Denna artikel beskriver utfört arbete och utvalda resultat från den första delen av ett doktorandprojekt på Chalmers tekniska högskola. Syftet med projektet är att studera hur tidsberoende effekter till följd av schaktarbeten i lera, så som konsolidering av portrycksförändringar efter schakt och visköst materialbeteende, påverkar jordtryck mot geokonstruktioner. Artikeln fokuserar på de fältmätningar av jordtryck som utförts men belyser även ett urval av slutsatserna och lärdomarna från projektet så här långt. Det hittills utförda arbetet presenterades i sin helhet vid ett s.k. halvtidsseminarium i september 2020 med tillhörande rapport [1]. Projektet kommer framöver att studera hur inverkan av variabler såsom varierande geometri, byggtid och styvheter jordkonstruktion påverkar jordtryckets storlek, fördelning och utveckling med tid. Slutmålet är att komplettera eller ersätta dimensionering baserat på förenklade “faktormetoder” (exempelvis K0-faktor i dagens praxis/vägledningar) med normaliserade jordtrycksdiagram baserade på välgrundade numeriska studier.
Introduktion och bakgrund
När städer expanderar och förtätas ökar djupet och omfattningen av de schakter och konstruktioner under mark som krävs till exempel för omställningen till hållbara transportsystem. Komplexiteten för schakterna ökar ytterligare till exempel på grund av strikta krav på tillåtna deformationer i omgivande mark och anläggningar. Detta kan påverka jordtrycken inte enbart i byggskedet, utan även mot den permanenta konstruktionen i långtidsfallet [2, 3]. Då komplexiteten ökar krävs tillförlitliga prognoser av-seende jordtryck och deformationer i såväl bygg- som driftskedet. Prognoserna behöver inkludera relevanta egenskaper hos jordlagren och samverkan jord-konstruktion för att å ena sidan inte resultera i fördyringar (materialmängder), eller omvänt äventyra säkerheten och/eller öka underhållskostnaderna. Ökad kunskap om utvecklingen av jordtryck möjliggör således optimering av till exempel betongmängder och bidrar även till att öka möjligheterna för implementeringen av nya innovativa material och metoder.
En beskrivning av forskningens kontext ges i det följande. Vid schakter i lös lera har odränerad analys (i form av lerans odränerade skjuvhållfasthet, cu) ofta historiskt nyttjats som en ingenjörsmässig förenkling. Antingen i så kallade klassiska jordtrycksberäkningar med antagande om fullt utbildade gränsjordtryck enligt Rankine men även i Finita Element (FE) analyser. Dock är resultat från beräkningar grundade i odränerad analys endast giltiga för korttidsfallet. Detta beror på att schaktarbetena ger upphov till negativa ”stabiliserande” portrycksförändringar (som håller ihop kornskelettet) i den finkorniga leran. Dessa förändringar utjämnas dock med tid och stabilitetsförhållandena försämras. Den tid för vilken antagandet om odränerade förhållanden är giltig varierar med hänsyn till belastningssituation och jordlagrens egenskaper.
En annan viktig tidsberoende aspekt är lerans viskösa materialbeteende, vilket ger upphov till effekter som krypdeformationer, spänningsomlagringar och ”skenbart” (det vill säga beroende av belastningshastighet) ändrad flytyta, vilket avspeglas även i ”skenbart” ändrad cu och förkonsolideringstryck. Då tidsberoende studeras måste således en kombination av konsolidering av uppkomna portrycksförändringar och viskös respons beaktas. Principen illustreras schematiskt i figur2. Den viskösa responsen är i områden med pågående krypsättningar särskilt viktig för att kunna upprätta relevanta prognoser avseende differens-sättningar och jordtryck under en konstruktions livslängd.
Det är sannolikt att djupare schakter och komplexa projekt (sannolikt ökad genomförandetid och strikta deformationskrav) gör att antaganden så som design baserad på odränerad analys måste ifrågasättas samt lerans viskösa beteende beaktas. Ett annat antagande som bör studeras är design för permanenta horisontella jordtryck baserat på ”faktormetod” så som nyttjande av vilojordtryckskoefficienten, K0. Med design baserad på “faktormetod” hanteras principiellt samverkan jord-konstruktion rudimentärt som oberoende fjädrar utmed gränssnittet jordkonstruktion och jordtrycket relateras endast till jordlagrens densitet [4]. Jordmaterialets- och konstruktionens styvheter och möjlighet att omfördela jordtryck bortses ifrån. Det bortses även från byggskedets påverkan (schaktmetod, uppkomna rörelser, etc) på jordtrycken. Således riskerar förenklade metoder att missbedöma lasteffekten, vilket resulterar i fördyringar (C02-ekv & SEK) eller omvänt att säkerheten och konstruktionens livslängd äventyras.
2017 inleddes en förstudie [5] kring vertikala uppåtriktade jordtryck (så kallade svälltryck) vilket initierade doktorandprojektet för att mer ingående studera tidsberoende effekter av schakt i lös lera. Doktorandprojektets huvudsyfte är att utveckla konceptuella modeller och designmetoder/diagram för jordtryck mot konstruktioner i lera. Detta för att studera om optimering (reducerade osäkerheter) kan erhållas jämfört med dagens förenklade praxis/vägledningar (till exempel K0-faktormetod). En genomförandemetodik enligt nästa stycke har tillämpats i projektet.
Läs hela artikeln i Bygg & teknik nr 1/2021.
Artikelförfattare Johannes Tornborg, Skanska & Chalmers tekniska högskola Mats Karlsson, Chalmers tekniska högskola Anders Kullingsjö, Skanska Minna Karstunen, Chalmers tekniska högskola
