BIG – forskning och utveckling med fokus

BIG, Branschsamverkan i Grunden, etablerades i slutet av 2013, genom att Trafikverket, Statens geotekniska institut, Kungliga tekniska högskolan, Chalmers tekniska högskola samt Luleå tekniska universitet, signerade ett samverkansavtal. Arbetet har nu, efter drygt 4 år, kommit in i en fas där resultaten av ett gemensamt systematiskt utvecklingsarbete blir allt tydligare. Denna artikel visar hur BIG inom de tre prioriterade forskningsinsatserna; Höghastighetsjärnväg, Hållbarhet och beständighet, samt Ökad produktivitet, kan visa på resultat som leder till bättre tekniska lösningar, sänkta kostnader och som bidrar till att uppfylla FN:s globala mål.

Figur 2: Höghastighetsjärnväg för hundra år sedan, vad krävs mer idag?

Höghastighetsjärnväg
Den prioriterade forskningsinsatsens mål är att hantera geotekniska frågeställningar för järnväg vid krav på mycket små deformationer under lång tid (upp till 100 år).
Det planeras för att bygga höghastighetsjärnväg i Sverige och för när-varande pågår arbetet med att hitta tekniska lösningar för att uppfylla de krav på hållbarhet och säkerhet som ställs på en ny anläggning. En av de kritiska frågorna är att säkerställa att deformationerna (totala och differenser) längs spårsträckningen är begränsad. Detta krav måste uppfyllas för att kunna garantera säkerhet och komfort för tågtrafiken. Ur geoteknisk synvinkel är detta en utmaning, då spårsträckningen dras över områden där de geotekniska förutsättningarna skiftar. Olika tekniska lösningar för grundläggningen kommer att krävas för att uppfylla kraven. En annan utmaning är att få en jämn övergång mellan olika tekniska lösningar.
Inom BIG har det genomförts/pågår totalt 9 projekt som bidrar till att öka kunskapen inom området. Två huvudområden har studerats; egenskaperna hos banken/bankmaterialet samt effekten av dynamiska laster. Samtliga projekt finns beskrivna på BIG’s hemsida (www.big-geo.se) med länkar till publicerade rapporter. Nedan ges ett axplock av resultat som kommit fram så här långt

• Antalet belastningscykler (från passerande järnvägstrafik) en lera kan motstå beror på lerans odränerade skjuvhållfasthet och förkonsolidering. Detta beaktas vid bedömning av behov av förstärkning.
• För att modellera själva bankens egenskaper har både DEM (Discret Element Model) och storskalig skjuvprovning utförts. Utifrån detta erhålls kunskap om hur grovkorniga material beter sig och vilka materialkrav som bör ställas på bankmaterial.
• Uppbyggnaden av banken är en kritisk faktor för att begränsa deformationer. Förutom krav på materialet så krävs packning som är anpassad till såväl bankmaterial som undergrund. Inom ramen för ett av BIG-projekten studeras olika packningsmetoder och hur de påverkar packningsresultat vid olika grundläggningsförutsättningar.
• Ur ett underhållsperspektiv behövs verktyg för att kunna identifiera områden där nedbrytning av bank/undergrund sker till följd av tid/klimatlast. I ett av BIG-projekten studeras möjligheten att använda data från mätning av hur egenfrekvensen förändras med tid längs bansträckning, för att identifiera kritiska områden där nedbrytning pågår.
• Hur stora variationer i styvhet hos undergrunden kan accepteras? I ett av BIG projekten studeras med numeriska modeller hur stora skillnader som kan accepteras med bibehållen operativ förmåga hos spåret.

Bilden av hur kraven för höghastighetjärnväg ska uppnås börjar klarna, men för att skapa ytterligare kunskap så planeras preliminärt ytterligare 5 projekt inom ämnesområdet. Redan nu noteras hur projekten gemensamt skapar en tydligare bild av frågeställningen.

Figur 3: Hållbarhet och beständighet – väl(t) byggt håller längre.

Hållbarhet och beständighet
Den prioriterade forskningsinsatsens mål är att studera effekten på den tekniska lösningen av tid, förändringar i klimat och miljö samt ändrade lastförutsättningar. Målet är även att skapa en effektiv resursanvändning, med miljövänliga tekniker.
Klimatförändringarnas omfattning och utbredning kan diskuteras, men oavsett behöver vi en ökad kunskap om hur befintliga anläggningar och geokonstruktioner påverkas när temperaturen förändras, frost-töcyklerna blir fler och nederbördens intensitet och omfattning förändras.
Förutom klimatförändringarna så diskuteras även möjligheten att för vissa vägar tillåta tyngre trafik än idag. Den fråga som då måste besvaras är hur detta påverkar befintliga geokonstruktioner.
Inom ramen för BIG är det totalt 18 projekt som genomförts eller pågår som relaterar till dessa frågeställningar. Projekten har olika infallsvinklar och bidrar gemensamt till en ökad kunskap för att säkerställa hållbara och beständiga geokonstruktioner även i framtiden. Nedan ges ett axplock av resultat som kommit fram så här långt;

• Befintliga anläggningar är i flera fall projekterade utifrån äldre regelverk där andra krav och förutsättningar gällde. En metodik behövs för att kunna identifiera delområden längs våra vägar/järnvägar som ur ett riskperspektiv är i störst behov av åtgärder för att uppfylla kraven på säkerhet, hållbarhet och beständighet. Här pågår BIG projekt med målsättning att implementera en metodik.
• Sulfidjordar hanteras i flera olika BIG projekt, med fokus på att öka kunskapen om hur sättningar utbildas, hållfastheten ökar med tiden samt om klassiska förstärkningsmetoder är tillämpbara. Ett av BIG projekten har visat att KC-pelare är ett möjligt förstärkningsalternativ även i sulfidjordar.
• Byggnation inom torvområden utgår i stor utsträckning från erfarenhet och dessa erfarenheter har summerats i en vägledande rapport publicerad inom ramen för ett BIG-projekt. I ett annat BIG-projekt pågår arbete för att öka kunskapen om brottmekanismer och deformationer i torv. Målsättningen är att få ett bättre underlag för projektering av infrastruktur inom torvområden.
• För att kunna bedöma behovet av åtgärder och när dessa ska sättas in, så behövs bättre prognoser för hur geokonstruktionens beteende förändras med tiden. Här genomförs dels BIG-projekt med syfte att skapa bättre kunskap och modeller för att kunna prognostisera beteendet vid förändrade förutsättningar, dels BIG-projekt som studerar enskilda egenskapers förändringar. Här kan även BIG-projekt som fokuserar på att hitta effektiva uppföljningsmetoder omnämnas. Ett exempel är att idag används satellitmätningar som ett komplement till traditionell sättnings uppföljning.
• Vid nyinvestering och uppgradering av befintliga anläggningar så behövs ett verktyg för att kunna bedöma inte bara investeringskostnaden utan valda åtgärders totala kostnad sett över anläggningens livslängd. Här finns BIG-projekt som fokuserar på hur LCC-analyser ska kunna an-vändas i större utsträckning även för geokonstruktioner.

Många projekt har genomförts inom denna forskningsinsats och bidrar till att tydligare definiera vilka ytterligare frågor som bör belysas. För närvarande finns det 7 projektförslag som sannolikt kommer att genomföras, för att skapa en än mer komplett bild av frågeställningen.

Figur 4: Ökad produktivitet – traditionella metoder med förbättrad teknik.

Ökad produktivitet
Den prioriterade forskningsinsatsens mål är att utveckla nya tekniska lösningar (eller vidareutveckla befintliga), för såväl nyinvestering som underhåll. Målet är även att utveckla hållbara produktionsmetoder ur ett miljöperspektiv, med bibehållen produktivitet.
En stor del av nyinvesteringen i infrastrukturanläggningar sker inom tätbebyggt område vilket ställer krav på så väl produktionsmetoder som tekniska lösningar. Att bygga en robust anläggning på en yta där flera olika transportslag och verksamheter ska integrera är  en utmaning. Omgivningspåverkan under utförandet blir dessutom en allt viktigare aspekt, som ställer krav på en miljöanpassad produktion. Denna forskningsinsats har därför som målsättning att lyfta fram nya idéer som bidrar till lösningar för dessa utmaningar. Inom ramen för BIG är det totalt 15 projekt som genomförts eller pågår som relaterar till dessa frågeställningar. Nedan ges ett axplock av resultat som kommit fram så här långt;

• KC-pelare används traditionellt i Sverige för att begränsa sättningar och förbättra stabiliteten för väg- och järnvägsbankar. De projekt som nu genomförts visar att metoden har potential att vara ett komplement i samband stora schakter i lera. Metoden kan användas för att begränsa deformationerna och därmed ge en robustare lösning. En viktig aspekt för KC-pelare är kvaliteten hos den installerade pelaren. Inom ramen för olika BIG-projekt studeras möjligheten att använda såväl geofysiska metoder som traditionell jordbergsondering som kontrollmetoder. Vid dimensionering så betraktas det stabiliserade området som en volym med förbättrade egenskaper. I ett BIG-projekt studeras om detta synsätt ska kompletteras med studie av andra brottmekanismer, åtminstone för vissa tillämpningar.
• Om det ska vara möjligt att optimera de tekniska lösningarna så krävs god kunskap om de geotekniska förutsättningarna i området. BIG-projekt har visat vikten av att i områden bestående av lera med låg hållfasthet så är provtagningskvaliteten och tiden från upptagning av prov till att laboratorieanalysen genomförs avgörande. En annan aspekt är att i sina analyser ta hänsyn till de osäker-heter som finns i den tillgänglig data. Detta har hanterats av ett BIG-projekt där man utgår från statistiska metoder och även ser på möjligheten att tillämpa partialkoefficientmetoden på ett relevant sätt.
• I komplexa situationer så krävs ofta att problemställningen modelleras för att få en förståelse för hur olika delar av konstruktionen beter sig. Detta sker ofta med numeriska metoder.
För att få relevanta prognoser av beteendet så krävs att rätt jordmodell tillämpas för olika dimensioneringssituationer. Detta har varit bakgrunden till ett BIG-projekt med syfte att öka kunskapen om när Mohr-Coulomb, Hardening-soil, Soft-soil med flera bör tillämpas.
• Det finns en lång erfarenheten av att använda pålar, men trots detta så finns det många delfrågor där ökad kunskap kan ge bättre tekniska lösningar. Några av de frågor som studeras inom BIG-projekt är; hur man bedömer kapaciteten hos dragbelastade pålar, hur man prognosticerar beteendet hos tryckbelastade pålar med tiden, hur pålar beter sig i bruksgräns samt hur krypningen påverkas av cykliska belastningar och hur pålar samverkar om de installeras som bankpålar.

Projekten har satt fingret på många viktiga frågor och gett svar, men samtidigt så finns här flertalet frågeställningar kvar. Därför planeras ytterligare 11 projekt inom detta området.

Figur 5: BIG bidrar till Agenda 2030.

BIG bidrar till Agenda 2030
BIG’s huvudmål har omformulerats, så att det även inkluderar bidrag till att FNs globala mål uppnås.
”Målet är att sänka kostnader för byggande och underhåll av transportsystemets infrastruktur samt bidra till att FN:s globala mål uppnås, genom ett långsiktigt och systematiskt utvecklingsarbete inom geoteknikområdet”.
Bakgrunden är att FN har formulerat 17 globala mål som världens ledare har förbundit sig till. Målen syftar till att avskaffa extrem fattigdom, minska ojämlikheter och orättvisor samt säkerställa en hållbar hantering av naturresurserna. Det är mål som är integrerade och hanterar de tre dimensionerna av hållbar utveckling: ekonomisk, social och miljömässig. Agenda 2030 är i korthet den gemensam handlingsplan som tagits fram för att genomföra de 17 målen ur ett globalt perspektiv.
Trafikverket konstaterar i sitt inledande svar avseende underlag för genomförande av Agenda 2030, att för första gången finns nu på ett tydligt sätt, transportsystemen med i FN-målen. En analys av den 17 målen visar att BIG har störst potential att bidra till genom-förandet inom följande målområden;

• Mål 9. Hållbar industri, innovationer och infrastruktur
• Mål 11. Hållbara städer och samhällen
• Mål 12. Hållbar konsumtion och produktion
• Mål 13. Bekämpa klimatförändring

I BIG’s inriktningsdokument inkluderas även mål 3, Hälsa och välbefinnande, då BIG indirekt genom hållbara produktionsmetoder och åtgärder kan bidra även till detta mål. Mål 4, god utbildning för alla, har inkluderats eftersom detta mål har bedömts som en av de indirekta nyttorna av BIG.
I samband med höstens VIP-möte, för BIG’s projektledare och kontaktpersoner, där samtliga avslutade, pågående och kommande projekt lyftes fram, så kunde det konstateras att BIG inte bara har målsättningen att bidra, utan att enskilda projekt visar på resultat som bidrar till att målen uppfylls.

Slutsats
BIG’s systematiska utvecklingsarbete där arbete från flera forskningsutförare kompletterar varandra, bidrar till att öka kunskapen i branschen vilket leder till bättre tekniska lösningar.

Artikelförfattare:

Jan Ekström, Trafikverket
Lovisa Moritz, Trafikverket, vice ordförande BIG
Gunilla Franzén, GeoVerkstan, Koordinator BIG

Artikeln är publicerad i Bygg & teknik nr 1/19