Klimathall i Norrbotten
En jämförande studie av platser i biltestregionen
Magnus Andersson
Thomas Bohman
2014
Civilingenjörsexamen
Väg- och vattenbyggnadsteknik
Luleå tekniska universitet
Avdelningen för geoteknologi
Institutionen för Samhällsbyggnad och Naturresurser Luleå tekniska universitet
971 87 LULEÅ www.ltu.se/org/sbn
Klimathall i Norrbotten
En jämförande studie av platser i biltestregionen
Thomas Bohman
Magnus Andersson
I
FÖRORD
Detta examensarbete är det avslutande momentet i vår utbildning på civilingenjörsprogrammet, Väg- och vattenbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Studien har utförts i samarbete med branschorgani-sationen SPGA. Vi vill tacka Sture Lestander, SPGA, för denna unika möjlighet att få genomföra ett in-tressant examensarbete inom denna spännande bransch.
Vi vill även passa på att tacka:
Thomas Forsberg, LTU, för all hjälp och rådgivning under arbetets gång. Peter Jeppsson, LTU, som initierat detta examensarbete.
Hans Mattsson, LTU, examinator och handledare.
Moa och Molly för all uppmuntring och stöttning under arbetets gång. Magnus Andersson & Thomas Bohman
III
SAMMANFATTNING
I snart 40 år har kommunerna i Norra Norrlands inland spelat en viktig roll i bil- och komponenttestindu-strin. Hit har fordon sedan början av 1970-talet kommit för att testas till sin gräns i vinterklimat. Vinter-testning av fordon är en mycket viktig del av fordonsutvecklingen. En stor del av testerna i biltestreg-ionen utförs på isbanor på frusna sjöar. Biltestregbiltestreg-ionen består främst av kommunerna Arjeplog, Arvid-sjaur och Älvsbyn. I dessa kommuner testas cirka 4000 fordon under vintersäsongen, vilket omsatte un-der 2013 nästan en miljard kronor i regionen.
Vintertesterna har börjat bli en flaskhals för många bil- och komponenttillverkare. Utvecklingstiderna har förkortats tillsammans med ett allt mer oförutsägbart utomhusklimat är bidragande faktorer till flaskhalsen. För att eliminera denna flaskhals diskuteras idéer kring att bygga en vintertesthall med ett kontrollerbart inomhusklimat. Denna så kallade klimathall har som mål att möjliggöra vintertestning av fordon inomhus året runt.
Examensarbetet skrevs i samarbete med branschorganisationen inom vintertestverksamheten, SPGA (Swedish Provingground Association).
Syftet med denna studie var att ta fram potentiella platser för placering av en klimathall och utreda huvudsakligen de geotekniska förutsättningarna på de olika platserna. Målet med studien var att pre-sentera möjliga placeringsalternativ för SPGA och ge grundläggningsförslag för de olika områdena. Placeringsalternativen togs fram i samarbete med kommunerna i biltestregionen och SPGA. För att un-dersöka förutsättningarna för platserna utfördes geotekniska fält- och laboratorieundersökningar samt datainsamling från tidigare projekt i anslutning till platserna. Viktsondering på plats och siktning av jord-material utfördes för att få en bild över tjälfarlighet och geotekniska egenskaper i områdena.
På området i Arjeplog stöttes berg på ytligt vilket omöjliggjorde viktsondering, här föreslås en grundlägg-ning direkt på berg efter utjämgrundlägg-ning. Arvidsjaurs område ligger på ett myr- och skogsområde bestående av en tjälfarlig siltmorän, här kan utskiftning av tjälfarligt material vara nödvändigt. Placeringsalternati-vet i Älvsbyn ligger på ett isälvsedimentsområde bestående av grusig sand med goda dräneringsegen-skaper och en lågt belägen grundvattenyta, sanden har en medelhög relativ fasthet enligt viktsondering. I Älvsbyn skulle pelarsulor vara en möjlig grundläggningsmetod då marken har goda geotekniska egen-skaper.
V
ABSTRACT
For nearly 40 years, municipalities in the northern Norrland has played an important role in the automo-tive industry. Since the early 1970s the automoautomo-tive industry has brought vehicles to be tested to its limit in winter climate. Winter Testing of vehicles is a very important part of vehicle development. Many of the tests performed in the car testing region are made on ice tracks on frozen lakes. The car testing region consists mainly of the municipalities of Arjeplog, Arvidsjaur and Älvsbyn. In these municipalities about 4,000 vehicles are tested during the winter season. The car testing region had a turnover of almost one billion SEK in 2013.
Winter Testing has started to become a bottleneck for many automotive and component manufacturers. Development times have been shortened along with an increasingly unpredictable outdoor environ-ment, these are contributing factors to the bottleneck. To eliminate this bottleneck ideas for building a winter testing facility with a controlled indoor environment emerged. This so-called climate arena's goal is to enable the winter test of vehicles indoors year round.
The work was written in collaboration with the association of winter testing operations, SPGA (Swedish Provingground Association).
The purpose of this study was to suggest various potential sites for placement of a climatic arena and investigate mainly the geotechnical conditions for the various locations. The aim of this study was to present the possible placement options for SPGA and provide the foundation proposals for the different areas.
Placement suggestions were developed in cooperation with the municipalities in the car test region and SPGA. To investigate the feasibility of the sites geotechnical field and laboratory investigations was con-ducted. Data was collected from previous geotechnical investigations in close proximity to the suggested sites. Weight sounding and sieving of soil material was performed to obtain a picture of frost suscepti-bility and geotechnical properties in the areas.
In the area in Arjeplog rock was found very shallow which made it impossible for weight sounding, this suggested a foundation directly on the rock after levelling. The area in Arvidsjaur is located in a mire and forest area consisting of a frost susceptible silt till, excavation of frost susceptible material may be nec-essary. In Älvsbyn the area is located on a glacialfluvial deposit site composed largely of gravelly sand with good drainage properties and a deeply situated groundwater table, the sand has a medium relative firmness according to the weight sounding result. In Älvsbyn shallow foundation may be a possible foun-dation method since the soil has good geotechnical properties.
VII
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
FÖRORD ... I SAMMANFATTNING ... III ABSTRACT ... V INNEHÅLLSFÖRTECKNING ... VII 1 INTRODUKTION ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Klimathall ... 2 1.3 Syfte och mål ... 3 1.4 Avgränsningar... 4 2 TEORI ... 5 2.1 Jordarter ... 5 2.1.1 Norrlands jordartsområden ... 5 2.1.2 Kvartärgeologi ... 6 2.1.3 Jordartsklassificering ... 8 2.1.4 Friktionsjord ...10 2.1.5 Kohesionsjord ...10 2.1.6 Mellanjord ...11 2.1.7 Jordars egenskaper ...11 2.2 Tjäle ...14 2.2.1 Allmänt om tjäle ...14 2.2.2 Tjällyftning ...15 2.2.3 Tjällossning ...17 2.2.4 Tjälfarlighetsklassificering ...17 2.2.5 Tjäldjup ...192.2.6 Metoder för att minimera tjälproblem ...20
2.3 Grundläggningsmetoder ...22 2.3.1 Ytgrundläggning ...22 2.3.2 Djupgrundläggning ...26 3 METOD ... 29 3.1 Inledning ...29 3.2 Val av placeringsalternativ ...29 3.3 Områdesbeskrivning ...30 3.3.1 Arjeplog ...30 3.3.2 Arvidsjaur ...31
VIII 3.3.3 Älvsbyn ... 32 3.4 Fältundersökningar ... 33 3.5 Laboratorieförsök ... 35 4 RESULTAT ... 37 4.1 Arjeplog ... 37 4.2 Arvidsjaur ... 38 4.3 Älvsbyn... 40 4.4 Sammanställning ... 42
5 ANALYS OCH DISKUSSION ... 45
5.1 Jämförelser med tidigare utförda undersökningar ... 45
5.2 Grundläggningsförslag ... 46
5.3 Potentiella felkällor ... 46
6 SLUTSATSER ... 49
REFERENSER... 51 BILAGOR
BILAGA 1 – Kartmaterial Arjeplog BILAGA 2 – Kartmaterial Arvidsjaur BILAGA 3 – Kartmaterial Älvsbyn BILAGA 4 – Siktningsanalys Älvsbyn
1
1 INTRODUKTION
1.1 Bakgrund
Bil- och komponenttestverksamheten har under snart 40 år utvecklats till en basindustri för norra Norr-lands inland. Verksamheten började i liten skala under början av 1970-talet och är idag en viktig del i produktutvecklingsprocessen för många av de stora bil- och komponenttillverkarna. Att testa hur bilar och komponenter presterar i vinterklimat är en kritisk del i utvecklingen av nya fordon. Dessa vintertes-ter har börjat bli en flaskhals för fordonsindustrin där kortare utvecklingstider och ett mer oberäkneligt klimat är bidragande orsaker till denna flaskhals. En modern bil kan idag ta mindre än två år att utveckla, detta gör att i många fall finns endast möjlighet till vintertestning under en säsong. Att kunna erbjuda vintertestning i kontrollerad inomhusmiljö skulle kunna möjliggöra en utökad testperiod. En så kallad klimathall skulle kunna bidra till att effektivisera utvecklingstiden för nya fordon (Korsås, 2003).
Basen för vintertestningen har sedan 1970-talet varit isbanor på frusna sjöar. Dessa banor byggs ofta av lokala entreprenörer och byggs så fort som isen håller för maskiner. Dessa isbanor finns som bland annat raksträckor, cirkelbanor och olika typer av manövreringsbanor. Figur 1 visar hur en isbana såg ut i Ar-jeplog 2012. Isbanorna kan konstrueras och anpassas efter kundernas behov med olika kurvradier, läng-der och ytbeskaffenhet kan anpassas efter behov (Korsås, 2003).
Figur 1 - Isbana för vintertestning på frusen sjö i Arjeplog (Arjeplog, 2012)
Landbanor tillkom vid 1980-talet och finns i en rad olika utföranden. Dessa banor är permanent upp-förda. På dessa banor kan bland annat så kallat split friction (sträckor av uppvärmd asfalt och is) testas. Det finns även testbackar i olika lutningar där så kallade backtester kan utföras (Korsås, 2003).
Biltestregionen består främst av Norrbottenskommunerna Arjeplog, Arvidsjaur, Jokkmokk, Kiruna och Älvsbyn där störst fokus ligger i Arjeplog och Arvidsjaur. Bil- och komponenttestverksamheten omsätter i biltestregionen omkring en miljard kronor årligen och de flesta stora aktörer inom bil-, däck och kom-ponentbranschen från Asien, Europa samt Nordamerika testar sina produkter här (SVD, 2013). Några av de komponentföretag som testar sina produkter i biltestregionen är Bosch, Continental, Delphi, Dunlop, Haldex, Knorr-Bremse och Mando. Några av de koncerner som verkar i regionen är Audi, BMW, Daimler-Chrysler (Mercedes Benz, Smart), Ferrari, Fiat (Alfa Romeo, Fiat, Lancia), General Motors (Opel), Porsche, PSA (Citroën, Peugeot), Renault, Volkswagen och Scania. Det som testas är bland annat broms- och an-tisladdsystem, däck och köldegenskaper för fordon (SPGA).
2
Intressanta nyckeltal för biltestregionen är bland annat (SPGA): testade fordon per år cirka 4000
testade däck per år cirka 10 000 registrerade hotellnätter cirka 100 000 samtidigt gästande cirka 2000 vintertestperiod 130 dagar.
Dessa nyckeltal är imponerande med tanke på att Arjeplog har cirka 2000 invånare och Arvidsjaur har cirka 4600 invånare.
Omsättningen för de privatägda vintertestföretagen låg år 2006/2007 på cirka 350 miljoner kronor (Kor-sås, 2003). Denna omsättning ökar i stark takt och låg 2013 på 800 miljoner kronor (SVD, 2013).
Swedish Provingground Association (SPGA), är en branschorganisation inom vintertestverksamheten. Medlemmarna består av entreprenörer vars huvudsakliga verksamhet består av att driva eller sköta test-banor och garage åt bil- och komponenttestverksamheten (Korsås, 2003).
1.2 Klimathall
En klimathall är en anläggning som möjliggör vintertestning av fordon inomhus. Genom att utföra vin-tertestning inomhus i ett kontrollerat klimat förlängs inte bara testsäsongen utan den kan även användas som ett komplement till de befintliga vintertestbanorna. En klimathall kan dock enbart erbjuda en liten del av de ytor som erbjuds via is- och landbanor under vintertid. För att en klimathall ska kunna bli fram-gångsrik ställs en rad krav på både flexibilitet och kundanpassning men även närhet till den befintliga vintertestindustrin i biltestregionen.
Funktionskraven på en klimathall har utretts i rapporten, Förstudie Klimathall – Slutrapport (2013). I rap-porten definierades baskraven för en klimathall som:
kontrollerad inomhustemperatur till -7 °C, tillräckligt låg temperatur för snö och is
kontrollerad luftfuktighet till daggpunkten vid aktuellt lufttryck och temperatur för att undvika frostbildning
reglerad ventilation för att möta krav på utvädring av avgaser
tillräcklig takhöjd för att tillåta testning av lastbilar och arbete med hjullastare
friktionskontrollerade ytskikt med olika kombinationer av polerad is, packad snö och torr asfalt ytskikten måste klara fordonsvikt på minst 3500 kg
möjlighet att montera låga hinder för prov som motsvarar körning över trottoarkanter utbyggbar rakbana i längdled med möjlighet att lägga utrymme för kurvtagning accelerationssträckor och inbromsningszoner för hastigheter vid test på 50 km/h utrymme för frekventa avåkningar
backar med olika lutningar (5°, 10°, 15° och 20° lutning)
3 Baskraven på hallen togs fram enligt önskemål från kunder, krav från testmetoder (krav för att kunna testa olika system i fordon som, ABS - Antilock Braking System, TCS – Traction Control System, VDC –
Vehicle Dynamics Control och ESP – Electronic Stability Program) och även en bedömning av framtida
behov har tagits i beaktning (Bodin et al., 2013).
Figur 2 – Ett exempel på utformning av en klimathall (Bodin et al., 2013)
I figur 2 visas ett exempel på hur en klimathall kan komma att utformas och figur 3 visar en planritning för hallen med zoner där olika typer av fordonstester kan utföras.
Figur 3 – Planritning med olika testzoner för olika typer av fordonstest inomhus (Bodin et al., 2013)
1.3 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att med hjälp av berörda kommuner i biltestregionen och SPGA ta fram potentiella placeringsalternativ för en klimathall och utreda de geotekniska förutsättningarna. Arbetet behandlar även utredning av viktiga sociala förutsättningar som till exempel närhet till befintlig biltest-verksamhet och kommunikationer. Målet med studien är att bidra med underlag till SPGA för att under-lätta valet av placeringsort för en möjlig klimathall och ge förslag på möjlig grundläggning för de olika platserna.
4
1.4 Avgränsningar
Klimathallsprojektet är i ett så pass tidigt stadie att ingen storlek eller utformning av hallen är bestämd. Eftersom varken utformning eller kända laster för hallen finns har inga stabilitets- eller sättningsberäk-ningar utförts. Inga kostnadsberäksättningsberäk-ningar har gjorts i projektet. Enbart en plats per kommun har under-sökts. Fokus i studien har lagts på att undersöka de geotekniska förutsättningarna för de olika platserna.
5
2 TEORI
2.1 Jordarter
I detta kapitel tas olika jordarter och deras egenskaper upp. Vidare redogörs för vilka parametrar som har en inverkan på jordars hållfasthet och hur de är uppbyggda samt hur olika jordarter i Sverige bilda-des.
2.1.1 Norrlands jordartsområden
Sverige kan delas in i olika jordartsområden beroende på vilka jordarter som dominerar, men även vilka bergarter som återfinns, inlandsisens utbredning och dess avlagringar. Gränserna är i många fall diffusa och kan skilja sig lokalt. I figur 4 visas utbredningen av Norrlands jordartsområden (Wastenson & Fredén, 2002).
6
Södra och mellersta Norrlands inlands morän- och myrområde
Detta område sträcker sig från Gävle till Arjeplog med undantag från vissa kustdelar och fjällkedjor. Berg-grunden som dominerar i detta område är gnejs och granit. Hela detta område ligger över högsta kust-linjen förutom kustdelarna. Stora delar av detta område täcks av morän och torv, moränen är främst sandig-siltig. I dalgångar kan olika typer av finkorniga sediment hittas (Wastenson & Fredén, 2002).
Norra Norrlandskustens berg-, morän- och sedimentområde
Detta område sträcker sig längs Norr-, och norra Västerbottens kustremsa. Området ligger helt under högsta kustlinjen. Morän är den vanligaste jordarten i detta område, moränen är främst sandig-siltig med inslag av block. Moränen ligger jämt utbrett över området men tunnas ut vid kullar. Lösa sediment som lera, silt och sulfidjordar är vanliga i kustområdena. De vanligast förekommande bergarterna är i detta område främst gnejs och granit (Wastenson & Fredén, 2002).
Kalfjällsområdet
Fjällområdet som gränsar mot Norge i väster kan beskrivas som kalt berg, ibland med ett tunt överlig-gande jordlager. Berggrunden i detta område domineras av skiffer, kalksten, kvartsiter och amfiboliter. På bergssluttningar och höjder hittas ofta ett tunt överliggande moränlager. Moränlagrets sammansätt-ning och blockighet varierar stort. Allmänt är moränlagret i skifferrika områden fattigare på block än i kvartsitområdena. Isälvsavlagringar i form av små och ofta långa åsar omges ofta av finkorniga sediment (Wastenson & Fredén, 2002).
2.1.2 Kvartärgeologi
Jordarter kan bildas genom en rad olika processer. Berg kan vittra och erodera, sediment samlas i sjö- och havsbottnar. Största delen av de jordarter som hittas i Sverige bildades under den senaste geologiska perioden, kvartärtiden. Denna tidsperiod som började för cirka 2,5 miljoner år sedan pågår fortfarande. Under kvartärtiden har flera nedisningar skett, i Sverige har jordarterna främst bildats under den senaste nedisningen som inleddes för cirka 115 000 år sedan. I detta avsnitt kommer några vanligt förekom-mande jordarter som bildats under istiden och deras egenskaper presenteras (Kvartärgeologi, 1996).
Morän
Morän är den vanligast förekommande jordarten i Sverige den täcker ca 70 % av landets yta och finns spridd över hela Sverige. När inlandsisen bredde ut sig över landet, drog den med sig material från bland annat berg som bröts loss samt äldre existerande jordarter och transporterade detta vidare. På grund av att olika bergarter finns på olika ställen, varierar moränsammansättning med avseende på var den blev utbruten och vad det var för bergarter som existerade på den platsen. De enorma mängder is som rörde sig genom landet skapade enorma tryck som uppstod från snö och is. Isen smälte på grund av friktionen mellan isen och det material som isen låg mot och därmed uppkom rörelserna. När trycket från inlandsi-sen minskade frös iinlandsi-sen fast i underlaget (Nilsson, 2003).
Genom förloppet av nedfrysning och upptining av isens undersida bildades så småningom bottenmorän. I vissa delar där isen legat still på samma plats under en längre period, bildades morän runt kanterna av isens front då avsmältningen avtog. Det material som tryckts fram till slutet av isens kanter kallas för
ändmorän. Moränens kornformighet är kantig, anledningen till det beror på att isens mäktighet bidrog
med ett så högt tryck att det materialet krossades (Nilsson, 2003). Figur 5 visar isens rörelse och bild-ningen av olika typer av morän.
7
Figur 5 – Moränens bildning med isens rörelse (Kvartärgeologi, 1996)
Morän är en osorterad jordart och kan beskrivas som att den inte är fördelad efter något särskilt mönster och har en väldigt spridd kornstorleksfördelning (månggraderad). Morän kan innehålla allt från större block till små partiklar av till exempel lera. Se tabell 1 för olika indelningar av morän (SGU, 2000).
Tabell 1 – Indelning av Morän med olika sammansättningar (SGU, 2000)
Nuvarande benämning Äldre benämning Geoteknisk benäm-ning
Anmärkning Sandig-Siltig Morän Moig Morän Finkornig Morän
Sandig Morän Sandig-moig Morän Blandkornig Morän Vanligaste typen
Grusig Morän Grusig-sandig Morän Grovkornig Morän
Moränlera Moränlera Finkornig Morän Vanlig i Skåne Morän kännetecknas av (SGU, 2000):
jordarten är för det mesta osorterad
ofta förekommande med en betydande del finkornigt material med ett växlande inslag av större material i form av sten och block
de större partiklarna är vanligtvis kantiga block är ofta förekommande.
Isälvssediment
Isälvssediment är det material som avsattes från inlandsisen med smältvattnet. Isälvssediment består av olika fraktioner precis som morän gör. Kornfraktionerna kan variera från större block och stenar till mindre och finare partiklar som lera och silt. Det som skiljer isälvssediment från morän är att kornen ofta är avrundade på grund av smältvattensprocessen. Förloppet som gjorde att kornen blivit avrundade be-ror på att smältvattnet drog med sig materialet och bidrog till att kornen slipades mot is och annat un-derlag i bland annat de tunnlar som formats i isen. När materialet spolats bort vid isens ände sedimen-terades sedan de olika fraktionerna i mynningarna. Eftersom sedimenteringen skedde i mynningar där vattnet via gravitationen hade en betydande hastighet så sedimenterade de större och tyngre kornen först medan de finare partiklarna hade svårare att sjunka till botten i strömmande partier. Det resulte-rade i att de finare partiklarna, som det tog längre tid för att sjunka till botten, fördes en längre sträcka innan de sjönk jämfört med vad de tyngre kornen gjorde som sedimenterades snabbare på grund av dess
8
större egentyngd. Isälvssediment har för det mesta en viss sortering efter beskrivningen av sedimentat-ionsprocessen, sorteringen kallas för växellagring (Nilsson, 2003).
I Figur 6 kan isälvsavlagringar ses tydligt där materialet med större och tyngre partiklar sedimenterat först. Figuren visar en tydlig bildning av en ås som ofta karaktäriseras av isälvssediment.
Figur 6 – Bildning av isälvsavlagringar (Kvartärgeologi, 1996)
Isälvssediment kännetecknas av (SGU, 2000): naturligt sorterad
grus och sand är ofta förekommande jordarter för det mesta är partiklarna avrundade
sparsamt/inga block alls vid ytan
andelen finmaterial är väldigt begränsad eller saknas.
2.1.3 Jordartsklassificering
För att förenkla bedömning av en jords egenskaper delas jordarterna in i grupper med liknande egen-skaper. I Sverige styr kornstorleksfördelningen helt över klassificeringen. Kornstorleken är avgörande för ett jordmaterials mekaniska egenskaper. Förkortningar, benämningar och fraktionsgränser på jordarter enligt SS EN ISO 14688-1 redovisas i tabell 2 (IEG, 2010a).
9
Tabell 2 - Kornstorleksbenämningar och fraktioner (IEG, 2010a)
Huvudfraktion Underfraktioner Beteckning Fraktionsgränser (mm) Mycket grov jord Mycket stora block
Stora block Block Sten LBo Bo Co > 2000 > 630 > 200 till 630 > 63 till 200 Grovjord Grus Grovgrus Mellangrus Fingrus Sand Grovsand Mellansand Finsand Gr CGr MGr FGr Sa CSa MSa FSa > 2,0 till 63 > 20 till 63 > 6,3 till 20 > 2,0 till 6,3 > 0,063 till 2,0 > 0,63 till 2,0 > 0,2 till 0,63 > 0,063 till 0,2 Finjord Silt Grovsilt Mellansilt Finsilt Ler Si CSi MSi FSi Cl > 0,002 till 0,063 > 0,02 till 0,063 > 0,0063 till 0,02 > 0,002 till 0,0063 ≤ 0,002
För att klassificera blandkorniga jordar används i Sverige Trafikverkets materialklassificeringssystem. Kornstorleksfördelningen bestäms genom siktning och sedimentationsanalys för finare jordarter. I tabell 3 redovisas materialtypsindelningen beroende på halten av grov-, fin- och lerjord (ATB VÄG, 2005).
Tabell 3 - Indelning av jord i materialtyp (ATB VÄG, 2005)
Materialtyp Halten av grov jord (63-2000 mm) [vikt-%] Halten av fin-jord (0,063-63 mm) [vikt-%] Halten av ler (0,002-0,036 mm) [vikt-%] Organisk jord [% /63 mm] Exempel på jordarter 1 < 10 ≤ 2 2 ≤ 40 ≤ 15 ≤ 2 Gr, Sa, saGr, grSa, GrMn, SaMn 3 A ≤ 30 ≤ 2
3 B ≤ 40 15-30 ≤ 2 siSa, siGr, siSa
Mn, siGr Mn
4 A ≤ 40 30-40 ≤ 2 clMn
4 B ≤ 40 > 40 >40 ≤ 2 Cl, ClMn
5 ≤ 40 > 40 ≤ 40 ≤ 6 Si, clSi, siCl, SiMn
10
För att redovisa ett resultat från siktningen används ett siktningsdiagram där en linje i diagrammet be-skriver kornhalten i viktprocent som passerat en sil av den totala mängden av provet. Ett exempel på ett siktningsdiagram visas i figur 7.
Figur 7 – Exempel på ett siktningsdiagram (Larsson, 2008)
I diagrammet ses tre olika kornfördelningskurvor där de två yttre kurvorna är mer utsträckta än den i mitten. Med en mindre lutning på kurvan menas att jorden överlappar fler fraktioner och får därmed ett högre graderingstal. Tvärt om gäller för den mittersta kurvan som har en brantare lutning och sträcker sig över ett mindre fraktionsområde vilket ger den ett lägre graderingstal. Graderingstalet (Cu) är kvoten
av kornstorleken som passerat 60 % i viktmängd dividerat med kornstorleken som passerat 10 procent i viktmängd (Axelsson, 1998).
2.1.4 Friktionsjord
I friktionsjordar byggs skjuvhållfastheten upp av friktionen som uppstår mellan kornen. Krafterna mellan partiklarna för friktionsjordar varierar med hur högt grundvattenytan står. Ligger grundvattenytan högt i sand så minskar friktionen mellan kornen och därmed minskar också hållfastheten, därför har grund-vattenytan en stor inverkan på hur hög/låg hållfastheten är för en friktionsjord. Friktionsjordar har ingen draghållfasthet och har allmänt en hög permeabilitet (Axelsson, 1998).
Jordar som kallas för friktionsjord är bland annat sand och grus. Båda är jordarter som tillhör fraktions-gruppen grovjord. Det kan också finnas tillfällen då sand och grus kan ingå i blandkorniga jordarter där de då har inslag av bland annat silt eller lera (Larsson, 2008).
2.1.5 Kohesionsjord
I en kohesionsjord byggs hållfastheten upp av vidhäftning mellan partiklarna på grund av molekylär at-traktion mellan partiklarna. Atat-traktionen mellan partiklarna i jorden dispergerar om porvatteninnehållet ökar, vilket betyder att leran tappar vidhäftning och skjuvhållfastheten minskar desto högre vatteninne-håll jorden har. Kohesionsjord har en viss dragvatteninne-hållfasthet och allmänt en låg permeabilitet (Axelsson, 1998).
11 Kohesionsjord omfattar främst de finare kornfraktionerna som lera. Torv, gyttja och dytorv är organiska jordarter som också hör till gruppen kohesionsjordar. För att en jord ska klassificeras som en lera måste den innehålla minst 40 % av lerfraktionen. En blandkornig jord med lerhalt över 15 % kan ibland ha lik-nande egenskaper som en lera. I en sådan jord fyller de fina lerpartiklarna hålrummen mellan de grövre kornen så att friktionskontakten mellan de grova kornen bryts. Se figur 8 som visar när de grövre kornen i jorden har kontakt samt figur 9 när de grövre kornen inte har kontakt med varandra (Axelsson, 1998).
Figur 8 – Grövre kornen i kontakt, jorden uppför sig som en friktionsjord (Nilsson, 2003)
Figur 9 – Grövre kornen är inte i kontakt och jorden uppför sig som en lera (Nilsson, 2003)
2.1.6 Mellanjord
I mellanjordar byggs skjuvhållfastheten upp av kohesion och friktion vilket gör den typen av jord till ett mellanting mellan ren kohesionsjord och ren friktionsjord. Silt räknas som mellanjord med en finjords-halt på 15-40 %. Silt är mycket känsligt för vatten och de portrycksförändringar som kan uppkomma (Knutsson et al., 1998).
2.1.7 Jordars egenskaper
Viktiga egenskaper som måste tas i beaktning vid dimensionering av geokonstruktioner är bland annat permeabilitet, kapillär stighöjd, friktionsvinkel och elasticitetsmodul. Dessa egenskaper påverkar bland annat tjälfarlighet, dräneringskapacitet, hållfasthet och hur sättningsbenäget ett jordmaterial är.
Kapillär stighöjd
Kapillärvatten är det vatten som genom ytspänning hålls kvar i jordens porer. En jordarts kapillaritet anger den maximala stighöjden av det kapillärt bundna vattnet i jorden. Kapillärvattenzonen är det om-råde som återfinns närmast grundvattenytan och kan suga upp vatten till en högre höjd. Den kapillära stighöjden för en jordart växer kraftigt med minskad kornstorlek. Tabell 4 visar den kapillära stighöjden för olika jordarter (Larsson, 2008).
12
Tabell 4 – Kapillär stighöjd i lös och fast lagring för olika jordarter (Larsson, 2008)
Jordart Kapillär höjd (m)
Lös lagring Fast lagring
Grovsand 0,03 – 0,12 0,04 – 0,15 Mellansand 0,10 – 0,35 0,12 – 0,50 Finsand 0,3 – 2,0 0,4 – 3,5 Grovsilt 1,5 – 5,0 2,5 - 8 Mellansilt-finsilt 4 - 10 6 - 10 Lera >8 >10
I den kapillära zonen i en jord skapas ett negativt portryck som har en inverkan på bärigheten och stabi-liteten. Den typ av jord som påverkas mest av detta fenomen är den som har en stor kapillär stighöjd parallellt med egenskapen hög permeabilitet. För jordarter som är finkorniga, främst silt, har det nega-tiva portrycket en omfattande inverkan parallellt med egenskapen att jordlagerföljden spelar in. Ef-tersom att portrycket är negativt i den kapillära zonen blir effektivtrycket större än det totala trycket enligt
𝜎′ = 𝜎 − 𝑢 (Ekv. 1)
där 𝜎′ är effektivtrycket, 𝜎 är totaltrycket och 𝑢 är portrycket (Larsson, 2008).
Permeabilitet
Permeabilitet, eller hydraulisk konduktivitet, är vattnets förmåga till genomträngning i ett visst material. Permeabiliteten är viktig i många avseenden, den är bland annat mycket viktig vid dimensionering av dammar, brunnar och tätskikt samt för hur föroreningar kan sprida sig med vattnet i jorden. En annan viktig betydelse med avseende på sättningar är grundvattensänkningen samt inträngningen av vatten i materialet, även släntstabilitet och tjälfarlighet beror delvis på en jordarts permeabilitet. Permeabilite-ten för en jordart beror av dess uppbyggnad, kornstorleksfördelning, porvidd och packningsgrad. Grov-korniga och sorterade jordarter har den högsta permeabiliteten, medan finGrov-korniga osorterade jordarter har mycket lägre permeabilitet. I tabell 5 redovisas permeabiliteten för olika jordarter. (Larsson, 2008).
13
Tabell 5 – Permeabilitet för olika jordarter (Larsson, 2008)
Jordart Permeabilitet (m/s) Grusig morän 10-5 - 10-7 Sandig morän 10-6 - 10-8 Siltig morän 10-7 - 10-9 Lerig morän 10-8 - 10-10 Moränlera 10-9 - 10-11 Fingrus 10-1 - 10-3 Grovsand 10-2 - 10-4 Mellansand 10-3 - 10-5 Finsand 10-4 - 10-6 Grovsilt 10-5 - 10-7 Mellansilt-finsilt 10-7 - 10-9 Lera < 10-9 Friktionsvinkeln
Friktionsvinkeln för friktionsjordar är en hållfasthetsparameter som kan variera för löst och fast lagrade jordar och kan beskrivas som den maximala rasvinkeln. I figur 10 nedan illustreras hur bestämningen av friktionsvinkeln tas fram, där rasvinkeln är lika med friktionsvinkeln. För moräner, till exempel sandig morän eller grusig morän, blir friktionsvinkeln ytterligare brantare då bildningssättet gjort kornen kan-tiga. I tabell 6 presenteras karaktäristiska värden för friktionsvinklar för olika jordar (Trafikverket, 2011).
14
Tabell 6 – Friktionsvinklar för olika jordarter (Trafikverket, 2011)
Jordart Friktionsvinkel (°)
Löst lagrad Fast lagrad
Grovkornig mineraljord 30 37 Grus 30 37 Grusig morän 38 45 Sand 28 35 Sandig morän 35 42 Silt 26 33 Siltig morän 33 40 Elasticitetsmodulen
Elasticitetsmodulen är en betydande parameter som beskriver förhållandet mellan spänningen och töj-ningen i en jord. Det är en viktig parameter vid sättningsberäkningar. För en kohesionsjord uppskattas E-modulen med avseende på jordart och den odränerad skjuvhållfastheten, detta sker under odränerade förhållanden. Karaktäristiska värden för elasticitetsmodulen för friktionsmaterial kan ses i Tabell 7 ne-dan. (Trafikverket, 2011).
Tabell 7 – Elasticitetsmodul för olika jordar (Trafikverket, 2011)
Jordart Elasticitetsmodul (E), MPa
Löst lagrad Fast lagrad
Grovkornig mineraljord 10 30 Grus 10 40 Grusig morän 10 40 Sand 5 20 Sandig morän 5 20 Silt 2 10 Siltig morän 2 10
2.2 Tjäle
I detta avsnitt beskrivs tjälprocessen och de problem som tjälen innebär för en konstruktion samt hur dessa problem kan minskas eller förhindras.
2.2.1 Allmänt om tjäle
Tjäle är tillståndet då vattnet i marken frusit till is. I Sverige förekommer tjäle främst under vinterhalv-året, men i vissa delar av fjällregionerna kan tjäle påträffas året runt som permafrost. Permafrost kan också bildas på artificiellt sätt och hittas under till exempel ishallar (Stål & Wedel, 1984).
Tjäle är ett stort problem i de nordligare delarna av världen och måste beaktas vid konstruktion av bygg-nader och vägar. Några av de problem som kan uppkomma på grund av tjäle är tjällyftning och tjälloss-ning. Tjällyftning är en hävning av markytan som beror på ackumulering av vatten som fryser till islinser. Tjällossning kan bidra till sättningar och bärighetsproblem när vattnet i jorden tinar. Några av de skador och problem som kan uppkomma vid frysning och tining av jord är (Stål & Wedel, 1984):
15 Vinter: tjällyftning, deformationer, ojämna tjällyftningar, sprickbildning i grundplattor och vägar Vår: nedsatt bärighet, ojämna eller stora sättningar.
Frusen jord är definitionen av jord med en temperatur under 0°C. Jord innehåller vanligtvis tre bestånds-delar, fast substans, porgas och porvatten. I frusen jord övergår porvattnet från flytande till fast fas det vill säga is och en del förblir ofruset vatten. Figur 11 visar uppdelningen av de olika faserna i frusen re-spektive ofrusen mark (Nationalencyklopedin, tjäle).
Figur 11 – Bild av faserna i frusen respektive ofrusen mark (Nordisk vindkraft, 2012)
2.2.2 Tjällyftning
För att tjällyftning ska kunna uppkomma krävs att tre villkor uppfylls; tillgång till vatten, minusgrader för att vatten ska kunna frysa och tjälfarlig jord (Berglund, 2009).
Tjällyftning orsakas av två olika processer frysning av porvattnet i jorden uppkomst av islinser.
När vatten fryser till is sker en volymökning på 9 %. Denna volymökning bidrar endast till en liten del av den totala tjällyftningen. Den största delen av markhävningen uppkommer genom bildandet av islinser som bildas av tillskottsvatten. Vid frysfronten i marken uppstår islinser vid tillgång till vatten i tjälfarlig jord. Islinser är skikt av ren is som uppkommer i den frusna marken. I finkorniga jordarter kan en mängd av dessa islinser bildas, den totala tjockleken på islinserna orsakar hävningen av markytan. Islinserna växer genom att vatten sugs upp till frysfronten kapillärt från den undre ofrusna jorden. Figur 12 visar islinser i en siltig jord (Berglund, 2009).
16
Figur 12 - Islins i tjälfarlig jord (Nordisk vindkraft, 2012)
Storleken på islinserna beror främst på hur lång vintern är och tillgången till vatten. Om temperaturen håller sig konstant under fryspunkten och vatten sugs kapillärt från de underliggande lagren kan en islins växa oavbrutet. Figur 13 visar hur islinser i tjälfarlig jord bildas och hur vattnet transporteras upp från de undre ofrusna jordlagren. Om temperaturen sjunker fortare vid islinsens undre del än vatten hinner transporteras till islinsen kommer islinsbildningen att avstanna och istället tas vid djupare ned i marken där temperatur och vattentillgång är gynnsammare. När denna process upprepas bildas skikt av islinser. Figur 12 visar skikt av is i en tjälfarlig jord (Knutsson et al., 1998).
Figur 13 - Schematisk skiss av bildandet av islinser (Knutsson et al., 1998)
Islinserna växer vinkelrätt mot värmeflödet, i regel parallellt med markytan. Ett långsamt frysförlopp är mest gynnsamt för bildandet av islinser då vatten hinner transporteras längre sträckor från de ofrusna jordlagren. Vid en intensiv frysning kommer frysfronten snabbt flyttas ner djupare i marken vilket resul-terar i att tunna islinser bildas nära markytan och på större djup kommer istället större islinser bildas (Stål & Wedel, 1984).
17 Tjällyftningen kan även skapa stora problem för grundläggning i tjälfarlig jord på grund av de stora krafter som uppstår. Krafterna som bildas delas in i vertikala och horisontella där de vertikala krafterna verkar vinkelrätt mot frysfronten. Om grundläggningen utförs under det maximala tjäldjupet kommer inga kraf-ter verka på fundamentet så länge grunden ej verkar som en frostbrygga och accelererar tjäldjupet lo-kalt. Fasta konstruktioner med små möjligheter att röra sig och deformera sig är speciellt utsatta för dessa krafter jämfört med mer flexibla konstruktioner. Figur 14 visar hur ett fundament, grundlagt över maximalt tjäldjup påverkas av tjällyftskrafter (MacFadden & Lawrence, 1991).
Figur 14 – Tjällyftningskrafter som uppkommer vid bildning av islinser (MacFadden & Lawrence, 1991)
Problemet med tjällyftningskrafter är att de sällan är likformiga över en större yta, utan ofta är ojämna. Detta kan orsaka spänningskoncentrationer i delar av till exempel en helgjuten betongplatta och kan skada även armerad betong på grund av den höga spänningen (MacFadden & Lawrence, 1991).
2.2.3 Tjällossning
Tjällossningen kan leda till sättningar och bärighetsproblem för konstruktioner och vägar byggda på tjäl-farlig jord. Tjällossning innebär att isen i den frusna marken tinar och smälter. Problemen uppstår främst under våren då det blir varmare och isen smälter. I de jordar som det bildats islinser i innebär det ett överskott av vatten, vilket bidrar till att portrycket ökar. Denna ökning av portrycket gör att skjuvhåll-fastheten minskar i jorden. Denna hållfasthetsminskning ökar risken för bärighetsbrott i jorden. Uppti-ningshastigheten och permeabiliteten hos jorden är viktiga parametrar för att kunna utreda risken vid tjällossning. Om upptiningen sker snabbt och permeabiliteten i jorden är låg kommer isen smälta snabb-bare än överskottsvattnet kan dräneras bort. Är dock upptiningen långsam och överskottsvattnet kan dräneras i samma takt som isen smälter kommer inga tjällossningsproblem att uppstå (Knutsson et al., 1998).
2.2.4 Tjälfarlighetsklassificering
I Sverige klassificeras tjälfarligheten i jordarter enligt Trafikverkets klassificeringssystem in i fyra olika tjälfarlighetsklasser. Tjälfarlighetsklassificeringen bygger på Trafikverkets materialtypsindelning och ba-serar sig helt på kornstorleksfördelningen för materialet (Berglund, 2009).
18
Indelningen tar ingen hänsyn till andra omständigheter som även påverkar tjälfarligheten. Exempel på förhållanden som inte tas i beaktning men som påverkar tjälfarligheten är rådande klimatförhållanden, tillgång till vatten och uppbyggnad av jordlagren (Stål & Wedel, 1984).
Grovkorniga jordar har hög permeabilitet vilket gör att de lätt dränerar bort överflödigt vatten, de har även låg kapillaritet. Den höga permeabiliteten och låga kapillariteten i grovkorniga jordar gör att till-gången till frysbart vatten oftast är låg. Därför bildas inga eller mycket små islinser i grovkorniga jordar. Detta gäller även om jorden har god tillgång till vatten till exempel belägen under grundvattenytan. De jordar som däremot har hög kapillaritet har ofta även god tillgång till frysbart vatten, vilket är en förut-sättning för att tjälproblem ska uppstå. För att islinserna ska hinna växa under den kalla perioden av året krävs att permeabiliteten är tillräckligt hög för att kunna transportera tillräckligt med vatten till frysfron-ten. I lera är permeabiliteten så låg att tillräckligt med vatten inte hinner transporteras till frysfronten för att tjällyftningarna ska hinna uppstå och betraktas som en måttligt tjälfarlig jordart. I figur 15 visas sambandet mellan kapillaritet och permeabilitet, silt är den jordart som har de egenskaperna som gör den speciellt tjälfarlig (Knutsson et al., 1998).
Figur 15 - Samband mellan kapillaritet och permeabilitet (Knutsson et al., 1998)
Tjälfarlighetsklasserna och exempel på vilka jordarter som ingår presenteras i tabell 8. Siltjordar är spe-ciellt känsliga för tjällyftning och tjälfarlighetsklass 4 utgörs helt av siltjordar som har risk för stor tjällyft-ning (ATB väg, 2005).
19
Tabell 8 - Tjälfarlighetsklassificering av jordtyper (ATB Väg, 2005)
Tjälfarlig-hetsklass
Beskrivning Exempel på jordarter 1 Icke tjällyftande jordarter:
Dessa kännetecknas av att tjällyftningen under tjälprocessen i regel är obefintlig. Klassen omfattar materialtyp 2 samt orga-niska jordarter med organisk halt > 20. %.
Gr, Sa, saGr, grSa, GrMn, SaMn
2 Något tjällyftande jordarter:
Dessa jordarter kännetecknas av att tjäl-lyftningen under tjälprocessen är liten. Denna klass omfattar materialtyp 3B.
siSa, siGr, siSa Mn, siGr Mn
3 Måttligt tjällyftande jordarter:
Dessa jordarter kännetecknas av att tjäl-lyftningen är måttlig under tjälprocessen. Klassen omfattar materialtyp 4A och B.
clMn, Cl
4 Mycket tjällyftande jordarter:
Dessa jordarter kännetecknas av att tjäl-lyftningen är stor under tjälprocessen. Materialtyp 5 klassas som mycket tjällyf-tande.
Si, clSi, ciCl, SiMn
2.2.5 Tjäldjup
Det maximala tjäldjupet definieras som det maximala djup till vilket jorden fryser under en vinter. Tjäl-djupet beror till stor del på klimatet och på längden av perioden med negativa lufttemperaturer. I Sverige skiljer sig det maximala tjäldjupet mycket, från cirka 1 meter i söder till nästan 3 meter i norr (Stål & Wedel, 1984).
Köldmängd är ett mått på temperaturbelastningen på en vald plats. Köldmängd definieras som tidsinte-gralen av vinterns negativa lufttemperaturer. Köldmängd tecknas som F enligt (Stål & Wedel, 1984):
𝐹 = ∫ 𝑇 𝑑𝑡 (Ekv. 2)
Figur 16 visar det maximala tjäldjupet i tjälfarlig jord under förutsättning att markytan är fri från snö och vegetation, ingen värme från byggnader eller ledningar tillförs samt att tjälen inte hindras genom isole-ring (Stål & Wedel, 1984).
20
Figur 16 - Maximalt tjäldjup i tjälfarlig jord i Sverige (Stål & Wedel, 1984)
2.2.6 Metoder för att minimera tjälproblem
För att tjälproblem ska uppstå kärvs att tre villkor uppfylls (Stål & Wedel, 1984): tjälfarlig jord måste finnas
tillgång till frysbart vatten
temperaturen måste vara mindre än 0°C för att is ska kunna bildas.
För att förhindra att tjälproblem uppstår måste man avvärja minst ett av de villkor som krävs för att tjälproblem ska uppkomma. Det finns flera lösningar för att åtgärda tjälproblem, de vanligaste är (Stål & Wedel, 1984):
byta ut tjälfarlig jord mot icke tjälfarlig jord
sänkning av grundvattenytan eller dränering för att hindra vatten att nå frysfronten värmeisolering eventuellt i kombination med uppvärmning
installation av kapillärbrytande lager för att förhindra transport av vatten till den frusna jorden grundläggning under maximalt tjäldjup.
21
Urgrävning av tjälfarlig jord
Genom att gräva ut och ersätta tjälfarlig jord med icke tjälfarlig jord kommer inte tjälen att komma i kontakt med tjälfarlig jord. Eftersom icke tjälfarlig jord är dränerande kommer inget vatten transporteras till frysfronten. Utgrävningsdjupet måste vara tillräckligt för att tjälen ej ska kunna nå tjälfarlig jord (Stål & Wedel, 1984).
Dränering
Genom att sänka grundvattenytan kan tillförseln av vatten till frysfronten minskas eller stoppas. Ofta kombineras dräneringen med installation av ett lager med hög permeabilitet. Detta lager ökar dräne-ringsförmågan i marken och gör det lättare att dränera tillskottsvatten vid till exempel tjällossning (Stål & Wedel, 1984).
Isolering och uppvärmning
Markisolering kan användas för att för att skydda konstruktioner mot tjälproblem. Genom att använda markisolering kan både värmen som lagras i jorden under den varma årstiden bevaras samtidigt som frost hindras från att tränga ner i jorden. Vanligast är att isolering sker med högisolerande material som cellplastskivor, lättklinker eller skumplast. I figur 17 visas hur tjälfronten kan förskjutas och värmen i jorden bevaras genom användning av markisolering under en husgrund (Stål & Wedel, 1984).
Figur 17 - Markisolerat hus (Jackon, 2012)
Grundläggning under maximalt tjäldjup
En konstruktion på tjälfarlig jord bör grundläggas på tillräckligt djup så att tjälen inte kommer att tränga in under konstruktionens livstid. På icke tjälfarlig jord kan detta ofta bortses från och grundläggning kan utföras utan hänsyn till maximalt tjäldjup. Det maximala tjäldjupet kan reduceras med hjälp av markiso-lering eller uppvärmning av konstruktionen. Konstruktioner som är grundlagda med platta på mark är känsliga, då en sänkning av inomhustemperaturen kan resultera i att tjälfronten tränger in under plattan. Detta kan göra att plattan skadas av tjällyftning (Stål & Wedel, 1984).
22
2.3 Grundläggningsmetoder
Grunden har till uppgift att överföra lasten från byggnaden eller konstruktionen till marklagret. Lasten bör fördelas på marklagret så att sättningar och brott förhindras. Om marklagret har tillräcklig bärighet kan byggnaden ofta uppföras med en ytlig grundläggning. Om marken däremot skulle ha för låg bärighet för att hålla upp konstruktionen kan det vara nödvändigt att föra över lasten till ett djupare och fastare jordlager eller eventuellt fast berg. I detta kapitel kommer de olika grundläggningsmetoderna förklaras översiktligt.
2.3.1 Ytgrundläggning
Många gånger har jorden en tillräcklig bärförmåga från början så att en platta på mark räcker som fun-dament utan att sättningar uppstår. Själva innebörden av ordet ytgrundläggning betyder att markens yta tar upp hela vikten från byggnaden genom ett fundament. Vanligtvis ökar bärförmågan med djupet i jorden om inte situationen utmärker sig på något extremt sätt. Det är till exempel vanligt vid husbyggen eller byggnation av stugor att en platta på mark används som är i direkt kontakt med undergrunden. Metoden i sig är enkel och har också ekonomiska fördelar (Axelsson & Magnusson, 1999).
Det finns en rad olika grunder som används idag, pelarsula är en platta som bär upp en huvudpelare och dess last. För en byggnad krävs flera pelarsulor där var och en av pelarna har en egen grundplatta. Om pelarna befinner sig på ett sådant avstånd att flera pelarsulor inte lönar sig, kan en kombinerad pelarsula vara en bra lösning där alla pelare är fäst vid en och samma platta. Om en mur, i detta fall grundmur, bär upp lasten från en byggnad kan en så kallad väggsula användas där en långdragen platta bär upp grund-muren. I de fall då jordens bärförmåga är låg kan en bottenplatta gjutas som bär upp byggnaden och kallas då för hel bottenplatta. När pelare eller väggsulor används inom grundläggning är det oftast när marken består av morän, friktionsjordar eller starkt överkonsoliderad lera. I de fall då bärigheten i mar-ken är sämre finns alternativet att bredda ut lasten så att den verkande kraften tas upp av en större yta av undergrunden. Då minskar risken för diverse sättningar och deformationer i jorden. I ett sådant fall kan en kombinerad sula eller en så kallad kantförstyvad platta användas. I figur 18 nedan visas en bild på olika typer av sulor och plattor som alternativa grundläggningstyper för ytgrundläggning (Axelsson & Magnusson, 1999).
23 Grundläggningsdjupet definieras som avståndet mellan undre kant av platta till markytan. Beroende på hur stort djupet ska vara spelar ett flertal faktorer in som till exempel jordens egenskaper, tjäldjup, lut-ning och erosion. Grundlägglut-ningen måste också föras ned till ett sådant djup att inte organiskt material är i kontaktzonen med grunden eftersom att organiskt material tenderar till att dra åt sig vatten och bidra till tjäle. Ett alternativ är att schakta bort de organiska jordmassorna och återfylla med väl packat och utspritt friktionsmaterial (Axelsson & Magnusson, 1999).
Kontakttryck är det tryck som överförs från grunden i direkt kontakt med marken. Med andra ord grun-dens egenvikt tillsammans med den last som grunden ska upprätthålla i form av till exempel byggnader. Vid plattans fördelning av laster är det några viktiga parametrar som spelar in, dessa är styvheten i plat-tan tillsammans med egenskaper från undergrunden som deformations- och hållfasthetsegenskaper (Ax-elsson & Magnusson, 1999).
Vid dimensionering av en platta på en viss jord skall bärförmågan bestämmas för undergrunden. Bärför-mågan är det tryck undergrunden klarar av att bära upp utan att brott eller deformationer uppkommer. Dessa kan förklaras med två faktorer som måste uppfyllas (Axelsson & Magnusson, 1999):
tillräcklig marginal för ojämna sättningar betryggande säkerhet mot brott.
Sättningar för en byggnation kan ha negativa effekter och till exempel orsaka brott i ledningar. Om ojämna sättningar eller så kallade differentialsättningar uppstår kan effekterna bli förödande då de skad-liga påföljderna bidrar till vinkeländringar i konstruktionen. Vinkeländringar i konstruktioner kan bidra till sprickor i grundplattan samt att byggnationen inte uppfyller sina krav (Axelsson & Magnusson, 1999). För att uppfylla kraven för en byggnad måste sättningarna minimeras så att de ligger inom marginalerna för hur stora sättningar som är acceptabla för en viss konstruktion. Sättningarna som sker beror av olika deformationsegenskaper för den jordart som dominerar i området. För en friktionsjord är det den så kallade krypningen som sker med tiden som avgör sättningarna. Med krypning menas att jordpartiklarna sakta förs närmare varandra och jordens porvolym minskas till ett visst tillstånd då jorden är tillräckligt packad. För en kohesionsjord är det främst den utströmning av vatten från porer som avgör sättningar, även kallad för konsolideringsprocessen (Axelsson & Magnusson, 1999).
Vid dimensionering av den geotekniska bärförmågan för grundplattor enligt SS-EN 1997-1 måste följande parametrar tas hänsyn till (Bergdahl et al., 1993):
totalstabilitet vertikal bärförmåga glidbrott
stjälpning
konstruktiva skador till följd av rörelser i marken.
Bottenplattor måste även ha betryggande stabilitet och säkerhet mot hydraulisk upplyftning. Om sprickzoner förekommer vid grundläggning på berg måste totalstabiliteten undersökas (Trafikverket, 2011).
Den vertikala bärförmågan kan beräknas enligt olika metoder, de vanligaste enligt Trafikverkets tekniska
24
analytisk metod halvempirisk metod hävdvunnen metod.
Vid analytisk dimensionering används den allmänna bärighetsekvationen. Den allmänna bärighetsekvat-ionen beskrivs enligt (Trafikverket, 2011):
𝑞𝑏 = 𝑐𝑢𝑑∗ 𝑁𝑐∗ 𝜉𝑐+ 𝑞𝑑∗ 𝑁𝑞∗ 𝜉𝑞+ 0,5 ∗ 𝑦′∗ 𝑏𝑒𝑓∗ 𝑁𝛾∗ 𝜉𝛾 (Ekv. 3)
Där
𝑞𝑏 är det dimensionerande grundtrycket på grundläggningsnivån
𝑐𝑢𝑑 är den dimensionerade skjuvhållfastheten
𝑁𝑐, 𝑁𝑞 𝑜𝑐ℎ 𝑁𝛾 är bärighetfaktorer
𝜉𝑐, 𝜉𝑞 𝑜𝑐ℎ 𝜉𝛾 är korrektionsfaktorer
𝑞𝑑 är överlagringstrycket på grundläggningsnivån
𝑦′ är jordens effektiva tunghet under grundläggningsnivån 𝑏𝑒𝑓 är plattans effektiva bredd.
Bärighets- och korrektionsfaktorer erhålls enligt SS-EN 1977-1 kapitel 6. Den första termen i bärighets-ekvationen avser bidraget till den geotekniska bärförmågan från jordens kohesion, den andra termen bidraget från överlagringstrycket och den sista termen jordens tunghet under grundplattan (Trafikver-ket, 2011).
Den geotekniska bärförmågan under grundplattan måste vara större än den dimensionerade lasten som läggs på plattan enligt (Trafikverket, 2011):
𝑄𝑣𝑑≤ 𝑞𝑏∗ 𝐴𝑒𝑓 (Ekv. 4)
där
𝑄𝑣𝑑 är den dimensionerade lasten överliggande konstruktion, egenvikt av konstruktion och fundament
𝐴𝑒𝑓 är den effektiva arean som lasten verkar över.
Om horisontella krafter verkar på grundplattan måste glidning kontrolleras. Den dimensionerande hori-sontalkraften ska vara lägre än den horisontella bärförmågan (Trafikverket, 2011).
25
Grundläggning på berg
Om grundläggning utförs på berg spelar andra egenskaper in för bärförmågan, allmänt sätt är berg ett mer fast och stabilt material att grundlägga på än jord. Det som utmärker hur hållfast och sättningsbe-näget ett berg är beror inte bara på om berget är vittringsbesättningsbe-näget eller inte. Parametrar som krosszoner, sprickor, sprickfrekvenser, skjuvzoner och orienteringen av sprickplan tillsammans med bergartens egenskaper i sig är mycket viktiga och spelar stor roll för hur berget kommer att bete sig när en bestämd last påverkar berget. Det kan vara till en stor fördel om tidigare undersökningar som upptagna borrkär-nor samt resultat från bergsonderingar finns tillgängliga för den plats som är under utredning (Peck et al., 1974).
Bra och dåligt berg är två termer som översiktligt talar om i vilket skick berget befinner sig i. Det som kallas för dåligt berg brukar grunda sig i att sprickfrekvensen i berget är omfattande, detta i sig betyder inte att berget är dåligt utan det har större betydelse hur sprickorna är orienterade i berget för att störa bärförmågan. Skillnaden mellan ett dåligt berg och ett bra berg är att det dåliga berget har en större chans till sättningar vid pålastning. Desto färre sprickor i ett berg desto mer fördelaktigt är berget, men viktigt är även sprickorienteringen, bara för att sprickor finns i berget behöver det inte betyda att berg-grunden är helt oanvändbar. De sättningar som uppkommer i berg uppkommer på grund av att de sprickor som finns i berget trycks ihop vid belastning. Eftersom berg ofta har så pass hög hållfasthet från början så bestäms den totala lasten av betongens (grunden) hållfasthet istället för bergets. Ofta upptäcks de flesta sprickor ytligt och avtar med djupet. Om en ytbesiktning utförs och ett så kallat dåligt berg skulle påträffas kan det vara nödvändigt att vidta andra åtgärder för att ta reda på egenskaperna av berget (Hansbo, 1990).
I vissa fall påträffas berg med dåliga egenskaper där bland annat sprickfrekvensen kan vara stor, då kan en åtgärd kallad för injektering vara nödvändig där en blandning av bland annat cement trycks ut i ber-gets sprickor. Vittrade berggrunder kan ofta ha dålig hållfasthet samt egenskaper som kan leda till större hoptryckningar av berget (sättningar). Vid grundläggning på berg eller då berg befinner sig nära till ytan med en överlagring av jord sprängs ofta massor bort till den så kallade sprängbotten, massor sprängs och schaktas bort för att få en så plan yta som möjligt att grundlägga på. Den botten som uppstår efter sprängning kan komma till att bli uppsprucken, en åtgärd för det uppluckrade berget är underborrning för att sedan packa materialet som sedan utgör en bra undergrund. När sprängning utförts kan bergytan blivit delvis uppsprucken, det är oftast inte nödvändigt att schakta bort de uppspruckna massorna om inte kraven för sättningar är stränga (Hansbo, 1990).
26
2.3.2 Djupgrundläggning
Vid grundläggning på lösa jordar ger ofta en grundplatta otillräcklig lastspridning. Vid sådana förhållan-den kan ofta jorförhållan-dens bärighet vara för låg för att bära upp lasterna eller för stora sättningar uppstår. Det kan då vara nödvändigt att föra ner lasten till fastare jordlager eller berg med hjälp av pålar (Axelsson, 1998).
Pålgrundläggning
En påle är ett långsmalt konstruktionselement som installeras i marken vertikalt eller något lutande. Ändamålet med pålningen är att överföra laster från överbyggnaden ner till den omgivande marken via pålen. Pålning används främst i jordar där de ytligaste jordlagren är av sämre kvalitet och skulle innebära risk för brott eller oacceptabla sättningar för konstruktionen. Exempel på geotekniskt ogynnsamma för-hållanden där pålning ofta används är vid djupa jordlager av lera, torv, gyttja eller dy (Stål & Wedel, 1984).
Pålar delas upp i två huvudkategorier baserat på deras funktionssätt; spetsburen eller mantelburen. Fi-gur 19 visar skillnaden mellan hur en spets- och en mantelburenpåle överför lasten till de omgivande jordlagren. F är lasten från överbyggnaden, Qm friktionen längs mantelytan och Qs spetskraften.
Figur 19 - Beskrivning av lastöverföring för spetsburna (a) och mantelburna pålar (b) (Holm & Olsson, 1993)
En spetsburen påle överför den största delen av lasten från överbyggnaden till ett fast underliggande jordlager eller berg via spetsen. Lastkapaciteten för en spetsburen påle beror främst på materialegen-skaperna för själva pålen och bärkapaciteten för det bärande jordlagret (Holm & Olsson, 1993).
En mantelburen påle överför huvuddelen av lasten genom kohesion eller friktion längs med mantelytan beroende på om det omgivande jordlagret består av en kohesionsjord eller friktionsjord. En mantelburen påle som är nedslagen i till exempel lera överför lasterna främst via kohesion. Denna typ av påle kallas för en kohesionspåle. En påle nedslagen i sand eller grus där lastöverföringen sker via friktion mellan jordlagret och mantelytan kallas för en friktionspåle. I mantelburna pålar kommer friktionen eller kohes-ionen beroende på de omgivande jordlagren att ta upp ca 90-95 % av lasten, den lilla del av lasten som överförs via spetsen kan ofta försummas vid dimensionering då den är så pass liten (Stål & Wedel, 1984).
27 Pålar delas även in beroende på materialtyp, de vanligaste materialtyperna som används är:
betong stål trä.
Träpålning är sannolikt en av de äldsta djupgrundläggningsmetoderna och har använts i århundraden. Träpålning användes i romarriket för bland annat grundläggning av brofästen. Träpålning används fort-farande flitigt i Sverige där främst gran och tall används som pålmaterial. En fördel med träpålning är att pålarna är billiga och lätt kan kapas till lämplig längd efter att ha slagits ner i marken. Träpålar används främst som kohesionspålar i mark med djupa lerlager. Den maximala praktiska längden för träpålar är cirka 18 meter och helst undviks skarvning av träpålar. En nackdel med träpålar är deras känslighet för röta på delen som står över grundvattenytan (Stål & Wedel, 1984).
Betongpålar är den vanligaste formen av pålar i Sverige, ca 65 % av pålarna som installerades 2011 var betongpålar (Pålkommissionen, 2012). Detta betyder att Sverige har en väl utvecklat praxis för just an-vändning av betongpålar. Betongpålar används både som slagna pålar och grävda pålar. I Sverige är de slagna prefabricerade betongpålarna vanligast. En fördel med prefabricerade betongpålar är att de kan massproduceras i fabrik och på så sätt gjutas inomhus för att säkerställa kvaliteten men också minska priset. Vanliga längder för prefabricerade betongpålar är mellan 3-14 meter innan skarvning. Upp till 100 meter skarvade betongpålar har slagits i till exempel Göteborg (Stål & Wedel, 1984). Tvärsnittet är oftast kvadratiskt men kan också tillverkas i andra former om det skulle behövas (Holm & Olsson, 1993). Figur 20 visar hur en installation av betongpålar kan se ut.
Figur 20 – Installation av prefabricerade betongpålar (Pålplintar)
Grävda betongpålar gjuts på plats och används främst när höga koncentrerade laster ska grundläggas främst i lättschaktade jordar som silt, sand och fast till medelfast lera. Pålen kan både vara armerad och oarmerad och pålarna kan gjutas till önskad diameter. Denna metod används sällan i Sverige, men an-vänds ofta i övriga delar av Europa. En anledning till att denna metod inte anan-vänds så ofta i Sverige är på grund av svårigheten att bedöma kostnader vid pålning genom hårda och blockiga moräntyper (Holm & Olsson, 1993).
28
Stålpålar har generellt sett större nerträngningsförmåga i hårdare jordlager vilket gör att de är lättare att slå ner i grova friktionsjordar än betong- och träpålar. Stålpålar tillverkas i många olika profiler (H-balk, X-påle). Stålpålarna är lätta att både skarva ihop och kapa till önskad längd. Ett problem vid an-vändning av stålpålar är risken för korrosion av pålen. Anan-vändning av stålpålning innebär också relativt stora kostnader jämfört med andra pålningsmetoder (Holm & Olsson, 1993).
Val av påltyp
Val av påltyp beror av många olika faktorer. De olika pålarna har alla sina användningsområden. Fak-torer som måste tas i beaktning vid val av pålning är (Holm & Olsson, 1993):
laster: Lasternas storlek och fördelning
byggnadskonstruktionen: Vad för typ av konstruktion som ska uppföras (bro, hus, väg) och livs-tiden på denna konstruktion
geotekniska markförhållanden: Vilken jordtyp och mäktigheten på de ingående jordlagren och vilken nivå grundvattenytan ligger på
sättningar: Vilka total- och differentialsättningar som tillåts
omgivningspåverkan: Kan angränsande byggnader eller konstruktioner skadas eller störas av pålningen eller kan buller- och vibrationsnivån bli för hög.
Påltyp och verkningssätt bestäms av de rådande geotekniska förhållandena. För kunna bestämma påltyp och slagningsmetod krävs att en geoteknisk undersökning utförs där information om jordlagerföljden och dess egenskaper tas fram. Det är även viktigt att bestämma grundvattenförhållanden och fastställa bergytans läge (Holm & Olsson, 1993).
29
3 METOD
I detta kapitel ges en beskrivning över de olika platsförslagen och hur dessa valdes utifrån grundkraven som lämnats till kommunerna i fråga. De parametrar som valts ut för att undersöka och jämföra de olika platsförslagen kommer också att redovisas. I detta kapitel presenteras även de fält- och laboratorieun-dersökningar som används vid bedömning av de olika markområdena.
3.1 Inledning
Valet av placeringen för en vintertesthall är av stor betydelse, både ifråga om byggkostnader men även vid brukandet av hallen. Viktiga krav som måste uppfyllas av placeringsalternativen presenteras i kapitel
3.2. Fokus i studien har legat på att utreda markegenskaper, tjälfarlighet och omgivningen i form av
vatten- och terrängförhållanden.
Insamling av data för de potentiella platserna har gjorts dels via kontakt med markägare och kommuner för de utvalda alternativen. De har tillhandahållit underlag från tidigare gjorda undersökningar i närom-rådet. Fält- och laboratorieundersökning utfördes där det var möjligt. Viktsondering utfördes för att få en bild över jordlagerföljd och den relativa fastheten i området. Siktning utfördes för att bestämma korn-fördelning och jordarts benämna materialet i området. Valet av dessa metoder grundades på att kunna utreda och jämföra markegenskaper och tjälfarligheten för varje område. I kapitel 3.4 och 3.5 present-eras de olika fält- och laboratorieundersökningarna mer grundligt.
3.2 Val av placeringsalternativ
De kraven som ställs på placeringen av en klimathall togs fram av forskningsgruppen CASTT (Centre for Automotive Systems Technologies and Testing) på LTU. Kraven presenteras i rapporten Klimathall
för-studie – Slutrapport (2013). Baskraven som ställs är på placeringen av en klimat hall är:
tomt, minst 100 hektar
mark/tomt belägen där risk för intressekonflikt är låg
mark/tomt utan risk för kontaminering från tidigare aktivitet goda markförhållanden för byggnationer
kraftledning 10-20 kV max avstånd 5 kilometer avstånd till Bk1 väg, max 5 kilometer
avskildhet från större väg minst 500 meter
tillgång till större vattendrag (för extra vintertestbanor)
max avstånd till tätort med service, (hotell, restaurang mm) 30 kilometer tillgång till större vattentäkt
max avstånd till flygplats med för kunderna relevanta förbindelser 150 kilometer lokalisering som medför möjligt nyttjande av viss befintlig testinfrastruktur
möjlighet till bra internetförbindelse (fiber eller höghastighetslänk) bra berggrund för lagring och utvinning av energi.
Kravlistan skickades till kommunerna; Arjeplog, Arvidsjaur och Älvsbyn. Kommunerna presenterade där-efter varsitt förslag på en lämplig placering. I Arjeplog lämnade Colmis AB ett eget tomtförslag. Colmis AB är ett företag verksamt inom bil- och komponenttestindustrin och ingår i branschorganisationen SPGA. De förslag som valts av kommunerna utvärderades därefter utifrån kravlistan.
30
3.3 Områdesbeskrivning
I detta avsnitt presenteras de olika placeringsalternativen, var de är lokaliserade och närhet till befintlig testverksamhet och annan intressant infrastruktur.
3.3.1 Arjeplog
I Arjeplog ligger det föreslagna området inuti Colmis AB befintliga cirkeltestbana. I figur 21 visas hur området ligger i den befintliga cirkelbanan. Cirkelbanan ligger ungefär 1 mil öster om Arjeplog centrum. I cirkelbanan är marken mycket blockig, med en stor del mycket stora block. Den befintliga cirkelbanan är på ställen utsprängd ur berg. På vissa ställen är markytan inuti cirkelbanan mycket högre belägen än vägen vilket ger en avsevärt stor höjdskillnad i området. Växtligheten i cirkelbanan består av relativt tät skog och på vissa ställen vattenansamlingar. Figur 22(v) visar bild tagen från cirkelbanan, figur 22(h) visar vegetationsförhållanden inuti cirkelbanan.
Figur 21 - Översiktskarta för Arjeplog med platsalternativ inringat i blått (Eniro.se, 2014-11-17)
31
3.3.2 Arvidsjaur
Det föreslagna området ligger strax norr om Arvidsjaurs flygplats, figur 23 visar var det föreslagna områ-det ligger. Befintlig testverksamhet i Arvidsjaur ligger cirka 2,5 kilometer nordväst om provområområ-det, detta visas i figur 23. Marken i provområdet sluttar något mot syd/sydväst. Under besöket hade den största delen av träden i provområdet avverkats. Området var väldigt blött och består delvis av myrmark vilket kan ses i figur 24.
Figur 23 - Översiktskarta för Arvidsjaur med platsalternativet inringat i blått (Eniro.se, 2014-11-28)
32
3.3.3 Älvsbyn
Det föreslagna området ligger 3 mil väster om Älvsbyn längs riksväg 94 vid Yokohamas däcktestanlägg-ning. Figur 25 visar var längs riksväg 94 mellan Älvsbyn och Arvidsjaur som den föreslagna placeringen ligger. Området består delvis av ett kalhygge till väst och en del med tätare växtlighet i anslutning till vägen. Marken är relativt plant men sluttar något åt söder mot riksväg 94. Figur 26 visar översiktligt hur vegetationsförhållandet i provområdet ser ut.
Figur 25 - Översiktskarta för placeringsalternativ i Älvsbyn kommun inringat i blått (Eniro.se, 2014-11-28)
33
3.4 Fältundersökningar
Viktsondering är den i Sverige äldsta standardiserade sonderingsmetoden och togs fram 1917 av SJ:s dåvarande geotekniska kommission (SGF:s fältkommitté, 2013). Metoden var då helt manuell men har efterhand utvecklats för motordriven sondering. Viktsondering används främst för att få en bild av jord-lagerföljden och jordens relativa fasthet i lösa till medelfasta (lera, silt och sand) sten och blockfattiga jordar.
Sonderingsutrustningen består av en vriden sondspets som fästs i 1 meter långa skarvbara sondstål. Spetsen tillsammans med stålen pressas och vrids ned i marken med avsedd neddrivningsutrustning. I figur 27 visas hur spetssond och neddrivningsutrustning kan se ut.
Figur 27 – Spetssond (v) och neddrivningsutrustning (h) (2014-05-18)
Vid sondering belastas sonden först med vikter, belastningen görs i steg: först 25 kg, sedan 50 kg, 75 kg och sist 100 kg. Om sonden inte sjunker vid 100 kg belastning startas en motor som vrider ner sonden. Belastningen 100 kg bibehålls vid vridningen. När motorn startas antecknas hur många halva varv (hv) sonden behöver vridas för att få en sjunkning på 20 centimeter (hv/20 cm) i resultatdiagrammet. Om antalet halvvarv per 20 centimeter nedsjunkning överstiger 80 halvvarv antas fast botten ha påträffats. Figur 28 visar ett exempel på hur ett resultatdiagram kan se ut, y-axeln anger djupet och x-axeln visar ett värde på sonderingsmotståndet för aktuellt djup. Motståndet vid neddrivning registreras där detta motstånd är ett mått på jordens fasthet. Om motståndet varierar vid olika djup kan detta bero på att det förekommer jordlager med olika fasthet.
