Maaluiskan ja penkereen stabiliteetin laskeminen LRFD-menetelmällä : Vertailu mitoitusohjeiden Eurokoodi 7:n ja CSA S6-19 välillä

Abstract

Maanrakentamisessa tulee usein tilanteita, joissa luiskan tai penkereen sortumavaaraa tulee tarkastella. Tätä tarkastelua kutsutaan geotekniikassa stabiliteettilaskennaksi. Stabiliteettilaskenta voidaan jakaa suljetun ja avoimen tilan laskentaan, joista kummatkin tapaukset yleensä tutkitaan. Laskenta voidaan suorittaa kokonaisjännityksillä (φ=0) tai tehokkailla jännityksillä (φ’-c’). Stabiliteettilaskennassa on useita teorioita, joista tässä työssä on esitetty Bishobin yksinkertaistettu menetelmä. Laskentateoriat ja maaparametrien määritys eivät ole täydellisiä ja sisältävät epävarmuutta. Tämä epävarmuus otetaan yleensä huomioon lisäämällä mitoitukseen varmuutta. Tässä työssä on esitelty Eurokoodi 7:n (EN 1997-1) ja Canadian Highway Bridge Design Code:n (CSA S6-19) mukaiset varmuusmenetelmät. Työn tarkoituksena oli vertailla CSA S6-19:n ja Eurokoodi 7:n mukaista mitoitusmenetelmää stabiliteettilaskennassa. Työssä vertailtiin mitoitusmenetelmien laskentatuloksia, jotta saataisiin tietoa, miten mitoitusmenetelmien tulokset eroavat toisistaan ja miten suunnitteluohjeet voisivat hyötyä toistensa ominaisuuksista. Tutkimus tehtiin vertailemalla CSA S6-19:n ja Eurokoodi 7:n mukaisia mitoitusmenetelmiä esimerkkilaskelmien avulla. Työssä laskettiin lyhytaikainen stabiliteetti suljetun leikkauslujuuden avulla ja pitkäaikainen stabiliteetti tehokkaiden jännitysten avulla. Stabiliteetti laskettiin käyttämällä Bishobin yksinkertaistettua menetelmää kuvitteelliselle penkereelle. Kuvitteellinen penger kuvasi kohdetta, jossa penkereen päällä on tieväylä. Mitoitusmenetelmiä vertailemalla todettiin, että CSA S6-19:n mukainen LRFD-mitoitusmenetelmä (Load and resistance factor design) antoi suuremman vapauden suunnittelijalle määrittää varmuusluvut eri kuormille ohjeessa annettujen minimi- ja maksimiarvojen väliltä. CSA S6-19 tarjosi myös enemmän kuormitusyhdistelmävaihtoehtoja kuin Eurokoodi 7:n mukainen ohje. Eurokoodi 7:n mukaisen osavarmuusmenetelmän etuna oli maaparametrien vaikutuksen painottaminen osavarmuuskertoimilla. CSA S6-19:n mukaisessa mitoitusmenetelmässä maan kestävyydelle annettiin yksi muuttuva kerroin, mikä ei mahdollistanut eri maaparametrien painottamista. Laskentatuloksia ja mitoitusmenetelmiä vertailemalla todettiin, että CSA S6-19:n mukainen mitoitusmenetelmä on pääsääntöisesti konservatiivisempi menetelmä kuin Eurokoodi 7:n mukainen mitoitusmenetelmä. Suurimpana syynä CSA S6-19:n mukaisen mitoitusmenetelmän konservatiivisuuteen on muuttuvien kuormien varmuuskertoimien suuruudet, jotka ovat huomattavasti suurempia kuin Eurokoodi 7:n mukaisessa mitoitusmenetelmässä. Laskennassa suuren eron tuo myös maan lujuuteen kohdentuva varmuus. Tehokkailla jännityksillä laskettaessa Eurokoodi 7:n mukaisessa mitoitusmenetelmässä maan lujuuteen kohdentuva varmuus on huomattavasti pienempi kuin CSA S6-19:n mukaisessa mitoitusmenetelmässä, minkä takia CSA S6-19:n mukainen mitoitusmenetelmä on konservatiivisempi maan lujuuden suhteen kuin Eurokoodi 7:n mukainen mitoitusmenetelmä. Suljetulla leikkauslujuudella laskettaessa laskentatulokset vastaavat enemmän toisiaan, mutta Eurokoodi 7:n mukainen laskenta antoi silti pienemmän stabiliteetin kuin yksikään CSA S6-19:n mukainen laskenta. Tuloksista pystyttiin päättelemään, että Eurokoodi 7:n mukainen laskenta antaa lähes aina suuremman stabiliteetin, paitsi tilanteessa, jossa lasketaan lyhytaikaista stabiliteettia suljetun leikkauslujuuden avulla, kuormitukset ovat hyvin pieniä ja pohjaolosuhteiden tuntemuksen taso on tavallinen tai korkea.