1. No category

GeoCalc
Stabiliteetti
Vianova Systems Finland Oy
Versio 2.3
27.1.2012
2(41)
Sisällysluettelo
Sisällysluettelo ............................................................................................................................................... 2
1. Yleistä..................................................................................................................................................... 3
2. Geometrian käsittely .............................................................................................................................. 3
3. Perustoiminnallisuus .............................................................................................................................. 7
3.1
Laskennan tiedot (General) ........................................................................................................... 7
3.2
Näyttöasetukset (View) ................................................................................................................. 7
3.3
Poikkileikkausgeometria (Geometry)............................................................................................. 8
3.4
Maakerrosten parametrit (Material) ............................................................................................... 9
3.5
Huokospaine (Pore Pressure) ..................................................................................................... 10
3.6
Kuormien tiedot (Load) ................................................................................................................ 10
3.7
Maanaula (Nail) ........................................................................................................................... 10
3.8
Geovahviste (Reinforcement) ...................................................................................................... 11
3.9
Liukupinta (Failure Surface) ........................................................................................................ 11
3.10 Erityismäärittelyt (Advanced) ....................................................................................................... 11
3.11 Laskenta (Calculate).................................................................................................................... 12
3.12 Laskennan tulokset (Calculate, Graph, Report) .......................................................................... 12
3.13 Geometrian muuttaminen ............................................................................................................ 13
3.14 Pohjavedenpinnan antaminen (Pore Pressure) .......................................................................... 14
4. Huokospaineen tasa-arvokäyrät .......................................................................................................... 15
5. Lujittunut pohjamaa penkereen alapuolella ......................................................................................... 16
5.1
Maan lujittuminen liikenneviraston ohjeiden mukaisesti.............................................................. 16
5.2
Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla .................................................................... 20
6. Vastapenkereiden mallintaminen ......................................................................................................... 21
7. Suljetun tilan stabiliteetti tehokkaiden jännitysten menetelmällä ......................................................... 24
7.1
Yleistä .......................................................................................................................................... 24
7.2
Saven myötäämisen aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu. .................................................. 24
7.3
Tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri ru’. ................................................................... 24
7.4
Ulkoisen kuorman huokospaineparametri ruq .............................................................................. 26
7.5
Laskentaesimerkki; vanha ratapenger ........................................................................................ 26
8. Geovahvisteiden mallintaminen ........................................................................................................... 26
8.1
Yleistä .......................................................................................................................................... 26
8.2
Geovahvistettu maanvarainen penger pehmeiköllä .................................................................... 28
9. Maanaulauksen mallintaminen ............................................................................................................ 30
9.1
Yleistä .......................................................................................................................................... 30
9.2
Maan naulaus stabiliteettiohjelmassa.......................................................................................... 31
9.3
Tietojen syöttäminen Nail -välilehdellä ........................................................................................ 32
9.4
Ankkuroitu tukimuuri .................................................................................................................... 33
9.5
Jokipenkereen vahvistaminen ..................................................................................................... 36
9.5.1 Naulauksen alustava layout .................................................................................................... 36
9.5.2 Laskentaparametrit .................................................................................................................. 37
9.5.3 Vaihtoehtojen vertailu .............................................................................................................. 38
9.5.4 Jatkoanalyysi ........................................................................................................................... 39
10.
Herkkyystarkastelun tekeminen ...................................................................................................... 39
10.1 Yleistä .......................................................................................................................................... 39
10.2 Herkkyystarkastelu laskentaesimerkille 1.................................................................................... 40
10.3 Herkkyystarkastelu yhdelle maakerrokselle ................................................................................ 40
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
3(41)
1. Yleistä
Tässä dokumentissa käydään läpi stabiliteettimoduulin ominaisuuksia. Ensimmäiseksi
käydään läpi mitenkä geometria muodostetaan ja mitenkä sitä muokataan. Tämän jälkeen
käydään läpi ohjelman laskentaominaisuuksia esimerkkien avulla.
Käyttöesimerkeissä käytetyt valmiit laskentamallit toimitetaan ohjelman mukana. Ne
löytyvät ohjelmahakemiston alta Samples – hakemistosta, johon löytyy linkki
käynnistysvalikosta. Laskentatiedostot voi avata Calculation valikon Open toiminnolla.
2. Geometrian käsittely
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
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
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
4(41)
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.
.
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.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
5(41)
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
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
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
6(41)
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.
Vastapenkereen mallintaminen
Vastapenkereen mallintamiseen on erillinen työkalu.
Vastapenger määritetään toiminnolla Geometry > Define Bank > Add Left/Right Bank.
Vastapenkereen taitepiste annetaan joko kuvasta hiiren avulla, tai syöttämällä sen
koordinaatit. Avautuvassa syöttötaulukossa voi lisäksi antaa vastapenkereen kaltevuudet.
Vastapenkereen materiaaliominaisuudet annetaan Material -välilehdellä.
Vastapengertä voi editoida stabiliteetin laskemisen jälkeen toiminnolla Define Bank > Edit
Last Bank, Vastapenkereitä voi antaa useampia, mutta editoimaan pääsee aina vain
viimeksi annettua.
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.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
7(41)
3. Perustoiminnallisuus
3.1
Laskennan tiedot (General)
Ensimmäisessä laskentaesimerkissä käsitellään GeoCalc stabiliteettiohjelman
perustoimintoja. Samples kansiosta löytyvien kahden laskentatiedoston nimet ovat
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki1, pelkkä siltti.gcst ja
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki1.gcst.
Stabiliteettimoduulin käyttöliittymä koostuu lehdistä joihin syötetään lähtötietoja.
Tarkoituksena on edetä lehtien täyttämisessä vasemmalta oikealle kunnes päästään
laskennan kautta tuloksiin.
General lehdelle syötetään laskennan yleistiedot. Laskennan lisätietoja, kuten tarkempi
kuvaus projektista, voidaan syöttää ikkunaan joka avautuu More painikkeella.
Kuva 3.1. General lehti
Laajempi ohjeistus General – lehden toiminnoista on GeoCalc peruskäyttöohjeessa.
3.2
Näyttöasetukset (View)
View lehdellä määritetään miten laskentaa vastaava poikkileikkauskuva esitetään
grafiikkaikkunassa, Kuva 3.2. Toistaiseksi laskentamallia ei kuitenkaan ole määritetty, joten
muutosten vaikutuksia ei vielä näe.
Kullekin laskenta- ja tulostuselementille määritellään näkyvyys (rasti ruudussa), viivatyyppi,
viivapaksuus sekä väri. Painamalla Update painiketta ruudun saa päivitettyä milloin
tahansa ohjelman ollessa käytössä.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
8(41)
Kuva 3.2. View lehti.
Laajempi ohjeistus View – lehden toiminnoista on GeoCalc peruskäyttöohjeessa.
3.3
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, Kuva 3.3. Tämän lisäksi näytön asetuksia voi muuttaa
valikkotoiminnalla Tools -> Options.
Kuva 3.3. Näytössä olevan alueen määrittely.
Kun näytön asetukset on määritetty, piirretään poikkileikkauksen geometria Polyline
toiminnolla. Kun tarvittava geometria on piirretty, määritetään ohjelmaan käytettävät
maakerrosrajat, pohjavedenpinnat, kallionpinnat ym. lehdellä Geometry (Select Soil Layer
Polylines jne.). Kuva 3.4 esittää yksinkertaisen geometrian määrityksen joka koostuu
yhdestä maakerroksesta ja kallionpinnasta. Toiminto Select Soil Layer Polylines vaatii
vähintään kaksi murtoviivaa ja alimmainen murtoviiva oletetaan kallionpinnaksi.
Kallionpinnan voi myös määrittää myöhemmin erikseen.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
9(41)
Kuva 3.4. Geometriatietojen määritys
Laajempi ohjeistus geometrian määrittämisestä stabiliteetti ja painumamoduuleissa on
GeoCalc peruskäyttöohjeessa.
3.4
Maakerrosten parametrit (Material)
Material lehdellä annetaan maakerrosten parametrit. Maan lujuusparametrit voivat olla joko
vakioita tai riippua syvyydestä. Tässä esimerkissä parametrit ovat vakioita, Kuva 3.5 .
Valinnalla Dependent on depth (GL) lujuusparametrit riippuvat syvyydestä annettujen
muuttujien dCoh ja dPhi mukaan laskettuna maanpinnasta. Valinnalla Dependent on layer
depth lujuusparametrit riippuvat syvyydestä annettujen muuttujien dCoh ja dPhi mukaan
laskettuna maakerroksen pinnasta. Valinta Interpolated interpoloi lujuusparametrien arvot
kahden maakerroksen välillä. Versiossa 2.0 lujuuden syvyysriippuvuus voidaan antaa
maakerroskohtaisesti. Materiaalivälilehdellä syötetään myös maakerroskohtaisesti
huokospaineparametrit ru ja ruq.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
10(41)
Kuva 3.5. Maakerrosten parametrien syöttäminen Material lehdellä.
3.5
Huokospaine (Pore Pressure)
Pore Pressure lehdellä määritellään huokospaineen laskentatapa, katso kuva 3.6. Tämä
esimerkki lasketaan aluksi ilman vettä/huokosvedenpainetta.
Kuva 3.6. Huokospaineen laskentatavan määritys Pore Pressure lehdellä.
3.6
Kuormien tiedot (Load)
Load lehdellä määritetään laskentakuormat, katso kuva 3.7. Tämä esimerkki lasketaan
aluksi ilman kuormia.
Kuva 3.7. Kuormien määritys Load lehdellä.
3.7
Maanaula (Nail)
Nail lehdellä määritetään mahdolliset maanaulat, katso kuva 3.8. Tässä esimerkissä ei
käytetä maanauloja.
Kuva 3.8. Maanaulojen määritys Nail lehdellä.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
11(41)
3.8
Geovahviste (Reinforcement)
Reinforcement lehdellä määritetään mahdolliset geovahvisteet, katso kuva 3.9. Tässä
esimerkissä ei käytetä vahvisteita.
Kuva 3.9. Geovahvisteiden määritys Reinforcement lehdellä.
3.9
Liukupinta (Failure Surface)
Failure Surface lehdellä määritetään liukupintoihin liittyvät parametrit. Ensin valittavana on,
käytetäänkö vaarallisimman liukupinnan hakua (Optimization) vai määritetäänkö laskettava
liukupinta itse (Single Slip Surface). Lisäksi valitaan joko ympyrä- tai vapaamuotoinen
liukupinta sekä käytettävä laskentateoria. Esimerkissä on valittu vapaamuotoisen
liukupinnan optimointi ja laskentatavaksi Janbu simplified, katso kuva 3.10.
Kuva 3.10. Liukupinnan määrittäminen Failure Surface lehdellä.
3.10 Erityismäärittelyt (Advanced)
Advanced lehdellä voidaan määrittää erilaisia laskennan erityistapauksia, kuva 3.11.
Lehdellä voidaan määrittää käytetäänkö yksittäistä vetohalkeamaa (Single Tension Crack),
vai annetaanko geometriasta alue jossa vetohalkeama voi esiintyä (Tension Crack Area).
Lehdellä voidaan myös määrittää otetaanko liukupintojen päätyvastus huomioon (Calculate
with End Effect).
Sensitivity analysis valinta mahdollistaa herkkyystarkastelun tekemisen joko yksittäiselle
maakerrokselle, tai kaikille maakerroksille), katso tarkemmin luvusta 10.
Soft Band valinnan avulla voidaan vaarallisimman liukupinnan optimointia varten määrittää
erityisen heikon maakerroksen numero. Toiminto on tarpeellinen lähinnä, mikäli heikko
maakerros on hyvin ohut.
Sivulla voidaan myös antaa erilaisia rajoituksia liukupinnan kulkemiselle geometriassa.
Forbidden domain valinnalla määritetään alue, jonka lävitse liukupinta ei saa kulkea
(esimerkiksi jokin tukirakenne). Upper limit valinnalla määritetään polyline jonka alapuolelta
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
12(41)
liukupinnan tulee kulkea. Lower Limit valinnalla määritetään polyline, jonka yläpuolelta
liukupinnan tulee kulkea.
Kuva 3.11. Advanced lehti.
3.11 Laskenta (Calculate)
Calculate lehdellä määritetään laskennan asetukset ja käynnistetään itse laskenta, kuva
3.12. Mikäli käytetään vaarallisimman liukupinnan hakua, määritetään miltä alueelta poikkileikkauksessa liukupinta voi lähteä ja mille alueelle se voi päättyä. Lisäksi voidaan jompikumpi näistä alueista jakaa osiin, jolloin saadaan piirrettyä useampi liukupinta ja voidaan
arvioida varmuuden kehittymistä alueella. Show FOS Range valinnalla voidaan piirtää
tietyn varmuusvälin liukupinnat.
Kuva 3.12. Calculate lehti.
3.12 Laskennan tulokset (Calculate, Graph, Report)
Graph lehdellä näytetään laskennan perusteella tehdyt graafit.
Report lehdellä näytetään tekstimuotoiset tulosteet laskennasta. Valittavana on
laskentamoottorille menevä lähtötiedosto (Slope Input), Lähtötietojen oikeellisuuden
tarkistusraportti (Slope Input Check) sekä tulostiedosto (Slope Results).
Vaarallisin liukupinta/pinnat tulostuu piirtoalustan kuvaan. Liukupinnan värikoodi indikoi
liukupinnan varmuutta siten, että punainen väri vastaa varmuuskerrointa 1.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
13(41)
Kuva 3.13. Laskennan tulos.
3.13 Geometrian muuttaminen
Seuraavaksi muutetaan geometriaa lisäämällä siihen 1 metrin paksuinen heikko
maakerros tasolla 15-16. Tarvittavat uudet kerrosraja piirretään jälleen Polyline toiminnolla.
Kumpikin uusi maakerros lisätään malliin toiminnolla Geometry->Add Soil Layer toiminnon
avulla. Ohjelma pyytää osoittamaan uuden kerrosrajan ja lisää sen laskentamalliin, siten
että kerrosrajan kohdalla oleva maakerros ’kahdennetaan’.
Geometrian luonnin periaatteet on kuvattu kappaleessa Geometrian käsittely.
Tämän jälkeen on vielä annettava parametrit kahdelle uudelle maakerrokselle, kuva 3.14.
Kuva 3.14. Uudet materiaaliparametrit
Laskennan tulos on esitetty seuraavassa kuvassa. Laskennassa on määritetty maakerros
2 heikoksi (soft band) ja tehty vaarallisimman liukupinna haku.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
14(41)
Kuva 3.15. Laskennan tulos kun mukana on heikko maakerros.
3.14 Pohjavedenpinnan antaminen (Pore Pressure)
Pohjavedenpinnan antamista varten täytyy se ensin piirtää Polyline toiminnolla. Tämän
jälkeen viiva valitaan kohdan toiminnolla Geometry->Select Ground Water Polyline. Kun
pohjavedenpinta on annettu geometriaan, on se oletusarvoisesti valittu Pore Pressure
välilehdellä myös huokosvedenpaineen laskentaan, kuva 3.16. Mikäli pohjavetä ei haluta
ottaa huomioon huokosvedenpaineena, tulee rasti ottaa pois ground water kohdasta.
Kuva 3.16. Pohjavedenpinta on automaattisesti valittu huokosvedenpaineen laskentaan.
Laskennan tulos heikolla maakerroksella ja annetulla pohjavedenpinnalla on esitetty
kuvassa 3.17.
Kuva 3.17. Laskennan tulos kun mukana on heikko maakerros ja pohjavedenpinta.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
15(41)
4. Huokospaineen tasa-arvokäyrät
Tässä esimerkissä tarkastellaan huokospaineen tasa-arvo käyrien käyttämistä.
Huokospaineen tasa-arvokäyriä voidaan käyttää joko yhdessä muiden huokospaine
optioiden kanssa, jolloin niillä mallinnetaan huokosveden ylipainetta, tai erikseen, jolloin
niillä mallinnetaan kokonaishuokosvedenpainetta.
Esimerkkinä käytetään lähteessä Pilot et. al (1982) esitettyä Saint-Alban koepengertä.
Koepenger ja sen murtotilanteesta mitatut huokosvedenpaineet on esitetty kuvassa 4.1 ja
pengermateriaalin ja saven materiaaliominaisuudet taulukossa 4.1. Ensimmäisessä
laskentaesimerkissä käsitellään GeoCalc stabiliteettiohjelman perustoimintoja. Samples
kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki2.gcst.
Kuva 4.1. Saint-Alban koepenkereen lähtögeometria ja mitatut huokosvedenpaineet
murtohetkellä.
Taulukko 4.1. Maakerrosten materiaaliominaisuudet
Tilavuuspaino
kN/m
3
Kitkakulma
Koheesio
o
kPa
Penger
18,8
44
0
Savi
16,68
28
2
Huokospaineen tasa-arvokäyrät piirretään geometriaan polyline funktion avulla. Tämän
jälkeen ne osoitetaan Pore Pressure välilehdellä ja määritetään jokaiselle käyrälle
huokospaineen arvo, kuva 4.2. Tasa-arvokäyrien huokospaine arvoja voi jälkikäteen
muuttaa välilehdeltä. Välilehdellä tulee myös määrittää, interpoloidaanko huokospaineen
arvot tasa-arvokäyrien välillä pystysuuntaisesti vai käyrien normaalin suuntaisesti.
Kuva 4.2. Huokospaineen tasa-arvokäyrien määrittäminen.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
16(41)
Lähteessä Pilot et. al (1982) esitetty laskennallinen varmuus ympyränmuotoiselle
liukupinnalle on 1,04. Taulukossa 4.2. on esitetty eri menetelmillä laskettuja varmuuslukuja
käyttäen ympyränmuotoista liukupintaa. Kuvassa 4.3 on esitetty Bishopin menetelmällä ja
tasa-arvokäyrien normaalin suuntaisella interpoloinnilla laskettu vaarallisin liukupinta.
Taulukko 4.2. Eri menetelmillä laskettuja varmuuksia.
Menetelmä
Varmuus
interpolointi; pysty
interpolointi; normaali
Bishop
1,08
1,00
Janbu simplified
1,12
1,04
Spenser
1,11
1,03
Morgenstern-Price (sinx)
1,10
1,02
Kuva 4.3. Bishopin menetelmällä ja huokospaineen tasa-arvokäyrien
normaalinsuuntaisella interpoloinnilla laskettu vaarallisin liukupinta.
5. Lujittunut pohjamaa penkereen alapuolella
Tässä esimerkissä tarkastellaan penkereiden lujittumisen mallintamista kahdella eri
vaihtoehtoisella tavalla. Samples kansiosta löytyy laskentatiedostot
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 ei luj.gcst jossa on esitetty esimerkin lähtötiedot ilman
lujittumista, Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 luj livi.gcst jossa lujittuminen on mallinnettu
liikenneviraston ohjeiden mukaisesti, sekä tiedosto Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki3 luj
uusi.gcst, jossa lujittuminen on esitetty lujuuden tasa-arvokäyrien avulla.
5.1
Maan lujittuminen liikenneviraston ohjeiden mukaisesti
Esimerkissä tarkastellaan vanhan penkereen stabiliteettilaskentaa. Tällaisissa tapauksissa
pohjamaa penkereen alapuolella on tyypillisesti lujittunut konsolidaation vaikutuksesta.
Lujittuminen näkyy suljetun leikkauslujuuden kasvuna. Liikenneviraston (RHK) ohjeessa
B15 radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet, on esitetty, miten lujittuminen
ratapenkereen alla voidaan ottaa huomioon. Ohjeen mukaan, maapohja jaetaan kuvan 5.1
mukaisesti lujuusvyöhykkeisiin.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
17(41)
Kuva 5.1 Maapohjan jako lujuusvyöhykkeisiin ohjeen RHK, B15 mukaisesti.
Tarkastellaan seuraavaksi esimerkin avulla lujittumisen mallintamista Geocalc ohjelmalla.
Kuvassa 5.2 on esitetty 6 m leveä ja 2 m korkea ratapenger jonka alapuolella on
kuivakuorikerros, pehmeä savikerros ja siltti kerros. Kuvassa näkyy myös
laskentaparametrien arvot. Kuivakuorikerroksen lujuudella on verrattain suuri merkitys
esimerkin tilanteessa.
Kuva 5.2
Laskentaesimerkin 3 geometria ja maakerrostiedot.
Penkereen stabiliteetti ilman pohjamaan lujittumista on esitetty kuvassa 5.3 siten, että
vasemmalle puolelle on laskettu stabiliteetti vakiolujuudella savikerroksessa (10 kPa) ja
oikealla puolen siten, että saven lujuus kasvaa 1 kPa/m syvyyden mukaan.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
18(41)
Kuva 5.3
Stabiliteetti laskettuna ilman pohjamaan lujittumista. Vasemmalla puolen on
stabiliteetti laskettuna vakio suljetulla leikkauslujuudella, ja oikealla puolen syvyyden
mukaan kasvavalla suljetulla leikkauslujuudella.
Lisätään seuraavaksi geometriaan kuvan 5.1 mukaiset lujittuneet vyöhykkeet. Lujittumisen
suuruus on riippuvainen penkereen aiheuttamasta jännityslisäyksestä ja uuden
jännitystilan suhteesta alkuperäiseen konsolidaatiojännitykseen. Näin ollen on luontevaa,
että lujuus on kasvanut enemmän savikerroksen yläosassa, kun taas lujittuminen on
vähäistä tai sitä ei tapahdu lainkaan savikerroksen alaosassa. Mikäli lujittuneella
vyöhykkeellä käytetään vakiolujuutta, on huolehdittava, että lujuus ei missään kohtaa
pienene alkuperäisestä.
Lisätään aluksi lujuusvyöhyke 1. Geometria välilehdeltä valitaan Add soil layer sekä Draw
polyline, kuva 5.4. Lujittunut vyöhyke voi mennä usean maakerroksen läpi, jolloin on
kätevä valita maakerroksen lisäys tavaksi define layer number ja määrätä minkä
maakerroksen yläpuolelle lisättävä kerros tulee, kuva 5.4 Tällöin polylinen voi piirtää
kuvassa esitetyn mukaisesti siten, että päätepisteet jatkuvat lujittuneen alueen ohi.
Geometriaa piirrettäessä on kuitenkin aina syytä muistaa, että maakerrosrajoja kuvaavien
murtoviivojen tulee aina kulkea vasemmalta oikealle ilman päällekkäisiä x-koordinaatteja.
Kuva 5.4
Lujuusvyöhykkeen 1 lisääminen geometriaan.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
19(41)
Lujuusvyöhyke 2 lisätään vastaavalla tavalla piirtämällä polyline lujuusvyöhykkeen 1
ympärille. Kuvassa 5.5 on esitetty kummatkin lujuusvyöhykkeet lisättyinä.
Kuva 5.5
Geometria kun lujuusvyöhykkeet 1 ja 2 ovat lisätty.
Esimerkissä oletetaan, että lujuusvyöhykkeelle 1 on määritetty lujuudeksi 15 kPa ja
lujuusvyöhykkeellä 2 12 kPa. Koska lujuus penkereen vieressä kasvaa syvyyden mukaan,
tulee vielä huolehtia siitä, että penkereen alla lujuus ei missään kohdassa putoa alle
alkuperäisen lujuuden. Tämä tarkoittaa sitä, että lujuusvyöhykkeelle 2 on tehtävä
maakerrosjako kohtaan, jossa penkereen viereisen pohjamaan lujuus on 15 kPa, ja
määrittää alapuolisella maakerroksella lujuudeksi 15 kPa + 1kPa/m. Lujuusvyöhykkeessä 2
vastaavasta maakerrosjako kohtaan jossa penkereen viereisen pohjamaan lujuus on 12
kPa, ja määrittää alapuolisella maakerroksella lujuudeksi 12 kPa + 1kPa/m. Kuvassa 5.6
on esitetty tämän mukaiset maakerrosjaot sekä stabiliteettilaskennan tulos. Esimerkin
tapauksessa lujuusvyöhykkeidenjakamisella vaakasuuntaisiin kerroksiin ei ole kovin suurta
merkitystä vaarallisimman liukupinnan osalta. Suuremmilla lujuuseroilla ja syvemmältä
kulkevien liukupintojen osalta ero voi olla merkittävä. Syvemmältä kulkevat liukupinnat
voivat tulla mitoittaviksi esimerkiksi vastapenkereitä suunniteltaessa, katso kohta x.x.
Kuva 5.6
Lujittuneet vyöhykkeet on jaettu vaakatasossa kahteen osaan.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
20(41)
Kuten kuvasta 5.6 nähdään, on näin saatu maakerrosmalli hieman keinotekoinen.
Kyseessä on ohjeiden mukainen yksinkertaistus todellisuudesta. Laskijan tulee kuitenkin
aina pitää huolta, ettei annettu maakerrosjako ja lujuudet liikaa ohjaa vaarallisimman
liukupinnan hakua. Tästä on erityisesti huolehdittava käytettäessä vapaamuotoisia
liukupintoja.
5.2
Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla
Kohdassa 5.1 esitetyssä tavassa mallintaa lujittumista on joitakin huonoja puolia. Kuten
edellä jo mainittiin, voi epätodelliset lujuuden muutokset vaikuttaa vaarallisimman
liukupinnan hakuun. Lähes pystysuorat lujittumisvyöhykkeet johtavat myös siihen, että
geometriamallin taitepisteiden väli on hyvin pieni. Taitepisteet määräävät taas osaltaan
stabiliteettilaskennassa käytetyn lamellijaon. Hyvin lähekkäiset taitepisteet aikaansaavat
hyvin kapean lamellin, joka voi vaikeuttaa tarkempien menetelmien konvergointia tai
vaarallisimman liukupinnan löytämistä. Ongelmat tulevat erityisesti esiin käytettäessä
vapaamuotoisia liukupintoja.
Tällaiset ongelmat voidaan välttää mallintamalla lujittuminen tasa-arvokäyrien avulla.
Kuvassa 5.7 on esitetty yksinkertainen tapa lujittumisen mallintamiseen. Penkereen
ulkopuolella lujuus on savikerroksen yläosassa 10 kPa ja kasvaa syvyyden mukaan
1kPa/m kuten aiemmin. Penkereen alapuolella lujuus on savikerroksen yläosassa 15 kPa,
mutta kasvaa tasaisesti kohti kerroksen alaosaa jossa lujuus on alkuperäisen mukainen.
Mikäli lujittuminen haluttaisiin mallintaa vakioarvolla, voi malliin lisätä toisen kerrosrajan
jossa lujuus on 15 kPa.
Kuva 5.7
Lujittumisen mallintaminen tasa-arvokäyrien avulla.
Niin kuin edellä jo käsiteltiin, aiheutuu lujittuminen penkereen painon aiheuttamasta
tehokkaiden jännitysten kasvamisesta penkereen alapuolella. Todellisuudessa lujuuden
kasvu tapahtuu luonnollisesti tasaisesti, ilman selviä rajoja. Kuvassa 5.8 on esitetty kuvien
5.6 ja 5.7 mukaisten mallintamistapojen vaarallisimpien liukupintojen mobilisoituneet
leikkauslujuudet. Kuvan 5.6 laskennassa on selvä hyppäys lujuudessa, kun taas kuvan 5.7
mallintamistavassa leikkauslujuus muuttuu tasaisesti.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
21(41)
Kuva 5.8.
Mobilisoituneet leikkauslujuudet kuvien 5.6 ja 5.7 mukaisilla lujittumisen
mallintamistavoilla.
6. Vastapenkereiden mallintaminen
Tässä esimerkissä tarkastellaan vastapenkereiden mallintamista laskentaesimerkin 3
tapauksen avulla. Selkeyden vuoksi tarkastellaan ainoastaan tapausta jossa maan
lujittumista penkereen alla ei ole otettu huomioon.
Luvussa 5 on esitetty laskentaesimerkin 3 perustapauksen stabiliteetin laskenta sekä
käyttäen vakio suljettua leikkauslujuutta, että käyttäen lujuuden mukaan kasvavaa lujuutta.
Suljetun leikkauslujuuden oikea mallintaminen on ensiarvoisen tärkeätä mitoitettaessa
vastapenkereitä. Tästä syystä tarkastellaan tämäkin esimerkki käyttäen suljetulle
leikkauslujuudelle samoja otaksumia kuin luvussa 5. Penkereen vasemmalla puolella
tulokset on laskettu käyttäen vakio suljettua leikkauslujuutta (10 kPa) ja oikealla puolella
lujuutta joka kasvaa syvyyden mukaan (10 kPa + 1kPa/m). Samples kansiosta löytyvät
vastaavat laskentatiedostot Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki4 vakio su.gcst ja
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki4 kasv su.gcst.
Tarkastellaan ensin tapausta, jossa lujuus kasvaa syvyyden mukaan. Vastapenkereen
mallintamista varten on GeoCalc ohjelmassa parametrisoitu vastapenger moduuli
Geometry välilehdellä, kuva 6.1. Vastapenkereestä määritetään sen taitepisteen
koordinaatit ja kaltevuudet. Taitepiste voidaan antaa joka hiirellä tai kirjoittamalla sen
koordinaatit suoraan soluihin. Kaltevuuksien osalta on syytä huomata, että mikäli
penkereen suuntainen kaltevuus on liian jyrkkä, kulkee vastapenger varsinaisen
penkereen yli, eikä silloin piirry geometriaan. Kuvassa on määritetty 1 m korkea
vastapenger, jonka taitepiste on 5 m penkereen luiskan alareunasta.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
22(41)
Kuva 6.1
editoiminen.
Geometry välilehti josta löytyvät vastapenkereiden lisääminen ja
Vastapenger tulee automaattisesti uutena maakerroksena, joka ottaa päällimmäisen
maakerroksen materiaaliparametrit. Materiaaliparametrit kopioituvat siis yleensä
varsinaisesta penkereestä. Vastapenger rakennetaan kuitenkin yleensä huonommasta
materiaalista eikä sitä tiivistetä yhtä hyvin, jolloin on syytä käydä muuttamassa sen
materiaaliparametrit. Tässä esimerkissä on vastapenkereellä käytetty tilavuuspainona 18
3
o
kN/m ja kitkakulmana 34 .
Kun haluttu vastapenger on saatu mallinnettua, lasketaan varmuus uudestaan. Laskennan
tulos on esitetty kuvassa 6.2. Saatu pienin varmuus on lähellä tavoitevarmuutta 1,5, mutta
on kuitenkin syytä tarkistaa paljonko vastapengertä voidaan vielä pienentää. Geometry
välilehdeltä löytyy kohta Edit latest bank, katso kuva 6.1. Sen avulla voidaan editoida aina
viimeksi lisättyä vastapengertä.
Kuva 6.2
Vastapenkereen laskenta tapaukselle, jossa lujuus kasvaa syvyyden myötä.
Esimerkin tapauksessa saavutetaan 1 m kapeammalla vastapenkereellä varmuus 1,51.
Tarkka tavoitevarmuus saavutetaan esimerkiksi madaltamalla vastapengertä 0,2 m. On
kuitenkin hyvä pitää mielessä, että laskettu varmuus riippuu aina käytetystä menetelmästä
ja liukupinnan muodosta.
Tarkastellaan seuraavaksi tapausta, jossa käytetään vakio suljettua leikkauslujuutta. Kuvia
6.1 ja 6.2 vastaavan kokoista vastapengertä vastaava varmuus on nyt vain 1,33, joten
vastapengertä täytyy leventää, kuva 6.3.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
23(41)
Kuva 6.3
Vakio lujuudella varmuus jää selvästi pienemmäksi kuin kuvan 6.2
tapauksessa.
Kuvassa 6.4 on esitetty vastapenger jolla saavutetaan 1,5 varmuus. Vastapenkereen
leveys on nyt lähes 20m kun se aiemmassa tapauksessa oli noin 5m. Tämä johtuu
käytetystä suljetun leikkauslujuuden vakio arvosta. Koska lujuus ei kasva syvyyden
mukaan, tulee liukupinnoista syviä ja pitkiä. Laaja-alaisella vakiokuormalla ja vakio
lujuudella vaarallisin liukupinta kulkee aina maakerroksen alarajan kautta.
Kuva 6.4.
Vastapenger jolla saavutetaan esimerkin tapauksessa 1,5 kokonaisvarmuus
käytettäessä vakiolujuutta.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
24(41)
7. Suljetun tilan stabiliteetti tehokkaiden jännitysten menetelmällä
7.1
Yleistä
Suljetun tilan stabiliteettilaskenta voidaan tehdä suljetun leikkauslujuuden ohella myös
tehokkaiden jännitysten menetelmällä. Ongelmana on tällöin tuntea murtotilannetta
vastaava huokosvedenpaine. Huokospainemittauksin voidaan selvittää käyttötilan
huokospaineen arvo. Pehmeän saven myötäessä sen huokospaine kuitenkin kasvaa
vaikka ulkoinen kuormitus ei välttämättä kasvaisikaan. Murtuminen siis itsessään lisää
huokospainetta ja mikäli tätä ei oteta huomioon, saadaan laskennasta liian suuri varmuus.
TTY:llä käynnissä (v2012) olevassa RAtapenkereiden STAbiliteetin PArantamis projektissa
(RASTAPA) ollaan kehittämässä mm. vanhojen ratapenkereiden stabiliteettilaskentaan
soveltuvia, tehokkaiden jännitysten menetelmään perustuvia,
stabiliteetinlaskentamenetelmiä. Yksi näistä on nyt implementoitu GeoCalc ohjelmaan ja
esitellään tässä kappaleessa. Tämän lisäksi käydään kohdassa 7.4 läpi ulkoisen kuorman
huokospaineparametrin ruq:n käyttöä.
7.2
Saven myötäämisen aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu.
q
Pehmeän normaalikonsolidoituneen saven myötäessä, sen rakenne romahtaa, ja savi
pyrkii kokoonpuristumaan voimakkaasti. Suljetussa tilassa vesi ei kuitenkaan pääse
poistumaan, minkä seurauksena huokosvedenpaine kasvaa huomattavasti. Saven
käyttäytyminen on tunnetusti riippuvainen kuormitusnopeudesta, eli mitä pienempi nopeus,
sitä suurempi kokoonpuristuma/huokosvedenpaine, kuva 7.1. Ilmiö on sama kuin
ödometrikokeissa tai siipikairauksessa, suurempi nopeus johtaa suurempaan
esikonsolidaatiojännitykseen ja suljettuun leikkauslujuuteen.
myötöpinta
∆uey
p'
Kuva 7.1
7.3
Myödön aiheuttama huokosvedenpaine ∆uey
Tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri ru’.
Tehokkaiden jännitysten käyttämiseen perustuva ru’ menetelmä on kehitetty pääasiassa
pehmeän saven varaan perustettujen vanhojen penkereiden stabiliteetinlaskentaan. Koska
Suomalaiset savet ovat pääosin vain vähän ylikonsolidoituneita, vallitsee vanhojen
penkereiden alapuolella normaalikonsolidoitunut tila. Tällöin saven myötäessä syntyvä
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
25(41)
huokosvedenpaine on maksimissaan myötöpinnan ja K0-suoran leikkauspisteen sekä
myötöpinnan ja murtosuoran välisen leikkauspisteen välinen vaakasuuntainen etäisyys,
kuva 7.1. Myötöpinnan koko ja muoto voidaan approksimoida esikonsolidaatiojännityksen
ja kitkakulman avulla (Länsivaara 1995, 1999). Koska penkereen alapuolella savi on
normaalikonsolidoitunutta, voidaan esikonsolidaatiojännitys korvata tehokkaalla
pystysuuntaisella jännityksellä. Kuvan 7.1 periaatteita noudattaen voidaan määrittää
tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri ru’ (Länsivaara 2010, Länsivaara et al.
2011), siten, että saven myötäämisestä johtuva huokosylipaine on
uey = ru '⋅σ vo '
missä
uey
= myödön aiheuttama huokosylipaine
ru ’
= tehokkaiden jännitysten huokospaineparametri
σv0’
= tehokas pystysuuntainen jännitys
Huokospaineparametrin ru’ arvo on esitetty kuvassa 7.2. Ratkaisu on tarkkaan ottaen
voimassa vain penkereen alapuolella aktiivivyöhykkeessä. Passiivivyöhykkeessä
normaalikonsolidoituneella savella huokosylipainetta kehittyy periaatteessa enemmän.
Savi penkereen vieressä on kuitenkin yleensä ikääntymisen johdosta lievästi
ylikonsolidoitunutta, mikä puolestaan pienentää huokosvedenpaineen syntyä. Menetelmän
tarkempi kuvaus löytyy mm. lähteistä (Länsivaara 2010, Länsivaara et al. 2011). Kyseessä
on verrattain yksinkertainen insinööri työkalu jolla voidaan arvioida myödön aiheuttamaa
huokosylipainetta vanhojen penkereiden stabiliteetinlaskennassa. Mikäli savi on
voimakkaasti ylikonsolidoitunutta yliarvioi menetelmä kehittyvää huokospainetta.
0,26
Huokospaineparametri ru'
0,24
0,22
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
18
20
22
24
26
28
30
32
34
kitkakulma φ
Kuva 7.2
Huokospaineparametri ru’.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
26(41)
7.4
Ulkoisen kuorman huokospaineparametri ruq
Laskettaessa suljetun tilan stabiliteettia tehokkaiden jännitysten menetelmällä tulee
ulkoisen kuorman aiheuttama huokosvedenpaineen kasvu ottaa huomioon. Muuten
kuorma kasvattaa tehokkaita jännityksiä ja saven lujuutta liukupinnalla. Ulkoisen kuorman
aiheuttama huokosvedenpaine otetaan huomioon kertoimella ruq seuraavan yhtälön avulla:
uq = ruq ⋅ q
missä
uq
= ulkoisen kuorman aiheuttama huokosylipaine
rq
= ulkoisen kuorman huokospaineparametri
q
= ulkoinen kuorma
Parametrille ruq suositellaan yleensä käytettäväksi arvoa 1. Tämä saattaa jossain
tapauksissa yliarvioida huokospainetta.
7.5
Laskentaesimerkki; vanha ratapenger
Tarkastellaan luvun 5 laskentaesimerkkiä 3 tehokkaiden jännitysten avulla, käyttäen
lujuusparametreina c’ = 0 ja φ’ = 22. Kuvasta 7.2 voidaan nyt lukea huokospaineparametrin
ru’ arvoksi 0,21. Kuorman huokospaineparametrina käytetään arvoa 1. Laskennan tulos on
esitetty kuvassa 7.3 siten, että penkereen vasemmalla puolella on laskenta ilman
huokospaineparametria ru’ ja penkereen oikealla puolella huokospaineparametrin arvolla
0,21. Samples kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki5.gcst.
Kuva 7.3
Penkereen stabiliteetin laskenta tehokkaiden jännitysten menetelmällä.
Vasemmalla puolella tulokset ilman myödön aiheuttamaa
huokosvedenpainetta (ru’ = 0) ja oikealla puolella tulokset jossa
huokosvedenpaine on mukana (ru’ = 0,21).
8. Geovahvisteiden mallintaminen
8.1
Yleistä
Geovahvisteiden mallintamista koskevat asia on Geocalc ohjelmassa sisällytetty
Reinforcement välilehdelle. Geovahvisteiden lujittava vaikutus voidaan ottaa kolmella eri
vaihtoehtoisella tavalla huomioon. Laskenta voidaan tehdä joko jollakin yksittäisellä
laskentatavalla tai kolmen vaihtoehdon mille tahansa kombinaatiolle, katso kuva 8.1.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
27(41)
Kuva 8. 1
välilehdellä.
Vahvisteiden antaminen ja laskentatavan määrittäminen Reinforcement
Mikäli valitaan useampi laskentatapa, käyttää ohjelma lopullisessa laskennassa sitä tapaa
joka antaa pienimmän varmuuden. Vaihtoehtoiset laskentatavat ovat:
1. Structural capacity: Tensile load kohtaan syötetään geovahvisteen rakenteellinen
vetolujuus. Ohjelma käyttää suoraan tätä laskenta-arvona.
2. Bond Capacity: Total Bond Load [kN] kohtaan syötetään vahvisteen
kokonaisvastus. Tästä arvosta ohjelma ottaa laskennassa huomioon sen pienintä
tartuntapituutta vastaavan osan.
3. Pull out Capacity: Ohjelma laskee pienintä tartuntapituutta vastaavan
ulosvetovastuksen. Laskentaa varten ohjelmaan syötetään vahvisteen ylä- ja
alapuolisten maakerrosten välinen lujuuskerroin α. Ohjelma laskee
ulosvetovastuksen yhtälöllä:
TRc = L pj (α `1 (σ ´ v tan ϕ `d 1 +Cu d 1 ) + α `2 (σ `v tan ϕ `d 2 +Cu d 2 ))
Edellä olevan mukaisesti Bond Capacity ja Pull Out Capacity laskennoissa vahvisteen
stabiloivan voiman suuruus määräytyy pienimmän tartuntapituuden mukaan, kuva 8.2
Tartunta
pituus
TRc
Vaviste penkereen ja
pohjamaan välissä
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
28(41)
Tartunta
pituus
Vaviste penkereen ja
pohjamaan välissä
Kuva 8.2
Pienin tartuntapituus Bond Capacity ja Pull Out Capacity laskennoissa.
Kuten kuvasta 8.1 nähdään, voi vahvisteelle määrittää myös ankkuroinnin. Mikäli
vahvisteelle on määrätty ankkurointi, määräytyy tartuntapituus aina vahvisteen liukupinnan
ulkopuoleisesta osasta, katso kuva 8.3. Mikäli liukupinta kulkee vahvisteen ulkopuolelta, ei
vahvisteesta tule luonnollisestikaan millään laskentatavalla lujittavaa voimaa laskentaan.
Tartunta
pituus
Ankkuroitu
vahviste
Kuva 8.3
8.2
Ei vaikutusta
Ankkuroidun vahvisteen tartuntapituus.
Geovahvistettu maanvarainen penger pehmeiköllä
Tarkastellaan seuraavaksi esimerkkiä, jonka kohteena on 4 m korkea penger, ja alla 4 m
paksu savikerros. Penkereen mitat on esitetty kuvassa 8.4 ja esimerkkiä vastaavan ja
Samples kansiosta löytyvän laskentatiedoston nimi on
Stabiliteetti_käyttöohje_esimerkki6.gcst.
Kuva 8.4
Geovahvistetun maanvaraisen penkereen lähtögeometria.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
29(41)
Pengermateriaalin kitkakulma on 38 ja tilavuuspaino γ = 20 kN/m . Saven suljettu
3
leikkauslujuus on su = 12 kPa ja tilavuuspaino γ = 15 kN/m .
o
3
Penkereen kokonaisstabiliteetti ilman vahvistusta on noin 1,0. Vahvistusta suunniteltaessa
varmuutta pyritään nostamaan tiettyyn arvoon. Laskenta voidaan silloin tehdä siten, että
ensin lasketaan kuinka suuri lujittava voima tulee olla vaadittuun varmuuteen
pääsemiseksi, mikä määrää käytettävän vahvistetyypin. Tämän jälkeen tulee tarkistaa
voidaanko tämä lujitusvoima saavuttaa rakenteesta. Yksityiskohtaisesti laskenta etenee
seuraavasti.
Valitaan laskentatavaksi structural ja iteroidaan voimaa (tensile load) kunnes vaadittava
kokonaisvarmuus on saavutettu. Tässä esimerkissä vaadittava kokonaisvarmuus on 1,5.
Tätä vastaava vahvistevoima on Bishopin menetelmällä laskettuna (ympyränmuotoinen
liukupinta) 136 kN, Janbun yksinkertaistetulla menetelmällä (vapaamuotoinen liukupinta) =
130 kN ja Morgenstern-Price menetelmällä (vapaamuotoinen liukupinta) 150 kN.
Kuten havaitaan, eri menetelmät antavat hieman erisuuruisen vahvistevoiman. Tämä ei
kuitenkaan ole mikään absoluuttiarvo, eikä vahvistetta tule valita siten, että sen
murtolujuus vastaisi laskennasta saatua vahvistevoimaa. Sen sijaan vahviste tulee valita
siten, että vahvistevoimaa voidaan valitulla vahvisteella saavuttaa riittävän pienellä
muodonmuutoksella.
Kuva 8.5
Structural Capacity laskennan tulos kun vahvistevoima 136 kN ja
laskentatapana Bishop simplified.
Seuraavaksi tulee tarkistaa, voidaanko vaadittavaa vahvistevoimaa saavuttaa käytetyllä
rakenteella, eli onko vahvisteen ja maan välinen ulosvetovoima riittävä. Laskentatavaksi
kannattaa valita structural/pull out capacity, jolloin vahvistevoimaksi otetaan pienin arvo
vahvistelujuudesta tai ulosvetovastuksesta. Ulosvetovastuksen laskentaa varten annetaan
maan ja vahvisteen väliset lujuuskertoimet α1 ja α2, joiksi on tässä valittu 0,7. Laskennasta
saadaan nyt sama tulos, mikä tarkoittaa, että vahvistelujuus jää pienempänä määrääväksi.
Laskenta olisi voitu tehdä myös pelkkänä pull out capacity laskentana, jolloin oltaisi saatu
suurempi laskennallinen varmuus ja liukupinta olisi hakeutunut eri paikkaan. Kriittisimmän
liukupinnan laskennassa käytetty vahvistevoima voidaan tarkistaa vielä Result välilehdeltä
slope results raportista, kuva 8.6.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
30(41)
Kuva 8.6 Result raportista voi tarkistaa laskennassa käytetyn vahvistevoiman suuruuden.
9. Maanaulauksen mallintaminen
9.1
Yleistä
Maannaulausmenetelmän ideana on asentaa nauloja, jotka ovat yleensä halkaisijaltaan
15…46 mm terästankoja, joko luonnon luiskaan tai rakennettavaan luiskaan parantamaan
luiskan stabiliteettia. Naulat voidaan asentaa maahan joko suoraan täryttämällä, lyömällä,
paineilmalla ampumalla tai porattuun reikään injektoimalla. Injektoitujen naulojen halkaisija
2
on tyypillisesti 60…150 mm, ja nauloja asennetaan normaalisti 0,5…4,0 kpl/m . Maan
naulausta voidaan pitää varteenotettava vahvistusmenetelmä varsinkin silloin, kun luiskan
kokonaisvarmuus ilman vahvistustoimenpiteitä on tasolla F = 0,9…1,4.
Maanaulan luiskaa vahvistava vaikutus perustuu siihen, että vaarallisimman liukupinnan
kulkiessa naulojen poikki, luiskan leikkautumista vastustavalle puolelle jääneeseen naulan
osuuteen mobilisoituu luiskan pienen siirtymän johdosta vetojännitys lisäten leikkautumista
vastustavaa voimaa (kuva 1.1). Luiskaa vahvistava vaikutus on vetojännityksen lisäksi
naulaan mobilisoituvilla leikkaus- ja taivutusjännityksillä. Ne ovat kuitenkin
merkittävyydeltään pieniä, eikä niitä yleensä laskennassa huomioida.
Kuva 9.1. Maanauloilla vahvistetun seinän toiminta pääpiirteittäin. Alkuperäinen kuva:
Nordic Guidelines for Reinforced Soils And Fills s. 90
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
31(41)
Naulan pituus arvioidaan rinteen korkeuden mukaan. Naulan pituuden tulisi yleensä olla
0,5…0,8 kertaa lujitettavan rinteen korkeus. Teoriassa paras tehokkuus saadaan
asentamalla naulat vaakasuoraan tai jopa hieman yläviistoon 0…-5 asteen kulmaan.
Työteknisesti naulojen asennuskulmana on kuitenkin yleensä käytetty 10…20 astetta
vaakatasosta alaspäin, jolloin injektointi voidaan suorittaa painovoiman vaikutuksesta.
Naulojen k/k väli arvioidaan naulan pituuden ja halkaisijan mukaan yhtälöillä 9.1 ja 9.2.
k/k = √(0,3…0,6×D×π×L)
(9.1)
k/k = √(d /0,0004…0,0008)
(9.2)
2
, missä
L = naulan pituus [m]
D = injektoinnin halkaisija [m]
d = naulan teräsosan halkaisija [m]
Tyypillisesti k/k-väli vaihtelee metrin molemmin puolin.
9.2
Maan naulaus stabiliteettiohjelmassa
Ohjelmalla on mahdollista laskea naulatun luiskan varmuutta kolmella eri tavalla:
Nail Load: Syötetyn naulan vetolujuuden avulla. Ohjelma käyttää suoraan tätä laskentaarvona.
Bond Strength: Syötetyn naulan ulosvetovastuksen mukaan. Tästä arvosta ohjelma ottaa
laskennassa huomioon sen naulan tehokkaan pituuden, joka jää liukupinnan ulkopuolelle.
Bond Capacity: Injektoidun naulan halkaisijan, tehokkaan normaalijännityksen sekä
naulan ja maan välisen kitkakertoimen avulla. Tässä vaihtoehdossa käyttäjä syöttää
injektoidun naulan halkaisijan (Grout Hole Dia [m]) ja varmuuskertoimen (Safety Factor).
Muut arvot ohjelma laskee itse. Tämäkin laskentatapa huomio laskennassa vain sen
naulan tehokkaan pituuden, joka jää liukupinnan ulkopuolelle.
Laskenta on siis periaateiltaan hyvin vastaava kuin geovahvisteiden laskennassa. Mikäli
valitaan useampi laskentatapa, käyttää ohjelma lopullisessa laskennassa sitä tapaa joka
antaa pienimmän varmuuden. Jos jollekin naulalle valitaan Bond Capacity –laskenta, on
kyseinen laskenta automaattisesti vaihtoehtona myös muilla mallissa olevilla nauloilla.
Naulan kokonaisvastus (total bond load) lasketaan Bond Capacity-laskentaan yhtälöllä 9.3.
Tt = ΣLi(2Dσ`vtanφi+πDci`)/Fs
missä
(9.3)
Li = naulan tehokas pituus
D = naulan halkaisija
Fs = tartuntajännityksen varmuuskerroin (Safety Factor). Kertoimen
oletusarvo on 2,0.
Alustavia arvioita ulosvetovastuksesta voidaan tehdä maalajikohtaisten kuvaajien ja
taulukoiden avulla. Taulukoita on esitetty esimerkiksi julkaisussa Nordic Guidelines for
Reinforced Soils And Fills.
Maanaulojen ulosvetovastus tulee aina selvittää nauloille tehtävillä kuormituskokeilla
varsinaisella rakennuspaikalla. Suoritettavien ulosvetokokeiden tai kuormituskokeiden
määrään on otettu kantaa maannaulausta koskevassa standardiluonnoksessa prEn14490.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
32(41)
9.3
Tietojen syöttäminen Nail -välilehdellä
Nail-välilehden sarakkeet:
Kuva 9.2. GeoCalc-Stability ohjelman Nail-välilehti.
Id
Kunkin naulan yksilöivä tunnusluku 1…n.
X [m]
Naulan lähtöpiste määritellään X- ja Z-koordinaattien perustella. X-koordinaatti ilmaisee
naulan lähtöpisteen horisontaalisessa suunnassa.
Z [m]
Z-koordinaatti ilmaisee naulan lähtöpisteen pystysuunnassa.
Length [m]
Annetaan naulan pituus metreinä. (Yleensä naulan pituus on 0,5…0,8 kertaa luiskan
korkeus.)
Angle [deg]
Naulan asennuskulma määritellään asteina vaakatasosta alaspäin. (Yleensä 10º...20º)
Calculation Method
Määritellään laskentamenetelmä/laskentamenetelmät. (ks. kappale 1.2.)
Nail Load [kN]
Määritellään naulan vetolujuus. Ohjelma käyttää suoraan tätä kokonaislujuutta
laskennassa.
Bond Strength [kN]
Naulan ulosvetovastus. Arvoja annettaessa tulee huomata että kenttään tulee syöttää
kokonaisarvo kN eikä arvoa kN/m, jota usein käytetään. Ohjelma laskee automaattisesti
ulosvetovastuksesta sen osan, joka vaikuttaa naulan tehokkaalla osalla eli liukupinnan
ulkopuolelle jäävällä osalla.
Ungrout Length [m]
Ohjelma olettaa lähtökohtaisesti että naula injektoidaan koko pituudeltaan. Jos osa naulan
yläpäästä jätetään injektoimatta, voidaan injektoimattoman osuuden pituus syöttää tähän
kenttään. Ungrout Length ominaisuus on käytössä vain Bond capacity -laskennassa. Jos
halutaan mallintaa täysin injektoimattomia nauloja, tulee tämä ominaisuuden sijaan käyttää
Bond capacity -laskennassa Grout Hole Dia -kohdassa naulan teräsosan halkaisijan arvoa.
Rock Bond [kN]
Jos naula injektoidaan osittain kallioon saakka, tähän kohtaan voidaan määritellä kalliosta
saatava tartuntavoima. Jos naulaa ei mallinneta yltämään määriteltyyn kallioon saakka,
kenttään syötetyillä arvoilla ei ole merkitystä laskennassa.
Grout hole diameter [m]
Määritetään injektoidun naulan halkaisija metreissä Bond capacity –laskentaa varten.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
33(41)
Safety Factor
Naulan ja maan välisen tartunnan varmuuskerroin Bond capacity -laskennassa. (ks.
kappale 1.2)
Hor. Spacing [m]
Syötetään naulojen vaakasuuntainen etäisyys toisistaan.
Muut lähtöarvot
General välilehden Default Values -valikosta voidaan valita kohdasta Load Application,
kohdistuuko naulan kuormitus liukupinnalle (Slip), vai naulan päähän (Head).
Oletusarvoisesti kuormitus kohdistuu liukupinnalle.
Muuta huomioitavaa laskennassa
Laskentametodina on suositeltavaa käyttää menetelmää, joka toteuttaa ainakin
liukupinnan voimatasapainoehdon, sillä nauloista aiheutuu yleensä suuria vaakavoimia.
Tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi Janbun yksinkertaistettu menetelmä ja MorgensternPrice menetelmä. Esimerkiksi paljon käytetty Bishopin yksinkertaistettu menetelmä
toteuttaa vain momenttitasapainoehdon.
9.4
Ankkuroitu tukimuuri
Tässä esimerkissä tarkastellaan 8 m korkean tukimuurin ankkuroimista maanauloilla
moreeniin tai vaihtoehtoisesti kallioon. Tukimuuri perustetaan jyrkkään moreeniluiskaan.
Taustatäyttö tehdään hiekasta. Tavoitteena on saavuttaa kokonaisvarmuus F=1,65.
Käytetyt materiaaliparametrit on esitetty taulukossa 9.1
Taulukko 9.1 Laskentaesimerkin 7 materiaaliparametrit.
γ
kN/m
γsat
3
kN/m
3
c’
φ
kPa
o
Hiekkatäyttö
18
19
0
32
Moreeni
19
20
2
38
Esimerkin geometria on esitetty kuvassa 9.3. Tukimuuria ei ole mallinnettu varsinaiseen
geometriaan lainkaan vaan tukimuurin dimensiot on piirretty malliin vasta geometrian
luonnin jälkeen Forbidden Domain toiminnolla, joka löytyy Advanced-välilehdeltä. Tällä
estetään liukupintojen kulkeminen tukimuurin läpi. Toinen vaihtoehto on piirtää tukimuuri
geometriaan ja syöttää sille hyvin suuret maan lujuusparametrit. Suositeltavaa on kuitenkin
mallintaa rakenteet Forbidden domain toiminnolla.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
34(41)
Kuva 9.3 Laskentaesimerkin 7 geometria ilman nauloja.
Esimerkin laskelmat tehdään käyttäen vapaamuotoista liukupintaa ja Morgenstern-Price
menetelmää (f(x) = sin(x)). Ensimmäinen laskenta tehdään ilman nauloja, jolloin
kokonaisvarmuudeksi saadaan F = 1,20.
Seuraavaksi mallinnetaan naulat. Naulat lähtevät tukimuurin reunasta ja yltävät kallioon
asti, kuva 9.5. Naulojen pystysuuntainen etäisyys on noin 1,6m ja vaakasuuntainen
etäisyys 2,0m.
Nail Load –laskentatavalla määritetään, kuinka suuri voima nauloihin tarvitaan halutun
kokonaisvarmuuden saavuttamiseksi. Nail Load -arvoja kasvatetaan, kunnes haluttu
kokonaisvarmuus saavutetaan, kuva 9.4.
Kuva 9.4
Ensimmäinen laskenta naulojen kanssa. Nail Load arvoa muuttaen kunnes
vaadittu varmuustaso on saavutettu.
Vaadittu kokonaisvarmuus F = 1,65 saavutetaan, kun naulat ottavat 300 kN kuorman, kuva
9.5
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
35(41)
Kuva 9.5
Laskennan tulos Nail Load laskentatavalla ja 300 kN naulakuormalla.
Tarvittava voima 300kN/naula on niin suuri, että se tuskin voidaan saavuttaa pelkästään
moreenikerrokseen injektoimalla. Tarkistetaan asia laskemalla. Valitaan laskentatavaksi
Nail Load/Bond Capacity. Naulan injektoinnin halkaisijaksi syötetään 0,1m ja
varmuuskertoimen annetaan olla oletusarvoisesti FS=2,0. Tämä varmuuskerroin vastaa
maan ja injektoinnin välistä kitkakertoimen arvoa α=0,5. Suoritetaan laskenta ja todetaan
kokonaisvarmuuden olevan nyt F=1,28. Ohjelmassa on mahdollista syöttää naulan pituus
jota ei injektoida (Ungrout Length). Tässä tapauksessa voitaisiin ajatella, että injektointi
tehdään vain moreenikerroksessa, jolloin vastaavat pituudet olisivat ylimmästä naulasta
lähtien 5,6m, 4,6m ja 3,6m. Koska vaarallisin liukupinta kulkee hiekan ja moreenin
rajapintaa pitkin, ei hiekkakerroksen injektointi anna lisälujuutta laskentaan, eikä asialla ole
näin ollen vaikutusta tulokseen.
Report-välilehdeltä nähdään, että naulojen kapasiteetiksi on näillä laskenta-arvoilla tullut
laskennassa 70…90 kN. Kapasiteettia voitaisiin kasvattaa lisäämällä naulojen määrää,
kasvattamalla injektoinnin halkaisijaa tai varmuuskerrointa pienentämällä. Arvot ovat
kuitenkin paljon pienempiä kuin tarvittava 300 kN voima, joten käytännössä naulat
kannattaa injektoida kallioon.
Laskennassa on mahdollista antaa erikseen kalliosta saatava tartuntavoima (Rock Bond).
Tämä voi olla suoraan tarvittava tartuntavoima kokonaisuudessaan. On myös mahdollista
laskea yhteen kalliosta saatava tartuntavoima ja maasta saatava tartuntavoima. Jos
moreeniosa injektoidaan, tarvitaan kalliosta tämän lisäksi maksimissaan 300kN-70kN =
230kN. Kuvassa 9.6 on esitetty lähtötiedot jossa kallion osuudelle on annettu 230kN
tartuntalujuus ja maan osalla injektointi on tehty vain moreenissa. Laskenta voidaan tehdä
joko Nail Load/Bond Capacity laskentana tai pelkkänä Bond Capacity laskentana. Kun
valitaan Nail Load/Bond Capacity laskenta, saadaan täsmälleen sama tulos kuin kuvassa
9.5 tarkoittaen, että jokainen ankkuri ottaa 300 kN kuorman ja että kyseinen kuorma
saavutetaan kalliosta ja maasta annetuilla lähtöarvoilla.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
36(41)
Kuva 9.6
Maanaulojen lähtötiedot kun naulojen rakenteelliselle kapasiteetille on
annettu arvo 300 kN, kallioankkuriosuudelle 230 kN ja naulat ankkuroidaan myös moreenin
osalta.
9.5
Jokipenkereen vahvistaminen
Esimerkkilaskelma on julkaisusta Nordic Guidelines For Reinforced Soils And Fills, Annex
F, Example 2. Kyseisessä esimerkissä tarkastellaan joen törmällä kulkevan tien
stabiliteetin parantamista maan naulauksella. Luonnonluiskan korkeus on noin 17 metriä.
Esimerkissä on käytetty ENV 7 mukaisesti osavarmuuskertoimia, jolloin pyritään
varmuuteen FOS > 1,00. Tarkastelussa on erityinen paino naulojen määrän, sijainnin ja
pituuden vaikutuksella. Tarkoituksena on asentaa luiskan yläosaan pienempi määrä pitkiä
maanauloja, sillä joentörmän alaosaan nauloja on työteknisesti vaikea asentaa.
Maanaulojen mitoituslujuus perustuu tässä esimerkissä naulojen vetokokeista saatuihin
tuloksiin.
Kuva 9.7. Havainnekuva tilanteesta. Lähde: Nordic Guidelines for Reinforced Soils And
Fills, Annex F.
Maaperä vaihtelee silttisestä hiekasta soraiseen hiekkamoreeniin. Kallion pinta on noin
8…14 m syvyydessä. Pohjaveden pinnan on oletettu olevan joen vedenpinnan tasolla.
Laskennat tehdään käyttäen vapaamuotoisia liukupintoja ja Morgenstern-Price (f(x) =
sin(x)) ja Janbu simplified menetelmiä. Lähtötilanteessa luiskan varmuuden todettiin olevan
FOS=0,82.
9.5.1
Naulauksen alustava layout
Vahvistukseen käytetään injektoituja nauloja, joiden teräsosan halkaisija on 25 mm ja
kokonaishalkaisija 0,1 m. Naulojen pituus voidaan alustavasti arvioida jokipenkereen
korkeuden mukaan. Naulojen pituuden tulisi olla 0,5…0,8×H = 8,5…13,6 m. Naulojen k/kvälin tulisi halkaisijaltaan 0,1 m injektoinnilla ja 8 m pitkillä nauloilla olla
√(0,3…0,6×0,1×π×8) = 0,87…1,23 m. Naulan teräsosan halkaisijan (0,025 m) perusteella
2
naulojen etäisyyden tulisi olla √(0,025 /0,0004…0,0008) = 0,88…1,25 m.
Kyseisessä tapauksessa naulojen asentaminen luiskaan on siinä määrin hankalaa, että
naulojen kappalemäärää pyritään pitämään mahdollisimman pienenä. Näin ollen naulojen
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
37(41)
k/k-väliksi valitaan alustavasti 0,9…1,2 m sijaan 1,4 metriä. Naulojen asennustoleranssi on
0,1 m, joten suunnittelussa käytetään naulojen etäisyytenä 1,4 m + 0,1 m = 1,5 m.
9.5.2
Laskentaparametrit
3
Maan tilavuuspainona käytetään 18 kN/m . Koheesion arvona käytetään c’= 0 kPa.
Kitkakulmien arvot on esitetty taulukossa 2.1.
Taulukko 2.1. Maakerrosten kitkakulmat; karakteristiset- ja suunnitteluarvot.
φk(º)
φd(º)
siHk
36
30,2
Hk
38
32
Mr
39
33
Luiskaan kohdistuu rakennuksen aiheuttama 10 kPa pysyvä kuorma sekä tieliikenteestä
johtuva 20 kPa muuttuva kuorma. Pysyvän kuorman osavarmuuskertoimena käytetään
arvoa 1,0 ja muuttuvan kuorman osavarmuuskertoimena arvoa 1,3. Tällöin laskennassa
käytettävät kuormat ovat:
Pysyvä kuorma = 1,0 × 10 kPa = 10 kPa
Muuttuva kuorma = 1,3 × 20 kPa = 26 kPa
Naulan ulosvetovastus qs vaihtelee Clouterren kuvaajien mukaan (Nordic guidelines for
reinforced soils and fills, s.29) hiekkaan injektoiduilla nauloilla välillä 0,05…0,1 MPa.
Tällöin ulosvetovoima naulametriä kohden on yhtälön 9.4 mukaisesti:
T = π×D×qs = π×0,1 m×50…100 kPa = 15,7…31,4 kN/m.
(9.4)
Kenttäkokeissa on ulosvetovastuksen arvoksi saatu neljällä kokeella keskimäärin Tk = 35
kN/m. Arvoa pienennetään osavarmuuskertoimilla yhtälöiden 9.5 ja 9.6 mukaisesti.
Td = η ×
Tk
(9.5)
γT
γT = γφ × γm = 1,25 × 1,4 = 1,75
(9.6)
η = 0,77 (määritetään ulosvetokokeiden perusteella, taulukko 2.9 julkaisussa Nordic
guidelines for reinforced soils and fills )
Tällöin suunnitteluarvo Td on
Td =
0,77 ×
35
= 15,4 kN/m
1,75
Naulojen välimatka pituussuunnassa on 1,5 m, joka voidaan syöttää kohtaan Horizontal
Spacing. Tällöin naulojen vaakasuuntaista etäisyyttä ei tarvitse huomioida ulosvetovoiman
määrittelyssä. 8 m pitkillä nauloille voidaan näin ollen käyttää laskennassa Bond Strength
arvoa 8 m × 15,4 kN/m = 123,2 kN. Maanaulojen laskenta-arvojen syöttäminen on esitetty
kuvassa 9.8
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
38(41)
Kuva 9.8
9.5.3
Maanaulojen laskenta-arvojen syöttäminen Nail välilehdellä.
Vaihtoehtojen vertailu
Edellä esitetyillä laskenta-arvoilla, käyttäen 8m pitkiä maanauloja saadaan varmuudeksi F
= 1,03 (M-P), kuva 9.9 ja F = 0,96 (JS). Koska laskelmassa on käytetty
osavarmuuslukumenetelmää, on yli yhden oleva varmuus riittävä. Tähän päästiin vain
Morgenstern-Price menetelmällä, joka on tosin tarkempi kuin Janbu simplified.
Kuva 9.9 Laskennan tulos Morgenstern-Pice menetelmällä käyttäen 8m pitkiä maanauloja.
Tarkastellaan seuraavaksi vaihtoehtoa, jossa käytetään ainoastaan neljää naulariviä,
mutta naulat ovat 12m pitkiä. Vaihtoehdon etuna on, että naulojen määrä on pienentynyt,
ja ne asennetaan kaikki luiskan yläosaan jonne pääsy on helpompaa.
Toisena vaihtoehtona tarkasteltiin neljää riviä 12 m pitkiä nauloja luiskan yläosaan. Tällöin
Bond Strength arvona käytettiin laskennassa arvoa 12 m × 15,4 kN/m = 184,8 kN. Muut
parametrit säilyivät muuttumattomina. Tässä vaihtoehdossa todettiin varmuuden olevan
varmuudeksi F = 1,08 (M-P), kuva 9.10 ja F = 1,03 (JS).
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
39(41)
Kuva 9.10 Laskennan tulos Morgenstern-Pice menetelmällä käyttäen 12m pitkiä
maanauloja.
Pitempien naulojen asentaminen on selvästi kustannustehokkaampi vaihtoehto, sillä
naulametrejä kuluu 25 % vähemmän kuin lyhyitä nauloja käytettäessä. Lisäksi naulojen
asentaminen luiskan yläosaan on työteknisesti helpompaa kuin alaosaan. Näin ollen
valitaan jatkotarkasteluun edellä mainittu neljästä 12 m pitkästä naulasta koostuva
vaihtoehto
9.5.4
Jatkoanalyysi
Jatkoanalyysilla täytyy selvittää muiden kuin vetokapasiteetin ylittymisestä seuraavien
murtumismekanismien mahdollisuus. Analyysi voidaan tehdä Multi-Criteria menetelmää
käyttäen. Tarkastelussa on mukana neljä erilaista murtumistapausta:
[1]
Naulan ja maan välisen sidoksen pettäminen
[2]
Maan leikkautuminen naulan alla
[3]
Naulan murtuminen vetojännityksestä
[4]
Naulan murtuminen taipumalla tai leikkautumalla
Ensimmäinen [1], naulan ja maan sidoksen pettämistä koskeva tarkastelu tehtiin GeoCalc laskennan yhteydessä. Muiden osalta viitataan julkaisuun Nordic Guidelines For
Reinforced Soils And Fills.
10.
Herkkyystarkastelun tekeminen
10.1 Yleistä
Geoteknisessä mitoituksessa on usein tarpeen tehdä herkkyystarkastelu, eli tutkia
parametrien vaihtelun vaikutusta mitoitukseen. Stabiliteettilaskennassa tämä tehdään
yleensä varioimalla maan lujuusparametreja. Tämän lisäksi voi olla tarpeen varioida
esimerkiksi pohjavedenpintaa tai yleisesti huokosvedenpainetta. Ohjelmassa on
mahdollista tehdä automaattisesti herkkyystarkastelu lujuusparametrien osalta.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
40(41)
Lujuusparametreja voidaan varioida joko jonkin yksittäisen maakerroksen osalta, tai
kaikkien maakerrosten osalta. Herkkyystarkastelu löytyy Advanced välilehdeltä
10.2 Herkkyystarkastelu laskentaesimerkille 1
Tarkastellaan kohdan 3 laskentaesimerkin 1 perustapausta, kuva 3.13. Esimerkissä on
vain yksi maakerros, jossa lujuus on annettu sekä koheesion että kitkakulman avulla.
Tehdään herkkyystarkastelu olettaen, että lujuusparametrit voivat vaihdella ±30%. Kuvan
3.13 mukaan, on perustapauksen varmuus F = 1,94. Mikäli sekä koheesion, että
kitkakulman arvo olisi 70% alkuperäisestä, olisi varmuus samalle liukupinnalle 0,7*1,96 =
1,37. Vaarallisin liukupinta voi kuitenkin hakeutua eri paikkaan, jolloin sitä vastaava
varmuus voi olla tätä pienempi. Oleellista voi olla myös tarkastella tilannetta, missä
koheesion arvo ainoastaan pienenee alkuperäisestä. Tätä varten ohjelma varioi erikseen
kitkakulman ja koheesion arvot. Kuvassa 10.1 on esitetty herkkyystarkastelun parametrien
antaminen. Laskenta tehdään nyt suhteellisilla lujuusarvoilla 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2 ja
1,3. Koska ohjelma varioi kitkakulman ja koheesion erikseen on laskentatapauksia nyt 7*6
=42.
Kuva 10.1
Herkkyystarkastelun lähtöarvojen syöttäminen Advanced välilehdellä.
Herkkyystarkastelun tulokset on esitetty kuvassa 10.2. Tarkat varmuusluvut eri
lujuusvaihtoehdoilla löytyvät Report välilehden Slope Result kohdasta.
Kuva 10.2
Herkkyystarkastelun tulokset.
10.3 Herkkyystarkastelu yhdelle maakerrokselle
Tarkastellaan kohdan 3 laskentaesimerkin 1 tapausta, jossa geometriaan on lisätty heikko
maakerros sekä pohjavedenpinta. Vaarallisimmat liukupinnat hakeutuivat
laskentaesimerkissä kyseiseen heikkoon kerrokseen. Tällaisissa tapauksissa epävarmuus
maan lujuusparametreista voi kohdistua tuohon yhteen heikkoon maakerrokseen. Tehdään
seuraavaksi herkkyystarkastelu tapauksella, että heikon kerroksen kitkakulmanvaihtelu on
±30%. Koska koheesion arvo nolla, ei sen vaihtelulla ole merkitystä. Koska
herkkyystarkastelu tehdään vain yhden maakerroksen lujuudelle, valitaan Advanced
välilehdeltä vaihtoehto For single soil layer ja arvoksi 2. Laskennan tulos on esitetty
kuvassa 10.3
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi
41(41)
Kuva 10.3 Heikon maakerroksen herkkyystarkastelun tulos. Kitkakulman suhteellisen
lujuuden annetulla vaihtelulla saadaan varmuudet 0,7 – 1,05, 0,8 – 1,09, 0,9 – 1,12, 1,0 –
1,15, 1,1 – 1,18, 1,2 – 1,21, 1,3 – 1,24.
_________________________________________________________________________________________________________
Vianova Systems Finland Oy
Vaisalantie 6
FIN-02130 Espoo
Puh (09) 2313 2100
Fax (09) 2313 2250
[email protected]
www.vianova.fi