Tieliikennekuormien soveltaminen 2D-stabiliteettilaskentaohjelmassa

Abstract

Geotekniikassa kuormakaavioita käytetään mallintamaan liikenteestä aiheutuvia kuormia tie- ja ratapenkereiden päällä. Kuormakaavioiden kehitys perustuu usein ajoneuvojen suurimpien sallittujen kokonaismassojen arvoihin sekä ajoneuvojen painoista tehtyihin mittauksiin. Nykyisin geoteknisessä suunnittelussa hyödynnetään suunnitteluohjeen NCCI7 mukaista tieliikenteen kuormakaaviota, joka sisältää raskaan liikenteen vaikutusta esittävän 40 kN/m2 suuruisen tasaisen kuorman. Tämän kuorman leveys on 3 m ja pituus on tiepenkereen pituus-suunnassa 5 m. Koska raskaan liikenteen kuorman ala on kahdessa suunnassa rajoitettu, se voidaan esittää oikein 3D-stabiliteettilaskentaohjelmassa, mutta 2D-stabiliteettilaskentaohjelmassa voidaan esittää vain sen leveys tai pituus, mutta ei molempia. Tämä puolestaan aiheuttaa liian pieniä varmuuskertoimien arvoja, kun käytetään 2D-laskentaohjelmaa. Tässä työssä selvitettiin, miten eurokoodin suunnitteluohjeen NCCI7 mukaista tieliikenteen kuormakaaviota täytyisi muuttaa 2D-stabiliteettilaskentaohjelmassa, jos sen halutaan vastaavan vaikutuksiltaan tuloksia, jotka saadaan käyttämällä kuormakaaviota 3D-stabiliteettilaskentaohjelmassa. Laskentakohteina käytettiin tiepengertä tasaisella pohjamaalla, sivukaltevalla pohjamaalla sekä tasaisella pohjamaalla, jossa pehmeikkökerros oli ohut. Lisäksi laskentakohteina oli kaksi sillan tulopengertä: Ensimmäisessä mallissa oli leikkausluiska ja toisessa mallissa pohjamaa oli tasainen ja tulopenkereessä oli etuluiska. Pohjamaatyyppejä oli neljä: kolme, jossa käytettiin suljetun tilan parametrejä ja suljetun leikkauslujuuden arvot olivat erisuuruisia, ja yksi, jossa käytettiin tehokkaita parametrejä ja huokosveden ylipaineen parametriä. Tehokkaita parametrejä käytettiin vain laskentakohteessa, jossa tiepenger oli tasaisella pohjamaalla ja pehmeikkökerros ei ollut ohut. Laskentatapauksissa käytettiin kolmea tiepenkereen korkeutta välillä 1,5 m - 3,0 m. Laskennat tehtiin LEM-menetelmää käyttävillä stabiliteettilaskentaohjelmilla: Rocscience Slide 6 -ohjelmalla, jossa malli tehdään kaksiulotteisena, sekä Rocscience3 2019 -ohjelmalla, jossa malli tehdään kolmiulotteisena. Laskennoissa käytettiin vain Morgenstern-Price- ja GLE-menetelmää. Kaikissa laskennoissa käytettiin eurokoodin SFS-EN1997-1 kansallisen liitteen (LVM) mukaista osavarmuusmenettelyä DA3 murtorajatilassa STR/GEO. Laskentakohteessa, jossa tiepenger oli tasaisella pohjamaalla ja pehmeikkökerros ei ollut ohut, tehtiin myös vertailuja vapaan muotoisen ja ympyrän- tai pallonmuotoisen liukupinnan välillä sekä liukupinnan sijainnin hakumenetelmien välillä. Kaikista matalimmat ODF-arvot saatiin käyttämällä vapaan muotoista liukupintaa. Tästä syystä vapaan muotoista liukupintaa käytettiin kaikissa muissakin laskentakohteissa. Laskentakohteissa haettiin kuorman arvo, joka raskaan liikenteen aiheuttaman 40 kN/m2 kuorman tilalle täytyi sijoittaa 2D-laskentaohjelmassa, jotta saavutettiin ODF-arvo, joka saatiin 3D-laskennasta käyttämällä kuormakaaviota. Tämä vastaava kuorman arvo oli keskimäärin 15-30 kN/m2 laskentatapauksessa, jossa tiepenger oli tasaisella pohjamaalla ja pehmeikkökerros ei ollut ohut. Lopuksi työssä vertailtiin neljää kuormakaaviota keskenään. Yhteen näistä kuormakaavioista sijoitettiin tieliikenteen mittaustuloksiin perustuvat telikuormien arvot. ODF-arvojen tulokset, jotka saatiin käyttämällä eurokoodin suunnitteluohjeen NCCI7 kuormakaaviota vastasivat keskimäärin tuloksia, jotka saatiin käyttämällä kuormakaaviota, johon sijoitettiin mittaustuloksia. Tiepenkereelle voidaan tämän tutkimuksen perusteella käyttää arvoja välillä 25 kN/m2 - 30 kN/m2. Vastaavan kuorman arvo laskee, kun tarkasteltavan tiepenkereen korkeus kasvaa. Ohuen pehmeikkökerroksen laskentatapauksesta saatiin odottamattomia tuloksia ja ne tulisi tarkistaa käyttämällä FEM-menetelmää. Eurokoodin suunnitteluohjeen NCCI7 kuormakaavion soveltaminen 2D-laskennassa tuottaa pienempiä ODF-arvojen tuloksia verrattuna 3D-laskentaan.