Stoppdrivningskriterier för vibrodriven spont –en blind fläck i regelverket

Figur 1: Exempel på bucklad stålspont. foto vänster: Björgúlfsson P, höger: Viking K.

Artikelförfattare: Kenneth Viking, Trafikverket och Ana Garcia Benito, KTH, Bjerking

Det finns en avsaknad av stoppdrivnings kriterier för vibrodriven spont i befintliga regelverk och andra publikationer. Detta kan vid drivproblem försätta både beställare och entreprenör i en ofruktbar situation, även kallat tvist. En situation som vållar båda parter onödig tidsåtgång och merkostnad. Denna artikel syftar till att belysa ett problem; som i branschen är väl känt, men som det inte finns mycket publikationer om vare sig i Sverige eller internationellt. Problem bottnar i att dagens drivutrustningar är så kraftfulla att stålspont lätt ’knöglas’ sönder mot berg, block eller bottenmorän om entreprenören inte är uppmärksam eller försummar att utföra en drivbarhetsanalys med tillhörande definition av vad som är stopp; läs: ett så kallat stoppdrivningskriterie. Som ett led i ambitionen att öka kunskapen om detta problem; har ett examensarbete genomförts på LTH [1], samt ett nu pågående examensarbete på KTH [2].

Ny kunskap utgör framtida plattform för justering av regelverk

Stålspont är den vanligaste formen av stödkonstruktion för djupa schakter i Sverige, Norge och Finland. Den Euro-peiska normen [3] tillsammans med Svensk Standard [4] och Sponthandboken [5] utgör basen för statisk dimensionering av stödkonstruktioner. För den nordiska byggbranschen dimensionerars stödkonstruktioner på ett ansvarsfullt sätt, men analys av materialutmattning eller drivbarhet utförs sällan eller aldrig. Primärt på grund av avsaknad av metoder för beräkning av drivbarhet samt vägledning av stoppdrivnings kriterier för vibrodriven stålspont. Men det bör noteras att riktlinjer för stoppdrivnings kriterier för slagna betongpålar existerar [6]. Det finns också ett antal internationella publikationer och erfarenheter rörande både effekt och mekanismer av slagna stålrörspålar drivna i samband med off-shore installationer [7], [8], [9], [10] [10b] och [11], där drivbarhet, skador samt riskbedömning både dokumenterats samt analyserats. Antalet nordiska publikationer rörande denna artikels ämnesområde verkar vara starkt begränsade [12] och [13].

Författarnas egna slutsats är att ny och mer kunskap om detta ämne är det som utgör plattformen för utveckling av bättre modeller och förutsägbarhet av; -drivbarhet, -omgivningspåverkan samt -skador på spont, vid vibrodrivning. En kunskap som i framtiden i sin tur kan komma att utgöra grund för ändring av regelverk och/eller upprättande av handböcker.

Forskning med koppling till vibrodriven spont har under cirka tio års tid utförts i samarbete mellan KTH, NCC, TrV och LTH och finansierats av BiG via Trafikverket, SBUF och NCC. Forskargruppen har i huvudsak bestått av Fanny Deckner, Staffan Hintze och Kenneth Viking. Detta arbete sammanfattas i ett FoI-projekt som snart slutredovisar i följande BiG/SBUF publikation [14].

Vad är problemet? –jo en drivbarhetsanalys

Den strukturella dimensioneringen av en stödkonstruktion innebär beräkning av; storlek, profil och neddrivnings nivå. Den strukturella analysen bör följas av en beräkning av stödkonstruktionens installationsbarhet, det vill säga en drivbarhetsanalys. Helt enkelt för att spont-profiler definierad i den strukturella beräkningen, också måste vara kapabel att motstå dynamiskt driv- och jord-motstånd för att kunna nå avsedd neddrivningsnivå. En drivbarhets analys innefattar en simulering av de dynamiska interaktionsegenskaperna hos systemet; ”vibro-spont-lås-jord” för olika nivåer i den aktuella stratigrafin. Utifrån drivbarhetsanalysen kan entreprenören i förväg bedöma vilken drivutrustning och profil som behövs för att installera sponten till avsett ”djup/nivå” och samtidigt inte skada spontprofilen.

De ingenjörsmässiga utmaningarna av att utföra en drivbarhetsanalys involverar kunskap om en rad faktorer som inverkar på storleken av utvecklad drivlast i spontprofilen. Några av de viktigaste faktorerna är; – typ och prestanda på drivutrustningen, -operatörens kunskap, utbildning och skicklighet, -profilens kondition så som rakhet och låsens skick samt -dynamiskt drivmotstånd av jord och utvecklad friktion i spontlås. En tidigare totalt förbisedd faktor är; -lämplig fältundersökningsmetod som underlag för analys av dynamiskt spetsmotstånd när spont drivs in i den täta och blockrika moränen.

Summan av de ingenjörsmässiga utmaningarna beskrivna ovan kan analyseras först när de kombinerats till ett tekniskt ramverk som kommer ut ur en adekvat förståelse och kunskap samt fältmässig erfarenhet av interaktionsmekanismerna av det dynamiska systemet ”vibro-spont-lås-jord”.

Ett annat problem –den stenhårda moränen

Morän är Skandinaviens i särklass vanligaste jordart och täcker över 70 procent av ytan och är ofta den äldsta jordarten som också ofta vilar direkt på berggrunden. Moränjordar utgörs av en blandning av alla kornstorlekar, från lerpartiklar upp till jättelika block. Det stora trycket och rörelserna hos inlandsisen har ofta packat moränjordarna till en mycket tät jordart med en hög elasticitetsmodul; tät: 150–720 MPa, mycket tät: 500–1 440 MPa [15]. Det är i allmänhet när byggbranschen undan låtit att utföra en drivbarhetsanalys, i kombination med en tät morän som risken är som störst att skador på spontfot kan uppkomma, så som illustrerat i ingressbilden.

Figur 2: Framschaktad spont vägg, illustrerande svårigheter med nå avsedd nivå vilket ledde till både tid- och kostnadskrävande åtgärder. foto vänster: Forsberg T, höger: Björgúlfsson P.

Kostnadseffektiv stödkonstruktion vid schaktning

Vibrodriven spont är i dagsläget den mest kostnadseffektiva stödkonstruktionen, men med en rad olika faktorer som bör beaktas. Ett beaktande som primärt syftar till att minimera risk för skada på byggnader, anläggningar och störning på människor, vid till exempel hård drivning, återfinns i [14].

Den i Stockholm/Mälardalen förhärskande arbetsordningen är att; -vibrodriva spont i lås ned till berg (så nära berg som möjligt), -bergborrning genom foderrör fastsvetsade på spont för senare installation av dubbelement, -tätning (jetinjektering) mellan spontfot och bergyta genom samma foderrör och slutligen -installation av dubbelement.

Entreprenörens ambition är att minimera glapp mellan spontfot och bergöveryta. Utan en föregående drivbarhetsanalys så föreligger risk att skada på spontfot och/eller fastsvetsat foderrör uppstår. Om skada inträffar (stukad spontfot) kan entreprenör i värsta fall vare sig; -bergborra, -jetinjektera eller -installera bergdubb. En olycklig situation som tvingar entreprenör till ett både tids- och kostnadskrävande merarbete så som; installation av nya foderrör varigenom bergdubb och tätning utförs. Merkostnader för entreprenör som i förlängningen leder till att beställaren tillställs en ändrings- och/eller tilläggsbeställning (kallad ÄTA).

Bild till höger i figur 2 illustrerar en situation där spont stannat för tidigt, där tätning mellan spontfot och berg visserligen lyckats men då längd på bergdubbelement blivit för långa (veka), vilket medför att entreprenören tvingats till att installera nya och kraftigare foderrör, som då utgjort bergdubb, för att säkerställa rotationsstabilitet.

Hur hårt kan man driva en spont?

Det finns i dagsläget inga tillgängliga publikationer för hur man skall analysera gräns för buckling av vibrodriven stålspont, det vill säga ett ”stopp-vibro-drivnings-kriterie”. När en spont vibrodrivs in i till exempel Stockholm/Mälardalens täta, hårda och blockrika morän, uppstår en
komplex belastningssituation i spontprofilen med olika gränslägen vilket även inkluderar block/moränens respons.

Möjliga mekanismer för buckling av stålsponts fot.

• Lokal buckling på grund av axiell belastning.

Buckling av spontfot på grund av att stål ger efter i samband med axiell belastning över hela tvärsnittet vid vibrodrivning mot oeftergivligt block, tät morän och/eller bergöveryta.

• Lokal buckling på grund av icke-axiell belastning.

Lokal buckling av spontfot på grund av asymmetrisk belastning till exempel vid kollision med block och/eller bergyta. En kraft som verkar på del av spontfotens tvärsnitt (se ingressbilder).

• Lokal stukning och/eller fortskridande buckling.

Fortskridande stukning av sponten (överskridande av stålets sträckgräns) i samband med vibrodrivning betraktas som fortskridande buckling. Initial imperfektion i stålmaterialet/profilen som kan utvecklas till materialbrott när spontprofil ’stöter’ emot oeftergivligt motstånd cirka 30 till 40 gånger per sekund.

• Materialbrott.

Plastisk deformation i samband med att stålmaterialets sträckgräns överskrids (se ingressbild).

Klassisk elasticitetsteori kan användas för ren axiell belastning. Men nu är sällan U-spont rent axiellt belastade, då entreprenörer envisas med att greppa enbart i U-profilers liv. Samtidigt skall jordens respons beaktas för att kunna skaffa sig en uppfattning av risk för potentiellt materialbrott och/eller fortskridande buckling i samband med vibrodrivning.

Möjliga mekanismer för block/jord att deformera.

• Blocket förskjuts in i omgivande jord/morän.

När blocket förskjuts in i omgivande jord pga. bearbetning (slag) av spontfot, cirka 30 till 40 gånger per sekund så inverkar följande faktorer: -blockets geometri, -djup och -jordens egenskaper. Omgivande jords materialegenskaper (skjuvhållfasthet) utgör en övre gräns avseende risk för potentiell skada av spontfot.

• Blocket går sönder; -lokalt eller -delas.

När spont träffar block och block går sönder; så krossas blocket i kontaktytan eller så ’spricker/klyvs’ blocket. Enligt Terzaghi’s teorier delas brottytan in i olika zoner, vilket även kan tillämpas på berg i syfte att uppskatta vilken kraft som krävs för att initiera ett lokalt brott i blockytan. Vedertagen metod att undersöka osprucket bergs egenskaper är enaxlig tryckhållfasthet UCS. Om block klyvs så kan man tillämpa ett så kallat Brazilian test för att uppskatta kraft för att klyva bergmaterialet.

• Blocket förblir intakt och förskjuts INTE in i omgivande jord.

När blocket förblir intakt uppstår si-tuationen att spont deformeras.

I dagsläget finns, (som tidigare nämnts), inga publicerade riktlinjer relaterat till uppkomst av skada på spontfot vid hård vibrodrivning. Ett typiskt tecken på svårigheter att driva spont som kan leda till skada är kombinationen av; -en plötslig minskning av spontens penetrationshastighet och en plötslig förändring (ökning) av profilens laterala rörelse hos den slanka (veka) spontprofilen.

Gränstillståndet för en vibrodriven spont definieras av stålets flytgräns som ges av elasticitetsteorin. Vägledning av max tillåten axiell belastning Qax ~ 2,8 fyt2 innan risk för lokal buckling, går dock att hitta i [16]. Med en sträckgräns om 355 MPa, en godstjocklek på 10 mm och en dynamisk förstoringsfaktor om 2,8 ger indikativt att en lokalt maximal axiell belastning i stålsponten inte bör överstiga Qax ~ 100 kN i syfte att minimera risk för lokal buckling. En indikativ gräns om Qax ~ 100 kN skall ställas i relation till dagens vibratorers drivkapacitet om Fd ~ 800 kN (ofta högre än så). Således är det uppenbart att spontfot mycket väl kan riskera att bucklas om ett block påträffas i en tät morän.

Diskussion och rekommendation

Prediktion av stålsponts vibrodrivbarhet är en ingenjörsmässigt komplex uppgift. Komplexiteten bottnar i behov av: -kunskap, förståelse samt -fältmässig erfarenhet av faktorer så som; -val av drivutrustning, kunskap om dess prestanda och verkningsgrad samt inte minst operatörens erfarenhet och utbildning, -spontprofilens kondition och skick (inkl. spontlås) samt geometri och slutligen -erfarenhet och förmåga att uppskatta jordprofilens dynamiska drivmotstånd samt storlek och magnitud av utvecklad låsfriktion i spontlås.

Få publikationer finns beträffande stålsponts vibrodrivbarhet, en sammanfattning av de få metoder som finns publicerade går att återfinna i [16]. Dock är ingen av dessa metoder tillämpbara på de hårda drivförhållanden som går att förknippas med den morän som finns i Sverige, Norge och Finland.

När ingen jämförande vibrodrivbarhets erfarenhet existerar för situationer med utmanande och svårtolkade jordförhållanden, så är det författarnas rekommendation att ”prov spontning” är ett utmärkt och underskattat planerings- och beslutsunderlag för produktions spontningen. En rekommendation som mycket väl kan leda till både mindre huvudvärk och bättre ekonomi för branschens alla ingående parter.

Det är ett ingenjörsmässigt misstag att förledas att tro att vibrodrivbarheten styrs av storleken på den drivkraft som behövs för att övervinna jordmaterialets dynamiska drivmotstånd. Istället är det spontprofilens strukturella materialegenskaper som sätter gränsen för vad som är drivbart, helt enkelt på grund av dagens utrustnings drivkapacitet.

Motiverade av de ingenjörsmässiga utmaningar och svårigheter beskrivna i denna artikel, föreställer författarna sig att denna artikel kommer underlätta möjligheten till fortsatt forskningsarbete med hänsyn till identifierad blind fläck i befintligt regelverk avseende vibrodrivbarhet i utmanande och svårtolkade jordförhållanden.

Slutsatser

Följande slutsatser kan dras.

– det saknas stoppdrivningskriterier för vibrodriven stålspont i befintligt regelverk.
– det saknas vedertagna metoder för drivbarhetsanalys av vibrodriven stålspont.
– det saknas metod för analys av dynamiskt drivmotstånd i moränjord.
– det saknas geoteknisk fältundersökningsmetod som underlag för analys av dynamiskt drivmotstånd i moränjord.
– stålets sträckgräns kan överskridas i moränjordar på grund av drivutrustningens kapacitet.
– att provsponta är (i dagsläget) den bästa (enda) metoden för att undersöka stålsponts vibrodrivbarhet i problematiska jordar (till exempel hård moränjord).

Referenser

[1] Lund Tebäck R, 2019, Dynamisk fininita element analys av vibrodriven spontplanka, Examensarbete TVGT-19/5066, Avd. för Geo-teknik, Inst. för byggvetenskap, LTH.
[2] Ana Garcia Benito, 2020, VSRD-Analysis of sheet piles in Stockholm-Mälardalen, Examensarbete (pågående), Avd. för Jord- och Bergmekanik, Inst. för byggvetenskap, KTH.
[3] Eurokod 1. Laster på bärverk.
[4] SS-EN 12063:1999, Utförande av geokonstruktioner –spont.
[5] Sponthandboken, 2018, Rapport 107, Pålkommissionen.
[6] Slagna friktionspålar, 2007, Rapport 103, Pålkommissionen.
[7] A study of pile fatigue during driving and in-service and of pile tip integrity, 2001, London Health and Safety Executive and MSL Engineering.
[8] Holeyman A, Peralta P and Charue N, 2015, Boulder-soil-pile dynamic interaction, Proc. of the 3rd Int. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Oslo, Norway.
[9] Randolph M, 2018, Potential Damage to Steel Pipe Piles During Installation, IPA Newsletter Vol. 3 Nr. 1. Int. Press-in Association.
[10] Stevens Robert F, Westgate Z and Kocijan J, 2019, Assessing the pile driving risk due to the presence of boulders, Offshore Technology Conference 2019, Vol. 5, pp. 3453-3466, ISBN 978-1-5108-8710-7.
[10b] Alderidge T R, Carrington T M, Kee N R, 2005, Propagation of pile tip damage during installation, 1st Int. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia.
[11] Jorna Menno Maarten, 2018, Pile tip deformation caused by obstacles, M.Sc. thesis at Dept. of Marine Technology, Norwegian Univ. of Science and Technology and Maritime and Materials Engineering, TU Delft Mechanical. Assessing the pile driving risk due to the presence of boulders, Offshore Technology Conference 2019, Vol. 5, pp. 3453-3466, ISBN 978-1-5108-8710-7.
[12] Viking K, Båtelsson O, Lund Tebäck R, Forsberg T, Björgúlfsson P, 2019, Difficulties of vibrodriving in till -causing cost intensive measures, Proc. of the XVII ECSMGE-2019, ISBN 978-9935-9436-1-3.
[13] Kivelö M, Viking K, 2020, Case studies of vibrodriven steel sheet piles in dense moraine – challenges, preventing measures and methodology, Proc. of “ngm2020.com”.
[14] Deckner F, 2020, Minimering av markvibrationer vid vibrodrivning av spont – praktiska råd, BiG A2018-25 (att publiceras) “big-geo.se”.
[15] Swedish Nuclear Fuel and Waste Management, 2005, Report No R-05-83, ISSN: 1402-3091.
[16] Whenham V and Holeyman A, 2010, Vibrodriving prediction models vs. experimental results, 5th Int. Conf. on Recent advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics.