LIIKENNEVIRASTON TUTKIMUKSIA JA SELVITYKSIÄ JUSSI KINNUNEN

49 2015 LIIKENNEVIRASTON TUTKIMUKSIA JA SELVITYKSIÄ JUSSI KINNUNEN Ajan vaikutus kitkapaalujen geotekniseen kestävyyteen

Jussi Kinnunen Ajan vaikutus kitkapaalujen geotekniseen kestävyyteen Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 49/2015 Liikennevirasto Helsinki 2015

Kannen kuva: Jussi Kinnunen Verkkojulkaisu pdf (www.liikennevirasto.fi) ISSN-L 1798-6656 ISSN 1798-6664 ISBN 978-952-317-141-1 Liikennevirasto PL 33 00521 HELSINKI Puhelin 0295 34

3 Jussi Kinnunen: Ajan vaikutus kitkapaalujen geotekniseen kestävyyteen. Liikennevirasto, infra ja ympäristö -osasto. Helsinki 2015. Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 49/2015. 122 sivua ja 9 liitettä. ISSN-L 1798-6656, ISSN 1798-6664, ISBN 978-952-317-141-1. Avainsanat: kitkapaalu, koepaalutus, dynaaminen koekuormitus Tiivistelmä Tavallisesti kitkapaalujen geotekninen kestävyys kasvaa paalujen asennuksen jälkeen ajan kuluessa. Kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden kasvamista on tutkittu maailmalla paljon, mutta Suomen olosuhteissa kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden kasvusta on hyvin vähän tietoa. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää ajan vaikutus kitkapaalun geoteknisen kestävyyden kasvuun suomalaisissa olosuhteissa. Työn toinen päätavoite oli selvittää nykyisten Suomessa käytettävien pohjatutkimustuloksiin perustuvien mitoitusmenetelmien toimivuutta kitkapaaluilla. Tutkimus suoritetaan kirjallisuus- ja kenttätutkimuksena. Kirjallisuusosuudessa esitellään pohjatutkimustuloksiin perustuvat mitoitusmenetelmät sekä aikatekijän taustalla vaikuttavat teoriat ja tutkimustulokset ulkomailta. Kirjallisuusosuudessa esitellään myös dynaamisen koekuormituksen ja signaalinmallinnuksen perusteoriaa. Kenttätutkimusosuudessa esitellään ja analysoidaan kahden sillan koepaalutuksen mittaustulokset. Koepaalutukset tehtiin ratavälillä Liminka Oulu, haastavissa pohjaolosuhteissa, joissa kallio sijaitsee GTK:n tutkimuksien mukaan jopa 60 140 m syvyydessä (Breilin & Putkinen 2012). Koepaaluille tehtiin dynaamisia koekuormituksia ja signaalinmallinnusta neljässä eri vaiheessa: ensimmäinen vaihe paalujen asennuksen yhteydessä, toinen noin 24 h kuluttua asennuksesta, kolmas noin 14 vuorokauden kuluttua paalujen asennuksesta ja viimeinen noin 28 vuorokauden kuluttua paalujen asennuksesta. Tutkimuksen perusteella kitkapaalujen geotekninen kestävyys kasvaa merkittävästi ajan kuluessa. Kuvassa 7.13 on esitetty aikaisempien kirjallisuudessa esitettyjen tutkimuksien ja tämän tutkimuksen paalujen geoteknisen kestävyyden kasvu. Voimakkainta kasvu on ensimmäisen kahden viikon aika, mutta myös tämän jälkeen tapahtuu merkittävää kasvua. Kirjallisuustutkimuksen mukaan kasvua voi tapahtua yli 100 vuorokauden ajan paalun asennuksesta. Huomioimalla kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden kasvaminen, voidaan säästää merkittävästi paalutuksesta aiheutuneissa kustannuksissa. Koekohteiden olosuhteissa pohjatutkimustuloksiin perustuvat mitoitusmenetelmät antoivat hyvin vaihtelevia tuloksia ja menetelmien toimivuudesta ei voida tämän tutkimuksen perusteella vetää johtopäätöksiä. Toimivuuden arviointia varten ei ollut riittävästi pohjatutkimuksia koepaalujen läheisyydestä ja tarvittavia maaparametreja, kuten tilavuuspainoa ja leikkauskestävyyskulmaa ei ollut määritetty. Tutkimuksen yhteydessä löytyi useita jatkotutkimustarpeita. Jatkotutkimustarpeita ovat esimerkiksi dynaamisessa koekuormituksessa syntyneen painuman merkitys tuloksen oikeellisuuteen ja paalun halkaisijan vaikutus geoteknisen kestävyyden kasvuun.

4 Jussi Kinnunen: Tidsrelaterad ökning i bärförmåga av friktionspålar. Trafikverket, infrastruktur och miljö. Helsingfors 2015. Trafikverkets undersökningar och utredningar 49/2015. 122 sidor och 9 bilagor. ISSN-L 1798-6656, ISSN 1798-6664, ISBN 978-952-317-141-1. Nyckelord: friktionspål, provpålningen, dynamisk provbelastning Sammanfattning Bärförmågan av friktions pålar ökar vanligen med tiden efter installationen. Nyligen har många studier genomförts i flera länder om tidsrelaterad ökning av bärförmågan i friktionspålar. Men i de Finska markförhållandena finns det lite kunskap om tidsrelaterad ökning av bärförmågan. Syftet med detta examensarbete var att undersöka tidsberoende ökning av bärförmågan i friktions pålar i Finska markförhållanden. Det andra syftet med denna avhandling var att undersöka hur bra markundersöknings baserade dimensioneringsmetoder av pålar som används i Finland, kan förutsäga pålarnas bärförmåga. Denna studie består av en litteratur och en experimentel del. Litteratur delen introducerar dimensioneringsmetoder baserad på markundersökningar och teorierna bakom ökningen av bärförmågan. Även den grundläggande teorin bakom dynamisk provbelastning och signal simulering samt vissa forskningsresultat av bärförmågans ökning i friktionspålar från utlandet ingår i litteraturen forskningsdelen. I den experimentella delen presenteras och analysers testresultat av två provpålningsplatser. Provpålningen utfördes vid byggplatser på järnvägen mellan Limingo och Uleåborg. Markförhållanden vid provpålningsplatserna är utmanande med en berggrund som ligger på 60 140 meters djup baserat på undersökningar från Geologiska forskningscentralen (Breilin & Putkinen 2012). Test pålarna var stålrörspålar med stängd pålspets och drivna prefabricerade betongpålar. Test pålarna undersöktes genom dynamisk provbelastning i fyra faser: den första fasen i slutet av slagningen (EOD), den andra fasen ca 24 timmar efter EOD, den tredje fasen om 14 dagar efter EOD och den sista fasen om 28 dagar efter EOD. Signal simulering av de uppmättade signalerna utfördes också. Studien visar att bärförmågan av friktionspålar ökat tydligt med tiden. Testresultaten presenteras i figur 7.13 tillsammans med resultat från tidigare studier om tidsrelaterad ökning i bärförmåga. Testresultaten indikerar att ökningen huvudsakligen sker under två veckors tid, men även efter två veckor är ökningen märkbar. Enligt litteraturstudiet kommer bärförmågan att fortsätta öka över 100 dagar efter EOD. Man kan spara anmärkningsvärda kostnader i pålnings projekt om ökningen av bärförmågan beaktas. Det experimentella studiet visade at dimensioneringsmetoderna baserade på markundersökningar gav varierande resultat och någon tydlig slutsats om möjligheten av metoderna kunde inte göras. Tillräckligt med laboratorietester för jordprover nära test pålarna var inte tillgängligt och jordparametrarna såsom viktenhet och friktionsvinkeln kunde inte fastställas. Studien visade behovet för många nya forskningar. Vidare forsking skulle behövas t.ex. Om påverkan av sättningen i dynamisk provbelastning för giltigheten av resultatet och effekten av pålens diameter till ökningen av bärförmågan.

5 Jussi Kinnunen: Time-related increase in bearing resistance of friction piles. Finnish Transport Agency, Infrastructure and Environment. Helsinki 2015. Research reports of the Finnish Transport Agency 49/2015. 122 pages and 9 appendices. ISSN-L 1798-6656, ISSN 1798-6664, ISBN 978-952-317-141-1. Keywords: friction pile, test piling, dynamic load test Summary The bearing resistance of friction piles usually increases over time after installation. Recently many studies have been made about time-related increase in bearing resistance of friction piles in several countries. Though, in Finnish soil conditions there are little knowledge of time related increase in bearing resistance. The aim of this master s thesis was to examine the time dependency of friction pile s bearing resistance in Finnish soil conditions. The second aim of this thesis was to examine the ability of soil investigation-based pile design methods used in Finland, to predict pile resistance. This study consists of literature and experimental parts. The literature part introduces the pile design methods based on soil investigations and the theories behind the increase of bearing resistance. Also the basic theory behind the dynamic load test and signal matching and some research results of bearing resistance increase of friction piles from abroad are included in the literature part. In the experimental part the test results of two test piling sites are introduced and analyzed. Test pilings were conducted at bridge sites which were located in railway from Liminka to Oulu. Soil conditions at the test sites are challenging as the bedrock surface is located in 60 140 m depth based on investigations by Geological Survey of Finland (Breilin & Putkinen 2012). The test piles were closed end steel pipe piles and driven precast concrete piles. The test piles were investigated by dynamic load testing in four phases: the first phase at the end of driving (EOD), the second phase about 24 hours after the EOD, the third phase about 14 days after the EOD and the last phase about 28 days after the EOD. Signal matching for measured signals was also performed. The study shows that the bearing resistance of friction piles showed significant increase with time. Test results are presented figure 7.13 as well as the results of previous studies about time-related increase in bearing resistance of friction piles. The test results indicate that the major increase happens in two weeks, but also after two weeks the increase is noticeable. According to the literature study the bearing resistance increase will continue over 100 days after EOD. Remarkable costs in piling projects can be saved if the increase in bearing resistance is taken into account. At the test piling sites the design methods based on site investigations gave variable results and clear conclusion about the ability of methods could not be done. There were not enough laboratory tests for soil samples near the test piles and soil parameters such as unit weight and friction angle had not been determined. During the study many further research topics were found. Further research topics are for example the meaning of settlement in dynamic load test to the validity of result and the effect of pile diameter to the increase in bearing resistance.

6 Esipuhe Tämä tutkimus perustuu Jussi Kinnusen Inspecta Oy palveluksessa tekemään diplomityöhön. Työn tilaajana toimi Liikennevirasto. Työn rahoittajina toimivat Liikennevirasto ja Inspecta Oy. Työn ohjausryhmään kuuluivat Teemu Riihimäki (Inspecta Oy), Teemu Repo (Inspecta Oy), Panu Tolla (Liikennevirasto) ja Veli-Matti Uotinen (Liikennevirasto). Työtä ohjasi ja valvoi professori Tim Länsivaara Tampereen teknillisestä yliopistosta. Helsingissä elokuussa 2015 Liikennevirasto Infra ja ympäristö -osasto

7 Sisällysluettelo MERKINNÄT JA LYHENTEET... 9 1 JOHDANTO... 11 1.1 Tutkimuksen tausta... 11 1.2 Tutkimuksen tavoitteet... 11 1.3 Tutkimuksen rajaukset... 12 1.4 Työn suoritus... 12 2 PAALUN JA MAAN YHTEISTOIMINTA... 13 2.1 Paalujen luokittelu ja toimintatapa... 13 2.2 Paalutuksen vaikutus ympäristöön... 14 2.3 Paalun geoteknisen kestävyyden mobilisoituminen... 15 3 POHJATUTKIMUSTULOKSIIN PERUSTUVA PAALUN GEOTEKNISEN PURISTUSKESTÄVYYDEN MÄÄRITYS SUOMESSA... 20 3.1 Yleistä... 20 3.2 Staattinen kantavuuskaava... 20 3.2.1 Paalun kärkikestävyys... 22 3.2.2 Paalun vaippakestävyys... 26 3.3 Paalun geotekninen kestävyys heijarikairausvastuksen perusteella... 28 3.4 Paalun geotekninen kestävyys puristinkairausvastuksen perusteella... 30 3.5 Paalun geotekninen kestävyys puristin-heijarikairausvastuksen perusteella.. 32 3.6 Eurokoodin käyttö... 33 3.6.1 Mallipaalumenetelmä (RIL 254-2011)... 34 3.6.2 Vaihtoehtoinen menetelmä (RIL 254-2011)... 35 4 AIKATEKIJÄ... 36 4.1 Tausta... 36 4.2 Maan ikääntyminen... 40 4.3 Viruma... 42 4.4 Imperial College lähestymistapa (Jardine et al. 2005)... 44 4.4.1 Maarakeiden koon, muodon ja lujuuden vaikutus... 46 4.4.2 Vaippapinnan karkeuden vaikutus... 47 4.4.3 ICP-metodi... 48 4.5 Rajoitettu dilataatio... 51 4.6 Aikatekijän laskentakaavat... 53 4.6.1 Skov & Denver (1998)... 53 4.6.2 Svinkin (1996)... 54 4.6.3 Alawned et al. (2009)... 54 5 DYNAAMINEN KOEKUORMITUS JA SIGNAALINMALLINNUS... 56 5.1 Tausta... 56 5.2 Dynaaminen koekuormitus... 57 5.2.1 Laitteisto... 57 5.2.2 Iskuaaltoteoria... 59 5.2.3 Dynaamisen koekuormituksen käyttösovellukset... 62 5.3 Signaalinmallinnus... 63 5.4 Geotekninen puristuskestävyys dynaamisen koekuormituksen perusteella... 66

8 6 KOEKOHTEIDEN ESITTELY... 69 6.1 Yleisesittely... 69 6.2 Zatelliitin alikulkusilta... 72 6.2.1 Pohjasuhteet... 72 6.3 Tuuliharjun alikulkusilta... 75 6.3.1 Pohjasuhteet... 76 6.4 Koepaalutuksen toteutus... 78 6.5 Mittaus- ja paalutuskalusto... 80 6.6 Paalutustyö... 83 7 MITTAUSTULOKSIEN JA LASKELMIEN ESITTELY JA ANALYSOINTI... 86 7.1 Yleistä... 86 7.2 Dynaamiset koekuormitukset ja CAPWAP-analyysit... 86 7.2.1 Zatelliitti... 87 7.2.2 Tuuliharju... 96 7.2.3 Dynaaminen paalutuskaava... 101 7.3 Vaimennuskerroinanalyysi... 102 7.4 Virhelähteet ja toistettavuus... 104 7.5 Pohjatutkimustuloksiin perustuvat laskelmat... 105 7.5.1 Zatelliitti... 105 7.5.2 Tuuliharju... 107 7.6 Aikatekijän laskenta teoreettisten kaavojen avulla... 108 7.7 Kitkapaaluvaihtoehdon kustannussäästöt... 111 8 JOHTOPÄÄTÖKSET... 113 LÄHTEET... 117 LIITTEET Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Liite 5 Liite 6 Liite 7 Liite 8 Liite 9 Zatelliitin koepaalutuspiirustukset Laboratoriotutkimustulokset Zatelliitin maanäytteistä ja rasialeikkauskokeiden tulokset Zatelliitista pisteestä R571 Zatelliitin CPTU-kairaukset Tuuliharjun koepaalutuspiirustukset Zatelliitin koepaalujen paalutuspöytäkirjat Tuuliharjun koepaalujen paalutuspöytäkirjat Zatelliitin ja Tuuliharjun koepaalujen iskuaaltokuvaajat Zatelliitin ja Tuuliharjun koepaalujen CAPWAP-analyysitulosteet Kairausvastukseen perustuvat laskelmat paalujen geoteknisestä kestävyydestä

9 Merkinnät ja lyhenteet A A b A c A min A pl A s A s;i B c D D D d E F f F ; ö f ; ; f F ; ö f G h J c K k c K s tanφ a L N q N 20 P a Q kerroin, joka ilmaisee paalun puristuskestävyyden suhteellisen kasvun ajan logaritmivälillä paalun kärjen pinta-ala betonin poikkileikkausala puun minimi poikkileikkausala paalun poikkileikkausala teräksen poikkileikkausala paalun vaipan pinta-ala maakerroksessa i paalun sivumitta aallon nopeus paalumateriaalissa paalun halkaisija CPT-kairan kärjen halkaisija, 36 mm maan suhteellinen tiiviys maan keskimääräinen raekoko paalun kimmomoduuli voima betonin puristuslujuuden ominaisarvo suurin lyöntivoima asennuksessa (puristusrasitus) puun puristuslujuuden ominaisarvo syiden suunnassa vaippakestävyys murtotilassa suurin lyöntivoima asennuksessa (vetorasitus) teräksen puristuslujuuden ominaisarvo maan leikkausmoduuli etäisyys paalun kärjestä tarkastelutasolle CASE-menetelmän vaimennuskerroin korjaustekijä kärkivastuksen korjauskerroin vaippakestävyyskerroin paalun pituus paalun kärjen kantavuuskerroin heijarikairavastus kärkivyöhykkeessä ilmanpaine 100 kpa paalun geotekninen kestävyys ajanhetkellä t Q paalun geotekninen kestävyys ajanhetkellä t 0 q b kärkikestävyys q b;k kärkikestävyyden ominaisarvo q c CPT-kairausvastus q c;b kärkikestävyyden keskiarvo kärkivyöhykkeessä q c;i paalun kärkikestävyys kerroksessa i q s;i;k vaippakestävyyden ominaisarvo maakerroksessa i R paalun säde R b;cal paalun kärjen geotekninen kestävyys laskettuna pohjatutkimustuloksista R b;k paalun kärjen geoteknisen kestävyyden ominaisarvo R paalun vaippapinnan keskilinjan keskimääräinen karkeus R c;cal paalun geotekninen puristuskestävyys murtorajatilassa laskettuna pohjatutkimustuloksista paalun geoteknisen puristuskestävyyden mitoitusarvo R c;d

10 R c;k R c;m R ekv R k;geo;max R s;cal R s;k RSP RTL R t t t ; t t t t T V W α α Δσ Δσ Δσ δ δ δh σ' rc σ' rf σ' v;b σ' v;i σ' v0 τ γ γ ξ ; ξ ξ ; ξ ϕ paalun geoteknisen puristuskestävyyden ominaisarvo R c :n mitattu arvo paalun ekvivalentti säde paalun geoteknisen kestävyyden maksimiarvo paalun vaipan geotekninen kestävyys laskettuna pohjatutkimustuloksista paalun vaipan geoteknisen kestävyyden ominaisarvo staattinen vastus kokonaislyöntivastus avoimen teräsputkipaalun säde paalun asennuksesta kulunut aika (EOID) paalun lyömisestä kulunut aika aika, kun nopeus on nolla (ennen 2L/C) iskun ajankohta paalun kärjestä heijastuneen aallon ajankohta (t 2L/C (2t 1 + 2L C -t 0) kulunut aika paalun lyömisestä paalun 50 % setupin kehittymiseen vaadittu aika partikkelinopeus paalun tehokas paino empiirinen kerroin vaippavastuksen korjauskerroin kerroksessa i tehokkaan jännityksen muutos kuormituksen seurauksena tehokkaiden säteen suuntaisten jännitysten muutos kuormituksessa dilataation seurauksena tehokkaiden säteen suuntaisten jännitysten muutos kuormituksessa pääjännitysten kiertymisen seurauksena paalun vaipan ja maan välisen rajapinnan leikkauskestävyyskulma vakio tilavuudessa paalun vaipan ja maan välisen rajapinnan leikkauskestävyyskulman huippuarvo vaakasiirtymä (dilataatio) tehokas säteen suuntainen jännitys asennuksen jälkeen tehokas vaipalla vaikuttava säteen suuntainen jännitys murtotilassa tehokas pystysuora jännitys paalun kärjen tasolla tehokas pystysuora jännitys paalun vaipalla maakerroksessa i tehokas pystysuora jännitys leikkausjännitys murtotilassa paalun kärkikestävyyden osavarmuusluku paalun vaippakestävyyden osavarmuusluku korrelaatiokertoimet paalun kestävyyden määrittämiseksi pohjatutkimustuloksista korrelaatiokertoimet paalun kestävyyden määrittämiseksi dynaamisten koekuormitusten tuloksista maan leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) ATU Aukean tilan ulottuma ICP Imperial College Pile CAPWAP Case Pile Wave Analysis Program PDA Pile Driving Analyzer CPT Cone Penetration Test RS Restrike EOD End of driving WEAP Wave Equation Analysis EOID End of initial driving Program

11 1 Johdanto 1.1 Tutkimuksen tausta Kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden on osoitettu kasvavan paalujen upotuksen jälkeen joitakin kuukausia, jopa yli vuoden (Tavenas & Audy 1972; York et al. 1994; Chow et al. 1998; Axelsson 2000). Paalujen geoteknisen kestävyyden kasvun oletetaan johtuvan maan ikääntymisestä (soil ageing) ja virumasta (stress relaxation). Aihetta on tutkittu paljon eri puolilla maailmaa, mutta Suomen olosuhteissa kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden kasvusta on varsin vähän tietoa. Suomessa kitkapaalujen käyttö on vähäistä ja tukipaaluja käytetään mieluummin, vaikka paalupituudet kasvaisivat merkittävästi. Päällimmäisenä syynä kitkapaalujen vähäiseen käyttöön on Suomen geologia, jossa kantava pohja on saavutettavissa melko lyhyellä paalupituudella. Tukipaalujen käytössä merkittävänä etuna on myös aikataulujen parempi hallittavuus. Yhtenä syynä kitkapaalujen vähäiseen käyttöön voi olla myös käyttökokemuksen puute. Tutkimuksessa käsitellään kahden sillan koepaalutuksesta saatuja dynaamisten koekuormitusten tuloksia ja arvioidaan tuloksien perusteella ajan vaikutusta koepaalujen geotekniseen kestävyyteen koekohteiden olosuhteissa. Tutkimuksen koekohteet sijaitsevat ratavälillä Liminka Oulu. Koekohteilla on todella haastavat pohjaolosuhteet, kun kallio sijaitsee GTK:n tutkimuksien mukaan jopa 60 140 m syvyydessä ja pohjatutkimuksien mukaan kantava sora- tai moreenikerros sijaitsee 50 60 m syvyydessä (Breilin & Putkinen 2012; Maapeitekartta GTK Hakku). Suomessa paalujen geoteknisessä mitoituksessa voidaan käyttää pohjatutkimustuloksiin perustuvia menetelmiä tai koekuormitusten tuloksien perusteella tehtävää mitoitusta. Työssä esitellään molempia mitoitusmenetelmiä ja perehdytään myös menetelmien taustoihin. Pohjatutkimustuloksiin perustuvat menetelmät sisältävät todennäköisesti runsaasti sisäistä varmuutta, jolloin mitoitus ei ole taloudellista kyseisillä mitoitusmenetelmillä. Koekohteiden paalujen geotekninen kestävyys lasketaan pohjatutkimustuloksiin perustuvilla menetelmillä ja arvioidaan menetelmien toimivuutta. 1.2 Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen päätavoitteena on selvittää ajan vaikutus kitkapaalujen geoteknisen kestävyyden kasvuun koekohteilta saatujen mittaustulosten ja kirjallisuustutkimuksen avulla. Tutkimuksen toinen päätavoite on selvittää nykyisten Suomessa käytössä olevien pohjatutkimustuloksiin perustuvien mitoitusmenetelmien toimivuutta kitkapaaluilla. Tutkimuksen alatavoitteena on pystyä ohjeistamaan, kuinka kitkapaalujen dynaamiset koekuormitukset tulisi suorittaa, sekä mitä asioita tulisi huomioida kitkapaalukohteiden koepaalutusta suunniteltaessa.

12 1.3 Tutkimuksen rajaukset Tutkimuksessa ei käsitellä tarkemmin tukipaaluja vaan keskitytään kitkapaaluihin. Myöskään paalujen rakenteelliseen mitoitukseen ei työssä paneuduta, lukuun ottamatta paalujen sallittuja lyöntijännityksiä, jotka liittyvät kiinteästi dynaamisten koekuormitusten suorittamiseen. Tutkimuksessa käsitellään vain Suomessa käytössä olevia pohjatutkimustuloksiin perustuvia menetelmiä paalujen geoteknisen murtokestävyyden määrittämiseksi, vaikka ulkomailla on käytössä monia erilaisia menetelmiä. Käytännön kokeet rajataan vain kahteen koekohteeseen, mutta kirjallisuustutkimuksessa etsitään lisätietoa maailmalla tehdyistä kokeista ajan vaikutuksesta paalujen geotekniseen kestävyyteen. 1.4 Työn suoritus Työ suoritetaan kirjallisuus- ja kenttätutkimuksena. Kirjallisuustutkimuksessa on tarkoitus esitellä pohjatutkimustuloksiin perustuvat laskentamenetelmät ja käyttää menetelmiä koekohteiden paalujen geoteknisen kestävyyden laskentaan. Kirjallisuustutkimuksessa selvitetään paalun geoteknisen kestävyyden kasvun taustalla vaikuttavaa teoriaa ja lisäksi esitellään maailmalla tehtyjä tutkimuksia ajan vaikutuksesta paalujen geotekniseen kestävyyteen erilaisissa pohjaolosuhteissa. Työssä esitellään lisäksi dynaamisen koekuormituksen ja signaalinmallinnuksen teoriaa ja periaatteita, joita tarvitaan kenttätutkimusosiosta saatuja mittaustuloksia analysoitaessa. Kenttätutkimusosuudessa koekohteiden koepaaluille tehdään dynaamisia koekuormituksia ja signaalinmallinnusta neljässä mittausvaiheessa. Ensimmäinen mittausvaihe on paalujen upotuksen yhteydessä, toinen noin 24 h kuluttua paalujen upotuksesta, kolmas noin 14 vuorokauden kuluttua paalujen upotuksesta ja viimeinen mittausvaihe on noin 28 vuorokauden kuluttua paalujen upotuksesta. Kenttätutkimusosuudesta saatuja mittaustuloksia analysoidaan ja vertaillaan pohjatutkimusten perusteella laskettuihin kestävyyksiin. Laskettuja ja mitattuja tuloksia vertailemalla voidaan arvioida laskentamenetelmien luotettavuutta.

13 2 Paalun ja maan yhteistoiminta 2.1 Paalujen luokittelu ja toimintatapaa Maan ja paalun yhteistoimintaa paalun asennuksessa ja kuormituksessa on tärkeä t ymmärtää ja hallita, jotta paaluperustuksista tulee turvallisia ja kustannustehokkaita ratkaisuja. Paalut voidaan jakaaa toimintatapansa mukaan: tukipaaluihin, kitkapaalui- hin ja koheesiopaaluihin. Tukipaalut kantavat pääosan kuormastaank n kärjen välityksel- Kitkapaalusta puhutaan, kun paalu on karkearakeisessa maassa, jossa vaippavastus muodostuu maan ja paalun vaipan välisestä kitkasta. Koheesiopaalusta puhutaan, kun paalu on koheesiomaassa, joissa vaippavastus muodostuu maann ja paalun vaipan välisestä adheesiosta. Tukipaalut kantavatt myös osan kuormastaan vaipan välityksellä, samoin kuin kitka- ja lä, kun taas kitka- ja koheesiopaalut kantavat pääosan kuormasta k vaipan välityksellä. koheesiopaalut kantavat osan kuormastaan kärjen välityksellä. Paalujen toiminta- tapaluokituksessa on joissakin lähteissä mainittu myöss välimuotopaalu. Todellisuu- kär- dessa kaikki paalut toimivat välimuotopaalujen tavoin, eli e kantavat kuormaa sekä jellä että vaipalla. Paalujen toimintatapajako on tehty sen mukaan, kantaako paalu suurimman osan kuormasta kärjellä vai vaipalla. Kuvassa 2.1 on havainnollistettu paalujen toimintatapoja. Kuva 2.1. Paalujen toimintatapa.

14 Paalut jaetaan vielä eurooppalaisen toteutusstandardin mukaan kahteen pääryh- mään: maata syrjäyttäviin ja maata syrjäyttämättömiin. Eurooppalaisen toteutus- paalu- standardin mukainen jako perustuu paalujen asennustapaan ja siihen, s kuinka jen asennus vaikuttaa ympäröivään maahan. Jakoa on havainnollistettu kuvassa 2.2. Kuva 2.2. Paalujen jako kahteen pääryhmään eurooppalaisten toteutusstandardi- en mukaisesti. 2.22 Paalutuksen vaikutus ympäristöön Paalujen asennuss häiritsee maata paalun ympärillä ja hienorakeisemmissaa maissa maata syrjäyttävien paalujen asennus nostaa huokosvedenpainetta. Yksittäisen maa- 3 ta syrjäyttävän paalun asennuksen voidaan olettaa nostavan huokosvedenpainetta 6 kertaa paalun läpimitan etäisyydellä paalusta (RIL 254-2011). Lisäksi paineellisen pohjaveden alueilla paalutus saattaa aiheuttaa pohjavedelle reitinn nousta yläpuolisiin kerroksiin. Lyöntipaalujen asennus tiivistää maata paalujen ympärillä. Kitkamaissa lyöntipaalun asennus tiivistää maata keskimäärin 5 kertaa paalun läpimitan etäisyydellä e paalusta (Axelsson & Baker 2007). Löyhät kerrokset tiivistyvät lyöntipaalujen asennuksessa, jolloin painumia voi esiintyyy yleensä 0,25 1 kertaa paalun maassa olevan pituuden suuruisella etäisyydellä paalusta (RIL 254-2011). Mikäli paalutettavan kohteen lähei- täytyyyy paalujen asennustapa ja j paalutyyppi valita sen mukaan. syydessä on maanvaraisesti perustettuja rakenteitaa ja painumia on odotettavissa, Paalutustyö aiheuttaa myös melua ja tärinää. Melun ja tärinän määrään m voidaan vai- aiheuttamat tärinät (2010) on esitetty tärinän ohjearvoja ja ohjeet tärinän mittaami- seen. Tärinällä on myös maaperää tiivistävä vaikutus, jolloin paalutustyömaan lähi- kuttaa asennustavan, -kaluston ja paalutyypin valinnalla. RIL 253-2010 Rakentamisen alueilla voi syntyä painumia tärinän t vaikutuksesta.

15 2.3 Paalun geoteknisen mobilisoituminen kestävyyden Paalun geoteknisenn murtokestävyyden mobilisoitumisella tarkoitetaan tilannetta, jossa paaluun kohdistuva kuormitus on niinn suuri, että paalun liikkumista vastustava maan ja paalun välinen kontaktii murtuu. Paalun geotekninen kestävyys voidaan jakaa kärki- ja vaippakestävyyteen, joiden mobilisoituminen tapahtuu erisuuruisilla siirty- Kär- millä. Paalua asennettaessa paalun kärjen alapuolella maa siirtyy alaspäin ja tiivistyy. jen alapuolinen tiivistynyt maa vastustaaa paalun painumista. Maassa tapahtuvia muodonmuutoksia vastustaa maarakeiden välillä vaikuttavat vuorovaikutusvoimat. Vuorovaikutusvoimien suuruuteen vaikuttaa vallitsevatt tehokkaat jännitykset. (Hei- vuorovaikutusvoimien mobilisoituessa. Vuorovaikutusvoimilla tarkoitetaan kitkaa ja nonen 1998). Paalun painuessa riittävästi paalun kärkikestävyys mobilisoituu maarakeiden välisien koheesiota. Heinonen (1998) esitti, että paalun kärkikestävyydenn mobilisoituessa kuorma-siirtymäkuvaajasta voidaan havaitaa kolme aluetta: kimmoinen alue, osittain plastinen alue ja täysin t plastinen alue. Kuvassa 2.3 on esitettyy paalun kuorma- siirtymäkuvaaja, johon kyseiset alueet on merkitty. Kuva 2.3. Kuorma-siirtymäkuvaaja paalun kärkikestävyyden mobilisoitumisesta (Heinonen 1998). Kimmoisella alueella muodonmuutokset palautuvat, kun kuormitus poistetaan. Kuorman ja siirtymien kasvaessa siirrytään osittain plastiselle alueelle, jossa kuormi- tuksen poiston jälkeen osa muodonmuutoksista jää pysyviksi, kun maarakeet järjes-j täysin t tyvät uudelleen. Osittain plastisen alueen jälkeen, siirtymien kasvaessa, seuraa plastinen alue, jossa paalun siirtymät kasvavat ilman ulkoisen kuormituksen lisäämis- tä. Tällöin muodonmuutokset ovat pysyviä.

16 Edellä esitettyjen alueiden rajojen määrittäminen ei ole täysin yksiselitteistä ja ne riippuvat muun muassa paalun asennustavasta, paalun halkaisijasta ja pohjaolosuh- alla tii- teista. Maata syrjäyttävillä paaluilla paalun asennuksessa maa paalun kärjenn vistyyy ja kärkivastus mobilisoituu pienemmällä siirtymällä kuin maata syrjäyttämät- suuria tömillä paaluilla. Kitkamaissa maata syrjäyttämättömillä paaluilla vaaditaan siirtymiä kärkikestävyyden mobilisoitumi iseen, koska kärjen alapuolisen maan tiivis- kal- tymistä ei ole paalun asennuksessa merkittävästi tapahtunut. Poikkeuksena ovat lioon tukeutuvat maata syrjäyttämättömät paalut, joiden kärkikestävyydenn mobili- soimiseen tarvitaan kallion lujuudesta johtuen hyvin pieni siirtymä. Paalun vaippakestävyyden mobilisoitum iseen vaikuttavat vaipan karkeus, ympäröi- paalun asennus aiheuttaa vaipalla vaikuttavien jännitysten kasvua aikaviiveellä. Paa- vien maalajien ominaisuudett ja vaipalla vaikuttavat jännitykset.. Maata syrjäyttävän lun asennus häiritsee paaluaa ympäröivää maata ja häirityn maan palautuminen ja jännitysten kehittyminen vaatii aikaa. Kuvassa 2.4 on esitetty vaippakestävyyden mo- on kärkikestävyyden tapaan havaittavissa kimmoinen, osittain plastinen ja täysin bilisoitumista havainnollistava kuorma-siirtymäkuvaaja. Kuorma-siirtymäkuvaajalta plastinen alue. Vaippakestävyyden maksimiarvo saavutetaan lyhyellä osittain plastisella alueella. Plastisella alueella vaikuttaa vaippakestävyyden residuaaliarvo.. Kuva 2.4. Kuorma-siirtymäkuvaaja paalun vaippakestävyydenn mobilisoitumisesta (Heinonen 1998). Eri toimintatavann paaluilla kuorma-siirtymäkuvaajat ovat hyvinn erilaisia. Kuorma- on siirtymäkuvaajan muoto riippuu merkittävästi siitä, kuinka geotekninen kestävyys jakautunut paalun vaipan ja kärjen suhteen. Kuvassaa 2.5 on havainnollistettuu pilarin, tuki-, kitka- ja koheesiopaalun kuorma-siirtymäkäyttäytymistä samassa kuvaajassa.

17 Kuva 2.5. Toimintatavaltaann erilaisten paalujen kuorma-siirtymäkuvaajia. Perus- tuu lähteeseen (Axelsson & Baker 2007 aikaisemmin a Pålkommisionens rapport 59 1980).. Kuvassaa 2.5 esitetyt paalut ovat samanpituisia, paalumateriaalit jaa paalujen poikki- leikkaukset ovat samoja, vain paalujen toimintatapa on erilainen. Tukipaalulla siirty- maan aiheuttamastaa vaippavastuksesta. Pilarin vaippaaa ei ympäröi maakerrokset, jo- mät ovat pienempiä kuin vastaavalla pilarilla, joka johtuu tukipaalua ympäröivän ten pilarin kestävyys on riippuvainen vain kärkikestävyydestä. Kallioon tai tiiviiseen moreenikerrokseen tukeutuneella tukipaalulla paalun rakenteellinen kestävyys on usein alhaisempi kuin geotekninen kestävyys. Koheesiopaalulla geotekninen kestä- siirtymät kasvavat kuormitusta lisäämättä. Kitkapaalun käyttäytyminen riippuuu vaip- vyys riippuu pääosin vaippakestävyydestä, joten vaippakestävyyden mobilisoituessa pa- ja kärkikestävyyden suhteesta. Kitkapaalujen c ja d geotekninenn murtokuorma on yhtä suuri, mutta paalulla d vaippakestävyyttä on suurempi osuus kokonaiskestävyy- c on destä, joka selittää suuremmann siirtymän samalla kuormituksella. Kitkapaalullaa suurempi lopullinenn geotekninen kestävyyss kuin paalulla d. Kuvan 2.5 tarkoituksena on vain selventää paalujen kuorma-siirtymäkäyttäytymistä, eivätkä käyrät ole mistään todellisesta kuormitustilanteesta. Paalun geoteknisenn kestävyyden mobilisoitumista arvioidaan paalun painumaaa mit- koe- taamalla. Esimerkiksi dynaamisessa koekuormituksessa on tärkeä tietää, onkoo kuormitusiskulla mobilisoitu paalun geotekninen kestävyys. Tavallisesti paalun geo- (Axelsson & Baker 2007). Tämä arvo kuvastaa kärkikestävyyden mobilisoitumista, mutta vaippakestävyys mobilisoituu jo, kun painuma on 0,5 2 % paalun halkaisijasta. Paalutusohjeessa (2011) on esitetty murtokestävyyden mobilisoitumiselle painuma- arvoksi, s d/120, jossa d on paalun halkaisija. Kuvassa 2.6 on esitetty kitkapaalun kuormitus-painumakuvaaja, jossa on havainnollistettu, kuinka vaippakestävyys mobi- tekninen murtokestävyys mobilisoituu, kun painuma onn 5 10 % paalun halkaisijasta lisoituu selvästi pienemmällä painuman arvolla kuin kärkikestävyys.

18 Kuva 2.6. Kitkapaalun kuormitus-painumakuvaaja. Perustuu lähteeseen l (Axelsson & Baker 2007 s. s 32). Paalun joustaessa geotekninen kestävyyss ei mobilisoidu, koska pysyvää painuma ei synny. Lyöntipaalun joustolla tarkoitetaan lyöntilaitteen iskustaa johtuvaa paalun ja maan elastista kokoonpuristumaa. Elastinen kokoonpuristuma aiheuttaa vainn hetkel- ja lisen muutoksen paalun pituudessa ja maan tilavuudessa paalun kärjen alapuolella vaipan välittömässä läheisyydessä. Elastiset kokoonpuristumat palautuvat p alkuperäi- hieno- seen tilanteeseenn iskun jälkeen. Suuria joustoja esiintyy yleensä, kun tiiviiseen rakeiseen maahan asennetaan maata syrjäyttäviä paaluja. Hienorakeisissaa maissa vedenläpäisevyyss on alhainen ja maa alkaa joustaaa paalun kärjen alapuolella, kun huokosveden ylipaine ei pääse purkautumaan ympäröivään maahan. Kitkamaissa vas- sa- taavaa käyttäytyminen on vähäisempää, koska huokosveden ylipainetta ei kehity mallaa tavalla, kun vesi pääsee purkautumaan ympäröivään maahan. Paalupituuden kasvaessa myös paalun jousto yleensä kasvaa. Tukipaaluilla esiintyy yleensä suurem- tart- pia joustoja kuin kitka- tai koheesiopaaluilla, koska kitka- ja koheesiopaalut ovat tuneet vaipalta, jolloin joustavaa paalupituutta on vähemmän kuin kärjestä kantavilla tukipaaluilla. Kitka- ja koheesiopaaluilla on lisäksi alhaisempi kärkikestävyys, jolloin paalu niin sanotusti karkaa lyönnin alta pois, eikä jousta. Kärjeltä kantava tukipaalu ei pääse karkaaman lyönnin altaa ja tällöin paalu joustaa enemmän. Lyöntipaalun joustoa ja painumaa voidaan mitata työmaaolosuhteissa kynänn ja ohja- pi- uslaudan avulla. Maahan asetetaan tukevasti ohjauslauta, jota vasten v pystytään tämään kynän kärkeä kiinni paalun kyljessä paaluaa lyötäessä. Kynä piirtäää tällöin paalun kylkeen tai paaluun kiinnitettyyn paperiin kuvaajaa paalun joustosta ja pai- on havainnollistettu kuvassa 2.7. Myös muita vastaavia tapoja on käytössä, mutta ky- numasta. Jousto ja painuma voidaan mitata kuvaajalta lyöntien jälkeen. Menetelmä nän ja ohjauslaudan avulla jousto ja painuma saadaan määritettyä melko tarkasti ja nopeasti.

19 Kuva 2.7. Painuman ja jouston mittaus työmaaolosuhteissa (Axelsson & Baker 2007) 7).

20 3 Pohjatutkimustuloksiin perustuva paalun geoteknisen puristuskestävyyden määritys Suomessa 3.1 Yleistä Luvussa esitellään Suomessa käytettävät, pohjatutkimustuloksiin perustuvat, paalun geoteknisen puristuskestävyyden määritysmenetelmät. Paalun geotekninen puristuskestävyys voidaan määrittää staattisen kantavuuskaavan sekä empiiristen kairausvastuksiin perustuvien menetelmien avulla. Eurokoodin mukaan menetelmistä johdetaan mitoitusarvot osavarmuuslukujen ja korrelaatiokertoimien avulla. Menetelmien, joilla paaluperustuksen kestävyyttä arvioidaan pohjatutkimustulosten perusteella, tulee olla tunnettuja ja käyttäjällä pitää olla niistä kokemusta. Pohjatutkimustulosten perusteella tehtävä mitoitus on aina alustavaa ja tuloksien oikeellisuus pyritään varmentamaan dynaamisella tai staattisella koekuormituksella. (RIL 254-2011). Luvussa jäljempänä esitettyjä menetelmiä on käytetty koekohteiden paalujen geoteknisen puristuskestävyyden laskemisessa. Laskelmat ja tulokset eri menetelmistä, sekä menetelmien vertailu on esitetty luvussa 7. 3.2 Staattinen kantavuuskaava Suomessa paalun geoteknisen puristuskestävyyden arvioimisessa voidaan käyttää staattisia kantavuuskaavoja. Staattiset kantavuuskaavat ovat yhtälöitä, joilla määritetään paalun geotekninen kestävyys maan lujuusparametreihin perustuen (Heinonen 1998). Paalun geoteknisen puristuskestävyyden arvioimiseen on käytössä myös empiirisiä kairausvastukseen perustuvia menetelmiä. Staattisia kantavuuskaavoja käytettäessä maan sisäinen leikkauskestävyyskulma paalun vaipalla ja kärkivyöhykkeessä pitää arvioida epäsuorasti kairausvastuksen perusteella, suoraan in-situ-menetelmillä tai laboratoriossa tehtävillä kolmiaksiaalikokeilla (Prakash & Sharma 1989). Suurpaalutusohjeessa (2001) on ohjeistettu, että käytettäessä 40 suurempia leikkauskestävyyskulman arvoja täytyy leikkauskestävyyskulma määrittää kolmiaksiaalikokeilla tai in-situ-menetelmillä. Staattinen kantavuuskaava toimii eri tavalla erilaisissa pohjaolosuhteissa ja sen käyttö vaatii kokemusta kaavan toimivuudesta kulloisissakin pohjaolosuhteissa.

21 Paalun geotekninenn kestävyys kestävyyden summasta. puristuksessa muodostuu paalun kärki- ja vaippa- R c;cal = R b;cal + R s; cal (-W) (3.1) missä R c;cal = paalun geotekninen puristuskestävyys murtorajatilassa lasket- tuna pohjatutkimustuloksista R b;cal = paalun kärjen geotekninen kestävyys laskettuna pohjatutkimus- tuloksista R s;cal = paalun vaipan geotekninen kestävyys laskettuna pohjatutki- mustuloksista W = paalun tehokas paino Paalun tehokas paino on yleensä hyvin pieni verrattuna muihinn paalulle tuleviin kuormiin, joten tehokasta painoa ei tästä syystä oteta laskelmissa l useinkaan huomi- paalun vaippa- ja kärkikestävyys lasketaan omilla kaavoillaan jaa lopuksi tulokset summataan kaavan (3.1) mukaan, jolloin saadaan paalun geoteknisen puristuskestävyyden omi- oon (RIL 254-2011; Iskander 2010). Staattisia kantavuuskaavoja käytettäessä naisarvo. Kuvassa 3.1 on esitetty paalun geoteknisen puristuskestäp ävyyden määrittä- miseen tarvittavat parametrit. Kuva 3.1. Paalun geoteknisen puristuskestävyyden määrittämisem een tarvittavat pa- ominaisuuksia: leikkauskestävyyskulmaa, moduulilukua a m ja jännityseksponenttia β. rametrit. Perustuuu lähteeseen (Axelsson & Baker 2007 s. 55) Kairausvastuksen perusteella voidaan arvioida likimääräisesti maalajien mekaanisia Taulukossa 3.1 on esitetty puristin-, paino- ja heijarikairavastuksellee arvoja eri maala- jeissa. Taulukon 3.11 avulla voidaan arvioidaa esimerkiks maalajin leikkauskestävyys- arvio kulmaa eri kairausvastuksien perusteella, jolloin saadaan määritettyä karkea vaippa- ja kärkikestävyydelle staattisen kantavuuskaavan avulla.

22 Taulukko 3.1 Kairausvastuksen avulla arvioituja maalajien mekaanisia ominaisuuksia (RIL 254-2011). 3.2.1 Paalun kärkikestävyys Paalun kärkikestävyys lasketaan paalun kärkivyöhykkeessä, jonka ajatellaann ulottu- kär- van 5 D (vähintään 1 m) paalun kärjen yläpuolelle ja 3 D (vähintään 1 m) paalun jen alapuolelle, jossa D on paalun halkaisija (RIL 254-2011). Paalutusohjeessa (2011) esitetty staattinen kantavuuskaava paalunn kärkikestävyydelle on q b = σ' v;b N q (3.2)) R b; ;cal = A b q b (3.3)) missä q b = paalun kärjen pinta-ala = paalun kärjen kantavuuskerroin σ' v;b = tehokas pystysuora jännitys paalun kärjen tasolla A b N q = kärkikestävyys Paalun kärjen tasolla vaikuttava tehokas pystysuora jännitys σ' v;b lasketaan siten, että kärjen yläpuolisten maakerrosten tehokas paino huomioidaan kymmentä paalun läpimittaa 10 D vastaavalta paksuudelta ( RIL 254-2011). Halkaisijaltaan alle 400 mm paalujen geoteknistä kestävyyttä laskettaessa voidaan tehokas pystysuora jännitys laskea kaikkien yläpuolisten maakerrosten painon perusteella. Kärjen geotekninen murtokestävyys on Paalutusohjeessa (2011) kuitenkinn rajattu arvoon 15 MN/m2. Tehokkaan pystysuoran jännityksen rajoittaminen laskennassaa perustuu paalujen koekuormituksissa havaittuun ilmiöön, jossa paalun kärkikestävyys kasvaa syvyyden funktiona ja lähestyy asymptoottisesti tiettyä raja-arvoa (Heinonen 1998; aikaisem- pystysuoran jännityksen oletetaan kasvavan lineaarisesti syvyyden funktionaa ja saa- min Meyerhof 1956, Vesic 1964; Vesic 1965). Ilmiö selitetään sillä, s että tehokkaan vuttaen maksimiarvonsa tietyllä syvyydellä, jota kutsutaan kriittiseksi syvyydeksi. Kärkikestävyyden arvoon vaikuttaa staattisessa kantavuuskaavassa tehokkaan pysty-

23 suoran jännityksen lisäksi ainoastaan kantavuuskerroinn N q, joka onn pelkästään maa- näkemyksiä. Meyerhof (1956) tekemien tutkimuksien mukaan m kriittinen syvyyss leik- kerroksen leikkauskestävyyskulmasta riippuva kerroin. Kriittisen syvyyden olemassa olosta ja vaihteluvälistä on kuitenkin runsaasti erilaisia kauskestävyyskulman arvoilla 28 42 vaihtelee välillä 11 19 D, Vesic (1964) tekemi- vaihtelee välillä 5 20 D. Tomlinson (1987 s. 111) mukaan teoreettiset analyysit osoit- en tutkimuksien mukaan kriittinen syvyys samoilla leikkauskestävyyskulman arvoilla tavat, että paalun kärkikestävyys kasvaa kriittisen syvyyden alapuolellakin, mutta kui- tenkin vähenevästi. Selitykset kriittisen syvyyden esiintymisellee perustuvat todennäköisesti paalun nega- 1998). Negatiivisen vaippahankauksen ja residuaalijännityksien vaikutukset paaluun ovat samankaltaisia. Negatiivinen vaippahankaus syntyy paaluun, kun paaluaa ympäröivää maa painuuu paa- tiiviseen vaippahankaukseen ja paalussa esiintyviin residuaalijännityksiin (Heinonen lua enemmän. Paalutusohjeen (2011) mukaan negatiivisen vaippahankauksen olete- pai- taan vaikuttavan sellaiseen syvyyteen saakka, missä paalua p ympäröivän maan numa on 5 mm suurempi, kuin paalun painuma. Kitkapaalun negatiivinen vaippahan- aina paalun kuormana, eikä vähentämällä paalun kestävyyttä (Liikenneviraston ohjei- kaus on havainnollistettu kuvassa 3.2. Negatiivinen vaippahankaus otetaan huomioon ta 35/2013). Kuva 3.2. Negatiivinen vaippahankaus kitkapaalussa. Perustuu veiledningen 20122 s. 91) lähteeseen (Pele- Toinen kriittisen syvyyden esiintymiseen johtava seikka on paalun upottamisesta paaluun jääneet residuaalijännitykset. Paalua kuormitettaessa paalu painuu kasaan elastisen kokoonpuristuman verran ja kuormituksen poiston jälkeenn paalu pyrkii pa- negatiivinen vaippavastus, jolloin paaluun syntyy residuaalijännityksiä. lautumaan alkuperäiseen pituuteensa. Palautumista vastustaa kuvassa 3.3 esitetty

24 Pitkillä paaluilla esiintyy huomattavasti suurempia residuaalijännityksiä kuinn lyhyillä paaluilla, koska vaippavastuksen osuus on niillä suurempi. Myös korkea vaippa- ja kärkivastus edesauttaa suurempien residuaalijännityksien syntymistä. (Axelsson & Baker 2007 s.32 33). Residuaalijännityksien seurauksena paalun vaippavastus mobi- lisoituu osittain, jolloin paalun kärjen kuormitus kasvaa syntyneen residuaalijännityk- sen verran (Heinonen 1998). Kuva 3.3. Lyöntipaalun residuaalijänr nnitykset. Perustuu lähteeseen (Axelsson & Baker 2007 s. 32) Paalutusohjeessa (2011) esitetty kriittisenn syvyyden laskenta-arv o 10 D on sopiva ar- ka- vio edellä esitettyjen näkemyksien perusteella ja se antaa todennäköisesti paalun pasiteettia aliarvioivia tuloksia suuremmilla leikkauskestävyyskulman arvoilla. Kriitti- mur- sen syvyyden käyttäminen pieniläpimittaisilla paaluilla johtaisi todennäköisesti tokuorman aliarvioimiseen, jonka j vuoksi Paalutusohjeessa on tehty poikkeus hal- (1965) kantavuusteoriaan. Poulos & Daviss (1980) muokkasivat teoriaa siten, että se ei kaisijaltaan alle 400 mm paaluille. Kaavassa (3.2) esiintyvä paalun kärjen kantavuuskerroin N q perustuu Berezanzevin ole syvyyssuhteesta riippuvainen. Pouloss & Davis (1980) esittivät kantavuuskertoi- men vain maata syrjäyttäville paaluille, mutta myöhemmin myös maata syrjäyttämät- perus- tömien paalujen kantavuuskerrointa on arvioitu laboratoriokoekuormituksienn teella. Kuvassa 3.4 on esitetty Heinosen (1998) laboratorio-olosuhteissaa tehtyjen staattisten koekuormituksien ja maan lujuusparametrien avullaa määrittämien kantavuuskertoi- kantavuuskertoimen käyriä ei kuitenkaann muutettu, koska koekuormitusaineisto oli mien arvot. Saatujen tuloksien perusteella Suurpaalutusohjeessa (1995) esitettyjä suppea. Kuvassa 3.5 on nykyisessä Paalutusohjeessa (2011) esitetty kantavuuskerroin N q maan sisäisen leikkauskestävyyskulman funktiona.

25 Kuva 3.4. Koekuormituksienn perusteella korjattu kantavuuskerroin ja SPO-95 esi- tetty kantavuuskerroin kitkakulman funktiona (Heinonen 1998). Kuva 3.5. Kantavuuskerroinn maan sisäisen leikkauskestävyyskulman funktiona (RIL 254-2011). Maata syrjäyttävien paalujen asennus karkearakeisiin maihin m aiheuttaa yleensä maan tiivistymistä paalun kärjen alapuolella (Poulos & Davis 1980). Tiivistymisen seurauk- sena maan sisäinenn leikkauskestävyyskulma kasvaa, jolloin myös paalun kärkikestä- vyys paranee. Paalun maata tiivistävä vaikutus on riippuvainen paalun nettotilavuu- esitetyssä staattisessa kantavuuskaavassa (3.2) ei otetaa huomioon maan tiivistymistä desta ja ympäröivän maan huokostilavuudesta (Heinonen 1998). Kärkikestävyydelle

26 paalun kärjen alla, jolloin kaava antaa kärkikestävyyttä aliarvioivia tuloksia. Esitettyä kaavaa (3.2) ei siten suositella käytettäväksi tukipaalujen mitoituksessa (RIL 254-2011) ). 3.2.2 Paalun vaippakestävyys Vaippakestävyys paalulle lasketaan Paalutusohjeen (2011) mukaan kaavoilla q s;i R s; i;k = σ' v;i K s tanφt a k = A s;i q s;i i;k (3.4)) (3.5)) missä q s;i A s; R s; K s i;k = vaippak estävyyden ominaisarvo maakerroksessa i i = paalun vaipan pinta-ala maakerroksessa i k = paalun vaipan geoteknisen kestävyyden ominaisarvo tanφ a = vaippakestävyyskerroin σ' v;i = tehokas pystysuora jännitys paalun vaipalla maakerroksem essa i Vaippakestävyys on usein järkevää laskea paalulle maakerroksit tain ja lopuksi sum- pohjaolosuhteita koko paalun upotussyvyydellä. Paalun vaipalla vaikuttavaa v tehokas- ta pystysuoraa jännitystä σ' v ;i laskettaessa otetaan yläpuolisten maakerrosten paino mata yhteen kaavan (3.5) mukaan, koska harvoissa kohteissa on täysin t homogeenisiä huomioon enintään 10 D paksuudelta tarkastelukohdan yläpuolella. Kaikkien ylä- tehokasta jännitystä halkaisijaltaan alle 400 mm paaluille. Vaippakestävyyskerroin K s tanφ a puolisten maakerrosten paino otetaan huomioon, kun lasketaan vaipalla vaikuttavaa määritetään kuvasta 3.6 sen mukaan, m onko paalu maata syrjäyttävää vai maata syrjäyttämäts tön. Injektoiduilla paaluilla vaippakestävyys- kertoimet ovat suurempia kuin kuvan 3.66 arvot. Injektoiduille paaluille vaippakestä- vyyskertoimet on esitetty Paalutusohjeessa (2011). Kuva 3.6. Vaippakestävyyskerroin K s tanφ a kulman funktiona. (RIL 254-2011) maan sisäisenn leikkauskestävyys-

27 Suurpaalutusohjeessa (2001) onn esitetty kuvien 3.7 ja 3.83 mukaisett kuvaajat vaippa- ja kuvassa 3.8 on esitetty arvot maata syrjäyttämättömille kestävyyden arvioimiseksi. Kuvassa 3.7 on esitetty arvott maata syrjäyttäville paaluille paaluille. Kuva 3.7. Vaippakestävyyskertoimen Ks tanφ a arvot maata syrjäyttäville paaluille (RIL 212-2001) Kuva 3.8. Vaippakestävyyskertoimen K s tanφ a arvot maata syrjäyttämättömille paaluille (RIL 212-2001) Kuvissa 3.7 ja 3.8 vaippakestävyyskertoimen määritykseen on annettu omat käyrät in- situ betonipaalulle,, teräsbetonipaalulle ja teräspaalulle. Käyrät perustuvat vaippa- materiaalin ja maapartikkelien väliseen kitkaan, jonka seurauksena s vaippakestävyys- on käsitelty tarkemmin luvussa 4. kerroin on materiaaliriippuvainen. Pinnan karkeuden vaikutusta vaippakestävyyteen

28 3.33 Paalun geotekninenn kestävyys heijari- kairausvastuksen perusteella Suurpaalutusohjeessa (2001) on esitetty menetelmä, jossa heijarikairavah astuksen avullaa voidaan arvioida paalun geoteknistä kestävyyttä. Menetelmässä paalun kärkiastuksen vastus määritetään paalun kärkivyöhykkeen keskimääräisen heijarikairavah perusteella kuvasta 3.9 tai 3. 10. Kärkivyöhyke on määritelty samalla tavalla kuin kaa- on kärkivastus ja paalun kärjen pinta-ala. vassaa (3.2). Lopuksi paalun kärkikestävyy ys saadaan kaavan (3.3) avulla, kun tiedossa Vaippavastus paalulle lasketaan jakamalla paalun vaippa yhtenäisiin kairausvastus- vyöhykkeisiin, joille määritetään vaippavastuksen arvo kuvasta 3.93 tai 3.10. Vaippa- vai- kestävyys saadaan kaavalla (3.5),( kun vyöhykkeiden vaippavastus sarvot ja paalun pan pinta-ala vyöhykkeissä tiedetään. Hienorakeisessa maakerroksessa paalun vaippavastus arvioidaann paalun ja maan vä- hieno- lisen adheesion perusteella. Karkearakeisille maakerroksille, jotka sijaitsevat rakeisen maakerroksen yläpuolella ei saaa laskea vaippakestävyyttä negatiivisen vaip- syntyy pahankauksen takia (RIL 254-2011). Hienorakeisen maakerroksen painuessaa paalulle negatiivista vaippahankausta, jolloin paaluun kohdistuva kuormitus kasvaa. Kuva 3.9. Vaippa- ja kärkivastuksen arviointi heijarikairavastuksen avulla maata syrjäyttäville paaluille (RIL 212-2001)

29 q b;k = 0,2 N 20 (3.6) ja maataa syrjäyttämättömille paaluille q b;k = 0,18 N 20 (3.7) missä q b;k = kärkikestävyyden ominaisarvo N 20 = heijarikairavastus kärkivyöhykkeessä Kuva 3.10. Vaippa- ja kärkivastuksen arviointi heijarikairavastuksen avulla maata syrjäyttämättömille paaluille (RIL 212-2001) Kuvien 3.9 ja 3.10 kuvaajien perusteella on määritetty laskentafunkl ktiot, joiden avulla vaippavastuksen arvoja voidaann laskea. Heijarikairavastus tiiviille maakerrokselle on ajateltu olevan 100 lyöntiä/0,2 m ja löyhälle maalle 10 lyöntiä/0,2 m. Kuvaajat ulottu- vat vain 50 lyöntiin/0,2 m, mutta käyriä voidaan approksimoida lineaarisesti, jolloin j voidaan arvioida suurempia kairausvastusarvoja. Heinonen (1998) on esittänyt kärki- vastuksen laskentakaavaksi Maata syrjäyttäville paaluille Maata syrjäyttämättömille paaluille on tehty kärkivastukseen maltillinen vähennys, jolloin voidaan ottaa huomioonn maata syrjäyttävän paalun asennuksen aiheuttama maan tiivistyminen ja maan sisäisen leikkauskestävyyskulman kasvu. Vaippavastuk- sen sovitefunktio on molemmille sekä maata syrjäyttäville että maata syrjäyttämät- tömille paaluille (Holopainen & Länsivaara 2006) q ; ;, (3.8) missä q s;i;k = paalun vaippavastuksen ominaisarvo vyöhykkeessä i N 20 = heijarikairavastus vyöhykkeessä i

30 Kaava (3.8) toimii heijarikairausvastuksen ollessa 5 55 l/0,2 m. Suuremmilla heijarikairausvastuksen arvoilla voidaan kuvien 3.9 ja 3.10 diagrammeja approksimoida lineaarisesti vastaamaan suurempia kairausvastusarvoja. Kaavan (3.8) antamat tulokset kerrotaan paalun vaippamateriaalista riippuvalla kertoimella, jolloin saadaan paalumateriaalin huomioiva arvo vaippavastukselle. Teräsbetonilla kerroin on 1, teräksellä 0,9 ja in-situ betonilla 1,25. Kertoimet perustuvat vaippapinnan ja maapartikkelien väliseen kitkaan, jota käsitellään tarkemmin kappaleessa 4. 3.4 Paalun geotekninen kestävyys puristinkairausvastuksen perusteella Puristinkairauksen, tai toiselta nimeltään CPT-kairauksen (CPT, Cone Penetration Test), kairausvastuksen avulla voidaan arvioida paalun geoteknistä kestävyyttä muun muassa Bustamanten & Gianesellin (1982) kehittämällä LCPC-menetelmällä. Laskennassa voidaan käyttää myös esimerkiksi SFS-EN 1997-2 liitteessä D esitettyä menetelmää. LCPC-menetelmässä paalun geoteknisen kestävyyden ominaisarvo lasketaan kaavalla R q ; k A ; A ; ) (3.9) missä q c;b = kairausvastuksen keskiarvo kärkivyöhykkeessä q c;i = paalun kärkivastus kerroksessa i k c = kärkivastuksen korjauskerroin α = vaippavastuksen korjauskerroin kerroksessa i Arvo q c;b määritetään seuraavien vaiheiden mukaan: 1. CPT-kairausvastuskuvaajaa muokataan tasoittamalla kuvaajassa esiintyvät voimakkaat piikit 2. Kairausvastuksen keskiarvo kärkivyöhykkeessä, q c;b, lasketaan tasoitetulta kuvaajalta välillä, joka ulottuu 1,5 D etäisyydelle paalun kärjen ylä- ja alapuolelle. 3. Arvoja, jotka ovat 1,3 kertaa suurempia kuin keskiarvo, ei huomioida keskiarvon laskennassa paalun kärjen ylä- ja alapuolella. Myöskään arvoja, jotka ovat pienempiä kuin 0,7 kertaa keskiarvo, ei huomioida keskiarvon laskennassa paalun kärjen yläpuolella. Kärkivastuksen korjauskertoimet valitaan taulukosta 3.2. Korjauskertoimen arvo riippuu kairausvastuksesta, maalajista, suhteellisesta tiiviydestä ja paalun asennustavasta. Taulukossa 3.2 on esitetty vaippavastuksen maksimiarvot ja kärkivastuksen korjauskertoimet eri kairausvastuksen arvoille lyömällä asennetuille paaluille.