Maanpainerakenteisiin kohdistuvien liikennekuormien suunnitteluarvojen verifiointi

Abstract

Teiden tai muun liikenteen läheisyydessä sijaitsevien kaivantojen tuennassa käytetään usein erilaisia maanpainerakenteita, kuten tukiseiniä. Tukiseinään kohdistuvat ajoneuvojen aiheuttamat kuormat kuvataan laskentamalleissa usein erilaisilla kuormakaavioilla, koska ajoneuvokuormien käyttö laskentamalleissa sellaisenaan ei onnistu niiden monimutkaisuuden takia. Geoteknisessä suunnittelussa hyödynnetään nykyisin eurokoodin soveltamisohjeessa NCCI7 esitettyä kuormakaaviota, joka sisältää 5 m pitkän ja 3 m leveän 40 kPa kuormitusalueen, jota ympäröi muualla tiealueella 9 kPa tasainen kuorma. Koska eurokoodin soveltamisohjeessa NCCI7 esitetty kuormakaavio on rajoitetun suuruinen pituus- ja leveyssuunnassa, ei sitä kyetä sellaisenaan käyttämään kaksiulotteisessa suunnittelumallissa. Kolmiulotteinen laskentamalli on sen sijaan hyvin monimutkainen ja raskas, mikä voi tehdä siitä suunnittelun kannalta epäkäytännöllisen. Tässä työssä tutkittiin, millä tasaisilla liikennekuormituksilla 2D-laskennassa saadaan samankaltaisia laskentatuloksia kuin 3D-laskennassa eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 kuormakaaviota käyttäen tukiseinällä tuetussa kaivannossa tiepenkereen läheisyydessä. Laskentamallissa verrattiin tukiseinään kohdistuvaa maanpainetta, tukiseinän momenttia ja vaakasiirtymää sekä ankkurivoimia eri laskentatapausten välillä. Lisäksi tutkittiin laskentatilanteiden kokonaisvarmuus murtoa vastaan. Laskennat suoritettiin kallioankkuroidulle sekä vastaponttiin ankkuroidulle tukiseinälle silttimaassa ja savisessa silttimaassa. Laskentatilanteessa käytettiin 1 m paksua tiepengertä ja tuloksia vertailtiin 2 m, 4 m ja 6 m syvillä kaivannoilla. Laskennat suoritettiin FEM-menetelmällä Plaxis 2D ja Plaxis 3D -ohjelmistoilla. Tukiseinään kohdistuvaa vaakajännitystä eli maanpainetta tutkittiin vain kallioankkuroidulle tukiseinälle silttimaassa ja savisessa silttimaassa. Maanpainetta tutkittaessa havaittiin, että 3D-laskennoissa eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 kuormakaaviolla aktiivipaine oli silttimaalla 10 kPa ja savisella silttimaalla 20 kPa suurempi kuin 2D-laskennoissa 20 kPa tasaista kuormaa käytettäessä. Suurempi aktiivipaine 3D-laskennassa johtuu NCCI7 kuormakaaviossa sijaitsevasta 40 kPa paikallisesta kuormasta, jonka kohdalta maanpainetta on mitattu. Passiivipuolella 2D- ja 3D-laskennoissa saatiin samankaltaisia tuloksia kuormakaavioiden eroista huolimatta. Tukiseinän momenttia ja vaakasiirtymää sekä ankkurivoimia tutkittiin sekä kallioankkuroidulla että vastaponttiin ankkuroidulla tukiseinällä silttimaassa ja savisessa silttimaassa. 3D-laskennassa käytettiin eurokoodin soveltamisohjeen NCCI7 kuormakaavion lisäksi referenssinä myös SFS-EN 1991-2 kuormakaaviota LM1, mutta se ei sellaisenaan sovellu geoteknisten ongelmien ratkaisemiseen suurten ja lähes pistemäisten rengaskuormitusten vuoksi. 3D-laskennassa NCCI7 kuormakaaviolla saatuja tuloksia tukiseinän momentille, vaakasiirtymille ja ankkurivoimille verrattiin 2D-laskennassa 15 kPa, 20 kPa ja 25 kPa tasaisilla kuormilla saatuihin tuloksiin. 2D-laskennan tuloksista 20 kPa tasaisella kuormalla saadut arvot vastasivat parhaiten 3D-laskennan NCCI7 kuormakaaviolla saatuja tuloksia. 2D-laskennassa saatiin 20 kPa tasaisella kuormalla pääasiassa hieman suurempia arvoja kuin 3D-laskennassa NCCI7 kuormakaaviolla, mutta kallioankkuroidulla tukiseinällä silttimaassa 20 kPa tasainen kuorma antoi hieman pienempiä arvoja kuin NCCI7 kuormakaavio. Kyseisessä tilanteessa NCCI7 kuormakaaviolla tukiseinän kokonaisvarmuus murtoa vastaan vastasi kuitenkin 20 kPa tasaista kuormaa. Muissa laskentatapauksissa NCCI7 kuormakaaviolla saadut varmuuskertoimet olivat hieman suurempia kuin 20 kPa tasaisella kuormalla. Lisäksi tutkittiin, vaikuttaako silttiä jäykempi maa siihen, mikä tasainen kuorma vastaa parhaiten NCCI7 kuormakaaviota. Myös tiiviillä hiekkakerroksella 2D-laskennassa 20 kPa tasaisella kuormalla saadut tulokset vastasivat parhaiten 3D-laskennassa NCCI7 kuormakaaviolla saatuja tuloksia.