskentamallin vasenta ja oikeaa rajaa leikata toiminnolla Geometry > Modify > Set Left Border / Set Right Border. Toiminto pyytää käyttäjää osoittamaan mallin uuden vasemman tai oikean rajan ja leikkaa kaikki maakerrokset ja muut elementit pois rajan ulkopuolelta.
8(36) Ojan mallintaminen Ojan voi malliin lisätä toiminnolla Geometry > Add ditch. Toiminto poistaa näkyviltä maakerrosten täytöt ja pyytää käyttäjää valitsemaan kuvasta valmiiksi piirretyn ojan pohjaa kuvaavan murtoviivan. Murtoviiva saa vapaasti leikata muita mallissa olevia maakerroksia, ja siitä muodostuu uusi maanpinta. 4. Laskennan tiedot (General) General välilehdellä annetaan yleistiedot projektista ja valitaan geometriamalli ja laskentamenetelmä. Advanced calculation options tukee - useita kuormia - kolmea pilarointialuetta Advanced valinta vaikuttaa välilehtien näkymiin. Calculation Guidelines valinnalla määritetään laskentamalli. Painumalaskenta voidaan tehdä joko KPO 2000 ohjeen (Espoon kaupunki) mukaisesti tai Liikenneviraston syvästabiloinnin suunnittelu (Liikenneviraston ohjeita 11/2010) mukaisesti. KPO 2000 ohjeen mukaan pilarit voidaan suunnitella joko myötäämättömin tai osin myötäävinä. liikenneviraston ohjeen mukaan pilarit on suunniteltava myötäämättöminä. Toinen merkittävä ero ohjeiden välillä on, että ainoastaan Liikenneviraston ohjeissa myötökuorman tarkistamisessa otetaan huomioon liikennekuorma. Näistä eroista johtuen liikenneviraston
9(36) ohjeiden mukaisnen mitoitustapa johtaa tiheämpään pilarointiin. Tarkempi kuvaus mitoitusperusteista on esitetty liitteessä A. 5. Poikkileikkausgeometria (Geometry) Geometry lehdellä määritellään maakerrosten, kallion, pohjaveden sekä orsiveden geometria poikkileikkauksessa. Geometria voidaan tuoda CAD (dwg) kuvana jota tarpeen tullen editoidaan, tai se voidaan piirtää piirtoalustan toimintojen avulla (Polyline). Esimerkin geometria piirretään kokonaisuudessaan piirtoalustalla avulla. Geometrian luonnin periaatteet on kuvattu kappaleessa Geometrian käsittely. Ensin määritetään näytössä olevan alueen koko valikkotoiminnan Calculation -> Set Working Area avulla, Error! Reference source not found.. Tämän lisäksi näytön asetuksia voi muuttaa valikkotoiminnalla Tools -> Options. 6. Maakerrosten ja pilareiden parametrit (Material) Materiaalitaulukossa eri kombinaatioiden vaatimat lähtöarvot Material model vaihtoehdot Consolidation Pressure vaihtoehdot
10(36) Pilareiden leikkauslujuus ja kimmomoduuli. Pilarointia jatketaan niin pitkälle kuin näitä arvoja annetaan. Alla olevassa esimerkissä pilaroidaan kaksi ylintä maakerrosta. Kun Advanced option on valittu annetaan jokaiselle pilarointialueelle omat suunnitteluarvonsa. 7. Stabilointipilareiden koko ja kaavio (Columns) Columns välilehdellä annetaan pilarointialue, pilarien koko ja sijoittelutiedot. Advanced optiolla voidaan määritellä kolme rinnakkaista pilarointialuetta joilla kullakin voi olla oma määritelmänsä pilareille.
11(36) 8. Kuormatietojen syöttäminen (Load) Kuormien antaminen. Advanced optiolla voidaaan antaa useita eri kuormia. 9. Laskenta (Calculate)
12(36)
13(36) 10. Laskentaesimerkki 1, laaja-alainen kenttä Stabilointi esimerkki 1.gcds Tässä esimerkissä käsitellään laaja-alaisen kentän stabilointia. Stabilointivyöhykkeitä on yksi ja sille tulevaa kuormaa ja pilareiden keskeltä keskelle väliä varioidaan. 10.1. Yleistä Tarkastellaan kuvan 1 mukaista poikkileikkausta. Alueella on suunniteltu 1-2 m paksu täyttö. Mikäli penger rakennettaisiin suoraan vahvistamattoman maan varaan, kasvaisivat painumat liian suuriksi. Tästä johtuen alueelle suunnitellaan pilaristabilointi. Kuva 1. Esimerkin 1 geometria ja 40 kpa tasaisen kuorman aiheuttama painuma ilman pohjanvahvistusta. 10.2. Geometrian tuonti Painumalaskentaohjelmassa luotu geometria voidaan tuoda suoraan stabilointiohjelmaan Calculation päävalikon Import toiminnolla, kuva 2. Näin voidaan tuoda sekä geometria että maaparametrit soveltuvin osin. Laskenta tehdään aluksi Espoon kaupungin ohjeen KPO 2000 mukaisesti, joten tämä laskentatapa valitaan päävalikosta, kuva 2. Kuva 2. Painumalaskentatiedoston tuominen import toiminnon avulla syvästabilointiohjelmaan. Päävalikossa valitaan myös minkä ohjeistuksen mukaan stabilointi lasketaan.
14(36) 10.3. Laskennan lähtötiedot Seuraavaksi täydennetään parametritiedot Material välilehdellä, kuva 3. Stabilointi halutaan ulottaa savikerroksen pohjaan asti, joten pilaroinnin materiaalitiedot (lujuus ja moduuli) annetaan kaikille savikerroksille. Pilarin alustavina parametreina käytetään lujuutena 80 kpa ja moduulina 16000 kpa. Kuva 3. Materiaalitietojen täydentäminen pilarin lujuus ja muodonmuutosparametreilla. Seuraavaksi annetaan pilaroinnin geometriatiedot Columns välilehdellä, kuva 4. Pilarointi ulotetaan koko alueen läpi ja alustavana pilarihalkaisijana käytetään 600mm. Pilarin sijoitteluksi valitaan neliö ja pilariväliksi arvioidaan 1,2 m. Kuva 4. Pilaroinnin geometriatietojen antaminen Columns välilehdellä. Loads välilehdellä annetaan keskimääräiseksi kuormaksi 30 kpa, kuva 5. Kuva 5. Kuorman antaminen Loads välilehdellä.
15(36) Calculate välilehdellä voidaan vielä määrittää k/k välin ja kuorman vaihtelu, kuva 6. Vaihtelu annetaan yksittäisen askeleen suuruutena ja askelmääränä. Vaihteluvälit lasketaan symmetrisesti annetun k/k välin ja kuorman kummallekin puolelle. Tässä tapauksessa lasketaan 4 askelta kumpaankin suuntaan, eli yhteensä 9x9 tapausta. Lisäksi välilehdellä annetaan KPO ohjeen edellyttämät varmuuskerroin ja myötökerroin. LIVIn ohjeen mukaisesti laskettaessa annetaan välilehdellä liikennekuorma. Laskenta käynnistetään Calculate painikkeesta. Kuva 6. Pilarivälin ja kuorman varioinnin määrittely ja laskennan käynnistäminen Calculate välilehdellä. 10.4. Laskennan tulokset Laskennan jälkeen tulokset näkyvät Result, Graph ja Variate välilehdillä kuvaajina sekä Report välilehdellä numeerisena raporttina. Result välilehdellä näytetään pilarien sijoittelu sekä painumaviivat. Aloitusnäytössä näytetään kaikkien laskettujen tapausten painumaviivat. Koska niitä tässä tapauksessa on 81 kappaletta, on kuva epähavainnollinen, mikäli kaikki tulokset piirretään. Painumaviivat voidaan kuitenkin piirtää vain rajatuilla laskentatapauksilla. Usein on kuitenkin selkeämpää tarkastella ensin muita tulostuskuvaajia. Kuvassa 7 on esitetty Variate välilehden kuorma - k/k väli-painumakuvaajat. Vasemmassa alareunassa olevalla liukurilla voidaan valita tarkasteltava pilari. Kuvassa 7 on esitetty pilarin 23 (x = 27) kuvaajat, josta nähdään esimerkiksi, että 1,1 m pilarivälillä taite tulee noin 40 kpa kuorman kohdalla. Tästä voidaan päätellä, että 1,1m pilarivälillä pilari alkaa myötään noin 40 kpa kuormalla.
16(36) Kuva 7. Variate välilehden tulokset pilarille 23. Asiaa voidaan tarkastella paremmin Graph välilehden kuvaajien avulla. Valitaan Graph välilehdeltä k/k väliksi 1,1 m ja kuormaksi 40 kpa pilarille 23, kuva 8. Jännityskuvaajasta nähdään, että pilarikuorma on pilarin yläosassa pilarin myötökuorman suuruinen siten, että pilarin myötökuorma ylittyy pienellä osalla pilaria. Pieni kuorman lisäys tai pilarivälin suureneminen aiheuttaa pilarin myötäämisen laajemmalla osalla pilaria ja näin painumien selvän kasvamisen. Graph välilehden kuvaajien avulla onkin hyvä tarkastella pilarin myötäämistä eri k/k väli ja kuorma yhdistelmillä. Kuva 8. Pilarin jännitys ja kokoonpuristuma kuvaaja 1,1 m pilarivälille ja 40 kpa kuormalle. Kuvassa 9 on esitetty pilarin 23 kokoonpuristuma ja painuma 40 kpa kuormalla pilariväleillä 1,1 ja 1,2. Vaikka KPO 2000 ohjeen mukaan pilarien myötääminen onkin sallittua, tulee ohjeen mukaan kuitenkin varmistua, ettei kokoonpuristuma kasva liian suureksi.
17(36) Kuva 9. Pilarin 23 painumakuvaajat 40 kpa kuormalla pilariväleillä 1,1 ja 1,2m. Pilarivälin muuttamisen ohella pilarin myötäämiseen ja kokoonpuristuman suuruuteen voi vaikuttaa pilarin lujuutta kasvattamalla. Koska myötääminen alkaa yleensä aina kuivakuorikerroksen alapuolisessa pehmeässä savikerroksessa, voi painumia pienentää kasvattamalla lujuutta (sideainemäärää lisäämällä) vain pilarin yläosassa. Kuvassa 10 on esitetty vastaavat pilarin kuvaajat kuin kuvassa 9 laskettuna tapaukselle, että ylimmäisellä pehmeällä savella pilarin lujuudeksi on annettu 120 kpa. Tässä tapauksessa pilari ei myötää edes 1,2 pilarivälillä kun kuorma on 40 kpa.
18(36) Kuva 10. Pilarin 23 painumakuvaajat 40 kpa kuormalla pilariväleillä 1,1 ja 1,2m kun ylimmän pehmeän savikerroksen lujuudeksi on annettu 120 kpa. Mikäli laskenta tehdään Liikenneviraston ohjeen mukaan, ovat laskentatulokset samansuuntaisia, mutta painumat ovat hieman suurempia, kuva 11. Tämä johtuu siitä, että pilarin myötökuormaa laskettaessa horisontaalijännityksen kerroin kh on LIVI laskennassa aina 1, kun taas KPO 200 laskennassa se on annetulla varmuuskertoimen arvolla 3. Kuva 11. Laskennan tulokset LIVI:n ohjeen mukaan laskettuna. Laskijan on tarkastettava laskennan tulokset aina Graph kuvaajasta, ja varmistuttava, ettei pilarin jännitys liikennekuormalla lisättynä ylitä pilarin myötökuormaa valitulla pilaroinnilla. Kuvan 11 perusteella pilari myötää 40 kpa laskentakuorman alla kun pilariväli on noin 1,0
19(36) m. Pilarin myötökuorma ylittyy kuitenkin jo aiemmin, koska pilarin myötäämisen tarkastelussa otetaan huomioon liikennekuorma. Kuvassa 12 on esitetty pilarin jännitys ja kokoonpuristumakuvaajat pilarikuormalle 40 kpa ja pilariväleille 1,0 ja 0,8m. Liikenneviraston ohjeen mukaan kuormalle 40 kpa tarvitaan tässä tapauksessa 0,8m pilariväli, jotta pilari ei myötäisi. Geocalc ohjelma ilmoittaa myötöehdon ylittymisestä Graph välilehden pilarijännityskuvaajassa (katso kuva 12) sekä Result lehden painumakuvaajassa muuttamalla myötäävät pilarit punaisiksi, kuva 13. Kuva 12. Pilarin jännitys ja kokoonpuristumakuvaajat pilarikuormalle 40 kpa ja pilariväleille 1,0 ja 0,8m.
20(36) Kuva 13. Result lehden kuvaajat LIVI laskennalle kun pilarit myötäävät 40 kpa kuormalla ja 1,0 m pilarivälillä. 11. Laskentaesimerkki 2, muuttuva pilarointi Stabilointi esimerkki 2.gcds Tässä esimerkissä käsitellään pilaristabilointia jossa kuorman suuruuden muuttuessa käytetään vaihtelevaa pilarointia. Pilarointivyöhykkeitä on kolme ja niissä vaikuttaa erisuuruinen kuorma mistä johtuen myös pilareiden keskeltä keskelle välit ovat erisuuruisia. 11.1. Yleistä Tarkastellaan seuraavaksi samaa lähtögeometriaa kuin esimerkissä 1, sillä erotuksella, että nyt alueen keskellä kulkee 2 m korkuinen ja 12 m leveä tiepenger jonka vasemmalle puolelle tulee 1 m paksuinen täyttö ja oikealla 1,5 m paksu täyttö. Geometria ja yksinkertaistettu kuormakaavio on esitetty kuvassa 14. Kuva 14. Esimerkin 2 geometria ja valittu pilarointikaavio.
21(36) 11.2. Laskennan lähtötiedot Alueen suunnittelukriteerinä pidetään maksimissaan noin 10 cm painumaa. Oikea pilariväli voidaan valita joko kokeilemalla tai hyödyntämällä ensin kuorman ja pilarivälin variointilaskentaa. Esimerkin 1 kuvan 7 perusteella voidaan päätellä seuraavaa (tarkastelu tulisi toki tehdä oikealle pilarille/kuorma, mutta erot tässä niin pieniä että ei ole tarpeen esittää kuvia erikseen kolmesta eri kohtaa). 20 kpa kuormalla 100 mm painumaa ei saavuteta millään pilarivälillä. Periaatteessa siis jopa 1,5 m pilariväli voidaan valita. Se on kuitenkin melko suuri, Liikenneviraston ohjeen mukaan pilariväli voi olla 0,7 m + pilarin halkaisija + kuivakuorikerroksen paksuus /2 (maksimissaan 0,3 m lisää). Kyseisessä tapauksessa tästä tulisi juuri tuo 1, 5m. Koska kuivakuorikerroksen paksuus voi vaihdella ja kuorman jakaantuminen voi olla 1 m ohuemmalla kuivakuorikerroksella kriittistä, valitaan tässä ensimmäiselle kuorma-alueella pilariväliksi 1,4m. 40 kpa kuormalla 100 painumaa vastaava pilariväli on noin 1,1 m ja 30 kpa kuormalla noin 1,3 m. Nämä tiedot syötetään Columns välilehdellä ja valitaan edelleen pilarihalkaisijaksi kaikilla pilarointialueilla 600 mm, kuva 15. Kuva 15. Kolmen pilarointialueen tietojen syöttäminen Columns välilehdellä. 11.3. Laskennan tulokset Laskettu painuma on esitetty kuvassa 15. Tämän lisäksi on hyvä aina tarkistaa Graph kuvaajat jokaiselle kuormalle. Kuvassa 16 on esitetty pilarin jännitys ja kokoopuristumakuvaajat pilareille 1 (x = 0,6), 24 (x = 31) ja 47 (x = 59,55).
22(36) Kuva 15. Kolmen pilarointialueen painuma Result välilehdellä.
23(36) Kuva 16. Pilarin jännitys ja kokoonpuristumakuvaajat pilareille 1 (x = 0,6), 24 (x = 31) ja 47 (x = 59,55).
24(36) 12. Stabilointi esimerkki 3: Putkilinja Stabilointi esimerkki 3.gcds Tässä esimerkissä käsitellään pilaristabilointia tien ja sen suuntaisen putkilinjan alla. Esimerkissä on kolme eri pilarointialuetta, joissa on eri kuormat ja kk välit. 12.1. Yleistä Tarkastellaan tapausta jossa tien suuntaisesti kulkee putkilinja. Putkilinjaa varten tehdään 2,5 m syvä kaivanto. Kaivanto täytetään karkearakeisella maalla, ja laskennassa oletetaan, että pohjavesi laskee putkilinjan kohdalla kaivannon pohjalle. Putkilinjan stabilointia mitoitettaessa on otettava huomioon, että kaivannon täyttö on kokonaisuudessaan kuormaa stabilointipilareille. Kaivannon alapuoleista maata on sitä vastoin kuormittanut poiskaivetun maan paino. Tämä otetaan huomioon maan esikonsolidaatiojännityksen avulla. Esimerkin geometria on esitetty kuvassa 17. Kuva 17. Stabilointi esimerkki 3 putkilinja, esimerkin geometria. 12.2. Laskennan lähtötiedot Putkilinjan stabilointi laskentaan käyttäen General välilehden Advanced calculation options valintaa. Stabiloitava alue jaetaan kolmeen osaan siten, että putkikaivanto muodostaa keskimmäisen stabilointivyöhykkeen. Keskimmäisen vyöhykkeen pilareille tulee kuormana myös kaivannon täytöstä aiheutuva jännitys. Tästä johtuen on sille annettava tiheämpi pilarointiväli (mahdollista myös kasvattaa lujuutta). Ohjelma ottaa huomioon maan esikonsolidaatiojännityksen putkilinjan alla, sekä laskee täytöstä tulevan kuormituksen annetulla pohjavedenpinnan tasolla. Lisäksi on mahdollista antaa pohjavedenpinnan alennus putkilinjan sivuilla, joka otetaan huomioon sitä vastaavana kuormana. Oletetaan tässä, että pohjavesi alenee 5 m etäisyydellä putkilinjasta. Tehdään ensimmäinen laskenta käyttämällä pilarointiväliä 1,3m reunimmaisilla vyöhykkeillä ja väliä 1,0 keskimmäisellä vyöhykkeellä. Lähtötiedot on esitetty kuvassa 18.
25(36) Kuva 18. Putkilinjan stabiloinnin syöttäminen Columns välilehdellä. Calculate välilehdellä laskijan tulee vielä antaa tiedot horisontaalijännityskertoimen kh määrittämiseksi. Varmuuskertoimen lisäksi käyttäjän tulee antaa kertoimen arvo putkilinjan pilareille sekä putkilinjan viereisille pilareille. Tässä tapauksessa stabiliteetti ilman pilarointi on 1,5, jolloin horisontaalijännityksen kertoimen arvo on yleistapauksessa 3. Putkilinjan osalla voi tapahtua työnaikaisia vaakasiirtymiä, mistä johtuen kertoimelle annetaan arvo 1,0 ja putkilinjan viereisille pilareilla 1,5, katso kuva 19. Kuva 19. Horisontaalijännityksen kertoimen kh määrittäminen Calculate välilehdellä.
26(36) 12.3. Laskennan tulokset Laskennan geometria ja käytetyt pilarointivälit sekä laskennan tulos on esitetty kuvassa 20. Kuva 20. Putkilinjan geometria ja ensimmäisen laskennan tulos. Käytetyillä pilarointiväleillä painuma on epätasaista, putkilinja osuuden painuessa reunimmaisia vyöhykkeitä enemmän. Tasaisempi painuma saadaan valitsemalla putkilinjan pilarointiväliksi 0,8-0,9 m. Vaihtoehtoisesti pilarointi voidaan sijoittaa lamelleiksi kohtisuoraan putkilinjaa vasten. Tällöin putkilinjan pilarointisijoitteluksi annetaan Columns välilehdellä 4- Free ja annettaan pilarivälit X ja Y suunnissa, kuva 21. Ohjelma laskee tällöin tätä vastaavan pilarien suhteellisen pinta-alan a, ja sitä vastaavan painuman.
27(36) Kuva 21. Lamellimaisen stabiloinnin syöttäminen putkilinjan osalta Columns välilehdellä. Kuvan 21 lähtötietoja vastaava geometria ja painumaprofiili on esitetty kuvassa 22. Kuva 22. Putkilinjan geometria lamellimaisella stabiloinnilla ja sitä vastaava painumaprofiili.
28(36) Graph välilehden kuvaajissa näkyy nyt myös pohjavedenpinnan alentamisesta tullut lisäkuorma ja putkikaivannon täytöstä tuleva lisäkuorma pilareille. Kuva 23. Laskentatulokset putkilinjan vieressä ja putkilinjalla. 13. Stabiloinnin stabiliteetin laskenta. Stabilointi esimerkki 4. Tässä esimerkissä käsitellään stabiloinnin stabiliteetin laskentaa edellisen putkilinjan stabilointiesimerkin avulla. 13.1. Yleistä Stabiloinnin stabiliteetti lasketaan lukemalla stabilointitiedosto stabiliteetin laskentaohjelmaan import toiminnon avulla. Valitse Calculation lehti ja sen valikosta Import, jonka jälkeen valitaan stabilointitiedostot luettavaksi (Geocalc deep stabilization files) ja sitten asianomainen tiedosto. Ohjelma luo automaattisesti Liikenneviraston ohjeen mukaiset lujuusvyöhykkeet ja laskee niille asianmukaiset lujuusarvot. Käyttäjän tulee
29(36) kuitenkin määrittää rajakohta aktiivi ja passiivivyöhykkeiden välille. Tätä rajakohtaa tarvitsee yleensä kuitenkin editoida laskennan aikana. 13.2. Laskennan lähtötiedot Putkilinjaesimerkin geometria oli annettu lähinnä tiepenkereen osalta geometrian ollessa hyvin kapea, joten sitä täytyy kasvattaa. Geometriaa voidaan kasvattaa kummallekin sivulle joko stabilointiohjelmassa tai stabiliteettiohjelmassa. On kuitenkin suositeltavaa tehdä geometriamuutokset jo stabilointiohjelmassa. Näin varmistutaan, että aktiivi/passiivi rajakohdan editointi toimii tarvittaessa stabiliteettiohjelmassa. Geometriaa voidaan kasvattaa Geometry lehden Borders toiminoilla. Tämän jälkeen tiedosto tallennetaan ja tuodaan stabiliteetinlaskentaohjelmaan Import toiminnolla. Stabilointiohjelmassa penger oli annettu kuormana, joten sekin täytyy nyt lisätä piirtämällä ja Add soil layer toiminnolla geometriaan. Kuvassa 24 on esitetty tuotu geometria jota on levennetty vasemmalle puolelle 20 m ja johon on lisätty tiepenger ja sen päälle 10 kpa kuorma. Kuva 24. Stabiliteettiohjelmaan import toiminnolla tuotu levennetty putkilinjan stabilointi tiedosto. Kuvassa näkyy, että maakerrokset on jaettu viiteen osaan, jotka vastaavat kolmea stabilointivyöhykettä sekä näiden vieressä olevaa stabiloimatonta maata. Maakerroksia on vielä kuudeskin, jonka avulla joku näistä viidestä alun perin saman maakerroksen vyöhykkeestä jaetaan aktiivi ja passiivi puoliin. Savikerrokset ovat oikealta vasemmalle, Savi (8) luonnontilainen savi su = 10 kpa, Savi (9) stabilointivyöhyke 3, su = 22,46, Savi (10) stabilointivyöhyke 2 su = 33,21, Savi (11) stabilointivyöhyke 1 su = 22,46 kpa, Savi (12) ei käytössä, Savi (13) luonnontilainen savi passiivivyöhykkeessä su = 6,88. Suljettu leikkauslujuus on annettu vakioarvona joka vyöhykkeessä. Tarvittaessa käyttäjä voi antaa syvyyden mukaan kasvavan lujuuden luonnontilaiselle maalle. 13.3. Laskennan suorittaminen Laskenta suoritetaan normaalisti määrittämällä laskentamenetelmä sekä rajat laskennalle. Ensimmäisen laskennan tulos on esitetty kuvassa 25. Kuten kuvasta näkyy, on aktiivi- ja passiivivyöhykkeiden raja osunut oikeaan kohtaan ja laskenta voidaan hyväksyä.
30(36) Kuva 25. Stabiloinnin stabiliteetin laskenta. Passiivi/aktiivi raja on oikeassa kohdassa. Mikäli alun perin asetettu aktiivi- ja passiivivyöhykkeen raja ei olisi oikeassa kohdassa, tulisi sitä siirtää. Kuvassa 26 on esitetty tilanne, jossa vaarallisin liukupinta päätyy ojaan. Osa stabiloidusta alueesta on nyt passiivipuolella. Tämän vuoksi rajaa on siirrettävä Geometry lehden Active/Passive Point Position toiminnon avulla. Kuva 26. Laskennan tulos kun geometriaan on lisätty oja. Passiivi/Aktiivi rajaa on nyt väärässä kohdassa, joten se tulee siirtää. Kuvassa 27 on esitetty laskennan tulos, jossa passiivi/aktiivi rajaa on siirretty. Punaisessa vyöhykkeessä olevien stabilointipilareiden lujuutta ei tässä hyödynnetä koska ne ovat passiivipuolella.
31(36) Kuva 27. Laskennan tulos kun passiivi/aktiivi raja on siirretty oikeaan kohtaan.
32(36) 14. YHTEYSTIEDOT Viasys VDC Oy Vaisalantie 6 02130 Espoo Y-tunnus: 1513023-8 Puh. +358 (0) 9 2313 2100 Fax +358 (0) 9 2313 2250 Kotisivut: Sähköpostiosoitteet: Tukipalvelut tuki@viasys.fi Myynti sales@viasys.fi Henkilöt etunimi.sukunimi@viasys.fi
33(36) 1. SYVÄSTABILOINTIPILARIN MITOITUS 1.1. Yleistä Syvästabilointipilareiden painumamitoitus perustuu oletukseen, että pilarit ja maa toimivat yhdessä. Edelleen oletetaan, että pilarit ja maa painuvat yhtä paljon. Tämä edellyttää, että pilarin tavoitelujuus ja moduuli ovat kohtuullisia suhteessa maan lujuuteen ja moduuliin. Liikenneviraston ohjeiden mukaan pilarit suunnitellaan kimmoisina pilareina, mikä tarkoittaa, että pilareille tuleva jännitys ei saa ylittää niiden myötöjännitystä. KPO 2000 ohjeen mukaan pilarit suunnitellaan joustavina pilareina, mikä tarkoittaa, että pilarit voivat olla myötääviä tai myötäämättömiä (kimmoisia). 1.2. Pilarin murto- ja myötökuorma Pilareiden kuormitus-kokoonpuristumakäyttäytyminen oletetaan lineaarisesti kimmoisaksi myötöjännitykseen asti, kuva 1. Jos pilarin myötöjännitys saavutetaan, ei pilari voi vastaanottaa enempää kuormaa. Pilarin murtokuorma murto lasketaan yhtälöllä (1). murto 2 k ' (1) p h h p kh h = pilarin leikkauslujuus = horisontaalijännityksen kerroin = maan horisontaalijännitys pilarin vieressä Kuva 1. Pilarin oletettu jännitys-muodonmuutöskäyttäytyminen (UUSI KUVA) Horisontaalijännityksen kertoimen kh arvo riippuu suunnitteluohjeesta. Liikenneviraston ohjeen mukaan kertoimen arvo on aina 1. KPO 2000 ohjeen mukaan kertoimen arvo riippuu kohteen varmuuskertoimesta kuvan 2 mukaisesti.
34(36) Kuva 2. Horisontaalijännityksen kh kerroin pilarin murokuormaa laskettaessa Horisontaalijännitys voidaan olettaa yhtä suureksi kuin initiaali vertikaalijännitys johtuen stabiloinnin aiheuttamista pohjamaan vaakasiirtymistä. Horisontaalijännitystä voidaan lisäksi korottaa 50 % stabiloimattomalle maapohjalle tulevasta kuormituslisäyksestä. Liikenneviraston ohjeiden mukaan kyseinen lisäkuormitus (ilman liikennekuormaa) otetaan aina huomioon. KPO 2000 ohjeen mukaan horisontaalijännityksen korostus puolella lisäkuormasta on vaihtoehtoinen. Liikenneviraston ohjeiden mukaan tulee painumalaskennan jälkeen tarkistaa, että pilareille tuleva jännitys ylitä pilarin myötöjännitystä. Tässä tarkastelussa otetaan huomioon myös pilareille tuleva osuus liikennekuormasta. Ohjeiden mukaan tarkastelu voidaan tehdä kuivakuoren alapinnassa. GeoCalc Syvästabilointiohjelma näyttää pilarin myötökuorman ja pilarijännityksen koko pilarin matkalta. KPO 2000 ohjeen mukaan pilarille voi tulla maksimissaan niiden myötökuorman suuruinen kuorma. Tässä tarkastelussa ei oteta huomioon liikennekuormaa. GeoCalc Syvästabilointiohjelma näyttää miltä osalta pilari mahdollisesti myötää. 1.3. Pilarin ja maan painumien laskenta Painumamitoitus perustuu oletukseen, että pilarit ja maapohja painuvat saman verran. Kuormien tasapainoehdosta saadaan yhtälö (2) kokonaiskuorman, pilarikuorman ja maapohjalle tulevan kuorman välille.
35(36) q q q a ( 1 a) (2) p m q = kokonaiskuormitus, kpa qp qm a Ap p m = pilarille tuleva kuormitus, kpa = maapohjalle tuleva kuormitus, kpa = pilarien suhteellinen pinta-ala a = Ap/A = pilarin poikkipinta-ala A = yhden pilarin kannettavaksi tuleva alue (= (k/k) 2 ) k/k = pilarin keskeltä keskelle väli σp σm = pilarille tuleva jännitys, kpa = maalle tuleva jännitys, kpa Pilareiden painumat lasketaan yhtälöllä (3) ja maapohjan yhtälöllä (4) (3) (4) sp Ep h sm M = pilarin painuma = pilarin muodonmuutosmoduuli = kerroksen paksuus = maan painuma = maan kokoonpuristuvuusmoduuli (jännityksestä riippuva, M = M(σ )) Kimmoisilla pilareilla kokonaiskuormitus jaetaan pilareiden ja maapohjan välillä siten, että yhtälöillä (3) ja (4) lasketut painumat ovat yhtä suuria. Mikäli pilareiden sallitaan myötäävän (KPO 2000), ja niiden pilarijännitys kasvaa myötöjännityksen suuruiseksi, ei pilari voi ottaa enempää kuormaa. Tällöin koko loppukuorma tulee maapohjalle, ja painuma lasketaan maan painumana yhtälöllä (4). Maan kokoonpuristuvuusmoduuli voidaan antaa jännityksestä riippuvana eri materiaalimalleilla erikseen yli- ja normaalikonsolidoituneille alueille.stabilointiohjelmassa on käytössä samat materiaalimallit maalle kuin painumalaskentaohjelmassa, katso tarkemmin painumalaskennna teoriaohje. Konsolidaatiojännitys voidaan määrittää, OCR:n ja POP:n avulla tai antamalle esikonsolidaatiojännityksen arvot maakerroksen ylä- ja alapinnassa. GeoCalc Syvästabilointi tekee painumalaskennan jakamalla pilarin ja maakerrokset pieniin kerroksiin ja jakamalla kuormituksen kerroksittain siten, että edellä esitetyt painumaehdot toteutuvat.tämä pätee sekä liikenneviraston ohjeen mkaiselle laskennalle, että KPO 2000 ohjeen mukaiselle laskennalle. Näiden ohjeiden ero, on tavassa miten myötö ja murtokuorma määritetään (kohta 1.2) painumalaskentaa varten, minkä lisäksi Liikenneirasto ohjeessa tehdään erillinen myötökuorman tarkistus liikennekuorman kanssa (kohta 1.2).
36(36) Mitoituksen lähtökohtana oleva oletus, että pilarit ja maapohja painuvat yhtä paljon saadaan aikaan jakamalla kokonaiskuormitus pilareiden ja maapohjan välillä siten, että yhtälöillä (2) ja (3) lasketut painumat ovat yhtä suuria (myötäämättömät pilarit). Tarkastelu tehdään koko pilarin matkalla.