Turpeen suljettu leikkauslujuus stabiliteettilaskelmissa
Sainio, Santeri (2022)
Sainio, Santeri
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-12-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212018793
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212018793
Tiivistelmä
Suomen rataverkko on rakennettu pääosin 1800-luvun lopussa ja 1900-luvun alkupuoliskolla, jolloin käytössä olleet tekniikka ja resurssit ovat aiheuttaneet sen, että ratoja on entisaikaan perustettu turpeen varaan kelluvana. Tämä tarkoittaa sitä, että rata on perustettu suoraan pohjamaan varaan, eikä turvekerrosta ei ole poistettu ratapenkereen alta. Turve on eloperäinen maalaji, joka koostuu kuolleista suokasvien jäänteistä ja niiden välitilan täyttävästä vedestä.
Turvepehmeiköt rataverkolla ovat ongelmallisia, koska turvekerros ratapenkereen alla heikentää radan stabiliteettia eli varmuutta ratapenkereen sortumaa vastaan. Lisäksi radalla tehtävät muutostyöt saattavat johtaa ratapenkereen painumiseen ja jatkuvaan kunnossapitotarpeeseen.
Turpeen leikkausluutta mallinettaan stabiliteettilaskemissa tavallisesti suljetun leikkauslujuuden avulla, mutta turpeen suljetun leikkauslujuuden luotettava määrittäminen on haastavaa turpeen mineraalimaalajeista poikkeavan rakenteen vuoksi. Turpeen geoteknisiä ominaisuuksia on tutkittu suhteellisen vähän verrattuna mineraalimaalajien vastaaviin ominaisuuksiin.
Turpeen suljettua leikkauslujuutta mitataan Suomessa tavanomaisesti siipikairauksella. Siipikairaus ei kuitenkaan toimi ainakaan vähän maatuneessa raakaturpeessa optimaalisesti. Tässä tutkimuksessa tutkittiin turpeen suljettua leikkausluutta kolmesta ratapoikkileikkauksesta. Siipikairausten lisäksi turpeen suljetun leikkauslujuuden määrittämiseen käytettiin ensimmäistä kertaa Suomessa CPTu-kairauksia.
Turpeesta otettiin häiriintyneitä ja häiriintymättömiä näytteitä laboratoriokokeita varten. Laboratoriossa turpeen suljettua leikkauslujuutta tutkittiin ensi kertaa Suomessa DSS-kokeiden avulla. Lisäksi turpeelle tehtiin kolmiaksiaalisia puristuskokeita.
CPTu-kairauksella määritetyt suljetun leikkauslujuuden arvot täsmäävät hyvin samasta pisteestä siipikairalla mitattuihin suljettuihin leikkauslujuuksiin. CPTu-kairaus ei mittaa suoraan maan suljettua leikkauslujuutta, vaan maan suljettu leikkauslujuus lasketaan kairauksen kärkivastuksen perusteella. CPTu-kairausten otos oli pieni.
Eri tavoin määritettyjä suljetun leikkauslujuuden arvoja vertailtaessa huomattiin, että siipikairauksella mitatut suljetun leikkauslujuuden arvot ovat suurempia, kuin laboratoriokokein määritetyt arvot. Tämä voi johtua turvenäytteiden häiriintymisestä tai niin sanotusta skaalavaikutuksesta. Skaalavaikutuksella tarkoitetaan tarkasteltavan turvenäytteen/kappaleen kokoa, jolla näyttäisi olevan suuri merkitys turpeen suljetun leikkauslujuuden arvoon.
Laboratoriokokeiden perusteella arviotiin turpeen vesipitoisuuteen ja maatuneisuusasteeseen perustuvaa turpeen suljetun leikkauslujuuden kaavaa, jonka todettiin yliarvioivan turpeen suljettua leikkauslujuutta. Turpeen lujittumista penkereen alla käsittelevä kaava su = 0,4*σv puolestaan todettiin tutkimuksen tulosten perusteella paikkansa pitäväksi. Laboratoriokokeissa saatiin 5 % muodonmuutostasolla normalisoidun suljetun leikkauslujuuden keskiarvoksi suDSS = 0,36*σ’v ja suTX = 0,53*σ’v.
Stabiliteettilaskentoja tehtiin DSS-kokeissa määritettyihin suljettuihin leikkauslujuuksiin perustuen. Lisäksi laskentoja tehtiin suljetun leikkauslujuuden ADP-mallinnuksen avulla penkereen alta, ja myös turpeen laskennalliseen lujittumiseen perustuvalla kaavalla. Laskentamenetelminä käytettiin tavanomaisten ympyränmuotoisien liukupintojen lisäksi vapaamuotoisia liukupintoja.
Vapaamuotoiset liukupinnat vaikuttavat olevan turvepehmeiköillä selvästi vaarallisempia, kuin ympyränmuotoiset liukupinnat. Stabiliteettilaskennat tulisi aina tehdä vapaamuotoisilla liukupinnoilla, sillä siten löydetään varmasti vaarallisimman liukupinnan muoto. Liikenneviraston ohjeen mukainen tapa mallintaa pohjamaan lujittumista aiheuttaa ongelmia, kun stabiliteettia lasketaan vapaamuotoisilla liukupinnoilla. Finland's railway network is mainly built at the end of the 19th century and in the second half of the 20th century. The lack of resources and technique back then has caused the railways to be founded as floating embankments on peat. This means that the track has been founded directly on the subsoil, and the peat layer has not been removed from under the track embankment. Peat is an organic soil, which consists of the remains of dead bog plants and the water that fills the space between them.
Peat soils under the track network are problematic because the layer of peat under the track embankment weakens the stability of the track, i.e. safety against failure of the track embankment. In addition, any modification works on the track may lead to settlement of the track embankment and the need for constant maintenance.
The shear strength of peat is modeled in stability calculations using undrained shear strength, but reliable determination of the undrained shear strength of peat is challenging due to the different structure of peat from mineral soils. The geotechnical properties of peat have not been studied to the same extent as the properties of mineral soils.
In Finland, the undrained shear strength of peat is usually measured using field vane test. However, the field vane test does not work optimally in mildly decomposed raw peat. In this study the undrained shear strength of three track cross-sections was investigated. In addition to field vane tests CPTu soundings were used for the first time in Finland to determine the undrained shear strength of peat.
Disturbed and undisturbed peat samples were taken from the peat for laboratory testing. In the laboratory, the undrained shear strength of peat was studied for the first time in Finland using DSS tests. In addition, triaxial compression tests were performed on the peat.
The undrained shear strength values determined by CPTu soundings matched well with the reduced field vane tests undrained shear strength values measured from the same point. CPTu sounding does not directly measure the undrained shear strength of the soil. The undrained shear strength of the soil is calculated based on the tip resistance of the sounding. The amount of CPTu soundings done in this study was small.
When comparing the undrained shear strength values of different tests, it was noticed that the undrained shear strength values measured by field vane tests are higher than the values determined by laboratory experiments. This may be due to disturbance of the peat samples or the so-called scale effect. The scale effect refers to the size of the examined peat sample, which would seem to have a large effect on the value of the undrained shear strength.
Based on the results of the study, a correlation model for undrained shear strength based on water content and degree of decomposing of the peat was evaluated and found to overestimate the undrained shear strength based on the laboratory tests. On the other hand, the formula su = 0.4*σ’v dealing with the consolidation of peat under the embankment was found to give reliable values based on the results of the study. In the laboratory tests, suDSS = 0,36*σ'v and suTX = 0,53*σ'v were obtained as the average of normalized undrained shear strength at the 5% deformation level.
Stability calculations were made based on the undrained shear strength values of the DSS tests. In addition, calculations were made using the undrained shear strength ADP model under the embankment, and with a formula based on the calculated consolidation of the peat. Both circular and non-circular slip surfaces were evaluated. Non-circular slip surfaces seem to be clearly more dangerous on peat than circular ones. Stability calculations should always be done using non-circular slip surfaces to find the most critical slip surface. The Finnish Transport Agency method for dividing the subsoil into vertical strength zones causes problems in stability analysis with non-circular slip surfaces.
Turvepehmeiköt rataverkolla ovat ongelmallisia, koska turvekerros ratapenkereen alla heikentää radan stabiliteettia eli varmuutta ratapenkereen sortumaa vastaan. Lisäksi radalla tehtävät muutostyöt saattavat johtaa ratapenkereen painumiseen ja jatkuvaan kunnossapitotarpeeseen.
Turpeen leikkausluutta mallinettaan stabiliteettilaskemissa tavallisesti suljetun leikkauslujuuden avulla, mutta turpeen suljetun leikkauslujuuden luotettava määrittäminen on haastavaa turpeen mineraalimaalajeista poikkeavan rakenteen vuoksi. Turpeen geoteknisiä ominaisuuksia on tutkittu suhteellisen vähän verrattuna mineraalimaalajien vastaaviin ominaisuuksiin.
Turpeen suljettua leikkauslujuutta mitataan Suomessa tavanomaisesti siipikairauksella. Siipikairaus ei kuitenkaan toimi ainakaan vähän maatuneessa raakaturpeessa optimaalisesti. Tässä tutkimuksessa tutkittiin turpeen suljettua leikkausluutta kolmesta ratapoikkileikkauksesta. Siipikairausten lisäksi turpeen suljetun leikkauslujuuden määrittämiseen käytettiin ensimmäistä kertaa Suomessa CPTu-kairauksia.
Turpeesta otettiin häiriintyneitä ja häiriintymättömiä näytteitä laboratoriokokeita varten. Laboratoriossa turpeen suljettua leikkauslujuutta tutkittiin ensi kertaa Suomessa DSS-kokeiden avulla. Lisäksi turpeelle tehtiin kolmiaksiaalisia puristuskokeita.
CPTu-kairauksella määritetyt suljetun leikkauslujuuden arvot täsmäävät hyvin samasta pisteestä siipikairalla mitattuihin suljettuihin leikkauslujuuksiin. CPTu-kairaus ei mittaa suoraan maan suljettua leikkauslujuutta, vaan maan suljettu leikkauslujuus lasketaan kairauksen kärkivastuksen perusteella. CPTu-kairausten otos oli pieni.
Eri tavoin määritettyjä suljetun leikkauslujuuden arvoja vertailtaessa huomattiin, että siipikairauksella mitatut suljetun leikkauslujuuden arvot ovat suurempia, kuin laboratoriokokein määritetyt arvot. Tämä voi johtua turvenäytteiden häiriintymisestä tai niin sanotusta skaalavaikutuksesta. Skaalavaikutuksella tarkoitetaan tarkasteltavan turvenäytteen/kappaleen kokoa, jolla näyttäisi olevan suuri merkitys turpeen suljetun leikkauslujuuden arvoon.
Laboratoriokokeiden perusteella arviotiin turpeen vesipitoisuuteen ja maatuneisuusasteeseen perustuvaa turpeen suljetun leikkauslujuuden kaavaa, jonka todettiin yliarvioivan turpeen suljettua leikkauslujuutta. Turpeen lujittumista penkereen alla käsittelevä kaava su = 0,4*σv puolestaan todettiin tutkimuksen tulosten perusteella paikkansa pitäväksi. Laboratoriokokeissa saatiin 5 % muodonmuutostasolla normalisoidun suljetun leikkauslujuuden keskiarvoksi suDSS = 0,36*σ’v ja suTX = 0,53*σ’v.
Stabiliteettilaskentoja tehtiin DSS-kokeissa määritettyihin suljettuihin leikkauslujuuksiin perustuen. Lisäksi laskentoja tehtiin suljetun leikkauslujuuden ADP-mallinnuksen avulla penkereen alta, ja myös turpeen laskennalliseen lujittumiseen perustuvalla kaavalla. Laskentamenetelminä käytettiin tavanomaisten ympyränmuotoisien liukupintojen lisäksi vapaamuotoisia liukupintoja.
Vapaamuotoiset liukupinnat vaikuttavat olevan turvepehmeiköillä selvästi vaarallisempia, kuin ympyränmuotoiset liukupinnat. Stabiliteettilaskennat tulisi aina tehdä vapaamuotoisilla liukupinnoilla, sillä siten löydetään varmasti vaarallisimman liukupinnan muoto. Liikenneviraston ohjeen mukainen tapa mallintaa pohjamaan lujittumista aiheuttaa ongelmia, kun stabiliteettia lasketaan vapaamuotoisilla liukupinnoilla.
Peat soils under the track network are problematic because the layer of peat under the track embankment weakens the stability of the track, i.e. safety against failure of the track embankment. In addition, any modification works on the track may lead to settlement of the track embankment and the need for constant maintenance.
The shear strength of peat is modeled in stability calculations using undrained shear strength, but reliable determination of the undrained shear strength of peat is challenging due to the different structure of peat from mineral soils. The geotechnical properties of peat have not been studied to the same extent as the properties of mineral soils.
In Finland, the undrained shear strength of peat is usually measured using field vane test. However, the field vane test does not work optimally in mildly decomposed raw peat. In this study the undrained shear strength of three track cross-sections was investigated. In addition to field vane tests CPTu soundings were used for the first time in Finland to determine the undrained shear strength of peat.
Disturbed and undisturbed peat samples were taken from the peat for laboratory testing. In the laboratory, the undrained shear strength of peat was studied for the first time in Finland using DSS tests. In addition, triaxial compression tests were performed on the peat.
The undrained shear strength values determined by CPTu soundings matched well with the reduced field vane tests undrained shear strength values measured from the same point. CPTu sounding does not directly measure the undrained shear strength of the soil. The undrained shear strength of the soil is calculated based on the tip resistance of the sounding. The amount of CPTu soundings done in this study was small.
When comparing the undrained shear strength values of different tests, it was noticed that the undrained shear strength values measured by field vane tests are higher than the values determined by laboratory experiments. This may be due to disturbance of the peat samples or the so-called scale effect. The scale effect refers to the size of the examined peat sample, which would seem to have a large effect on the value of the undrained shear strength.
Based on the results of the study, a correlation model for undrained shear strength based on water content and degree of decomposing of the peat was evaluated and found to overestimate the undrained shear strength based on the laboratory tests. On the other hand, the formula su = 0.4*σ’v dealing with the consolidation of peat under the embankment was found to give reliable values based on the results of the study. In the laboratory tests, suDSS = 0,36*σ'v and suTX = 0,53*σ'v were obtained as the average of normalized undrained shear strength at the 5% deformation level.
Stability calculations were made based on the undrained shear strength values of the DSS tests. In addition, calculations were made using the undrained shear strength ADP model under the embankment, and with a formula based on the calculated consolidation of the peat. Both circular and non-circular slip surfaces were evaluated. Non-circular slip surfaces seem to be clearly more dangerous on peat than circular ones. Stability calculations should always be done using non-circular slip surfaces to find the most critical slip surface. The Finnish Transport Agency method for dividing the subsoil into vertical strength zones causes problems in stability analysis with non-circular slip surfaces.