Häiriintymättömän näytteenoton kehittäminen: Siltti- ja hiekkamaat

Abstract

Yksi merkittävimmistä geoteknisten maaperätutkimusten haasteista on laadukkaiden ja häiriintymättömien näytteiden saaminen etenkin karkearakeisimmista maalajeista, kuten silteistä ja hiekoista. Luotettavat laboratoriotutkimukset ja niistä määritetyt geotekniset parametrit ovat hyvin riippuvaisia näytteiden laadusta. Perinteisesti näytteet voidaan jakaa häiriintyneisiin ja häiriintymättömiin näytteisiin ja tätä jaottelua on käytetty muu muassa vanhassa vuonna 1984 julkaistussa Suomen Geoteknillisen Yhdistyksen Kairausoppaassa III. Esimerkiksi maan lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksien luotettava arvioiminen on mahdollista vain häiriintymättömistä näytteistä. Ongelmallista on kuitenkin, että myös häiriintymättömät näytteet ovat laadullisesti erilaisia, ja etenkin karkearakeisimmista maalajeista hyvälaatuisten näytteiden saaminen on usein haastavaa. Nykyisessä Eurokoodijärjestelmän mukaisessa luokittelussa maanäytteet jaetaankin tarkemmin viiteen eri laatuluokkaan: 1, 2, 3, 4 ja 5 sekä näytteenottokategoriaan: A, B, C, D ja E. Näytteenotto on monivaiheinen prosessi ja näytteiden laadussa voi tapahtua muutoksia kaikissa vaiheissa joko ennen varsinaista näytteenottoa, näytteenoton aikana tai vasta näytteenoton jälkeen. Näytteiden häiriintymisen on esitetty aiheutuvan mekaanisista ja näytteen jännitystilassa tapahtuvista muutoksista sekä muutoksissa näytteen ainesoissa tai kemiallisessa koostumuksessa. Mekaanisiin muutoksiin voidaan vaikuttaa muun muassa näytteenottimen rakenteen avulla. Merkittäviä tekijöitä ovat etenkin näytteenottimen leikkuukärjen muotoilu, näyteputken halkaisija, pinta-alasuhde, mahdollinen sisälaajennussuhde, näytteen kokonaispituus sekä seinäkitka maan ja näyteputken välissä. Jännitystilan muutoksiin vaikuttavat esimerkiksi käytettävä näytteenottomenetelmä, näytteenottimen toimintaperiaate, säilytyksen ja kuljetuksen aikaiset menettelyt sekä näytteen valmistelu laboratoriotutkimuksia varten.

Tässä diplomityössä keskitytään näytteenoton aikaiseen häiriintymisen vähentämiseen silteissä ja hiekoissa. Työssä vertaillaan Suomessa yleisimmin käytettyjä näytteenottomenetelmiä keskenään ja kehitetään näytteenottoa siten, että näytteiden häiriintymistä saataisiin pienennettyä ja näytteenottimia muokattua paremmin siltti- ja hiekkamaille sopiviksi. Tutkimuksessa otetaan vertailunäytteitä ST1-, ST2- ja TUT132 mm -putkinäytteenottimilla pohjatutkimusalueella Porissa Ulvilassa. Lisäksi ST1- ja ST2-näytteenottimia käytetään Tampereen Finninmäen pohjatutkimusalueella. Erilaiset putkinäytteenottimet ovatkin Pohjoismaissa yleisimmin käytettyjä näytteenottomenetelmiä. Karkearakeisissa maalajeissa yleisesti havaittu ongelma on näytteen tippuminen näyteputkesta ylösnoston aikana, minkä vuoksi leikkuukärjen alaosaan on kehitetty sulkijamekanismeja. Toisaalta näyteputkien ja maanäytteen välinen kitkavoima voi myös vaikeuttaa näytteenottoa.

Tutkimuksessa näytteiden laatua arvioidaan mikro-CT röntgenkuvantamisen, bender element -mittausten sekä CRS-kokeiden avulla. Tutkimuksen yksi merkittävimmistä havainnoista oli näytteiden tippumisen sijaan näytteiden tiivistyminen eli niin sanottu tulppaantuminen näytteenoton aikana. Tulppaantumista vähennettiin polymeeriliukasteella, kun taas liuskasulkijan havaittiin voimistavan ilmiötä selvästi. Laboratoriotulosten perusteella voitiin päätellä, miten maan tiivistymisen aiheuttama näytteen häiriintyminen voi aiheuttaa esikonsolidaatiojännityksen ja ylikonsolidoituneen alueen moduulin M suurenemisen suhteessa häiriintymättömiin näytteisiin. Havainto on päinvastainen verrattuna savimailla usein havaittuun häiriintymiseen. Mikro-CT röntgenkuvantaminen soveltui hyvin myös maanäytteiden laadulliseen arviointiin.