Geotekniset parametrit ja infrarakenteiden mitoitusmenetelmät Suomessa ja Ruotsissa

Abstract

Geotekninen suunnittelu eroaa maiden välillä, vaikka eurokoodi on pyrkinyt yhtenäistämään mitoitusta. Työn tavoitteena on lisätä tietoisuutta Suomen ja Ruotsin mitoitusohjeiden ja laskennan eroavaisuuksista. Selvityksen perusteella voidaan arvioida Ruotsin mitoitusperiaatteiden hyödyntämistä sekä Suomessa. Työssä tarkasteltiin Suomen ja Ruotsin geoteknisiä parametrejä ja infrarakenteiden mitoituksessa penkereen stabiliteettia, painumaa, syvästabilointia, hydraulista murtumaa, antura- ja laattaperustuksia sekä paalutusta. Penkereen stabiliteetti ja painuma laskettiin suomalaisessa mitoituksessa GeoCalc -ohjelmalla ja ruotsalaisessa GeoSuite -ohjelmalla. Stabiliteetti laskettiin lisäksi GeoStudion Slope/W -ohjelmalla. Osavarmuuslukuvertailu suoritettiin antura- ja laattaperustukselle, paaluille ja pohjannousulle. Syvästabiloinnissa tarkasteltiin mitoitukseen liittyviä eroja. Mitoitus Ruotsissa tapahtuu yleensä DA3:lla mutta tähän löytyy poikkeuksia stabiliteettilaskennalle, paalujen geoteknisessä kantokestävyydelle ja ankkureille. Ruotsissa ei mitoiteta ollenkaan DA2*:lla ja Suomessa se on yleinen DA2:sen ohella.

Taulukoiduissa tilavuuspaino- ja kitkakulma-arvoissa ei havaittu suurta eroa. Suurimmat erot ovat painumaparametreissä. Primääripainumassa käytetään tangenttimoduulia molemmissa maissa mutta Ruotsissa Chalmers-menetelmässä sovelletaan moduulia suoraan, kun Suomessa Ohde-Janbu perustuu sitä kuvaaviin parametreihin β ja m. Tämä menetelmä on käyttäjäystävällisempi ja ei altista yhtä helposti virheille. Ruotsissa suositaan suhteelliseen muodonmuutokseen eikä huokoslukuun perustuvia malleja vedenjohtavuudelle ja sekundääripainumalle. Muuttuva vedenjohtavuusmalli kuvaa paremmin todellisuutta ja on käytössä Ruotsissa, kun Suomessa yhä käytetään usein konsolidaatiokerrointa c_v. Sekundääripainuman laskennassa on Ruotsissa aikavastukseen r_s ja sekundääripainumavakioon α_s perustuva laskenta, kun Suomessa käytetään kansainvälisesti tunnettua sekundääripainumaindeksiä C_α.

Stabiliteettilaskennassa Ruotsalainen laskenta antaa konservatiivisempia arvoja. Ruotsissa on suoritettava suljetun analyysin lisäksi aina yhdistetty analyysi (ns. kombinerad analys). Kokonaisvarmuusmenetelmää suositaan (erityisesti suljetussa ja avoimessa analyysissä) edelleen, vaikka se voidaan myös muissa kuin Trafikverketin projekteissa laskea Suomen tapaan DA3:lla. Syvästabiloinnissa on useita eroja mitoituksessa esim. Ruotsissa on aina laskettava stabiliteettitarkastelussa suljettu analyysi ja yhdistetty analyysi, jossa huomioidaan kaikki kolme pohjavahvistetun blokin leikkauslujuus yhdistelmää (τ_fuk,τ_fdk,τ_fduk). Suomessa on sovellettu enemmän ja kuorman kesto vaikuttaa vaadittaviin analyyseihin (liikennekuormalle suljettu analyysi) sekä kuorman jakautumiseen pilareille.

Geotechnical dimensioning differs within countries even if Eurocode has strived towards a more unified design process. Therefore, the goal of this thesis is to increase the knowledge of design instructions and dimensioning differences in Finland and Sweden. Based on this research, the utilization of Swedish design principles can be estimated in Finnish design. In this thesis, the determination of Finnish and Swedish geotechnical parameters and infrastructure related dimensioning including stability, settlement, deep stabilization, foundations, piles and hydraulic failure were studied. Stability and settlement calculation of an embankment were performed according to design instructions in Finnish praxis in GeoCalc and Swedish praxis in GeoSuite. Stability was also calculated in Slope/W (2D) which is a common program in Swedish practice. Additionally, partial safety factor comparison was executed regarding foundations, piles and hydraulic failure. A review of dimensioning differences in deep stabilization was performed. Dimensioning approach in Sweden is normally DA3 but there are exceptions for stability, anchors and geotechnical bearing capacity of piles. Finland designs most according to DA2/DA2*.

A noticeable difference in reference values for unit weight and friction angle was not found. However, the significant difference is defining the settlements parameters. Primary compression is based on tangent modulus in both countries but in Sweden Chalmers model it is directly applied in calculations. As in Finland, Ohde-Janbu applies parameters β ja m. Swedish approach is more user-friendly and is not as prone to user-based mistakes as Finnish method. Swedish practice prefers strain derived (not void ratio as internationally) models for permeability and secondary compression. The Swedish practice prefers changing permeability, which represents a more realistic soil behavior compared to constant consolidation coefficient cv, normally applied in Finland. There are two models for secondary compression in Sweden (time-resistance r_s and secondary compression coefficient α_s) as in Finland secondary compression index C_α is applied.

In stability calculations, the Swedish practice results in a more conservative factor of safety. An undrained analysis must be modelled in both countries. In addition, a combined analysis including undrained and drained parameters must be modelled in Sweden. Total safety factor method is still preferred in Sweden even though it can be calculated as, in Finland, with partial safety factor method DA3 in other projects than Trafikverket. Deep stabilization includes several differences in dimensioning eg. drainage analysis. In Sweden undrained and combined analysis must always be modelled. Combined analysis considers all three drainage analysis cases in pile deep stabilization and a mean shear strength value for the deep stabilized block is calculated (τ_fuk,τ_fdk,τ_fduk). As for in Finland, the instructions are more applied with load; The intensity of load impacts the chosen analysis (normally undrained for traffic load) and load distribution.