Horisontell jordundanträngning vid pålslagning i lera I Sverige slås årligen ett stort antal prefabricerade pålar som kan påverka omgivningen påtagligt i form av vibrationer och markrörelser. Redan slagna pålar kan utsättas för horisontalrörelser då resterande pålar i pålgruppen installeras. Pålkommissionens Rapport 95 Omgivningspåverkan vid pål- och spontslagning beskriver en beräkningsmetod som bygger på empiriska tumregler, men som saknar vetenskaplig förankring. Nyligen avslutades ett SBUFprojekt Massundanträngning i samband med pålslagning i lera där resultat från fältmätningar jämfördes med olika beräkningsmetoder. I projektet visades, med stöd av fältmätningar, att beräkningsmetoden enligt Pålkomissionens rapport inte kan förutsäga den horisontella jordförskjutningen på ett tillfredsställande sätt. Istället rekommenderas avancerade beräkningsmetoder, såsom FEM. I föreliggande artikel beskrivs hur jordens horisontalförskjutning kan uppskattas med en enkel beräkningsmodell vid plan eller lutande markyta. Även åtgärder för att minska jordundanträngningen, såsom lerproppdragning, diskuteras. ar, som med ökande avstånd övergår i en hävning av markytan, Massarsch & Wersäll (2013). Även redan installerade pålar påverkas av jordförskjutningarna som under ogynnsamma förutsättningar kan skada dem. Pålslagning i lera kan också medföra en ökning av porvattentrycket samt en omrörning, som i vissa fall kan nedsätta lerans skjuvhållfasthet. Jordundanträngningens storlek och riktning har tidigare undersökts genom fältmätningar och teoretiska studier, Massarsch (1976); Edstam (2011). Trots detta saknas Pålning, väg 45. När pålar slås ner i lera trängs jorden undan. Den undanträngda jordvolymen motsvarar pålarnas volym. Närmast pålen uppstår huvudsakligen sidoförskjutningidag fortfarande praktiskt användbara riktlinjer som kan användas av projektören för att uppskatta jordundanträngningens riktning och storlek. En ofta använd referens är Pålgrundläggningsboken, Olsson & Holm (1993), där en förenklad modell av jordundanträngningen beskrivs. Samma koncept tillämpas i Pålkommissionens rapport nr 95 Omgivningspåverkan vid pål- och spontslagning, Hintze et al (1997). De huvudsakliga frågeställningarna som en geoprojektör måste besvara är: Artikelförfattare är K. Rainer Massarsch, Geo Risk & Vibration AB, rainer.massarsch@georisk.se, och Carl Wersäll, KTH Jord- och Bergmekanik, carl.wersall@byv.kth.se. Figur 1: Samband mellan den normaliserade radiella förskjutningen från pålen och det normaliserade avståndet. Referensvärdet är pålens radie, R 0. Från Massarsch & Wersäll (2013). 46 Bygg & teknik 1/14
storleken och riktningen av jordundanträngningen, risken för hållfasthetsnedsättning, lämplig ordningsföljd vid slagning av Bygg & teknik 1/14 Figur 2: Enligt FEM beräknade förskjutningsvektorer intill en horisontellt expanderande zon, efter Massarsch (1976). en pålgrupp, inverkan av markytans lutning eller djupa schakter på jordförskjutningen, åtgärder för att minska jordrörelserna. I föreliggande uppsats redovisas resultat från försök och beräkningar som behandlar den horisontella jordförskjutningen vid pålslagning. Resultaten bygger i stor utsträckning på en bearbetning av förste författarens doktorsavhandling som genomfördes inom ramen för Pålkommissionens verksamhet för närmare 40 år sedan, Massarsch (1976). Utgående från dessa resultat har ett beräkningsprogram tagits Figur 3: Markhävning i samband med stegvis nedträngning av en påle i lera, efter Wersäll & Massarsch (2013). fram, som gör det möjligt att beräkna jordundanträngningen vid plan och lutande markyta. Markytans hävning på grund av pålslagning i lera har analyse- Figur 4: Stereomätning av ytförskjutningen vid slagning av modellpålar i en lerfylld låda, Massarsch (1976). rats och redovisats i en nyligen publicerad uppsats, Wersäll & Massarsch (2013). Hur uppstår jordundanträngning? Omfattande modellstudier och fältmätningar har visat att jordförskjutningen i samband med pålens nedträngning sker huvudsakligen i horisontell riktning. I figur 1 har resultaten från olika modellförsök ställts samman, där den normaliserade radiella förskjutningen från en påle visas som funktion av det normaliserade avståndet. Trots att försöken har utförts under olika förutsättningar erhålls mycket samstämmiga resultat. Närmast pålen sker jordförskjutningen endast i horisontell riktning. Sidoförskjutningen avtar med ökande avstånd och övergår gradvis i en uppåtriktad rörelse. Figur 2 visar resultat från tvådimensionella FEM-beräkningar där en cylindrisk kavitet har expanderats i steg och förskjutningsvektorernas riktning har beräknats. Förskjutningsmönstret liknar det passiva jordmotståndet. Liknande markrörelser i samband med slagning av en pålgrupp i lera har redovisats av Edstam (2011). Slagningen av en påle påverkar redan installerade pålar huvudsakligen i horisontell riktning. Markytans hävning i samband med nedträngningen av en påle i lera visas i figur 3. Med ökande nedträngning av pålen ökar hävningen och zonen som påverkas av sidoförskjutningen. Hävning vid slagning av pålgrupper behandlas i Wersäll & Massarsch (2013). För att undersöka hur slagningen av en pålgrupp påverkar jordundanträngningen utfördes omfattande modellförsök, utförligt beskrivna i Massarsch (1976). En trälåda fylldes med modellera och ytans rörelse i tre riktningar registrerades med hjälp av stereokameror, figur 4. Tack vare de kontrollerade försöksförhållandena var det möjligt att i detalj studera markytans hävning och sidoförskjutning. Figur 5 på nästa sida visar den horisontella markytans rörelse efter slagning av åtta, tolv och tjugo pålar. Det kan noteras att mätpunkterna genomgår en betydande förskjutning i samband med slagningen av en pålgrupp. Även om mätpunkten i mitten av pålgruppen efter den avslutade slagningen hamnar på nästan samma plats som innan slagningen, har den genomgått en betydande totalrörelse. Horisontalrörelsen omkring pålgruppen är närmast symmetrisk och tyder på att redan slagna pålar endast har liten inverkan på jordförskjutningen. Beräkning av horisontalförskjutning i markytan Författarna har utvecklat ett beräkningsprogram som bygger på ovan redovisade förutsättningar, det vill säga att sidoförskjutningen kring pålar huvudsakligen sker i horisontell riktning och att redan slagna pålar har försumbar inverkan. Si- 47
den sist slagna pålen uppenbarligen inte utsätts för jordrörelser. De beräknade förskjutningarna är i god överensstämmelse med resultat från modellförsök och fältmätningar. Markytans lutning påverkar jordförskjutningen och denna effekt bör beaktas. Massarsch & Wersäll (2013) har utvecklat en metod för att beräkna hur markytans lutning β (mätt mot horisontalplanet) påverkar förskjutningen i det lutande planet, u incl jämfört med samma förskjutning vid horisontell markyta, u hor : u incl = 1 - tan β (2) u hor I figur 8 visas sidoförskjutningen för en lutande markyta när pålslagningen påbörjas vid släntkrönet (a) och (b) samt vid släntfoten (c) och (d). I övrigt gäller samma förutsättningar som anges i figur 6 och 7. Beräkningar har utförts för en lutning av 20 respektive 30 grader. I de första två fallen sker slagningen från släntkrönet ner mot släntfoten. I de andra två fallen påbörjas pålslagningen vid släntfoten och upp mot slänten. Pålarnas totala rörelser är störst när pålslagningen påbörjas vid släntfoten. Skillnaden är avsevärd och kan inte försummas. Det bör påpekas att redan slagna pålars förstärkande effekt som är mycket svårbedömd och i praktiken försumbar inte har beaktats. Figur 5: Stegvis ytförskjutning efter slagning av två, tre och fem pålrader (åtta, tolv respektive tjugo pålar). doförskjutningen u på grund av en expanderande cylindrisk kavitet (plana förskjutningar) kan beräknas enligt Randolph et al (1979) med hjälp av följande samband: u R R = [( ) 2 + 1] 0,5 - (1) R 0 R 0 R 0 där R 0 är pålradien, R är avståndet från pålen. Detta samband, som redovisas i figur 1, ger god överensstämmelse med resultat från fält- och modellförsök. Figur 6 visar ett exempel där det har antagits att en grupp av nio pålar slås i en symmetrisk grupp. Rörelsen av pålarna och omgivande referenspunkter har beräknats. I figur 7 visas den beräknade horisontella förskjutningen av pålar och referenspunkter omkring pålgruppen. Eftersom inverkan av redan slagna pålar kan försummas, är jordförskjutningen omkring pålgruppen symmetrisk. Förskjutningen av den först slagna pålen är störst medan Betydelsen av lerproppdragning Dragning av lerproppar är en vanlig och effektiv metod för att minska jordundanträngning. En metod är att slå ner ett rör som har en något mindre diameter än den av pålen, jämför figur 9. Proppdragningen bör utföras omedelbart innan pålen ska slås, en regel som inte alltid följs i praktiken. En viktig, men ofta bortglömd effekt är att lerproppar endast kan tas upp från ett begränsat djup. På större djup kan inte borrhålet stå öppet och kollapsar därmed. Därför är det angeläget att kunna beräkna det maximala borrhålsdjupet. Följande exempel illustrerar hur det maximala borrhålsdjupet (proppdragningslängden) kan uppskattas. Det antas att leran är normalkonsoliderad och har en totaldensitet av 1 700 kg/m³. Grundvattenytan ligger nära markytan. Det kritiska borrhålsdjupet, z krit för en cylindrisk kavitet kan beräknas från följande samband som har tagits fram av Massarsch (1976): 1 + ln(e / 3 c u ) z krit = c u (3) 6,6 K 0 + 10 där c u är lerans odränerade skjuvhållfasthet i nivå med borrhålsbotten, E är lerans odränerade elasticitetsmodul och K 0 är jordtryckskoefficienten. För svenska leror är kvoten E / c u 1 000. Om det antas att lerans odränerade skjuvhållfasthet på borrhålets botten, c u = 15 kpa och K 0 = 0,50 så erhålls det kritiska borrhålsdjupet enligt ekvation (3), z krit = 7,7 m. Figur 6: Sidoförskjutning av mätpunkter på markytan vid slagning av pålar i en symmetrisk pålgrupp enligt figur 1 och ekvation (1). Figur 7: Beräknad, stegvis förskjutning av pålar och referenspunkter omkring pålgruppen. Pålarnas förskjutningar är förstorade. Från Massarsch & Wersäll (2013). 48 Bygg & teknik 1/14
Figur 8: Inverkan av markytans lutning, β på markytans rörelse vid slagning av pålar med början vid släntkrönet (a) och (b) samt vid släntfoten (c) och (d). Pilen markerar slagningsriktningen i slänten. Pålarnas förskjutningar är förstorade. Från Massarsch & Wersäll (2013). Det är inte ovanligt att proppdragning till 10 och 15 m djup föreskrivs i bygghandlingen. Proppdragningen utförs då i flera omgångar eftersom borrhålet kollapsar efter den första proppdragningen. Om proppdragning utförs till större djup än det som motsvarar det kritiska djupet, kan detta leda till en störning och oönskad hållfasthetsnedsättning. Proppdragning i en slänt eller schaktgrop kan ha negativ påverkan på stabiliteten. Figur 9: Dragning av lerproppar i en slänt innan slagningen av träpålar. Slutsatser Rekommendationer för uppskattning av jordundanträngning enligt Pålkommissionens Rapport 95 Omgivningspåverkan vid pål- och spontslagning bör användas med försiktighet eftersom dessa bygger på generella tumregler, som inte har bekräftats av fältmätningar. Vid slagning av pålar i lera trängs jorden undan. Den undanträngda jordvolymen motsvarar den totala pålvolymen under markytan. Jordundanträngningen sker närmast pålen huvudsakligen i horisontell riktning men förskjutningen riktas mot markytan med ökande avstånd från pålen. Horisontalförskjutningen som förorsakas av en nedträngande påle kan beräknas enligt teoretiska samband som har bekräftats av publicerade undersökningar. Redan slagna pålar har en försumbar inverkan på jordens horisontalförskjutning. Ett beräkningsprogram har utvecklats som gör det möjligt att bestämma markytans förskjutning vid slagning av en pålgrupp i lera. Förskjutningen av redan slagna pålar och av godtyckliga referenspunkter omkring eller inom pålgruppen kan beräknas på ett enkelt sätt. Utifrån utfärda beräkningar och undersökningar kan följande slutsatser dras: Horisontalförskjutningen kan beräknas om pålens diameter är känd. Eftersom redan slagna pålar inte påverkar jordrörelser nämnvärt så sker horisontalförskjutningen symmetriskt kring pålen. De först slagna pålarna utsätts för de största horisontalförskjutningarna. Vid lutande markyta är slagningsföljden av en pålgrupp av betydelse. För att minska sidoförskjutningen av pålar bör slagningen börja längs släntkrönet. Om pålslagningen påbörjas vid släntfoten kommer dessa pålar att utsättas för stora sidoförskjutningar. Dragningen av lerproppar är en effektiv metod för att minska jordundanträngningen. Det maximala proppdragningsdjupet beror på lerans egenskaper och är i normalkonsoliderade leror begränsat till cirka 7 m. Referenser Edstam, T. (2011). Massundanträngning vid pålslagning i lera (Ground displacement due to pile driving in clay). SBUF Report, 49 s. Hintze, S., Liedberg, S., Massarsch, R., Hanson, M., Elvhammar, H., Lundahl, B. & Rehnman, S-R. (1997). Omgivningspåverkan vid pål- och spontslagning. Pålkommissionen, Rapport Nr. 95. 105 s. 50 Bygg & teknik 1/14
Massarsch, K. R. (1976). Soil Movements Caused by Pile Driving in Clay, Inst. för jord- och bergmekanik, KTH, Thesis in partial fulfillment of the requirements for the Degree Doctor of Engineering, Job-Rapport No 6, 261 s. Massarsch. K. R. & Wersäll, C. (2013). Cumulative Soil Displacement due to Pile Driving in Soft Clay. Sound Geotechnical Research to Practice, Geotechnical Special Publication (GSP 230) Honoring Robert D. Holtz, Edited by Armin W. Stuedlein, Ph.D., P.E., and Barry R. Christopher, Ph.D., P.E., ASCE, 17 s. Olsson, C. & Holm G. (1993). Pålgrundläggning. Svensk Byggtjänst, ISBN 91-7332-663-1. Stockholm, 377 s. Randolph, M.F., Steenfelt, J.S. & Wroth, C.P. (1979). The effect of pile type on design parameters for driven piles. Proceedings VII ECSMFE 1979, Brighton, Design Parameters in Geotechnical Engineering, Vol. 2, s. 107 114. Wersäll, C. & Massarsch, K. R. (2013). Soil heave due to pile driving in clay. Sound Geotechnical Research to Practice, Geotechnical Special Publication (GSP 230) Honoring Robert D. Holtz, Edited by Armin W. Stuedlein, Ph.D., P.E., and Barry R. Christopher, Ph.D., P.E., ASCE, 19 s. Bygg & teknik 1/14 51