GS-GRID. Designmanual Väg- och ytstabilisering

Transkript

1 GS-GRID Designmanual Väg- och ytstabilisering

2 Innehållsförteckning Förord Sida 1 Användningsområde 2 Grundbegrepp 2 Geonät eller geotextil? Kraftöverföring fastkilning och friktion Undergrundens styrka vingförsök kontra plattbelastning 3 Kontroll av bärförmåga före och efter inbyggnad 4 Belastningsklasser 4 Val av geonät i förhållande till undergrund och belastning Val i förhållande till undergrundens styrka Val i förhållande till belastningsklass Flera lager geonät i en uppbyggnad Krav för material som används som obundna bärlager 7 Inbyggnad av GS-Grid 7 Designdiagram GS-Grid 8 Eksempel 1 Byggplatsväg 9 Eksempel 2 Lagergolv 9 Eksempel 3 Tungt trafikerade vägar 1 Referenser 1 Förord Geonät har blivit en mer och mer naturlig del i samband med etablering av vägar och planer på besvärligt underlag. Ändamålet är att stabilisera och uppnå en ökning av bärförmågan i förhållande till den oarmerade situationen. Härvid kan det uppnås väsentligta besparingar i överbyggnaden. Det finns en del internationella beräkningsmetoder, som är baserade på fullskaliga försök omsatt till empiriska formler och kurvor. Under flera år har vi genom in-situ test dokumenterat armeringseffekten via betydande mängder data från Danmark och Sverige. Samtidig har användningen av geoarmering i anläggsprojekt ökat stabilt. armeringsprodukter, som byggts in under de förhållanden vi normalt ser i Danmark och Sverige. Denna designmanual är utarbetad på basis av våra resultat och kan användas tilsammans med inbyggnad av GS-Grid. Vid användning av andra produkter bör resultaten verifieras särskilt, då det kan förekomma stora variationer i de registrerade bärighetrna. Materialet är utarbetat som en kostnadsfri serviceåtgärd och är baserat på vår nuvarande kännedom. Vi förbehåller oss rätten till ändringar. Innehållet omfattas av Byggros gällande sälj- och leveransbestämmelser. För att bättre kunna ge råd om detta, så har Byggros under senare år deltagit aktivt i arbetet med att verifiera effekten av enskilda This guide and its content is copyright of BG Byggros A/S BG Byggros A/S, 28. All rights reserved. Sida 1 av 1

3 Användningsområde Användning av geonät i vägbyggen i Skandinavien har på förhållandevis få år utvecklat sig till att ingå som en naturlig del av mjuka markskikt. De väsentligaste orsaker är de typiskt stora miljömässiga omkostnader, som är förbundna med lösa markskikt, samt de ekonomiska fördelarna som metoden erbjuder. Det finns i dag många referensprojekt över hela landet, där man på bästa sätt har löst komplicerade problemställningar på ett för alla parter tillfredsställande sätt. De största diskussionsämnena är fortfarande hur geonät / geotextiler dimensioneras i praktiken. De försök som vi har deltagit i har belyst detta ämne och ifrågasatt tidigare antaganden. Sist men inte minst har försöken givit anledning till en klar rekommendation beträffande kontroll av den aktuella bärförmågan i en given situation. Inom följande områden har man med fördel använt geonät eller armerade geotextiler: Väg- och platsstabilisering Motverkan av differenssättningar Kompensationsgrundläggning Vägbankar Bankpålning Denna vägledning förutsätter uteslutande användning i förbindelse med väg- och platsstabilisering, motverkan av differenssättningar samt kompensationsuppbyggnader. Avsikten med följande text är att belysa de problemställningar och överväganden som generellt är förbundna med stabilisering av obundna bärlager i dessa uppgifter. Vägledningen bör inte användas till statiskt belastade konstruktioner som exempelvis belastade vägbankar och pålade bankar Kontakta Byggros för utarbetning av särskild design. Grundbegrepp Geonät eller geotextil? Man skiljer mellan vävda eller ekstruderade /stansade geonät, vävda eller inte vävda geotextiler samt kombinationer härav. Extruderade/stansade geonät är definierat som nät med masköppning med en definierad hållfasthet/deformation och kännetecknas vid att vara styva i form och utseende och ha fasta knutpunkter. Vävda geonät är definierade som nät med en masköppning med en definierad hållfasthet/- deformation, och kännetecknas vid att vara flexibla i form och utseende. Vävda geotextiler definieras som tät vävda eller finmaskade nät med en definierad hållfasthet/- deformation och definierade filteregenskaper. Icke vävda geotextiler (non wovens) definieras som antingen termiskt bundna eller nålade geotextiler, primärt framställda med hänsyn till separation, skydd och filtrering. Icke vävda geotextiler kännetecknas med att ha relativt stor brottdeformation, större än > 3% och fungerar som separationsduk i vägar etc. Kraftöverföring: Man skiljer mellan två kraftöverföringsprinciper: Friktion Fastkilning Alla typer av armering överför i en eller annan grad kraft vid friktion, medan fastkilning uteslutande är i förbindelse med de öppna geonäten. Kraftöverföring vid friktion hör typiskt till de vävda geonäten och geotextilerna, medan fastkilning primärt hör till de styva geonäten med fasta knutpunkter. Försök visar, att kraftöverföring vid dragförsök i stort sett är identiska för geonät, oavsett om det är vävda eller extruderade / stansade geonät. Interaktionskoefficienten dvs. geonätets kraftöverföringskoefficient ligger i området,8-1,. Sida 2 av 1

4 För vävda geotextiler och kombinationsduk lig ger interaktionskoefficenten i området,6 -,8. Kraftöverföring vid friktion kan speciellt utnyttjas i förbindelse med vägbankar, bankpålning stödmurar och liknande, där påverkan är 2- dimensionell och bara sker i en riktning. Annorlunda förhåller det sig vid väg- och platsstabiliseringsuppgifter här är det frågan om en 3- dimensionel påverkan. I anslutning till traditionella väg- och platstabiliseringsuppgifter är det avgörande för geonätets effekt, att grusmaterial o dyl stannar kvar i nätmaskorna. Försök visar, att geonätets fysiska styvhet till att hålla fast grusmaterialet eller kross, har stor betydelse för effekten. Kraftöverföringen vid fastkilning jämfört med friktion kan illustreras med att man placerar runda ämnen i en pyramidform som visas i figur 1 och 2. Geonätets tvärgående ribbor är i motsats till geotextilerna utformade till att hålla fast kross eller grusmaterialet i samma position. Belastningen kan därvid överföras till geonätet, varvid stabiliseringseffekten stärks. Figur 1. Fastlåsning via fastkilning i geonätets tvärribbor. Figur 2. Fasthålles via friktion. Undergrundens styrka vingförsök kontra plattbelastning Oftast finns det i den geotekniska rapporten angivet vingförsök för att beskriva undergrundens styrka. Ibland har man utfört plattbelastningsförsök för att bestämma den nedre delens aktuella bärförmåga. Mest pålitligt tycks plattbelastningen vara, då man härvid oberoende av djupet får en bild av den aktuella bärförmågan. Det kan dock i någon grad dras paralleller mellan de två försöken där vatteninnehållet spelar en stor roll. Följande relationer kan utläsas i typiskt förekommande moräner, gyttja eller liknande med högt vatteninnehåll. Vi förbehåller oss för avvikelser. E-modul på planum Eu Tillhörande skjuvhållfasthet Cv MN/m 2-3 kn/m 2 1 MN/m kn/m 2 1 MN/m kn/m 2 2 MN/m kn/m 2 2 MN/m kn/m 2 3 MN/m kn/m 2 Figur 3. Relationen mellan E-modul och skjuvhållfasthet som finns i moräner, gyttja och liknande. Sida 3 av 1

5 Kontroll av bärförmågan före och efter inbyggnad Vid dimensionering av en väguppbyggnad är det vår erfarenhet, att plattbelastningen är ett bra redskap till att verifiera undergrundens bärförmåga. Härvid får man en bra bild av undergrundens aktuella E- modul, och med ännu ett försök på den färdiga uppbyggnaden för att kontrollera den aktuella bärförmågan i den färdiga uppbyggnaden. Försöket är relativt billigt att få utfört och man kan på en tidig tidpunkt verifiera en uppbyggnad och eventuellt göra korrigeringar. Eo (MN/m 2 ) överbyggnadens bärande lager Eu (MN/m 2 ) överbyggnadens planum Överbyggnad Undergrund Figur 4. Plattbelastning på respektive överbyggnadens planum, samt överbyggnadens bärande lager. I Sverige användes vid plattbelastning det svenska försök eller det tyske försök enligt DIN Det är bra överensstämmelse mellan de två försöken, dock är det tyska försöket samtidig utmärkt till verifikation av den aktuella komprimeringen, då man endast talar om två oavhängiga belastningskurvor, där förhållandet mellan de två E-modulerna är ett uttryck för komprimeringsgraden. Belastningsklasser Designdiagrammet är uppbyggt med utgångspunkt i den avslutande E-modulen som mätts på översidan av det obundna bärlaget och indelas i följande belastningsklasser. Avslutande E-modul E o Översidan obundna bärlager Användningsområde Belastningsklass Cykelväg, tillfälliga byggvägar med begränsad belastning Eo = 3 MN/m 2 1 Markväg tillfälliga byggvägar med större belastning Eo = 4 MN/m 2 2 Eo = 6 MN/m 2 Lätt trafik maximalt axeltryck 6 t Villavägar och liknande parkeringsarealer för personbilar 3 Eo = 8 MN/m 2 Medel trafik maximalt axeltryck 8 t Medel trafikerad väg, parkeringsarealer, flytande golv i 4 lagerhallar Eo = 12 MN/m 2 Tung trafik maximalt axeltryck 12 t Tungt trafikerade vägar huvudväg, länsväg, parkeringsarealer och containerplatser Eo = 1 MN/m 2 Mycket tung trafik maximalt axeltryck 1 t Parkeringsarealer för mycket tunga fordon, containerplatser, 6 landningsbanor och liknande Figur. Indelning i belastningsklasser. Sida 4 av 1

6 Val av geonät i förhållande till belastning och underbottens styrka Våra försök har visat sig, att skillnaden mellan de olika geonäten visar sig i spårbildning. Oavsett belastning kan ytmodulerna relateras till nättypen t.ex. har GS-Grid B3/3 större effekt än exempelvis GS-Grid B2/2 [Ref. 11]. Besparingarna i bärlagret eller den reella ökningen i bärförmåga är därför ytterst beroende på nättypen. Spårkörning kan således relateras till aktuell nättyp, dess styrka och utformning. För överbyggnader placerade på samma undergrund, med samma bärlager, oarmerade respektive armerade, kommer antalet passager öka exponentiellt. Samtidigt reduceras deformationerna på jordterrassen. Val av geonät i förhållande till undergrundens styrka effektindex Inverkan på E-modulen mäts på översidan av de obundna bärlagret Eo och kan som nämts relateras till typen av geonät. För bottenmodulen i området E u 2-6 MN/m 2 som mätts på jordterrassen, uppkommer det vid en inbyggnad av 4- cm bärande lager (armerat och oarmerat) följande sammanhang: Uppbyggnad Effektindex Effektindex Effektindex Effektindex* Eu 2 MN/m 2 Eu MN/m 2 Eu 1 MN/m 2 Eu 6 MN/m 2 Oarmerad GS-Grid B2/2 2 kn/m GS-Grid B2/2L 2 kn/m GS-Grid B3/3 3 kn/m GS-GRID B3/3L 3 kn/m GS-Grid B4/4 4 kn/m GS-Grid B4/4L 4 kn/m Figur 6. Som referens (index 1) användes GS-Grid B3/3. *(Effektindex som uppkommit vid försök på 3 cm stabilserinsgrus). Effektindexet användes i praktiken enligt följande: Geonät-typ Inverkan på uppbyggnad jämfört designdiagrammen GS-Grid B2/2 og B2/2L Avläst överbyggnad ökas med 1 % GS-Grid B3/3 og B3/3L reference Avläst överbyggnad används direkt GS-Grid B4/4 og B4/4L Avläst överbyggnad reduceras med 1% Figur 7. Effektindex för GS-Grid geonät För extremt låga E-moduler i planum är effekten av geonätet mycket stor. För stigande E-moduler i planum är effekten av geonätets närvaro i avtagande. Inte desto mindre kan man märka en bärförmågetillväxt på ca. 2% vid inbyggnad av geonät på ett jordterrassplanum med ett E-värde Euu -6 MN/m 2. Sida av 1

7 Val av geonät i förhållande till belastning Med hänsyn till belastningsklasserna (figur ), bör val av geonät ske efter följande riktlinjer: Belastningsklass (se figur ) GS-Grid B2/2 og B2/2L Figur 8. Val av geonät relaterat till belastning. GS-GRID B3/3 og B3/3L GS-Grid B4/4 og B4/4L Flera lager geonät i samma uppbyggnad. är den totala bärlagstjockleken överstiger ca. cm kan man med fördel bygga in 2 eller flera lager geonät för att uppnå maximal tryckspridning upp genom bärlagret. Det beror på samma mekanism som kan ses i förbindelse med komprimering, dvs att en påverkan på översiden av bärlagret sprids i en päron- eller kulform under enkel kraftpåverkan. Påverkan från en enkel kraft avtar med djupet. När påverkan blir tillräcklig liten, kan det uppnås en ytterligare tryckspridningseffekt genom inbyggnad av ännu ett lager geonät placerat högre upp i uppbyggnaden. Se figur 9. Enkelkraft Enkelkraft Optimal tryckfördeling med 2 lageruppbyggad Nedsatt tryckspridning på den övre zonen vid 1 lagers uppbyggnad pga. för stor lagertjocklek resulterar i en mindre yta. Övre geonät Höjden av den effektiva tryckzonen för 1 - lags uppbyggad utgör ca. cm Nedre geonät r>r1 r1 Figur 9. Belastningen av enkelkraften får vid stor bärlagertjocklek mindre inverkan på det nedersta lagret geonät - det kan uppnås en ytterligare tryckspridningseffekt genom inbyggnad av flera lager geonät Vid försök har man funnit att avståndet mellan geonätlagren bör vara min. 2 cm och max. cm. Översta lagret geonät bör som minimum placeras 2 cm under ovansidan av det obundna bärlagret. Vid inbyggnad av flera lager GS-Grid har försök visat att den total tjockleken av de obundna bärlagren, jfr. designdiagrammen, ytterligare kan reduceras med min. 1%. [Ref. 9] Sida 6 av 1

8 Krav på material som används i obundna bärlager Designdiagrammen är utarbetade under förutsättning av att det används välgraderade friktionsmaterial som bärlager, med en karakteristisk friktionsvinkel > 3. På basis av det här har det visat sig att kross -4 mm, välgraderad kross - 12 mm, krossad betong eller liknande direkt kan användas i obundna bärlager vid användande av diagrammen. Inbyggnad av GS-Grid geonät Fuktig och lös undergrund är speciellt känslig vid inbyggnad av enkelt bärlager, då kraftig komprimering eller stor trafikbelastning på tunna grusbärlager mycket lätt förorsakar ganska stora ökningar i porvattentrycket. Det resulterar i en uppmjukad och därmed betydligt försämrad bärförmåga. Då i stort sätt alla lösa jordar är förbundna med en mycket hög vattenhalt, bör man om möjligt vidtaga följande åtgärder vid inbyggnad av geonät som förstärkning. Erfarenheten visar: Att komprimering av bärlager på fuktig undergrund med vibration ofta ställer till bekymmer för konstruktionen, då påverkan ökar porvattentrycket och därmed tillfälligt nedsätter bärförmågan. Att stor trafikbelastning på tunna grusbärlager likaledes kan medverka till en ökning av porvattentrycket och därmed nedsätta bärförmågan. Att det vid komprimering utan vibration uppkommer komprimeringsgrader på >9% Standard Proktor även på extremt mjuk avlagring vid inbyggnad av min. cm bottensäkring eller bärlagergrus. Denna komprimeringsgrad tycks omedelbart tillfredsställande för den nedersta delen av överbyggnaden Överlappning i sammanfogningar: Överlappning för GS-Grid bör utgöra min. 3 cm för Eu > MN/m 2. För Eu < MN/m 2 bör överlappningen utgöra min. 4 cm. Sida 7 av 1

9 Designdiagram för GS-Grid Designdiagram Eo = 3 MN/m 2 Belastningsklass 1 Designdiagram Eo = 4 MN/m 2 Belastningsklass lag armering Diagram 1 Användning av GS-Grid B3/3 Diagram 2 Användning av GS-Grid B3/3 Designdiagram Eo = 6 MN/m 2 Belastningsklass 3 Designdiagram Eo = 8 MN/m 2 Belastningsklass lag armering lag armering Diagram 3 Användning av GS-Grid B3/3 Diagram 4 Användning av GS-Grid B3/3 Designdiagram Eo = 12 MN/m 2 Belastningsklass Designdiagram Eo = 1 MN/m 2 Belastningsklass Flere lag Flere lag Diagram Användning av GS-Grid B3/3 Diagram 6 Användning av GS-Grid B4/4 Sida 8 av 1

10 Eksempel 1 - Byggväg Förutsättningar: Anläggning av tillfällig byggväg på lös morän skjuvhållfasthet mätt i området 4- kn/m 2. Vägen skall fungera under en kort period till trafik med transport av material. Det framgår att det finns behov för en ytmodul motsvarande till ca. 3 MN/m 2. Man accepterar löpande upprättning av vägen, ifall belastningen kan förorsaka oacceptabel spårkörning. Som förstärkningslager användes -4 mm välgraderad kross. Diagram och ingångsvärde: Man använder designdiagram 1 - gällande för Eo = 3 MN/m 2 - belastningsklass 1, jämför figur. Skjuvhållfasthet mäts i området 4- kn/m 2 svarar til Eu = 1 MN/m 2, jämför figur 3. Avläst uppbyggnad, jämför designdiagram 1: 1 lager 1 lager GS-Grid B3/3 GS-Grid B2/2 38 cm totalt 42 cm totalt Oarmerad 8 cm totalt Geonät OBS! Vid ändring från GS-Grid B3/3 till GS-Grid B2/2 ökas bärlagret med ca. 1%, jämför figur 7. Exempel 2 - Lagergolv Förutsättning: Uppbyggnad av lagerlokal med flytande golv på känslig morän - vid plattbelastningen är mätt E- moduler på jordterrassen på ca. MN/m 2. Det fordras en E-modul på 8 MN/m 2, mätt på ovansidan av det obundna bärlagret. Som föstärkningslager används välgraderad kross -9 mm och bärlager -4 mm fördelat med 2/3 förstärkninslager och 1/3 stabil. Diagram och ingångsvärde: Man använder designdiagram 4 - gällande för Eo = 8 MN/m 2 - belastningsklass 4, jämför figur. Eu = MN/m 2 Avläst uppbyggnad, jämför designdiagram 4: 1 lager 2 lager GS-Grid B3/3 GS-Grid B3/3 76 cm totalt 84 cm totalt Oarmerad 12 cm totalt Geonät Geonät Sida 9 av 1

11 Exempel 3 Tungt trafikerade väg Förutsättning: Uppbyggnad av tung trafikerad väg - motsvarande belastningsklass 6. Vid plattbelastning är mätt E- moduler i råjordsplenum på ca. 1 MN/m 2. Som förstärkningslager används välgraderad -12 mm kross samt -4 mm bärlager fördelat med 2/3 förstärkningslager och 1/3 stabil. Diagram och ingångsvärde: Man anväder designdiagram - gällande för Eo = 12 MN/m 2 - belastningsklass, jämför figur. Eu = 1 MN/m 2 Avläst uppbyggnad, jämför designdiagram 6: 1 lager GS-Grid B3/3L 77cm totalt 1 lager GS-Grid B4/4 7 cm totalt 2 lager GS-Grid B3/3 GS-Grid B3/3L 7 cm totalt 2 lager GS-Grid B4/4 GS-Grid B4/4L 63 cm totalt Oarmerad 11 cm totalt Geonät Geonät OBS! Vid ändring från GS-Grid B3/3 till GS-Grid B4/4 reduceras bärlagret med ca. 1% jämför figur 7. Referenser 1. Prof. Voss Tyskland (1961) Beziehung zwischen E v2-werten des Planums under Oberkante einer unterschiedlich dicken Frostschutzschicht aus Kiessand 2. J. P. Giroud, L. Noiray (1981) Geotekstilere-Reinforced Unpaved Road Design 3. Dr. F. P. Jaecklin, Prof. R. Floss, Technische Universität München, (1988) "Methode zur Bemessung von Geotekstilerien im Strassenbau auf besonders weichem Undergrund" 4. Guy T. Houlsby & Richard A. Jewell (199) Design of reinforced unpaved roads for small rut depths. Van Zanten, R. Veldhuijzen (1986) "Geotekstileres and geomembranes in civil engineering" 6. Voskamp, Vim (1993) "Geogrids in road design - towards generic specifications" 7. DS 41, Fundering, februar A. Watn, H. Søgnen, E. Emdal (1996) Improvement of bearing capacity for traffic areas on soft subsoil - Large scale laboratory testing 9. Prof. Andrea Cancelli, Ing. Fillippo Montanelli (1997) Full scale laboratory testing on geosynthetics reinforcedpaved roads 1. Morten Vanggaard, Franck Geoteknik AS - Pladebelastningsforsøg udført i perioden august 1997 til juli Prof. Andrea Cancelli, Ing. Fillippo Montanelli (1998) In-Ground Test for Geosynthetic Reinforced Flexible Paved Road Levins väg Önnestad Tel Fax info@byggros.com Sida 1 av 1