Deformation behaviour and permeability of soft Finnish clay

Abstract

Rakentaminen heikosti kantavan pehmeän saven varaan on yhä haaste geoteknisille suunnittelijoille. Tiheästi asutuilla alueilla joudutaan nykyisin entistä enemmän rakentamaan, alueille, joita ennen pidettiin rakentamiseen sopimattomina.

Toukoranta sijaitsee itäisessä Helsingissä lähellä Vantaan joen suuta. Alue havaittiin 1980-luvulla sopivaksi asutukselle, koska sen sijainti on niin edullinen lähellä Helsingin keskustaa. Alkuperäinen maanpinta oli n. lm merenpinnan alapuolella. Aluetta oli pidetty sopimattomana rakentamiseen paksujen pehmeiden maakerrosten takia ja siksi aluetta käytettiin lähinnä täyttöalueena. Helsingin kaupunki valtasi maan käyttöön täyttämällä alueen jäälle ajetun hiekan avulla 1985.

Vuoden 1995 lopussa Helsingin kaupunki teki alueelle koerakenteen, jossa oli matala penger ja kaivanto n. 20 m etäisyydellä toisistaan lähinnä sivusiirtymien tutkimista varten. Rakenteen käyttäytymistä mitattiin 3kk ajan marraskuusta 1995 helmikuuhun 1996. Tässä työssä on rakenteen käyttäytymistä analysoitu elementtimenetelmällä käyttäen Mohr-Coulombin mallia sekä myös sekundaaripainuman laskennan sisältävää pehmeän saven mallia. Vaiheittaisen rakentamisen johdosta on jouduttu tarkastelemaan sekä lyhytaikaista että pitkäaikaista käyttäytymistä. Koerakenteen mitatut ja lasketut sivusiirtymät vastaavat hyvin toisiaan.

Työn toisena osana oli saven vedenläpäisevyyden - ennen kaikkea vaakasuuntaisen vedenläpäisevyyden-määrittäminen laboratoriossa. Maan vaakasuuntainen vedenläpäisevyys on usein moninkertainen pystysuuntaiseen verrattuna. Työn yhteydessä kehitettiin ödömetrilaitteella tehtävää pystyojalla varustettua läpäisevyyskoetta. Työssä on esitetty laite- ja koejärjestelyt sekä mittaustuloksia.

Construction on natural soft soil deposits is still a challenge in geotechnical engineering. It gains even more importance as urban areas all over the world become more and more congested. For socio-economic development today’s construction projects are frequently built in those areas, which were considered unsuitable for construction work a couple of decades ago.

Toukoranta is situated in the eastern part of Helsinki near to the outlet of river Vantaa. The area was favoured for dwelling purposes by The City of Helsinki from the early eighties as it is near to the downtown of Helsinki. The original ground level was below sea more than 1 meter. The area was considered completely unsuitable for building purposes because of underlain soft soils, thereby served mainly as filling area. The City of Helsinki fully reclaimed the area by placing filling material over frozen sea in 1985. At the end of 1995 The City of Helsinki constructed a test embankment and an adjacent excavation to study the area. Finite element analyses were performed using Mohr-Coulomb model. Horizontal movements were measured from November 1995 to February 1996. This thesis is also based on finite element method using Mohr-Coulomb and Soft Soil Creep model. Long-term and short-term vertical and horizontal deformation have been analysed. Short-term horizontal movement agreed fairly well to the observed horizontal movement.

Accurate determination of the consolidation and permeability has important economic consequences. The second objective of this work is laboratory determination of horizontal permeability of soft Finnish clay. Most natural soft-clay deposits are more-or-less anisotropic with respect to their flow properties. Typically, the horizontal permeability or flow is higher than that for flow in the vertical direction. Therefore, when horizontal flow predominates, vertical drains generally give an additional benefit to time-settlement behaviour. An oedometer has been developed with vertical drain (VD) in the Laboratory of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Helsinki University of Technology, to take account the consolidation or time-settlement behaviour based on horizontal flow. Description of that oedometer and horizontal permeability results are presented.