EXAMENSARBETE. Markteknisk undersökningsrapport för anläggandet av ett nytt ställverk vid LKAB i Kiruna. Henrik Lövgren 2014

Transkript

1 EXAMENSARBETE Markteknisk undersökningsrapport för anläggandet av ett nytt ställverk vid LKAB i Kiruna Henrik Lövgren 2014 Högskoleexamen Samhällsbyggnad Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2 Markteknisk undersökningsrapport för anläggandet av ett nytt ställverk vid LKAB i Kiruna Henrik Lövgren

3 Förord Detta examensarbete är den avslutande delen på utbildningen Högskoleexamen samhällsbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Rapporten omfattar 7,5 högskolepoäng av programmets totala 120 poäng. Jag har läst programmets inriktning infrastruktur. Geoteknik och anläggning är det som har intresserat mig mest under utbildningen och då jag gjorde min verksamhetsförlagda utbildning inom geoteknik föll det sig naturligt att även leta efter ett examensarbete inom det området. Arbetet har utförts som ett projekt på Sweco geoteknik i Luleå på uppdrag av LKAB i Kiruna. Tanken med rapporten är att den skall användas av LKAB som ett underlag vid upphandling av en mark- eller totalentreprenad. Min förhoppning är att denna undersökning ger ett bra underlag för den som skall projektera det fortsatta arbetet inom projektet. Jag vill även passa på att rikta ett tack till min handledare på Sweco Tobias Engström för hjälp och rådgivning, både smått som stort. Jag vill även tacka min chef på Sweco Peder Hansson för att ha fått förtroendet att sköta ett av hans projekt från start till slut både med den geotekniska handläggningen och även som uppdragsledare för hela arbetet. Det har varit en nyttig och lärorik resa. Luleå maj 2014 /Henrik Lövgren ii

4 Sammanfattning Det här examensarbetet är skriven som en markteknisk undersökningsrapport. Det är utfört via Sweco geoteknik i Luleå på uppdrag av LKAB i Kiruna. De geotekniska undersökningar som är utförda och presenteras i den här rapporten kommer LKAB i sin tur att använda som offertunderlag för en totalentreprenad eller markentreprenad av uppförandet av ett nytt ställverk på deras gruvområde i Kiruna. En geoteknisk undersökning går ut på att i fält på den aktuella platsen genomföra olika slags sonderingar och provtagningar för att kunna mäta relevanta jordparametrar för den planerade konstruktionen. Den datan som samlas in i fält tolkas sedan av en geotekniker och presenteras på ett lämpligt sätt, oftast både grafiskt och i textformat. I det här arbetet finns däremot hela arbetsgången med planering av undersökningarna och inte bara de presenterade resultaten. Det praktiska fältarbetet med borrningar har utförts av två fältgeotekniker på Sweco, dem har sedan överlämnat undersökningsresultaten till mig i pappersformat samt digitalt för behandling och beräkningar för att till sist presenteras i den här rapporten. Inga väsentligt svåra geotekniska frågeställningar har dykt upp under arbetets gång men ett ställverk är ändå en stor konstruktion som inte tål allt för stora störningar i grundläggningen. Jag räknar med att de undersökningar som är utförda och presenteras i den här rapporten skall vara alldeles tillräckliga för att på säkert sätt kunna projektera markarbeten och grundläggningen till själva ställverket utan att behöva utföra kompletteringar eller andra geotekniska undersökningar. iii

5 Innehållsförteckning Förord... ii Sammanfattning... iii 1 Inledning Bakgrund Syfte Begränsningar Undersökningsmetoder Allmänt om geotekniska fältundersökningar Hejarsondering Viktsondering Tung slagsondering Störd jordprovtagning med skruvprovtagare Grundvattenrör Underlag för undersökningen Situationsplan/bakgrundskarta Borrprogram Styrande dokument Resultat Inmätning Geoteknisk kategori Utförda geotekniska undersökningar Härledda värden Hållfasthetsegenskaper, friktionsvinkel Lagringstäthet, Materialtyp, Tjälfarlighetsklass Deformationsegenskaper, Elasticitetsmodul Hydrogeologiska undersökningar Materialegenskaper samt tunghet Värdering av undersökning Diskussion, slutsatser samt förslag på grundläggningsmetoder Referenser

6 1 Inledning 1.1 Bakgrund Jag har via Sweco Civil AB fått i uppdrag av LKAB i Kiruna att utföra en geoteknisk undersökning för grundläggning av ett nytt ställverk på LKAB:s gruvområde i Kiruna. En geoteknisk undersökning visar vad marken består av som till exempel berg, block eller lera. Den ger även svar på vissa viktiga jordparametrar så som deformationsegenskaper och hållfasthet. För att kunna vidta korrekta grundläggningsmetoder samt att ta fram en hållbar budget för projektet är den geotekniska undersökningen av stor vikt för att kunna utforma ett bra förfrågningsunderlag inför en slutlig entreprenad. 1.2 Syfte Syftet med den geotekniska undersökningen är att beskriva de geotekniska förhållandena på platsen för anläggandet av ett nytt ställverk. Denna marktekniska utredningsrapport (MUR) skall sedan användas som underlag vid upphandlingen av entreprenaden och eventuellt vid fortsatt projektering av mark/grundläggning. 1.3 Begränsningar Då denna rapport endast skall användas som underlag inför upphandlingen av en totalentreprenad kommer jag endast att redovisa uppmätta och härledda värden. Tolkningar antaganden och grundläggningsmetoder kommer att vara upp till den som vinner upphandlingen att avgöra utifrån data i denna rapport eller om dem väljer att utföra en egen ytterligare geoteknisk undersökning, det är dock högst osannolikt då området är relativt begränsat. Jag kommer även att försöka hålla mig till den ursprungliga upphandlade planen mellan Sweco och LKAB avseende antalet borrhål samt mantimmar för undersökningarna. 2

7 2 Undersökningsmetoder 2.1 Allmänt om geotekniska fältundersökningar Syftet med att utföra geotekniska fältundersökningar är att samla in rådata om jordens materialparametrar. Den rådatan sammanställs sedan och tolkas av en geotekniker för att kunna utföra beräkningar och vidare beskriva de markförhållande som är relevanta för den planerade konstruktionen både i text och grafiskt. Det finns ett stort antal geotekniska och marktekniska undersökningsmetoder. En del fungerar bättre eller sämre vid vissa markförhållanden än andra samt att det även finns en ekonomisk aspekt vid val av undersökningsmetoder. Det är inte lönsamt att utföra en mycket kostsam metod om resultatet på undersökningarna inte kräver den precisionen. Jag kommer endast att beskriva de undersökningsmetoder jag har valt att utföra under det här projektet då det skulle bli ett alldeles för omfattande arbete att beskriva samtliga metoder som hade kunnat genomföras. Alla undersökningar som har genomförts i det här projektet har utförts med en motordriven borrbandvagn av typen Geomachine GM75 GTT årsmodell Det är en borrigg som väger cirka 4,5 ton och är utrustad med ett dubbelspindelsystem som gör att det går att ha två av varandra oberoende sonderingsmetoder monterade samtidigt. Den var vid tillfället för undersökningarna utrustad med en datalogger typ Envi D-mon samt en slaghammare av typen furkawa 2 (F2). Borrbandvagn Geomachine GM 75 GTT. 3

8 2.2 Hejarsondering Enligt gällande standard finns det fem olika hejarsonderingsmetoder, den metod som har använts vid undersökningarna är svensk hejarsondering HfA som har motsvarigheten i Metoden DPHS-A enligt gällande ISO-standard. Jag valde att utföra hejarsonderingen för att kunna härleda jordparametrar avseende elasticitetsmodul (E-modul) samt friktionsvinkel. Samt att det är en metod som fungerar bättre än viktsondering i friktionsjordar och moräner med avseende på att kunna driva ner sonden. Hejarsondering går ut på att man slår ner en konisk cylindrisk hejarspets i jorden med hjälp av en frifallshejare som skall ha en massa på 63,5kg +/- 0,5kg som släpps från en fallhöjd på 500mm +/-10mm. Hejaren träffar en slagdyna med ett dämpande gummimellanlägg som via sondstänger överför kraften till hejarspetsen. Antalet slag för varje 0,2 meters nedsjunkning registreras automatiskt av dataloggern på borrbandvagnen. Beroende på neddrivningshastigheten vrids sondstången två varv per 0,2 meter nedsjunkning eller vid varje påskarvning av en ny sondstång. Vridmomentet för omvridningen noteras och används sedan för att kompensera för den mantelfriktion som orsakas av sondstängerna och inte hejarspetsen. Sonderingen utförs antingen till ett bestämt djup eller som i det här fallet till sondstopp som nås då det krävs minst 200 slag för att driva ner sonden 0,2 meter. 2.3 Viktsondering Viktsondering är en av dom äldsta svenska sonderingsmetoderna, den kan utföras både manuellt och med motordriven utrustning på borrbandvagn. Metoden används för att bestämma jordlagerföljd samt för att härleda E-modul och friktionsvinkel hos jorden. Metoden passar bäst i lösa till medelfasta jordar som har lite block och sten då metoden inte klarar av att tränga igenom allt för hårda hinder. Det är en metod som ger ganska grova resultat då det bland annat inte går att skilja friktionen hos sondstängerna från friktionen hos sondspetsen. Det är däremot en kostnadseffektiv sonderingsmetod som istället tillåter att man genomför fler sonderingar till samma pris jämfört med andra mer exakta metoder. Viktsondering går ut på att man pressar ner en skruvformad sondspets i jorden med en ökande belastning på 25, 50, 75 eller 100kg på sonden, sjunker sonden inte trots en belastning på 100kg vrids sonden och antalet halvvarv per 0,2 meter nedsjunkning registreras. Sondstopp anses nås när minst 80 halvvarvs vridning behövs under fem på varandra följande 0,2m sjunkintervall. 4

9 Sondspets för viktsondering (Bild från SGF fälthandbok 1:96) 2.4 Tung slagsondering Syftet med att utföra slagsondering är att kontrollera bergfritt djup. Det kan vara av stor vikt för den framtida entreprenaden då oförutsedda sprängningar och bergschakt kan bli väldigt kostsamma. Metoden ger däremot ingen indikering av den faktiska bergytan, är det av intresse får man ta till andra mer kostsamma undersökningsmetoder t.ex. Jord-berg sondering. Metoden går ut på att man driver ner en sondspets med en minsta diameter på 44 millimeter, sondstängerna är 44 millimeter och därför bör spetsen vara någon millimeter större i diameter. I det här fallet har en gammal utnött JB-borrkrona använts som sondspets. Sonderingen utförs genom att sonden drivs ner med rotation, slagning och en statisk last på minst 500kg. Slagfrekvensen skall vara minst 1200 slag per minut och rotationen mellan 15 och 40 varv per minut. Den tid det tar för att driva ner sonden var 0,2 meter registreras och sondstopp uppnås när inte sonden går att föras ner längre med normalt förfarande. 2.5 Störd jordprovtagning med skruvprovtagare Ostörd provtagning med t.ex. Kolvprovtagare går generellt sett inte att genomföra i friktionsjordar och grovkornigare jordar. En provtagningsmetod som då går att genomföra är att ta upp störda jordprover med en skruvprovtagare. Proverna kan både visuellt inspekteras direkt i fält för bedömning av jordlagerföljder samt jordtyper men man kan även spara de 5

10 störda proverna i tättslutande påsar och skicka dem för laboratorieanalys på samma sätt som med de ostörda kolv-proverna. En fördel med skruvprovtagning är att man får en kontinuerlig bild av jordlagerföljden då man tar upp jord från hela borrhålets djup. Skruvprovtagaren ser ut precis som det låter som en skruv. De förekommer normalt i diametrar mellan 30 och 200 millimeter. Vid undersökningarna i det här arbetet har en skruvprovtagare med 100 millimeters diameter använts. Metoden går ut på att man skruvar ner provtagaren under tryck med så bra anpassad rotation till skruvens stigning som möjligt, detta för att inte jorden ska röras om av provtagaren. När provtagaren har förts ner hela sin längd (vanligtvis en meter) dras den rakt upp utan rotation så att de olika jordlagren ligger kvar på sin plats på skruvens flänsar. Jorden som följer med upp besiktigas okulärt med avseende på jordarter och jordlagerföljder vilka noteras i provtagningsprotokollet. Skruven rengörs sedan och drivs ner för att ta ytterligare ett en meters prov. Ett normalt maximalt djup för provtagningarna brukar ligga på cirka fem meter. Nerdrivning av skruvprovtagare. 6

11 2.6 Grundvattenrör Grundvattenrör är en geohydrologisk mätmetod med öppna system. Det används främst för mätningar av grundvattennivå i jordar med hög permeabilitet som sand, grus och grövre moräner. I öppna system mäter man med ett lod en fri vattennivå, som har fått strömma in i mätröret via ett filter. I den här undersökningen är ett grundvattenrör av galvaniserat stål med filter av geotextil installerat. Det finns även grundvattenrör av andra material t.ex. plast. 3 Underlag för undersökningen 3.1 Situationsplan/bakgrundskarta En situationsplan/bakgrundskarta i.dwg-format med det tänkta ställverkets placering är tillhandahållen av Norrbottens Byggprojektering AB 3.2 Borrprogram Undersökningarna avser sju stycken skruvprovtagningar, sju stycken viktsonderingar, två slagsonderingar, en hejarsondering samt ett grundvattenrör fördelat på totalt sju sonderingspunkter. Syftet med sonderingarna är att ta reda på jordlagerföljder, jordens beskaffenhet med löshet och djup till fast mark. Slagborrsonderingen (Slb) utförs för att finna eventuellt ytligt berg. Slb utförs på punkt SW1402 samt SW1406. En hejarsondering i syfte att utvärdera jordparametrar utförs på SW1404, centralt beläget under platsen för ställverket. Är marken hårt tjälad kan Slb utföras först för att eventuellt kunna få ner viktsonderingarna. Undersökningarna påbörjas med viktsondering på punkterna SW1402, 1405 & Består marken av fast morän utförs ej viktsondering på SW1401, 1403 & Ett grundvattenrör installeras i punkt SW1405 i syfte att ta reda på grundvattennivå på platsen. Marken antas bestå av friktionsjordar där grundvattennivåer går att avgöra med korttidsmätningar i öppet system. Grundvattenröret ska bestå av ett galvrör med 0,5 m filterspets samt gängat låsbart lock för att förhindra kontamination. Vattennivån i röret skall avläsas dagen efter att undersökningarna är utförda. Fältgeoteknikerna ansvarar själva för utsättning av borrpunkterna med hjälp av bifogat kartmaterial genom att mäta från den intilliggande pumpstationen. Inmätning av punkterna kommer att utföras i efterhand av Sweco mätteknik. 7

12 Borrpunkternas placering i förhållande till befintlig pumpstation (ortofoto från google earth) Borrpunkternas placering under det tänkta ställverket. 8

13 3.3 Styrande dokument Denna rapport ansluter till SS-EN med tillhörande nationell bilaga. (BFS 2011:10) Övriga styrande dokument: Trafikverkets publikation 2011:047, TK Geo 11 SS-EN/ISO Beteckningsblad SS-EN/ISO :2004 Beteckningsblad SGF Fälthandbok publikation 1:96 SS EN-ISO : Resultat 4.1 Inmätning Inmätning av sonderingspunkterna har utförts av Johnny Olovsson, Sweco Civil AB. Inmätning har utförts i mätklass A enligt SGF fälthandbok 1:96 Koordinatsystem: Plan: SWEREF Höjd: RH Geoteknisk kategori Planering för provtagningar är gjord med ansats att planerad byggnation uppförs i geoteknisk kategori 2 (GK2) enligt TK Geo Utförda geotekniska undersökningar De geotekniska fältundersökningarna har utförts under ledning av fältgeotekniker Kenth Albertsson Sweco Civil AB. Undersökningarna har utförts med en borrbandvagn av typen Geomachine GM75 årsmodell

14 Utförda fältundersökningar har omfattat: Hejarsondering i en punkt (HfA) för att utvärdera materialparametrar på jorden. Viktsondering i 7 punkter (Vim) för bedömning av jordlagerföljder samt relativ fasthet. Slagsondering i 2 punkter (Slb) för att bedöma bergfritt djup. Skruvprovtagning i 7 punkter (Skr) för att i fält bedöma jordlagerföljd samt materialtyp. Ett grundvattenrör har installerats i punkt SW1405GW för kontroll av grundvattennivån. Upptagna jordprover har i fält okulärbesiktigats med avseende på materialtyper enligt SS- EN/ISO samt SS-EN/ISO : Härledda värden Viktsondering (Vim) och hejarsondering (HfA), har utförts med avsikt att utvärdera jordens lagringstäthet, friktionsvinkel samt E-modul. Resultaten från dessa har utvärderats enligt Figur 1 och Figur 2. 10

15 Figur 1 - Utvärdering av deformationsegenskaper ur sonderingsresultat för sand (silt) enligt Trafikverkets publikation 2011:047 TK Geo Figur Figur 2 - Utvärdering av friktionsvinkel och lagringstäthet enligt Trafikverkets publikation 2011:047 "TK Geo" Figur Enbart friktionsvinkel och sättningsmodul (E-modul) är utvärderade. Jordens materialtyp och tjälfarlighetsklass har utvärderats med hjälp av Trafikverkets publikation 2011:047 TK Geo Tabell

16 Nivå [+XX] Hållfasthetsegenskaper, friktionsvinkel En sammanställning av härledda värden för friktionsvinkel från viktsonderingarna samt hejarsonderingen redovisas i figur 3. Friktionsvinkel Friktionsvinkel [grader] 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 506,00 505,00 504,00 SW1404 Vim SW1401Vim SW1402Vim 503,00 SW1403Vim SW1405Vim SW1406Vim 502,00 SW1407Vim SW1404HfA 501,00 500,00 499,00 Figur 3 - Härledd friktionsvinkel 12

17 4.4.1 Lagringstäthet, Materialtyp, Tjälfarlighetsklass En sammanställning över härledd lagringstäthet utvärderad från hejarsonderingen redovisas i Tabell 1. Materialtyp och tjälfarlighetsklass har bedömts med grund i jordartsbedömning från provtagningsprotokoll och från Tabell i Trafikverkets publikation 2011:047, TK Geo 11 Nivå [+XX] Lagringstäthet Materialtyp Tjälfarlighetsklass 504,8-504,6 Mycket fast 3B 2 504,6-504,4 Fast ,4-503,6 Mycket fast ,6-503,4 Fast 6B 1 503,4-503,2 Fast 3B 2 503,2-503,0 Medelfast 3B 2 503,0-502,0 Fast 3B 2 Tabell 1 - Bedömd lagringstäthet, materialtyp, tjälfarlighetsklass 13

18 Nivå [+xxm] Deformationsegenskaper, Elasticitetsmodul En sammanställning över härledd E-modul utvärderad från viktsonderingarna samt hejarsonderingen redovisas i Figur 4. E-modul E-modul [MPa] 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 506,00 505,00 504,00 SW1401Vim SW1402Vim 503,00 SW1403Vim SW1404Vim SW1405Vim SW1406Vim 502,00 SW1407Vim SW1404HfA 501,00 500,00 499,00 Figur 4 - Härledd samt sättningsmodul (E-modul) 14

19 4.4.2 Hydrogeologiska undersökningar Ett grundvattenrör är installerat i punkt SW1405GW för kontroll av grundvattennivån. En initial mätning av grundvattenytan genomfördes dagen efter att borrningarna var avslutade och då uppmättes grundvattenytan till nivå +503,5 vilket motsvarar 1,0 meter under markytan Materialegenskaper samt tunghet På djup större än 1,2 meter under markytan har en sandmorän eller grusig siltig sandmorän påträffats. Materialen tillhör materialtyp 3B med tjälfarlighetsklass 2. Karakteristisk tunghet för materialen är enligt TK Geo 11 Tabell kn/m 3 ovan grundvattenytan samt 12 kn/m 3 under grundvattenytan. 4.5 Värdering av undersökning Undersökningarna är utförda enligt gällande standarder under en kontinuerlig period med samma utrustning och personal vilket har medfört att materialet i denna MUR ses som tillförlitligt. 5 Slutsatser samt förslag på grundläggningsmetoder Huvudrapporten från den här undersökningen är som tidigare nämnts tänkt att användas som underlag vid en upphandling. Därför är det endast uppmätta och härledda värden som har presenterats, inga tolkningar eller antaganden har presenterats. På grund av det har jag på beställarens begäran skrivit ihop ett förslag på grundläggning, tanken med det är att beställaren ska ha något att jämföra anbuden på grundläggningen med. Föreslagen grundläggningsmetod baserad på rådande geotekniska förutsättningar en kantförstyvad platta på mark alternativt en platta med kantbalkar på mark. Ett tänkbart alternativ skulle kunna vara att grundlägga plattan på plintfötter men det bedöms som mindre lämpligt på grund av den högre risken för ojämna sättningar och på grund av de små schaktmassor det rör sig om är besparingen i schaktarbete inte av en betydande storlek. Bortschaktning av övre vegetationsskikt med underliggande torvlager skall ske samt där det är utfyllt för väg/vändplan schaktas fyllningen samt underliggande torvlager bort så att grundläggningen sker på fast morän vid nivå +502,5. 15

20 Utfyllnad bör ske med icke tjällyftande material av materialtyp 2 eller bättre på grund av den höga grundvattenytan. Materialet packas enligt AMA-anläggning 10. Ett dränerande och kapillärbrytande lager på minst 150 millimeters tjocklek som dras ut så att det ansluter till kringfyllning för dränledningar bör också utföras. Beakta även skillnader i utförandet av tjälskydd beroende på om ställverket byggs inomhus och utvecklar mycket värme i byggnaden eller om det står fritt utomhus och plattan kyls ned till rådande utomhustemperaturer. 16

21 Referenser Trafikverkets publikation 2011:047, TK GEO 11 SGF Fälthandbok publikation 1:96 Svensk byggtjänst (2011) AMA Anläggning 10. ISBN Svensk byggtjänst (2011) RA Anläggning 10. ISBN SGI Information 2 (1984) Geotekniska undersökningar i fält ISSN IEG Rapport 7:2008 (2010) Tillämpningsdokument plattgrundläggning ISBN Bilagor: Bilaga 1: Planritning. 01G Planritning Bilaga 2: Borrhålsritning 02G Fria borrhål Bilaga 3: Borrprogram 17

22

23

24 BILAGA UPPDRAGSNAMN: KP04 Ställverk FÄLTPROGRAM NUMMER: 1 (original) UPPDRAGSNUMMER: BESTÄLLARE: LKAB Kiruna OMFATTNING: Skr. HfA, GW HANDLÄGGARE: Henrik Lövgren DATUM: UPPDRAGSLEDARE: Henrik Lövgren markera med 1 om sondering skall göras Sonderingar Provtagning Borrhål Sektion Trt CPT Slb Jb Hfa Vim Pg Skr Utjämningsförsök Rördrivning Portrycksrör Kommentar SW Förborra genom fyllning. SW SW SW Förborra. Vid ytligt berg, utför Slb. På SW1402 och SW1406 SW Installera grundvattenrör. SW Förborra genom fyllning. SW SUMMA: Kommentarer: Om inget annat anges gäller följande: DEL 1 S:\99\46120\Mallar\TXT\faltprg.xls