Maahan asennettavan geopolymeerirakenteen soveltuvuus tärinän vaimentamiseen

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan geopolymeerirakenteen soveltuvuutta tärinän vaimentamiseen empiirisin ja numeerisin menetelmin. Työn tavoitteena on saada tietoa geopolymeerirakenteen vaimennustehosta tutkimuksen pohjasuhteissa. Työhön sisältyy kirjallisuustutkimus, koekohteessa tehdyt tärinämittaukset sekä koekohteen mallinnus Abaqus-elementtimenetelmäohjelmalla. Asumisen keskittymisen takia Suomessa joudutaan rakentamaan yhä enemmän huonoille maapohjille lähelle liikennöityjä rautateitä, jonka vuoksi tutkimuksen pääpaino on junatärinän aiheuttamassa värähtelyssä pehmeillä maapohjilla.

Koekohde sijaitsee Tampereen Jankassa. Alueen pohjamaa on pääosin hiekkaista silttiä ja hiekkamoreenia, mutta myös savisia pintakerroksia esiintyy. Koekohteen värähtelymittaukset suoritettiin sekä geopolymeeriseinän yli menevältä mittauslinjalta että neitseelliseltä nollamittauslinjalta. Molemmille mittalinjoille asennettiin geofonit herätteen kohdalle sekä 5 metrin ja 7,5 metrin päähän herätteestä. Mittauslaitteella saatiin mitattua värähtelyt kolmesta geofonista kerrallaan. Mittauksista 50 kpl tehtiin käyttämällä herätteenä pudotuslaitteen aiheuttamaa pistemäistä tärinäherätettä ja 8 kpl ohi kulkevien junien aiheuttamista herätteistä.

FEM-mallinnukset suoritettiin 2D-mallinnuksina Abaqus-ohjelmalla. Kaksiulotteinen malli tehtiin poikkileikkauksena geopolymeeriseinän keskikohdasta ja tärinäherätteenä käytettiin koekohteen mittauksista saatua värähtelynopeuden huippuarvoa. Vertailua varten mallinnettiin myös neitseellinen tilanne ilman seinän läsnäoloa. Sensitiivisyysanalyyseissa tarkasteltiin seinän paksuuden ja kimmomoduulin vaikutusta geopolymeeriseinän vaimennusominaisuuksiin.

Kirjallisuuden perusteella geopolymeerinseinän vaimennustehon odotettiin olevan heti seinän takana 42-65 %. Jankan koerakenne ei onnistunut suunnittellusti, jonka vuoksi mittaustuloksista ei saatu luotettavaa tietoa geopolymeeriseinän tärinänvaimennustehosta. Mallinnusten perusteella geopolymeeriseinä vaimensi tärinää kaikilla mallinnetuilla seinäpaksuuksilla 32-60 %, kun geopolymeerin kimmomoduuli erosi selvästi maan kimmomoduulista. 0,7 m:n seinäpaksuudella geopolymeerin vaimennusteho oli yli 42 % kaikilla tarkastelluilla kimmomoduulin arvoilla.

This thesis investigates the wave attenuation performance of a geopolymer structure using empirical and numerical methods. The aim of this study is to find knowledge of the screening performance of a geopolymer structure as a wave barrier in the test site soil conditions. This study consists of a literature study, experimental vibration measurements and finite element modelling using Abaqus. The research focuses on train induced vibrations on soft soils since Finland is becoming increasingly urbanized which drives to plan and build closer to the railways.

The test site is located in Janka, Tampere. The subgrade consists mainly on sandy silt and sandy till but also soft claye layers exists. The vibration measurements were executed on two survey lines, the first one going over the geopolymer structure and the other perpendicularly against the first line on the untouched soil. Both lines were equipped with three geophones: the first one close to the source of disturbance, the second one five meters from the source and the third one seven and a half meters from the source. The measuring unit was able to measure three geophones at once. 50 measurements were executed using the drop hammer as a source of disturbance and eight measurements were done to measure train induced vibrations.

The FEM-modelling was carried out as 2D-models using Abaqus-software. The two-dimensional model was executed as a cross section from the middle of the geopolymer barrier. The dynamic load was modelled as a peak value of the measured oscillation velocities. The initial situation was modelled for the reference analysis. The sensitivity analysis were conducted to establish the impact of the thickness and Young’s modulus of the geopolymer structure on the vibration screening performance.

According to literature it was expected for the geopolymer wave barrier to reach a screening effectivenes between 42 % to 65 % instantly behind the barrier. The structure on the test site did not come out as planned so the field measurements did not offer reliable information on the screening effectiveness of the geopolymer barrier. The FEM-calculations found the screening effectiveness between 32 % to 60 % for all the wall thicknesses with a low Young’s modulus. It was important that the Young’s modulus of the geopolymer differed notably from the Young’s modulus of the subsoil. With a wall thickness of 0,7 m the screening effectiveness was more than 42 % with every studied value of the Young’s modulus.