ÅLR2015/8456. Åland, Ny bro till Vårdö. Projekterings-PM/Geoteknik

Transkript

1 ÅLR2015/8456

2 Beställare: Ålands Landskapsregering PB 1060 AX Mariehamn Beställarens representant: Taneli Ala-Rakkola Konsult: Uppdragsledare Handläggare Norconsult AB Box Göteborg Daniel Strandberg Daniel Strandberg Uppdragsnr: Filnamn och sökväg: Kvalitetsgranskad av: Tryck: Rasmus Trygg/Joel Wessman, Norconsult Norconsult AB

3 Innehållsförteckning 1 Objekt Underlag för projekteringen Styrande dokument Geotekniska förhållanden Topografi och markbeskaffenhet Jordlagerbeskrivning Hydrogeologiska förhållanden Befintliga konstruktioner Härledda egenskaper Dimensionering och beräkningar Grundläggning/Stöd Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Resultat Underlag för kontrollprogram Grundläggning/ Stöd 2 till Konstruktiv bärförmåga pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Resultat Underlag för kontrollprogram Geoteknisk bärförmåga pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Utdragskapacitet pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Norconsult AB Theres Svensson gata 11 Box 8774, Göteborg , fax

4 4 (19) Resultat Underlag för kontrollprogram Grundläggning/ Stöd Konstruktiv bärförmåga pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Resultat Geoteknisk bärförmåga pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionerande laster Dimensionerande värden Beräkningar Resultat Underlag för kontrollprogram Bilagor Lasteffekter pålar Bilaga 2-1 Profil landfäste Töftö, Stöd 1 Bilaga Tvärsektioner landfäste Töftö, Stöd 1 Bilaga Beräkning samverkan stag-stålpåle Bilaga Beräkning utdragsbrottkropp berg Bilaga Beräkning stålkärnepålar konstruktiv bärförmåga Bilaga Beräkning stålkärnepålar geoteknisk bärförmåga Bilaga 6.3-2

5 5 (19) 1 Objekt På uppdrag av Ålands Landskapsregering har Norconsult AB utfört en geoteknisk utredning inför bygghandling för brogrundläggning i projekt Ny bro till Vårdö. Aktuell bro går över Grundsunda fjärd i Vårdö kommun, Åland. Bron har en total längd på 327 m fördelat på fem spann. Landfästena förläggs i strandlinjen och resterande stöd placeras i fjärden. Arbetet omfattar framtagande av konstruktionsritningar för pålar jämte grundläggning av landfästen inför upprättande av bygghandling. Vid projekteringen har Ramböll Finland anlitats som underkonsult för projektering av pålgrundläggningen av mellanstöden. I föreliggande PM presenteras beräkningar för de båda landfästen samt beräkning av geoteknisk bärförmåga för mellanstöden. Då beräkningar och synsätt skiljer sig något länderna emellan har beräkningar till del utförts dubbelt och återfinns även i av Ramböll Finland upprättat projekterings PM. 2 Underlag för projekteringen Nu samt tidigare geotekniska fältundersökningar jämte bottenscanning har sammanställts av Norconsult i handling Ny bro till Vårdö. Markteknisk undersökningsrapport, Geoteknik (MUR/Geo) daterad med uppdragsnummer Underlag från brokonstruktör Ramböll Sverige utgörs av pålgrupper redovisade i systemhandling daterad och pålkrafter redovisade i epost daterat , se bilaga 2-1. Brons placering framgår av ritning K2001 upprättad av Ramböll. 3 Styrande dokument Denna PM ansluter till svensk metodik och baseras i huvudsak på Pålkommissionens rapporter. Aktuella rapporter åberopas under respektive beräkning. Bron inkl. grundläggning ska dimensioneras för en teknisk livlängd på 120 år. Pålelement och grundläggning ska dimensioneras i SK3

6 6 (19) 4 Geotekniska förhållanden 4.1 Topografi och markbeskaffenhet De topografiska förhållandena redovisas på ritning G101 i MUR/Geo. För projektet används: Koordinatsystem: GK 20 Höjdsystem: N Jordlagerbeskrivning På Töftö går berg i dagen. Från strandlinjen och vidare ut i vattnet överlagras berget av ett tunt lager friktionsjord. Från ca 15 m vattendjup överlagras friktionsjorden av lera vars mäktighet som mest uppgår till drygt 5 m i mitten av fjärden. Förhållandena mot Gersholm är likartade men här överlagas berget av friktionsjord även ovan strandlinjen. Leran har generellt en stor andel silt och har en uppmätt vattenkvot på mellan 27,5 och 65,9 %. Friktionsjorden utgörs av löst lagrad grusig sand med en uppmätt vattenkvot på 33,7 %. På Gersholm återfinns även sten och block i friktionsjorden vilket ska förutsättas förekomma naturligt i friktionsjord ovan berg. En mer specifik beskrivning följer nedan för varje stödläge. Stöd 1 Landfästet, stöd 1, beläget på Töftö ligger inom ett område med berg i dagen. I längsled faller bergytan från +2,5 i bakkant till ±0 i framkant. I tvärled kan bergytan betecknas som plan. I projekterat läge går landfästet till del in över släntfot av befintlig vägbank. I framkant med upp till 2-3 m. Stöd 2 Inom stödläget uppgår vattendjupet till ca 12 m. Bottnen utgörs av berg i eller nära dagen. Överlagrande jordlager har uppmätts till mellan 0 och ca 2 m. Jordlagren utgörs av siltig lera samt grusig sand. Jordartbedömningen baseras på jord- bergsonderingar och ska användas restriktivt.

7 7 (19) Stöd 3 Inom stödläget uppgår vattendjupet till ca m. Från botten utgörs jordlagren överst av lera som mot djupet får större inblandning av silt och sand. Leran underlagras av friktionsjord (grusig sand) på berg. Lerans uppmätta mäktighet uppgår till mellan 3 och 5 m och den underlagrande friktionsjorden till mellan 2 och 4 m. Det totala uppmätta djupet till berg varierar mellan 24 och 25 m. I bh 15R10 påträffades söndrigt berg ca 0,5 m under bergytan och i bh 15R12 påträffades sprucket berg ca 2,5 m under markytan. Påträffade svaghetszoner har en mäktighet understigande 0,2 m. Stöd 4 Inom stödläget uppgår vattendjupet till ca m. Från botten utgörs jordlagren överst av lera som mot djupet får större inblandning av silt och sand. Leran underlagras av friktionsjord (grusig sand) på berg. Lerans uppmätta mäktighet uppgår till mellan 1 och 5 m och den underlagrande friktionsjorden till mellan 1 och 4 m. Det totala uppmätta djupet till berg varierar mellan 23 och 25 m. Stöd 5 Inom stödläget uppgår vattendjupet till ca 9-14 m. Botten faller bort från land med relativt konstant lutning. I tvärled är botten att teckna som relativt plan. Från botten utgörs jordlagren av friktionsjord (grusig sand) på berg. Friktionsjorden överlagras inom de grundare delarna av ett tunt lager lera/silt. Friktionsjordens uppmätta mäktighet uppgår till mellan 0,5 och 2 m. Det totala uppmätta djupet till berg varierar mellan 9 och 17 m, ökande ut från land. I bh 15R22 påträffades söndrigt berg mellan ca 2,0 och 2,4 m under bergytan och i bh 15R20 påträffades sprucket berg mellan ca 0,6 och 1,0 m under markytan.

8 8 (19) Stöd 6 Landfästet, stöd 6, på Gersholm ligger strax utanför strandlinjen. Vattendjupet uppgår till drygt 0,5 m räknat från medelvattenytan. Jordlagren utgörs överst av finjord med stor andel organiskt material ovan friktionsjord. Friktionsjorden är relativt löst lagrad trots stor andel block och sten. Djup till berg har i framkant av landfästet uppmätts till 2,5 m från havsbotten. Botten är relativt plan både i längs- och tvärled med en variation på ca 0,5 m. Projekterat landfäste ligger i direkt anslutning till släntfot av befintlig vägbank. 4.3 Hydrogeologiska förhållanden För projektet har följande vattenstånd i fjärden angivits av Torsten Lunabba, Destia: HHW: +1,100 MW: +0,121 LLW: -0,750 För mark ovan HHW ska en högsta grundvattenyta antas motsvara markytan. Saliniteten i havsvattnet uppmättes i närområdet till att ha en median mellan 5,5 och 5,99. Källa: Miljöbyrån, landskapsregeringen. För projektet ska saliniteten antas vara 6 i fjärden (6 ). 4.4 Befintliga konstruktioner Projekterad bro ligger parallellt med befintlig bro på dess norra sida. Se vidare under bilaga 4 i MUR/Geo. Utgående från den nya brons stödnumrering ligger stöd 1 och 6 bredvid plattgrundlagda landfästen, stöd 2 och 5 bredvid berggrundlagda stöd samt stöd 3 och 4 bredvid pålgrundlagda stöd. Då befintlig bro är i mycket dålig kondition har gränsvärden tagits fram av Torsten Lunabba, Destia för att säkerställa att markarbeten inte leder till kollaps. Följande gränsvärden på vibrationer gäller för stöden på befintlig bro: 20 mm/s vid frekvens <10 Hz mm/s vid frekvens Hz mm/s vid frekvens Hz Angivna svängningsintervall interpoleras rätlinigt mot angiven frekvens. (Exempelvis tillåts 45 mm/s vid 75 Hz.)

9 9 (19) 5 Härledda egenskaper Grundundersökningarnas omfattning har ej möjliggjort framtagande av härledda värden. I tabell 5.1 nedan följer försiktigt valda värden baserade på erfarenhetsmässiga antaganden. Värdena antas vid beräkning som karakteristiska värden: Material Egenskap Karakteritiskt värde Lera/siltig lera Friktionsvinkel 30 Densitet γ = 17 kn/m 3 γ = 7 kn/m 3 Grusig sand Friktionsvinkel 33 Befintlig vägbank Berg Granit Densitet Friktionsvinkel Densitet Öppningsvinkel* Tryckhållfasthet vid plattgrundläggning γ = 18,5 kn/m 3 γ = 10 kn/m 3 40 γ = 18 kn/m 3 γ = 11 kn/m 3 β=30 8 MPa (stöd 1 & 2) 3 MPa (stöd 3 till 6) Enaxial tryckhållfasthet osprucket berg 150 MPa Skjuvhållfasthet Osprucket berg Sprucket berg Brottvinkel 15 MPa 4 MPa 45 Densitet γ = 26 kn/m 3 Tabell 5.1 * Gäller öppningsvinkel vid beräkning av brottkropp vid dragbelastning samt friktionsvinkel i sprickyta. Utdragskonen får således en toppvinkel av 60.

10 10 (19) 6 Dimensionering och beräkningar 6.1 Grundläggning/Stöd Beskrivning Landfästet ligger inom område med berg i dagen. I längsled faller bergytan från +2,5 i bakkant till ±0 i framkant. I tvärled kan bergytan betecknas som plan. Befintlig vägbank direkt söder om projekterat landfäste är ca 9 m hög och har en släntlutning på ca 1:1, Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK Dimensionerande laster Ej erhållna. Ramböll dimensionerar landfästets grundläggning Dimensionerande värden Dimensionerande rasvinkel för vägbanken φ d = tan -1 ((tan φ k )/1,3) =32,8 d.v.s. ca 1:1,5. Vid plattgrundläggning är tillåtet marktryck P till = P k /γ M =8 MPa/1,55 = 5,16 MPa. ( Värdet på γ M efter uppgift från Ramböll Finland. I Sverige sätts γ M = 1,5) Beräkningar Ej aktuellt Resultat Berget inom landfästets främre del ligger med lutning understigande 15 grader varpå det enligt finsk praxis, NCCI7, ses som plant. Inom den bakre delen lutar berget mer och mindre bergschakt för plansprängning erfordras vid plattgrundläggning, se bilaga Då befintlig vägbank ligger i samma lutning som dimensionerande rasvinkel kan inte schakt i banken utföras utan avstängning av trafik, se bilaga Landfästet utformas därför så att konflikt med vägbank undviks, se ritning E Bergschakt bedöms vara möjlig att utföra med försiktig sprängning där en hylla om 1 m lämnas mellan släntfot befintlig vägbank och teoretisk bergschakt. Detta förutsatt att bergschakten begränsas till 1 m djup under bergöverytan. Vid risk för bakåtbrytning på grund av exempelvis ogynnsam blockbildning skall förförstärkning utföras i samråd med beställaren. Trafiken stängs av under själva sprängningsarbetet.

11 11 (19) Underlag för kontrollprogram Bergschakt utförs enligt AMA kod CBC Bergschaktningsklass 1 där teoretisk bergkontur ligger minst 1,0 m ut från befintlig vägbanks släntfot. Bergrensningsklass 2A och 2B för väggar respektive botten. I samband med sprängning stängs trafiken av och släpps på först efter att det okulärt fastställts att bef vägbank inte påverkats. Innan urlastning av sprängmassor ska bergteknisk sakkunnig besiktiga bergschakten för att säkerställa att skadezonen inte påverkar bef. vägs stabilitet. Vid risk ska bergförstärkning installeras innan losshållning. 6.2 Grundläggning/ Stöd 2 till Konstruktiv bärförmåga pålar Beskrivning Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK Dimensionerande laster Se bilaga Dimensionerande värden Se separat projekterings-pm upprättat av Ramböll Finland Beräkningar Stålrörspålarna inom respektive stöd har dimensionerats utifrån den största lasten som verkar på en enskild påle inom stödet. Beräkningarna har utförts av Ramböll Finland och redovisas i separat projekterings-pm. Avrostning har medräknats med 4 mm (ensidig) Resultat Mellanstöden utförs med stålrörspålar som borras in 3 m i berg. Pålarna förses med linstag och fylls med betong. Val av pålar och dimensioner framgår av pålritningar, se ritning E och E Underlag för kontrollprogram För beskrivning av utförande och kontroll se kod CCD.22 i den tekniska beskrivningen.

12 12 (19) Geoteknisk bärförmåga pålar Beskrivning Beräkning av bärförmåga är utförd enligt Pålkommissionens rapport 106 Verifiering av geoteknisk bärförmåga för pålar enligt Eurokod Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK Dimensionerande laster Laster verkande på pålarna har räknats fram av Ramböll Bro Stockholm. Största dimensionerande tryckkraft i påle är 2824 kn i ALS för stöd Dimensionerande värden Den enaxliga tryckhållfastheten, q, har i rapporten Kompletterande bergundersökning för brofästen uppmätts till 150 MPa. Värdet förutsätter intakt berg. Skjuvhållfastheten har för sprucket berg bedömts till 4 MPa, se tabell 5.1. Τ d =4/1,5=2,67 MPa Beräkningar För nerborrad påle i berg sätts spetsmotståndet σ b =5*q u. För pålarna erhålls σ b =750 MPa Bärförmågan för stålröret tecknas R m = σ b *A stålrör För 610 pålar med en tvärsnittsarea av 0,0235 m 2 fås R m =17 MN. För 508 pålar med en tvärsnittsarea av 0,0195 m 2 fås R m =14,5 MN. Den maximala pålkraften i stöd 3 och 4 uppgår till 3,1 MN vilket ger en säkerhetsfaktor F = 17/3,1 > 5. Den maximala pålkraften i stöd 2 och 5 uppgår till 2,8 MN vilket ger en säkerhetsfaktor F = 14,5/2,8 > 5. Beräkning ovan utgör en översiktlig uppskattning av förväntade resultat. Kontroll görs även av brott vid stansning (typ Prantl) med symmetrisk utbredning. Det mothåll som berget ger vid 3 m nedborrning begränsas då av mantelmotståndet av en möjlig brottkon med brottvinkel 45 runt pålen. Mantelarea kon (A kon ) = π*r*s = 40 m 2 Radien r = 3 m Höjden h= 3 m Slänthöjd s = (r 2 +h 2 )= 2*3

13 13 (19) Skjuvmotstånd A kon *τ d =40*2,67=107 MN Den maximala pålkraften uppgår till 3,1 MN, det ger en säkerhetsfaktor mot stansbrott F=107/3,1 > Utdragskapacitet pålar Beskrivning Beräkning av erforderligt nedborrningsdjup i berg för utdragskapacitet av dragstag samt för erforderlig volym på brottkroppen i berg. Ramböll Finlands beräkningar redovisas i separat projekterings-pm. Nedan följer beräkning enligt svensk praxis Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK Dimensionerande laster Laster verkande på pålarna har räknats fram av Ramböll Bro Stockholm. Största dimensionerande draglast är för: stöd 2 & 5 F ULS =700 kn stöd 3 & 4 F ULS =750 kn & F ALS =1550 kn. Provdragslasten har valts till F prov =F max [1,5*F ULS ; 1,1*F ALS ] i enlighet med NCCI7. Förspänningskraften har valt till 1,1*F ULS. Mothållande last räknas för STR/GEO enligt ekvation 6.10 utan partialkoefficienter Dimensionerande värden Vidhäftning betong/berg ges i Pålkommissionens rapport 97 för gnejs till 7 MPa Dimensionerande värde sätts till f sd =f sk /ϒ m =7/1,5= 4,66 MPa.

14 14 (19) Beräkningar Max dragkraft i stag vid provdragning Stöd 2 & 5: 1,5*700 = 1050 kn. Stöd 3 & 4: F max [1,5*750; 1,1*1550] = 1705 kn. Max dragkraft vid brottgräns efter förspänning. Beräkning av max dragkraft som linstagen utsätts för redovisas på bilaga 6:2-1. Beräkningen baseras på elastisk töjning-kompresssion samverkan mellan stålrör och linstag. Bidraget från betong har ej medräknats. Beräkning har ej utförts för F ALS då låslasten är lägre än dessa krafter varpå samverkan inte erhålls, dvs dragkraft = F ALS. Beräkningarna ger att stagen ska dimensioneras för kraft som uppkommer vid provdragningen: Stöd 2 & 5: 1050 kn Stöd 3 & 4: 1705 kn Vid en diameter på borrhålet D=0,14 m krävs en förankringslängd för vidhäftning berg-betong för den mest belastade pålen enligt följande beräkning. L=F max /(π*d* f sd )=1705*/(π*0,14*4660)=0,83 m Beräkning av medverkande förankringsbergkropp fås av en tänkt kon med 60 toppvinkel. Beräkning av förankringslängd för enskilda och gemensamma utdragsbrottkroppar redovisas på bilaga Provdragningen får göras upp till max 90 % av undre sträckgränsen och max 80 % av brottgränsen se tabell 6.1 nedan. Dywidag Linstag F brott [kn] F flyt [kn] Max tillåten kraft [kn] Vald dragkraft [kn] 9 linor 2511* *0, OK 5 linor 1395*0,8 1253*0, OK Tabell 6.1

15 15 (19) Resultat Nedan presenteras maximal förankringslängd per stöd räknat från bergöverytan. N.b. att stålrörspålar borras ner 3 m i berg. Stöd Brott i förankringsbergkropp 2 5,8 m < 4 m 3 6,65m < 4 m 4 6,7 m < 4 m 5 5,5 m < 4 m Vidhäftningsbrott berg-betong Linstag ska installeras minst 6 m under bergöverytan för stöd 2 och 5. För stöd 3 och 4 ska linstag installeras minst 8 m under bergöverytan Underlag för kontrollprogram Linstaget ska förspännas upp till dimensionerande last då rörelserna annars blir för stora innan de samverkar. Förspänningen ökar grundläggningstrycket, se beräkning under geoteknisk bärförmåga ovan. I påltopp väljs en lastfördelande platta för linstaget så att spänningen i betongen inte överskrider f cd. Beskrivning av utförande och kontroll redovisas under kod CCD.22 i teknisk beskrivning med tillhörande ritningar. 6.3 Grundläggning/ Stöd Konstruktiv bärförmåga pålar Beskrivning Landfästet föreslås att pålas då urskiftning till fast botten och packning i torrhet inte är möjlig på grund av närheten till befintlig vägbank. Pålarna kommer installeras till berg genom grov sprängsten som ligger ovan blockrik finkornig friktionsjord Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK 3.

16 16 (19) Dimensionerande laster Beräkningar är baserade på preliminära uppgifter från Ramböll Stockholm med F ULS =1500 kn/påle. Slutliga beräkningar från Ramböll Stockholm ger F ULSmax =1287 kn, se rinting E Dimensionerande värden Stål S355J0 f yk =f yd >300 MPa för dimensioner upp till 100 mm. Betong C40 f cd =f ck /γ c =40/1,5=26,7 MPa Beräkningar Beräkningar utförda enligt svensk standard jämte kontrollberäkning enligt norsk standard redovisas på bilaga Resultat Beräkningarna ger att stålkärnan ska ha en minsta diameter av 100 mm för att klara knäckning. Beräkningen enligt svensk standard är konservativ då den inte medräknar yttröghetsmomentet, I, för betongen Geoteknisk bärförmåga pålar Beskrivning Berget har förutsatts vara uppsprucket varpå erforderlig spetsbärförmåga inte bedöms kunna erhållas. Beräkning av erforderligt nedborrningsdjup i berg har därför baseras på mantelbärförmågan Geoteknisk kategori och säkerhetsklass Dimensionering och beräkningar har utförts i geoteknisk kategori 2, GK 2 samt i säkerhetsklass 3, SK Dimensionerande laster Se kapitel ovan.

17 17 (19) Dimensionerande värden Draghållfasthet C40/45 är f ctk 0,05 =2,5 MPa f ctd = f ctk 0,05 / ϒ m =2,5/1,5=1666 kn/m 2. Vidhäftning stål-betong 3*f ctd 5 MPa Vidhäftning betong/berg ges i PK97 för gnejs till 7 MPa Dimensionerande värde sätts till f sd =f sk /ϒ m =7/1,5= 4,66 MPa. Då berget befaras vara av sämre kvalitét pga sprickzoner har det försiktig räknats med 3 MPa/1,55=1,93 MPa Beräkningar Beräkningar redovisas på bilaga Resultat Resultatet ger att det behövs en mantelburen längd på 1,56 m Underlag för kontrollprogram Landfästet rekommenderas att grundläggas på stålrörspålar som borras ned i berg. Då foderröret förväntas rostas av har höga krav satts på betongen för att skydda stålkärnan. Utförandet redovisas under kod CCD.21 i teknisk beskrivning. Inför grundläggningen ska organiska ytjordlager schaktas ur och ersättas med krossmaterial. Massutskiftningen ska utföras successivt för att inte riskera stabiliteten i bef vägbank. Max utskiftningsdjup är en meter. Krossmaterialet väljs relativt grovt för att inte orsaka ursköljning av finpartiklar dels under bygget men även framtida erosion. Fyllning sker upp till+0,5 (bedömt MHW) varefter packning utförs. Packning blir inte fullgod då fyllningen därunder blir undermåligt packad. Det är iofs inget krav då bron pålas men packning utförs för att minska risken för sättningar under bron. Därefter installeras stålrörspålar från en arbetsbädd i torrhet.

18 18 (19) Norconsult AB Väg och Bana Geoteknik Daniel Strandberg Bernhard.Gervide-

19 19 (19)