Samverkansgrundläggning
- en sättningsuppföljning av två objekt i Uppsala
Mikaela Zervens
Master of Science Thesis Draft 17/06/15 Division of Soil- and Rock Mechanics Department of Civil and Architectural Engineering
Royal Institute of Technology Stockholm 2017
ii
© Mikaela Zervens Master of Science Thesis
Division of Soil- and Rock Mechanics Royal Institute of Technology
Stockholm 2017 ISSN 1652-599X
iii
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och är sista steget i civilingenjörsutbildningen inom Samhällsbyggnad på Kungliga Tekniska Högskolan. Arbetet har initierats av Johan Fransson, Sweco, och Kenneth Viking, Trafikverket, och har utförts i samarbete med NCC. Jag vill börja med att tacka mina handledare Johan och Kenneth för all den tid ni lagt ner, samt för all stöttning och hjälp som jag fått under arbetets gång.
Tack även till Fanny Deckner på NCC för att hon varit ett stöd för mig på kontoret. Jag vill dessutom rikta ett stort tack till NCC för att jag fått nyttja era lokaler samt vara en del av gruppen under examensarbetets gång.
Tack till mättekniker Ulf Nordström för din tid och all hjälp jag fått med avvägning av objekten. Jag vill även tacka Leif Jendeby, COWI, för att jag fått ta del av indata som användes i din avhandling, så att jag kunnat följa upp samma objekt i Uppsala som du tidigare studerat.
Slutligen vill jag tacka nära och kära som tagits sig tiden att korrekturläsa eller på annat sätt hjälpa mig komma framåt med arbetet.
Mikaela Zervens Stockholm 2017-06-15
v
Sammanfattning
Samverkansgrundläggning är en grundläggningsform där platta, pålar och jord tillsammans bär last av konstruktion. Denna typ av grundläggning förekommer där djupa lerlager återfinns i marken, så som är fallet i Uppsala. I projekteringsskedet beräknas hur stor totalsättning som samverkansgrundläggningen bedöms ge upphov till under sin livslängd (normalt 100 år). Dessa beräkningar innehåller en rad antaganden där till exempel effekter av kryp inte är helt klarlagda i kombination med att byggnaders utformning och grundläggning kontinuerligt utvecklas.
Kontinuerlig utveckling och förändring av samverkansgrundläggning leder ofta till diskussion om hur väl de beräknade sättningarna kommer stämma överens med de faktiskt uppkomna
totalsättningar som byggnader upplever under sin livslängd.
Som ett led i utvecklandet av en bättre förståelse av skillnaderna mellan teoretisk bedömda och faktiskt uppkomna sättningar av samverkansgrundläggningar i typiska Uppsala-leror har detta examensarbete initierats.
För att kunna göra en enkel jämförelse mellan teoretiska och faktiska sättningar har två samverkansgrundlagda bostadshus i Uppsala valts ut. Det ena (Hagbard), uppfört 1984, har sättningskontrollerats sex gånger mellan 1984-1995, samt ytterligare en mätning under detta arbetes gång. Det andra bostadshuset (Mjölnaren), uppfört 2010, har kontrollerats fem gånger under byggnadsskedet mellan år 2009 och 2010, samt även här ytterligare en mätning under detta arbetes gång.
Avvägningen av objekt Hagbard visar att byggnaden satt sig ca 275 mm på de 32 år som gått sedan uppförandet. För objekt Mjölnaren visade avvägningen att byggnaden satt sig ca 70 mm sex år efter uppförandet. Dessa avvägningar avser totalsättningar. Då inga avvägningar gjorts på marken kring byggnaderna är det okänt i vilken takt den sätter sig i förhållande till byggnaderna. Enkla sättningsberäkningar för de bägge objekten har utförts. Dessa beräkningar innehåller som sagt en rad antaganden. Det är även känt att två parametrar, förkonsolideringsspänningen, σ’c, och
konsolideringskoefficienten, cv, har stor inverkan på resultatet. För att visa hur hårt de slår på
beräknade sättningar har en enkel parameterstudie att utförts.
Resultatet av sättningsberäkningarna är att Hagbard kommer att sätta sig totalt 240 mm och Mjölnaren 175 mm, vilket understiger de uppmätta sättningarna något. Parameterstudien har visat att vilka σ’c och cv som används har stor betydelse för resultatet av sättningsberäkningarna.
Sättningsberäkningarna som utförts innehåller inte naturlig marksättning, vilket troligen är anledningen till att dessa understigit de verkliga sättningarna. För att i framtiden bättre kunna prediktera slutsättningar bör kryphastigheten för olika leror att studeras. De beräkningsmodeller som används för slutsättningar bör då ta hänsyn till effekten av kryp.
vii
Summary
Piled raft foundation is a type of foundation where ground slab, piles and soil interact to carry the load of a construction. This type of foundation is often used where deep layers of clay are found in the ground, as is the case in Uppsala. In the design phase the maximum total settlement that the piled raft foundation would cause during its lifespan, of about 100 years, is calculated. These calculations include a number of assumptions, where for example the effect of creep is not completely understood combined with the fact that the design of buildings and their foundations continuously are improved and changed. This continuous development of piled raft foundations often leads to discussions about how well the calculated total settlements will correspond to the settlement that actually occur during a buildings life span.
This master thesis was initiated as an initial step in the development of a better understanding of the difference between theoretically estimated and actual settlements of piled raft foundations in typical Uppsala-clay.
In order to be able to conduct a simple comparison between theoretical and actual settlements two residential buildings, constructed with piled raft foundation in Uppsala, where chosen. The first building (Hagbard), erected in 1984, has been measured six times between 1984 to 1995 to see how much it has settled, one measurement was also performed during this thesis. The other building (Mjölnaren), erected in 2010, has been measured five times during the construction phase between 2009 and 2010, and then once during this thesis.
The result from the measurement on object Hagbard show a settlement of about 275 mm in the 32 years that has passed since the building was erected.
The result from the measurements on object Mjölnaren show a settlement of about 70 mm in the six years that has passed since the building was erected.
The measured settlements are total settlements. Since no measurements were performed on the ground surrounding the buildings, it is unknown at which pace it settles in comparison to the buildings.
A simple settlement calculation was performed for both objects. These calculations are, as already mentioned, based on a number of assumptions. It is also known that two parameters, the
preconsolidation pressure, σ’c, and the coefficient of consolidation, cv, have a large impact on the
results. A simple parametric study was performed in order to demonstrate how these parameters affect the calculated settlements.
The results from the settlement calculations are 240 mm for Hagbard and 175 mm for Mjölnaren. The result from the parametric study show that the choice of σ’c and cv have a big impact on the
results from the settlement calculations.
The performed settlement calculations do not include creep, which probably is why they were smaller than the actual settlements. In order to improve the prediction of the actual settlements
viii
the creep rate for different clays should be studied thoroughly. The calculation models used to calculate total settlements should then include the effect of creep.
ix
Symbollista
Grekiska tecken
αs Krypfaktor 𝜀𝜀 Deformation 𝜀𝜀𝑐𝑐𝑐𝑐 Krypdeformation 𝛾𝛾 Tunghet 𝜌𝜌 Skrymdensitet 𝜌𝜌𝑤𝑤 Vattnets densitet 𝛿𝛿 Primärsättning 𝜂𝜂 Graden av mobilisering 𝜎𝜎 Totalspänning 𝜎𝜎′ Effektivspänning 𝜎𝜎′𝑐𝑐 Förkonsolideringstryck 𝜎𝜎′0 Effektivspänning in-situ𝜎𝜎′𝐿𝐿 Gränsspänning, där kompressionsmodulen börjar öka
𝜎𝜎′𝑣𝑣 Vertikal effektivspänning ∆𝜎𝜎 Spänningsförändring ∆𝜎𝜎𝑧𝑧 Spänningsförändring i z-riktningen [-] [%] [%] [kN/m3] [t/m3] [t/m3] [m] [-] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa]
Romerska tecken
𝑐𝑐𝑣𝑣 Konsolideringskoefficient 𝑎𝑎 a-värde𝑢𝑢𝑏𝑏 Uppmätt portryck på odränerad sida vid CRS-försök
𝑔𝑔 Tyngdacceleration
ℎ Lagertjocklek/dräneringsavstånd 𝑘𝑘 Permeabilitet
𝑙𝑙 Längd 𝑏𝑏 Bredd
𝑀𝑀0 Kompressionsmodul för spänningar under förkonsolideringstrycket
𝑀𝑀𝐿𝐿 Kompressionsmodul för spänningar över förkonsolideringstrycket
𝑀𝑀′ Kompressionsmodultal 𝑞𝑞 Utbredd last 𝑅𝑅 Tidsmotstånd 𝑟𝑟𝑠𝑠 Tidsmotståndstal [m2/s] [-] [kPa] [m/s2] [m] [m/s] [m] [m] [kPa] [kPa] [-] [kN/m2] [-] [-]
x
𝑡𝑡 Tid
𝑇𝑇𝑣𝑣 Tidsfaktor
𝑢𝑢 Portryck
𝑧𝑧 Djup under markytan
[s, h, år] [-] [kPa] [m]
Förkortningar
SGI Statens Geotekniska Institut SGU Sveriges Geologiska Undersökning
OCR Over Consolidation Ratio (överkonsolideringsgrad) suLe Sulfidlera
xi
Innehållsförteckning
Förord ... iii
Sammanfattning ... v
Summary ... vii
Symbollista ... ix
1
Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Mål ... 1 1.3 Begränsningar ... 2 1.4 Metod ... 22
Litteraturstudie ... 3
2.1 Introduktion ... 3 2.2 Geologi ... 3 2.2.1 Uppsala ... 3 2.2.2 Göteborg ... 42.3 Egenskaper för typisk Uppsala-lera ... 4
2.3.1 Varvighet... 4 2.3.2 Förkonsolideringstryck ... 5 2.3.3 Konsolideringskoefficient ... 6 2.4 Geohydrologi ... 7 2.5 Spänningstillstånd ... 8 2.6 Samverkansgrundläggning ... 8 2.6.1 Grundplatta ... 9 2.6.2 Pålar ... 9 2.6.3 Lastfördelning ... 9 2.7 Sättningar ... 12 2.7.1 Elastiska ... 12 2.7.2 Konsolidering ... 12 2.7.3 Kryp ... 14 2.8 Sättningsberäkning ... 15
3
Sättningsmätningar ... 19
xii 3.1 Introduktion ... 19 3.2 Objektbeskrivning ... 19 3.2.1 Hagbard ... 19 3.2.2 Mjölnaren ... 23 3.3 Sättningsavvägningar ... 27 3.3.1 Hagbard ... 27 3.3.2 Mjölnaren ... 28 3.3.3 Naturliga marksättningar ... 30
4
Inverkan av σ’
coch
c
vpå beräknade sättningar ... 31
4.1 Introduktion ... 31 4.2 Sättningsberäkning ... 31 4.2.1 Hagbard ... 32 4.2.2 Mjölnaren ... 33 4.3 Förkonsolideringsspänningen, σ’c ... 33 4.4 Konsolideringskoefficienten, cv ... 34
5
Analys och diskussion ... 35
5.1 Introduktion ... 35 5.2 Hagbard ... 35 5.3 Mjölnaren ... 36 5.4 Allmänt ... 36
6
Slutsatser ... 39
Referenser ... 41
Bilagor ... 45
1
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Samverkansgrundläggning är en grundläggningsform där platta, pålar och jord samverkar på ett komplext sätt för att bära last av byggnad. Denna typ av grundläggning tillämpas i områden med mäktiga lerlager, Göteborg och Uppsala är exempel på två sådana områden.
Lerorna i Göteborg och Uppsala är avsatta på olika sätt och skiljer sig således geologiskt åt. Trots geologisk skillnad görs ingen skillnad i teorin bakom grundläggningsmetoden eller i teorin bakom sättningsberäkningen för de två olika områdena.
I Göteborg genomförs kontinuerligt sättningsuppföljning av olika samverkansgrundlagda hus, vilket har lett till en god uppfattning om skillnaden mellan teoretisk och verkligt uppkomna sättningar. I Uppsala har inte samma goda uppfattning om skillnaden utvecklats på grund av brist på kontinuerlig sättningsuppföljning av de samverkansgrundlagda byggnaderna.
På 1980-talet skrevs en avhandling som behandlade bostadshus grundlagda med
samverkansgrundläggning (Jendeby, 1986). I avhandlingens fältstudie studerades fyra olika bostadshus utspridda på tre orter; Göteborg, Enköping och Uppsala. Den fastighet som uppfördes 1984 och som varit relevant för detta examensarbete ligger i kvarter Hagbard i Uppsala. Fastighetens sättningsrörelser har dokumenterats under 80- och 90-talet, samt en gång 2016 under detta arbete.
Under de senaste 10 åren har en rad samverkansgrundlagda fastigheter uppförts i Uppsala. Den andra fastigheten, relevant för detta arbete, ligger i kvarter Mjölnaren i Uppsala. Aktuell fastighet uppfördes 2010 och sättningsrörelser har tidigare dokumenterats i byggnadsskedet 2009 till 2010, samt en gång 2016 under detta arbete.
1.2 Mål
Examensarbetets mål har varit att:
• utföra en egen enkel sättningsbedömning på basis av teorier funna i litteraturstudie • jämföra verkliga och teoretiska sättningar
• utföra en enkel parameterstudie avseende de indata som slår hårt på resultatet av sättningsberäkningar
Detta görs med förhoppning om att få en bättre förståelse om varför samverkansgrundlagda byggnader har en tendens att sätta sig mer än vad som beräknats i projekteringen.
2
1.3 Begränsningar
Detta arbete behandlar enbart grundläggningar i Uppsala. Dock härstammar stora delar av teorin kring samverkansgrundläggningar ifrån Göteborg och baseras då på den lera som återfinns där, vilket är varför litteraturstudien även delvis inkluderar Göteborg.
Precision av genomförd avvägning av objekt i kvarteret Hagbard i Uppsala haltar på grund av svårigheter med att lokalisera ursprunglig referenspunkt för tidigare utförda avvägningar.
Effekter av kryp och dess tidsberoende storlek har inte varit möjlig att beakta i någon nämnvärd omfattning i detta arbete.
Egna sättningsberäkningar är till viss del begränsade med avseende på avsaknad av delar i det geotekniska underlaget. Där indata saknats har antaganden gjorts och data inhämtats från närliggande projekt med liknande markförhållanden.
Det som har studerats i arbetet är totalsättning, till skillnad från differenssättning, dvs. sättning på kringliggande mark har inte studerats. Anledningen bakom detta beslut är att inga uppgifter om plushöjd på kringliggande mark fanns från tidpunkten då byggnaderna stod klara, vilket gjorde det svårt att mäta hur mycket marken satt sig.
1.4 Metod
Arbetet inleddes initialt med en litteraturstudie med avseende på det principiella resonemanget och tekniken samt teorierna bakom utformningen av samverkansgrundläggningar.
Med hjälp av både äldre och nyligen utförda digitalavvägningar har verkligt uppkomna sättningsrörelserna för de två objekten (Kv. Hagbard och Mjölnaren) resultatsammanställts. Vidare har befintlig information rörande de geotekniska förhållandena för respektive objekt resultatsammanställts. Denna geotekniska sammanställning har sedan legat till grund för en enkel bedömning av respektive objekts sättningsrörelse. Denna enkla bedömning baseras på de
sättningsteorier som lokaliserats i samband med genomförd litteraturstudie. Det ska noteras att de sättningsberäkningar som utförs vid projektering av samverkansgrundläggningar är mer omfattande än de som utförts i detta arbete.
En parameterstudie av förkonsolideringsspänning, σ’c, och konsolideringskoefficient, cv, utförs.
Där varieras en parameter i taget för att se hur det slår på resultatet av sättningsberäkningen. Slutligen har ett analytiskt resonemang förts beträffande orsak till, och storlek på, skillnaderna mellan de faktiskt uppkomna och de teoretiskt beräknade sättningarna. Även förslag på fortsatt arbete ges.
3
2 Litteraturstudie
2.1 Introduktion
Kapitel 2 utgörs av en litteraturstudie som berör de faktorer som befunnits vara av vikt för bedömning av sättningsutvecklingen av samverkansgrundläggningar i Uppsala
2.2 Geologi
Geologin är en central faktor kopplad till samverkansgrundläggningars sättningsrörelser. Den geologiska skillnaden mellan lerorna i Uppsala respektive Göteborg redogörs för i korthet nedan.
2.2.1 Uppsala
Lera är den jordart som dominerar i Uppsala, den täcker 80 % av området och utgör minst 60 % av jordartsvolymen (Lundin, 1998). Lerdjupen varierar, men är överlag stora och mäktigheter på över 100 meter återfinns. Leran är sötvattenavsatt och består på djupet av en varvig lera, se figur 2.1, som överlagras av en gyttjig, postglacial lera. Den postglaciala leran innehåller svavel i reducerad form, sulfid, och benämns därför ofta sulfidlera.
Under leran ligger ett moränlager, som består av en bottenmorän som överlagras av en ytmorän (Hansbo, 1975) och härstammar från den senaste istiden. Bottenmoränen är osorterad och hårt packad, då den transporterats under inlandsisen och sedan avsatts och packats ihop under isens tyngd. Då bottenmoränen varit utsatt för högt tryck uppvisar den en väldigt tät struktur. Ytmoränen har i sin tur transporterats i den övre delen av inlandsisen och avsatts ovanpå bottenmoränen. Ytmoränen är inte lika hårt packad som bottenmoränen.
4
Figur 2.1 Glacial varvig lera i Uppsala [foto: Jan-Olov Svedlund] (SGU, u.d.).
2.2.2 Göteborg
Geologin i Göteborg påminner om den i Uppsala i det avseende att mäktiga lerlager på uppemot 100 meter återfinns på båda orterna. Dock är leran i Göteborg saltvattenavsatt, så kallad marin lera, och dess egenskaper skiljer sig något från den sötvattenavsatta leran i Uppsala (Nilsson, 2003). När glaciala sediment avsätts i en marin miljö, som på västkusten, bildas det inte lika tydlig varvighet, utan silt och lera avsätts samtidigt (SGU, u.d.). Saltvattenavsatta leror har en betydligt öppnare struktur än sötvattenavsatta leror. Den öppna strukturen innebär större porer, som i sin tur gör leran mer kompressibel (Larsson, 2008).
På grund av den landhöjning som sker som effekt av istiden så har lerlager som tidigare legat under havsytan kommit upp över ytan (SGI, 2016). Denna salthaltiga lera har sedan blivit urlakad då sött regnvatten strömmat igenom det. Urlakningen leder till att de sammanhållande krafterna, som härstammar från saltjonerna, minskar. Detta medför att lerans struktur försvagas och så kallad kvicklera kan bildas.
2.3 Egenskaper för typisk Uppsala-lera
2.3.1 Varvighet
Som tidigare nämnt är leran i Uppsala varvig, vilket innebär att lager med lera varvas med lager utav sand/silt. Vid beräkning av en leras konsolideringsgrad antas det att leran dräneras vertikalt, antingen ensidigt (åt ett håll) eller dubbelsidigt (både uppåt och nedåt). Men en varvig lera dräneras i praktiken horisontellt. Detta då vattnet enbart rör sig vertikalt till dess att den når ett skikt med silt/sand. Där är permeabiliteten betydligt högre än i lerskiktet och vattnet dräneras då bort horisontellt i det skiktet (Tremblay, 1990).
För att ta fram en leras förkonsolideringsspänning och konsolideringskoefficient brukar CRS-försök (Constant Rate of Strain-CRS-försök) användas (Larsson, 2008). Ofta tar man kolvprov på
5 några nivåer i leran, för att försöka få en så korrekt bild av lerans egenskaper som möjligt. Då leran är varvig, som i Uppsala, varierar dock egenskaperna med skikten och det är svårt att få prov som korrekt beskriver leran som helhet. Ett prov på 50 mm ska motsvara ett lerlager på flera meter, vilket uppenbart innebär en förenklad bild av verkligheten.
2.3.2 Förkonsolideringstryck
Förkonsolideringstrycket, σ’c, utvärderas ur CRS-försök på kolvprov. För att få ett så korrekt
resultat som möjligt är det viktigt att provet inte blivit stört vid upptagning eller transport (Wood, 2016). Detta för att provet ska representera de riktiga förhållandena i marken så bra som möjligt. Vid ett CRS-försök belastas lerprovet med en konstant hastighet (Sällfors & Andréasson, 1986). Provet dräneras åt ett håll och en portrycksmätare installeras på provets odränerade sida. Under CRS-försöket så registreras den kraft som tillförs provet, dess deformation samt portrycket. Ur detta erhålls sedan den effektiva vertikalspänningen och kompressionen.
Den effektiva vertikalspänningen, 𝜎𝜎′, beräknas enligt
𝜎𝜎′= 𝜎𝜎 −2
3 𝑢𝑢𝑏𝑏
Ekv. 2.1
Där
𝜎𝜎 = påförd vertikal belastning
𝑢𝑢𝑏𝑏 = uppmätt portryck på den odränerade sidan
För att få fram förkonsolideringstrycket plottas den effektiva vertikalspänningen mot kompressionen, se figur 2.2.
6
Figur 2.2 Utvärdering av parametrar från CRS-försök (Larsson, et al., 1997).
2.3.3 Konsolideringskoefficient
Konsolideringskoefficienten, cv, är ett mått på hur snabbt konsolideringsprocessen sker (Larsson,
7 Genom att ta fram permeabiliteten för ett lerprov med hjälp av deformationshastigheten och det portryck som uppmätts i provets undersida i CRS-försök så kan sedan cv beräknas enligt
Där
𝑘𝑘 = permeabiliteten [m/s]
𝑀𝑀 = kompressionsmodul [kN/m2]
𝜌𝜌𝑤𝑤 = vattnets densitet [kN/m3]
Som sagt används cv för att beräkna hur lång tid det kommer ta för jorden att konsolidera till 100
%, detta görs enligt 𝑡𝑡 =𝑇𝑇𝑣𝑣𝑐𝑐ℎ2 𝑣𝑣 Ekv. 2.3 Där 𝑐𝑐𝑣𝑣 = konsolideringskoefficienten [m2/s]
𝑡𝑡 = tiden för en viss konsolideringsgrad [s] 𝑇𝑇𝑣𝑣 = tidsfaktor [-]
ℎ = dräneringsavståndet [m]
Denna ekvation kan även skrivas om så att det är cv som beräknas enligt
𝑐𝑐𝑣𝑣 = 𝑇𝑇𝑣𝑣∗ ℎ 2
𝑡𝑡
Ekv. 2.4
2.4 Geohydrologi
En förändrad geohydrologi är en annan central faktor som inverkar på bedömningen av en samverkansgrundläggnings sättningsrörelser.
I Uppsala låg grundvattnets trycknivå vid sekelskiftet 1800/1900 på ca +7m, vilket är en avsevärt högre nivå än den som råder i dagsläget. Efter andra världskrigets slut växte Uppsala, rent
dricksvatten började pumpas från lerans underliggande moränlager vilket innebar att
grundvattennivån sänktes drastiskt och 1970 låg trycknivån på ca + 2m (Uebel & Viking, 2013). Detta problem löstes på 1970-talet genom att infiltrera delar av Fyrisåns vatten via åsens partier norr om Uppsala. Sekelskiftets ursprungliga trycknivå blev dock aldrig riktigt återställd och det är därför troligt att leran i Uppsala sätter sig med anledning av denna geohydrologiska förändring. I dagsläget ligger grundvattnets trycknivå på ca nivå +4 m, dock varierar denna nivå mellan olika områden i Uppsala.
𝑐𝑐𝑣𝑣 = 𝑘𝑘 ∗ 𝑀𝑀𝜌𝜌 𝑤𝑤
8
Även lerans portrycksprofil påverkas av en mängd faktorer; jordegenskaper, geologi, topologi, väderförhållanden samt mänskliga ingrepp (som till exempel dränering). Lerans portrycksprofil kan precis som trycknivån variera med både tid och djup och den kan antigen vara hydrostatisk eller hydrodynamisk (Tremblay, 1990) (Sällfors, 2001).
Förändring av geohydrologin är en faktor som påverkar bedömning av
samverkansgrundläggningens totalsättning. Långtidsmätning av såväl trycknivå som
portrycksprofil är värdefull information för att få en bättre bild av hur geohydrologin fluktuerar över tid (Tremblay, 1990).
2.5 Spänningstillstånd
Leras geostatiska spänningstillstånd och förändring av dito är en väsentlig faktor med hänsyn till bedömning av sättningsutvecklingen hos samverkansgrundläggningar.
Till att börja med behövs korrekt kunskap om in situ spänningarna i aktuell jordprofil. Det spänningstillstånd som uppkommer av enbart jordens egentyngd kallas det geostatiska spänningstillståndet (Axelsson, 2000). Spänningen bestäms normalt med enkla
jämviktsekvationer. Totalspänningen beror av djupet och lerans densitet och effektivspänningen beräknas efter det att den geohydrologiska situationen/profilen har utretts.
När sedan en last appliceras på jorden bildas det en komplex situation av tillskottsspänningar i marken.
2.6 Samverkansgrundläggning
Samverkansgrundläggningars sättningsrörelser styrs primärt av hur tillskottsspänningarna med tid fördelas mellan platta, pålar och jord, se figur 2.3. (Dang Dinh Chung, et al., 2013)
Designen utgörs, enligt Poulos (2001), av tre steg. För det första måste man kontrollera att det är genomförbart att använda sig utav samverkansgrundläggning, samt hur många pålar som krävs för att uppfylla designkraven och slutligen kontrollera vart pålar behövs, till exempel vid stora punktlaster. Även sättningsutbredning, böjmoment i plattan och pålkrafter beräknas (Randolph & Reul, 2003).
Samverkansgrundläggning skapar ett kontakttryck mellan marken och grundplattan (Katzenbach & Choudhury, 2013) (Ghasemian, et al., 2015). Då kommer plattan tillsammans med
kohesionspålarna och mellanliggande jord att bära lasten tillsammans. Pålarnas huvuduppgift blir då att reducera sättningarna och plattan bär huvuddelen av lasten (Cho, et al., 2012). Figur 2.3 visar schematiskt hur de olika elementen i en samverkansgrundläggning interagerar med varandra. Samverkansgrundläggning i sin enklaste form utgörs av två delar; en grundplatta och ett antal pålar. Grundplattan bär sin del av byggnadens totala last, se nedan. Denna lastdel får inte
9 överstiga lerans konsolideringsspänning om sättningsrörelserna ska hålla sig på en acceptabel nivå.
Den andra delen utgörs av de sättningsbromsande pålarna som primärt har till uppgift att föra ned del av byggnadens totala last till ett djup där leran är mindre kompressibel, se nedan. I samband med genomförd litteraturstudie kring ämnet samverkansgrundläggning har även ett antal utländska artiklar studerats. Dessa behandlar dock mest numerisk modellering, vilket inte har varit väsentligt för detta arbeta. För den intresserade har detta behandlats av Poulos (2001), Reul & Randolph (2003), (Kumar, et al., 2015), (Kumar, et al., 2017) och Prakoso & Kulhawy (2001), för att nämna några.
2.6.1 Grundplatta
När marken belastas med en grundplatta uppstår det spänningar i jorden. Dessa spänningar beror på plattans storlek och styvhet, men även på jordens egenskaper, så som dess hållfasthet
(Bergdahl, et al., 1993). För att på bästa sätt kunna dimensionera grundplattan krävs det att man har kunskap om spänningsfördelningen i jorden både före och efter applicerad belastning, samt att man har en uppfattning om hur kontakttrycket mellan platta och jord fördelar sig.
2.6.2 Pålar
Pålarnas uppgift är att agera sättningsbroms under plattan och föra ned laster djupare i marken. Att man vill föra ned laster i jorden via pålarna beror till stor del på att jorden vanligtvis blir mindre kompressibel med djupet (Olsson & Holm, 1993). Med andra ord har sättningar svårare att utvecklas längre ner i marken än vid ytan.
Det finns en rad olika påltyper. Den som är relevant vid de samverkansgrundläggningar som studerats i detta arbete är en kohesionspåle ofta utformad som en kombinationspåle, men det går även att använda betongpålar. Den största anledningen till att välja en kombinationspåle är att det är ett kostnadseffektivt sätt att maximera pålens mantelarea och därmed även dess lastkapacitet. En kombinationspåle består av en underpåle av trä som skarvas ihop med en överpåle av betong. Träpålen måste installeras på ett rötbetryggande djup under grundvattenytan och betongpålen används då i jordlagren ovan grundvattennivån. Vid installation av pålarna används normalt en pålmaskin med frifallshejare som slår ner pålen till tänkt djup. När pålen slås ned i jorden så tvingar den undan material och den omgivande jorden blir således störd (Randolph, et al., 1979). För att minimera omgivningspåverkan kan man använda sig av augerborrning. Augerborrning innebär att en spiralformad skruvborr roteras nedåt i marken inuti ett skyddsrör. När
borrhuvudet roterar nedåt så skruvas det material som lossnar bakåt i röret. Man får då efter borrningen ett hål där man kan påla med minimerad omgivningspåverkan.
2.6.3 Lastfördelning
10
𝑹𝑹𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕 = 𝑹𝑹𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒕𝒕𝒕𝒕𝒑𝒑+ � 𝑹𝑹𝒑𝒑å𝒑𝒑𝒍𝒍 Ekv. 2.5
Där
𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = byggnadens totala last
𝑅𝑅𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝 = lasten på plattan
∑ 𝑅𝑅𝑝𝑝å𝑝𝑝𝑙𝑙 = summan av pållasterna
Under sin avhandling utvecklade Leif Jendeby ett datorprogram, PAUL (Jendeby, 1986) (Jendeby, 1993). Detta program användes för att analysera lastöverföringen till jorden vid
samverkansgrundläggning, samt de sättningar som utvecklades. Detta datorprogram används än idag, av NCC, för att göra bedömningar av storlek på sättning av samverkansgrundlagda
11
Figur 2.3 Illustration av lastfördelning mellan pålar/platta i en samverkansgrundläggning, efter Katzenbach et. al. (2013)
12
2.7 Sättningar
Hur stora sättningar som uppkommer under en samverkansgrundläggnings livstid beror på en rad faktorer, varav somliga förändras med tiden. Några av de primära faktorerna är storlek på lasten och hur den fördelas samt jordens egenskaper, som dess konsolideringsgrad och
kompressionsmodul (Eriksson & Jendeby, 2004).
Då man grundlägger med samverkansgrundläggning, istället för spetsburna pålar, är risken högre avseende både större totalsättningar och differenssättningar. Denna risk visar på vikten av att sättningsberäkningarna är tillförlitliga och att dimensioneringen är korrekt. Sättningens storlek påverkas av tre komplexa och tidsberoende fenomen; elastiska/plastiska spänningar,
konsolidering och krypsättningar (Claesson, 2003).
2.7.1 Elastiska
De elastiska sättningarna uppkommer direkt efter att last applicerats och beror på antagandet om att jordens vattenmättnadsgrad inte ändras. Hur stor sättningen blir beror på vilken styvhet grundplattan har och vilket material den vilar på (Braja, 2009), se illustration i figur 2.4.
2.7.2 Konsolidering
Konsolidering innebär en process där jorden utsätts för spänningar som får jordpartiklarna att packas ihop, vilket medför att jordens volym minskar (Terzaghi, 1943). Den konsolideringsteori som i huvudsak används idag är baserad på den reologiska modell som bygger på ensidig
dränering (Sällfors & Andréasson, 1986) och som Terzaghi (1943) använde sig utav, se figur 2.5.
Figur 2.4 Elastisk sättningsprofil och kontakttryck i lera för: (a) flexibel grundläggning; (b) styv grundläggning (Braja, 2009)
13
Figur 2.5 Reologisk modell för den, numera, klassiska konsolideringsteorin (Hansbo, 1975).
Förutsättningarna för teorin är, enligt Hansbo (1975), baserade på följande förenklingar och antaganden:
• Jorden är vattenmättad och homogen
• Porvattenflöde och deformation sker endast i en riktning • Darcys lag gäller
• Porvattenövertrycket Δ u = differensen mellan total spänningsökning Δ 𝜎𝜎 av yttre last och däremot svarande ökning av effektivt inre korntryck Δ 𝜎𝜎′
• Porvatten och mineralkorn är inkompressibla
• Jordens kompression är endast beroende av effektivtrycket
Om en lera enbart varit utsatt för nuvarande spänningsnivå sägs den vara normalkonsoliderad, medan om den tidigare varit utsatt för en högre spänningsnivå så är den överkonsoliderad
(Bjerrum, 1973). Den spänning som orsakat överkonsolideringen kallas förkonsolideringspänning och beskiver den spänningsnivå till vilken leran har konsoliderat.
Överkonsolidering behöver inte vara en effekt av en tidigare förhöjd spänningsnivå (till exempel en yttre last), utan kan även vara ett resultat av åldring eller att grundvattenytan tidigare har legat lägre (Meijer & Åberg, Examensarbete 2007:107). Åldring gör att leran komprimeras med tiden, trots att effektivspänningen förblir oförändrad (Larsson, 2008). Detta fenomen är del av
begreppet sekundär konsolidering, numera under benämningen krypning, vilket behandlas i nästa avsnitt.
14
2.7.3 Kryp
Krypsättning är ett fenomen som i litteraturen delas upp i två delar; krypsättning på grund av geologisk åldring och krypsättning på grund av last (Larsson, 2008).
Geologisk åldring är ett fenomen som antas bero på att lerpartiklarna omlagras med tiden, p.g.a. sin egentyngd, vilket medför en naturlig krypsättning och att leran blir allt starkare med tiden. När man studerar äldre leror finner man ofta att de har en konsolideringsgrad; OCR > 1.0, trots att de är normalkonsoliderade (Meijer & Åberg, Examensarbete 2007:107). Enligt Larsson, Bengtsson & Eriksson (1997) antas krypsättningar p.g.a. spänningsförändring av yttre last att utvecklas vid en spänningsnivå i jorden på ca (0.8 − 1.1) ∙ 𝜎𝜎′𝑐𝑐. Det ska dock noteras att kryp kan
förekomma vid både högra och lägre OCR än intervallet 0.8-1.1, men i begränsad omfattning. I en välkänd studie av lerors kryphastighet har två provfält uppförts i Stockholmsregionen av SGI (Larsson, 1986). Aktuell lera som återfinns vid provfältet Skå-Edeby liknar till stor del den lera som finns i Uppsalaregionen och resultatet är således relevant. Figur 2.6 visar en
resultatjämförelse av Larsson (1986) mellan uppmätta sättningar och beräknad sättning, där den beräknade är utan hänsyn till kryp. Beaktas inte effekten av kryp så kommer den beräknade totalsättningen att avvika från den uppmätta och differensen tenderar att öka med tiden.
15
2.8 Sättningsberäkning
I litteraturen förekommer en rad modeller av hur spänningsfördelningen av byggnadens totala last antas fördelas mellan platta/mark och pålar, samt hur lasterna sprids mot djupet (Boussinesq, 1885).
Den i Sverige mest förekommande metoden för beräkning av sättningar baseras på följande förutsättningar och antaganden; spänningstillskottet i jorden p.g.a. att totallasten separeras mellan tillskottet från last på plattan och den last som bärs av pålar. Lasten som bärs av plattan orsakar ett spänningstillskott i jorden som börjar direkt under plattan. Pålarna för däremot ner sin del av lasten till ett djup om ca 2/3 av pålarnas längd. Lastspridningen fördelas sedan enligt Boussinesq, eller med 2:1-metoden varav den senare finns illustrerad i figur 2.7.
Den vertikala spänningsförändring enligt närmemetoden 2:1 för en rektangulär last kan då på djupet z beräknas enligt följande:
∆𝜎𝜎𝑧𝑧 = 𝑞𝑞
(1 + 𝑧𝑧𝑏𝑏)(1 +𝑧𝑧𝑙𝑙)
Ekv. 2.6
Där
∆𝜎𝜎𝑧𝑧 = vertikala spänningstillskottet i jorden [kPa]
𝑙𝑙 = längden [m] 𝑏𝑏 = bredden [m] 𝑧𝑧 = djupet [m]
16
Figur 2.7 Illustration av enkel lastfördelning för samverkansgrundläggning, enligt 2:1-metoden
För att få en ökad precision av beräkningarna kan lerlagret delas upp i flera skikt eftersom spänningssituationen varierar mot djupet. Tjockleken på skikten beror på hur lerans egenskaper varierar, då de egenskaper som sätts ska vara representativa för hela det aktuella skiktet.
För en enkel beräkning av samverkangrundläggningens totalsättning exkl. kryp kan följande tre ekvationer tillämpas, där val av ekvation beror på spänningssituationen i skiktet (Larsson & Sällfors, 1981). 𝛿𝛿 = � �∆𝜎𝜎𝑀𝑀 0� 𝑑𝑑𝑧𝑧 ℎ 0 för 𝜎𝜎′0+ ∆𝜎𝜎 < 𝜎𝜎′𝑐𝑐 Ekv. 2.7a 𝛿𝛿 = � �𝜎𝜎′𝑐𝑐𝑀𝑀− 𝜎𝜎′0 0 + 𝜎𝜎′0+ ∆𝜎𝜎 − 𝜎𝜎′𝑐𝑐 𝑀𝑀𝐿𝐿 � 𝑑𝑑𝑧𝑧 ℎ 0 för 𝜎𝜎′𝑐𝑐 < 𝜎𝜎′0+ ∆𝜎𝜎 < 𝜎𝜎′𝐿𝐿 Ekv. 2.7b 𝛿𝛿 = � �𝜎𝜎′𝑐𝑐𝑀𝑀− 𝜎𝜎′0 0 + 𝜎𝜎′𝐿𝐿− 𝜎𝜎′𝑐𝑐 𝑀𝑀𝐿𝐿 + 1 𝑀𝑀′ln 𝜎𝜎′0+ ∆𝜎𝜎 − 𝑎𝑎 𝜎𝜎′𝐿𝐿− 𝑎𝑎 � ℎ 0 för 𝜎𝜎′𝐿𝐿 < 𝜎𝜎′0+ ∆𝜎𝜎 Ekv. 2.7c Där 𝛿𝛿 = primärsättning [m] ℎ = valt skikts tjocklek [m]
17 𝜎𝜎′𝑐𝑐 = Förkonsolideringstryck [kPa]
∆𝜎𝜎 = Spänningsförändringen i jorden på grund av avlastning och pålastning [kPa] 𝜎𝜎′𝐿𝐿 = Gränstryck [kPa]
𝑀𝑀0 = Kompressionsmodul för spänningar under förkonsolideringstrycket 𝜎𝜎′≤ 𝜎𝜎′𝑐𝑐 [kPa]
𝑀𝑀𝐿𝐿 = Kompressionsmodul för spänningar över förkonsolideringstrycket 𝜎𝜎′𝑐𝑐 ≤ 𝜎𝜎′ ≤ 𝜎𝜎′𝐿𝐿 [kPa]
19
3 Sättningsmätningar
3.1 Introduktion
Kapitel 3 utgör en kort redogörelse av hur arbetet med sättningsmätningar bedrivits och vilka moment samt antaganden som gjorts. Först beskrivs de två byggnaderna, kv Hagbard och Mjölnaren, i en objektbeskrivning med fokus på viktiga nyckeltal för byggnaderna samt de markförhållanden som råder på respektive plats. Därefter beskrivs de sättningsavvägningar som utförts inom ramarna för detta examensarbete.
3.2 Objektbeskrivning
3.2.1 Hagbard
Bostadshus kv Hagbard ligger i sydvästra hörnet av korsningen Gamla Uppsalagatan och Svartbäcksgatan i kvarter Hagbard-Idun, se figur 3.1 och figur 3.2. En kort sammanställning av viktiga nyckeltal för kv Hagbard presenteras i tabell 3.1 och en sammanställning av geotekniska materialparametrar framgår av figur 3.3. Byggnaden utgörs av fyra våningsplan plus ett försänkt källarplan, se skiss i figur 3.4.
Totalt användes 49 stycken 25 meter långa pålar av typen kombinationspåle, där de översta 7 metrarna utgörs av en betongpåle med diameter 0.3 m och de nedersta 18 meterna av en träpåle.
20
Figur 3.1 Plankarta för kv Hagbard (källa eniro.se)
21
Tabell 3.1 Nyckeltal för objekt kv Hagbard
Figur 3.3 Sammanställning av geotekniskt underlag för objekt kv Hagbard
Egenskaper Hagbard
Lerdjup [m] 34
Urschaktning [m] 1,3
Last [kPa] 56
Lastreduktion (urschaktning) [kPa] 23
Nettolast av byggnad [kPa] 33
Last på plattan [kPa] 33,6
Last på pålarna [kPa] 22,4
Antal pålar 49
Medellast per pålmeter [kN/m] 9,5
Area [m2] 519
Antal våningar 4
22
23
3.2.2 Mjölnaren
Bostadshus kv Mjölnaren angränsar till gatorna Muningatan, Islandsgatan, Ångkvarnsgatan och Hugingatan, se figur 3.5. Byggnaden utgörs av 7 våningsplan och har även 1-2 källarplan, där den djupaste delen är belägen under fastighetens innergård, se figur 3.6, 3.7 och 3.9. Byggnaden är inte platsgjuten utan är uppförd med en prefabstomme, där stommen vilar på en
pålgrundläggning med olika långa pålar beroende av aktuell lastsituation.
Totalt har 323 pålar med fem olika längder använts, fördelningen mellan de olika typerna kan ses i tabell 3.2.
En kort sammanställning av viktiga nyckeltal för kv Mjölnaren presenteras i tabell 3.3 och en sammanställning av geotekniska materialparametrar framgår av figur 3.8.
Figur 3.5 Plankarta kv Mjölnaren (källa eniro.se)
Tabell 3.2 Sammanställning av påltyper använda för kv. Mjölnaren
Påltyp Betongpåle Träpåle Antal
1 270 mm / 22 m lång 150 mm / 18 m lång 97
2 270 mm / 14 m lång 150 mm / 18 m lång 83
3 235 mm / 11 m lång 150 mm / 18 m lång 90
4 235 mm / 5 m lång 150 mm / 18 m lång 30
24
Figur 3.6 Mjölnaren sett från Muningatan (källa uppsalahem.se)
25
Tabell 3.3 Nyckeltal för objekt kv. Mjölnaren
Figur 3.8 Sammanställning av geotekniskt underlag för objekt kv Mjölnaren
Egenskaper Mjölnaren
Lerdjup [m] 90
Urschaktning [m] 3
Last [kPa] 70
Lastreduktion (urschaktning) [kPa] 50
Nettolast av byggnad[kPa] 20
Last på plattan [kPa] 30
Last på pålarna [kPa] 40
Antal pålar 323
Medellast per pålmeter [kN/m] 12,3
Area [m2] 3150
Antal våningar 7
26
27
3.3 Sättningsavvägningar
Sättningsavvägningar har utförts för bägge objekten under våren 2016. Det ena objektet, kv. Hagbard, har tidigare studerats under en längre period på 1980-talet, med en uppföljning på 1990-talet (Jendeby, 1986) (Jendeby, 1996). Det andra objektet, kv. Mjölnaren, har enbart studerats under tidigt byggnadsskede 2009-2010. De bägge objektens tidigare dokumenterade sättningsrörelser har resultatsammanställts (se kapitel 4).
Vid avvägningarna har en digitalavvägare, Leica DNA03, använts. Avvägningen utfördes som elektronisk mätning med standardstång och standardavvikelsen för höjdmätning är då 1mm/km. Syftet med avvägningarna är att få en uppfattning om hur samverkansgrundlagda byggnader faktiskt sätter sig. För att ha något att relatera de faktiska sättningarna till görs en enkel sättningsberäkning i Excel, se kapitel 4.2
3.3.1 Hagbard
Vid byggnationen av huset installerades 48 stycken avvägningsstationer ingjutna i källarväggarna. Planritning över dubbarnas placering återfinns i bilaga C. För att väga av stationerna användes en specialtillverkad dubb som fördes in i stationen och vägdes av. Den första avvägningen gjordes i oktober 1984, precis innan stommen uppfördes, därefter skedde avvägningar under åren 1984 till 1995.
I samband med resultatsammanställning av tidigare avvägningar av objekt Hagbard från 1980- och 1990-talet noterades svårigheter med att lokalisera ursprungliga ”plushöjder” samt
ursprunglig nollas planläge.Det som har återfunnits är istället information där avvägningarna är gjorda i relation till varandra, dvs. den första avvägningen är satt till noll och sättningarna sedan dokumenterade i relation till den. Detta medförde att nya avvägningar fick utföras i relation till den plushöjd som angetts på relationsritningar för källargolvet, se Bilaga E. Dock innebär detta att de sättningar som nu uppmätts får en högre osäkerhetsmarginal, då det inte är säkert att källargolvet hamnade på exakt rätt plushöjd enligt ritningen.
Totalt gjordes 24 nya avvägningar av källargolvet intill existerande dubbar. Varje punkt vägdes av två gånger och det kontrollerades att bägge avvägningarna gav samma resultat. Ett medelvärde togs sedan fram genom att värdena för de 24 avvägningarna adderades ihop och sedan
dividerades på 24. Ett medelvärde på sättningen från de olika avvägningarna presenteras i tabell 3.4.
Då de tidigare avvägningarna endast finns redovisade som ett medelvärde av samtliga dubbars sättning redovisas även den avvägning som gjorts i det här arbetet så. För utförligare information kring avvägningen, se bilaga C. Avvägningen 2016 visade att byggnaden då hade satt sig ungefär 275 mm.
28
Tabell 3.4 Medelvärdet av sättningsavvägningar för Hagbard
Datum Sättning [mm] 1984-10-25 0 1987-12-02 71 1990-12-13 100,9 1992-12-03 117,8 1995-11-08 140,7 2016-04-22 276,4
När Hagbard byggdes användes Uppsalas lokala höjdsystem och mätningarna från 1980- och 1990-talet är således mätta i det höjdsystemet. 2006 infördes ett nytt höjdsystem i Uppsala, RH2000. Men då tidigare inmätningar enbart finns redovisade i relation till varandra så påverkas de inte av ändringen utav höjdsystemet. Det som däremot påverkas är den plushöjd på
källargolvet som utgåtts ifrån för de nya avvägningarna. Den har då fått omräknas till RH2000, genom att 0,225 m adderas till värdet. För mer information kring övergång mellan olika höjdsystem, se Bilaga D.
3.3.2 Mjölnaren
Vid byggnationen av huset installerades 26 stycken sättningsdubbar i källargolvet, se figur 3.10. Planritning över dubbarnas placering återfinns i bilaga C. Avvägningar av dubbarna skedde under 5 månader i tidigt byggskede, den första avvägningen utfördes i september 2009 och den sista i januari 2010. Huset stod klart våren 2011.
Nya avvägningar av dubbarna genomfördes våren 2016, drygt sex år efter den senaste avvägningen och ca fem år efter färdigställandet av byggnaden. Vid avvägningen utgicks från samma fixpunkt som användes vid de tidigare avvägningarna. Den fixpunkten sitter på ett
närliggande hus beläget ca 10 m från Mjölnaren. Vid avvägningen av dubbarna så utgicks det från fixpunkten och sedan gicks ett polygontåg där dubbarna vägdes av och sedan gicks samma väg tillbaka och polygontåget avslutades med att åter väga av fixpunkten. Då blev det ett mätfel på 1 mm, dvs. skillnaden mellan den första och den sista mätningen av fixpunkten var 1 mm.
Resultatet av dubbavvägningen redovisas i tabell 3.5. Ett medelvärde ifrån samtliga dubbavvägningar 2016 ger att byggnaden då satt sig ungefär 70 mm.
29
Figur 3.10 Sättningsdubb i källargolvet
Tabell 3.5 Redovisning av dubbavvägning för Mjölnaren
Z-höjd (mm) Dubb 2009 2016 Sättning (mm) D 2:2 749 678 71 D 2:3 751 670 81 D 2:4 754 707 47 D 2:6 758 675 83 D 2:7 751 724 27 D 2:8 760 674 86 D 2:9 751 670 81 D 2:10 750 704 46 D 2:11 755 672 83 D 2:12 752 674 78 D 2:13 748 663 85 D 2:14 748 667 81 D 1:3 3287 3230 57
Utförligare information kring dubbarnas placering och dess avvägning återfinnes i bilaga C. I teorin anses fixen vara en fast punkt, dvs. att den inte rör sig. Men bedömning är att denna fix sitter på en byggnad som även den sätter sig, dock inte med samma hastighet som Mjölnaren. Att även fixen sätter sig gör att den sättning som uppmätts är en differenssättning och den uppmätta sättningen blir då något mindre än om fixen hade varit helt fast. Detta kan även leda till att effekten av kryp till viss del missas.
30
3.3.3 Naturliga marksättningar
Förutom de sättningar som utvecklas när mark bebyggs och pålastas så bör även hänsyn tas till att det kontinuerligt sker naturliga marksättningar. En naturligt pågående sättning beror av flera faktorer, bland annat; äldre markuppfyllnad, äldre grundvattensänkningar samt naturlig åldring utav leran (Nilbrink & Hedberg, BSc thesis, 2014).
I Uppsala bedöms på basis av tidigare erfarenheter generellt att kryphastigheten ligger i
storleksordningen ca 3-5 mm/år. Denna siffra är dock mycket generell, flera fall förekommer där krypsättningar påvisats vara betydligt större än så (Nilbrink, et al., 2015). Det är med andra ord svårt att säga hur stor del av en byggnads sättning som är ett resultat av byggnadens last (ny påförd last) och hur mycket som är naturliga marksättningar.
31
4 Inverkan av σ’
c
och
c
v
på beräknade
sättningar
4.1 Introduktion
Det är välkänt och tidigare studerat att både σ’c och cv är två parametrar som slår hårt på resultatet
av sättningsberäkningar (Hammam, Abel-Salam, & Yousf, 2015) (Salem & El-Sherbiny, 2013). I det här kapitelet utförs enkla sättningsberäkningar för Hagbard och Mjölnaren. Detta dels för att kunna se hur σ’c och cv påverkar sättningarnas storlek och dels för att ge en känsla för om de
uppmätta sättningarna är rimliga. I kontrollen av σ’c och cv:s inverkan på sättningarnas storlek
utgås ifrån den sättning som beräknats för Hagbard och Mjölnaren samt de variabler som används där.
4.2 Sättningsberäkning
Egna sättningsberäkningar har utförts i Excel. Indata för dessa beräkningar kommer från sammanställning av lastförutsättningar i tabell 3.1 och 3.3, samt det geotekniska underlag som sammanställts i figur 3.3 och 3.8.
Nettospänningstillskottet i jordprofilen p.g.a. avlastning av schakt samt pålastning platta och pålar har beräknats med 2:1-metoden enligt ekv. 2.6 och i enlighet med figur 2.7.
Sättningsberäkningar till följd av nettospänningstillskottet har utförts i enlighet med Larsson & Sällfors (1981) genom tillämpning av ekvationerna 2.7a-c. Notera att beräkningarna inte har beaktat effekten av krypsättningar.
Den teoretiska totalsättning som beräknas antas ske över en tidsperiod på 100 år
(grundläggningens tekniska livslängd), där sättningstakten avtar med tiden. Värdet på cv har satts
så att det blir 100 % konsolidering på 100 år. Detta antagande görs för att förenkla
sättningsberäkningarna. Värden på Tv för olika konsolideringsgrader U, 0 – 100, har tagits ur
tabell i Brajas (2009). Tiden för respektive konsolideringsgrad har sedan beräknats enligt: 𝑡𝑡 =𝑇𝑇𝑣𝑣𝑐𝑐ℎ2
𝑣𝑣
Ekv 4.1.
Där
𝑐𝑐𝑣𝑣 = konsolideringskoefficienten [m2/s]
32
𝑇𝑇𝑣𝑣 = tidsfaktor [-]
ℎ = dräneringsavståndet [m]
Hur stor sättning respektive konsolderingsteg motsvarar beräknas sedan enligt: 𝑈𝑈 ∗ 𝛿𝛿𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
100
Ekv 4.2.
För ytterligare detaljer kring hur sättningstakten beräknats, se bilaga A.
4.2.1 Hagbard
Vid beräkningen har hänsyn tagits till att man schaktat bort 1,3 meter, vilket motsvarar en avlastning på 23 kPa. Vidare har lasten från byggnaden uppgått till 56 kPa, vilken fördelats till 60 % (33,6 kPa) på plattan och resterande 40 % (22,4 kPa) bärs av pålarna. Nettobelastningen på grundläggningsnivån blir således 33 kPa. Spänningsfördelningen i marken pga. urschaktning samt pålastning beräknas enligt ekvation 2.6. Tabell 4.1 presenterar de indata som använts vid
beräkningen samt framräknad spänningsfördelning. Att q avlast och q mark enbart har värden för nivån z = 0 beror på att avlastning/pålastning sker vid marknivå. Den avlastningen/pålastningen påverkar dock spänningsnivån i marken även under markytan. För pålarna är det på samma liknande sätt. Då pålarna för ner lasten till 2/3 av pålens längd, är det bara den nivån som tillförs last. Sedan påverkars spänningsnivån i marken från den nivån och nedåt.
Tabell 4.1 Spänningsfördelning i jorden för objekt Hagbard pga. urschaktning samt pålastning
z [m] B [m] L [m] q avlast [kPa]
Δσ'v avlast
[kPa] q mark [kPa] Δσ'v [kPa] q pålar [kPa] Δσ'v [kPa]2 Δσ'v tot [kPa]
0 14 38 -23 -23 33,6 33,6 0 0 9,6 3 14 38 0 -17,6 0 25,6 0 0 8,1 5 14 38 0 -15,0 0 21,9 0 0 6,9 7,5 14 38 0 -12,5 0 18,3 0 0 5,8 10,5 14 38 0 -10,3 0 15,0 0 0 4,7 14 14 38 0 -8,4 0 12,3 0 0 3,9 18 14 38 0 -6,8 0 10,0 22,4 19,8 22,9 22 14 38 0 -5,7 0 8,3 0 14,2 16,8 26,5 14 38 0 -4,7 0 6,8 0 10,5 12,6 31,5 14 38 0 -3,9 0 5,7 0 7,8 9,6
Sättningarna har sedan beräknats skiktvis enligt ekvation 2.7a-b. Delsättningar för varje skikt har sedan summerats ihop. Totalsättningen för kv. Hagbard enligt ovan angivna antaganden och förutsättningar är beräknad till ca 240 mm.
33
4.2.2 Mjölnaren
För objekt kv. Mjölnaren har det schaktats till två olika djup, 2 m under byggnaden och 5 m för innergården. I syfte att förenkla de egna sättningsberäkningarna har ett enhetligt schaktdjup om 3 m (avlast ~ 50 kPa) antagits för både byggnad och innergård.
Vid egna beräkningar av nettospänningsförändring har total last av byggnaden på ca 70 kPa fördelats till ca 43 % (30 kPa) på plattan och resterande 57 % (40 kPa) via pålarna. Last av pålar har antagits vara jämnt fördelad på ett djup om 2/3-delar av pålarnas längd, vilket här blir på ungefär 27 meters djup.
Sättningarna har sedan beräknats skiktvis enligt ekvation 2.7a-b genom att addera sättningarna för varje skiktindelning. Totalsättningen för kv. Mjölnaren enligt ovan angivna antaganden och förutsättningar uppgår till ca 175 mm.
Tabell 4.2 Spänningsfördelning i jorden för objekt Mjölnaren pga. urschaktning samt pålastning
z [m] B [m] L [m] q avlast [kPa]
Δσ'v avlast
[kPa] q mark [kPa] Δσ'v [kPa] q pålar [kPa] Δσ'v [kPa]2 Δσ'v tot [kPa]
0 45 70 -50 -50 30 30 0 0 -19,6 2 45 70 -50 -46,5 0 27,9 0 0 -18,6 4 45 70 0 -43,4 0 26,1 0 0 -17,4 6,5 45 70 0 -40,0 0 24,0 0 0 -16,0 9 45 70 0 -36,9 0 22,2 0 0 -14,8 12,5 45 70 0 -33,2 0 19,9 0 0 -13,3 17,5 45 70 0 -28,8 0 17,3 0 0 -11,5 22,5 45 70 0 -25,2 0 15,1 0 0 -10,1 27,5 45 70 0 -22,3 0 13,4 40 38,9 29,9 32,5 45 70 0 -19,8 0 11,9 0 32,7 24,8 40 45 70 0 -16,8 0 10,1 0 25,9 19,2 47,5 45 70 0 -14,5 0 8,7 0 21,1 15,3 55 45 70 0 -12,6 0 7,6 0 17,5 12,4 65 45 70 0 -10,6 0 6,4 0 14,0 9,7 80 45 70 0 -8,4 0 5,0 0 10,4 7,0
4.3 Förkonsolideringsspänningen, σ’
cFör Hagbard beräknades byggnadens totalsättning till ca 240 mm. Om σ’c minskas med 10 % ger
det en sättning på ca 500 mm, dvs. en ökning med drygt 115 %. Om σ’c istället ökas med 10 % ger
det en sättning på ca 186 mm, dvs. en minskning med drygt 25 %. Som synes är
34
För Mjölnaren beräknades totalsättningen till ca 175 mm. Om σ’c minskas med 10 % ger det en
sättning på ca 1 meter, dvs. en ökning med ca 500 %. Om σ’c istället ökas med 10 % ger det en
sättning på 0,059 m, dvs. en minskning med 66 %.
4.4 Konsolideringskoefficienten, c
vEtt cv som ger att samtliga sättningar tas ut på 100 år (en byggnads teoretiska livstid) används som
jämförelse. För att Hagbards totalsättning (240 mm) ska tas ut på 100 år krävs att cv = 1,43E-7
m2/s.
Om cv minskas med en tiopotens, dvs. cv = 1,43E-8 m2/s, så ser man ur formeln att samtliga
sättningar istället kommer att tas ut på 1000 år. På 100 år har byggnaden då satt sig ungefär 121mm. Detta är nästan hälften av den totala sättningen (240 mm). Om cv istället ökas med en
tiopotens, dvs. cv = 1,43E-6 m2/s, kommer samtliga sättningar tas ut på 10 år. Efter 5 år har
byggnaden satt sig cirka 223 mm, jämfört med de 86 mm som fås då cv = 1,43E-7 m2/s.
För att Mjölnarens totalsättning (175 mm) ska tas ut på 100 år krävs att cv = 1,23E-6 m2/s. Då
samma formel används som för Hagbard kommer även här en minskning av cv med en tiopotens
att resultera i att samtliga sättningar tas ut på 1000 år och en ökning av cv med en tiopotens
kommer ge att de tas ut på 10 år.
Om cv minskas med en tiopotens dvs. cv = 1,23E-7 m2/s, så kommer byggnaden att ha satt sig 87
mm på 100 år, vilket är ungefär hälften av den totala sättningen (175 mm). Om cv istället ökas
med en tiopotens dvs. cv = 1,23E-5 m2/s, så kommer byggnaden efter 5 år ha satt sig 160 mm,
35
5 Analys och diskussion
5.1 Introduktion
För att i framtiden kunna göra rimligare sättningsprognoser av samverkansgrundläggningar i Uppsala är verkliga erfarenhetsvärden till stor hjälp. I det här kapitlet kommer en lätt analys utföras med avseende på avvägningar och beräkningar. Utöver detta diskuteras även resultaten. Avvägningen visar att Hagbard har satt sig 276 mm på 32 år. Motsvarande för Mjölnaren är 70 mm på 6 år. De egna sättningsberäkningar som utförts under detta arbete gav en slutsättning på 240 mm för Hagbard och 175 mm för Mjölnaren. Det är viktigt att notera att de uppmätta sättningarna innehåller pågående naturlig marksättning, medan de beräknade sättningarna enbart är sättning som uppstått pga. lasttillskott av byggnad.
Primär orsak till skillnad mellan verklig och teoretisk sättning torde vara kopplat till det faktum att teori inte beaktar krypeffekter. Därför bedöms det rimligt att uppmätta sättningar visar sig vara större än de beräknade.
Även det faktum att det ligger stora osäkerheter i hur väl σ’c och cv stämmer överens med
verkligheten kan bidra till att verklig och teoretisk sättning skiljer sig åt.
5.2 Hagbard
Avvägningen visar att byggnaden satt sig 276 mm, vilket är mer än de 240 mm som beräknats fram under detta arbete. Som tidigare nämnts innehåller dock avvägningen pågående naturlig marksättning och sättning till följd av lasttillskott på marken, medan den beräknade sättningen bara är av lasttillskott. Med andra ord så är det logiskt att avvägningens värde skiljer sig från det beräknade värdet. För både avvägningen och beräkningen har dock antaganden gjorts, vilket lett till osäkerhet kring hur korrekta värdena faktiskt är.
Då Hagbard har avvägts sedan 1984 (dock inte med jämna intervaller) får man en bild över hur sättningstakten varierar med tiden. På de första 10 åren satte sig byggnaden 140 mm, alltså ungefär hälften av den sättning (276 mm) som uppmätts 2016. Med andra ord så satte byggnaden sig dubbelt så snabbt under de första 10 åren mot efterföljande 20 år.
För att kunna göra en sättningsavvägning behövs en ursprunglig plushöjd att relatera till. Då de tidigare avvägningarna på Hagbard enbart var gjorda i relation till varandra, dvs. den första avvägningen var satt till noll och sättningarna sedan dokumenterade i relation till den, så saknades en plushöjd. För att då kunna göra en ny sättningsavvägning togs en plushöjd på källargolvet ifrån byggnadens relationsritningar. Dock innebär detta att de sättningar som nu uppmätts får en
36
högre osäkerhetsmarginal, då det inte är säkert att källargolvet hamnade på exakt rätt plushöjd enligt ritningen.
En rimlig ingenjörsmässig bedömning är att slutsättningen (100 år) kommer att hamna strax under 450 mm (enbart en gissning baserad på avvägningarna).
5.3 Mjölnaren
Avvägningen visar att byggnaden satt sig 70 mm, i relation till de 175 mm som beräknats fram under detta arbete.Det är för tidigt att kunna göra en rimlig bedömning angående slutsättning (100 år), då det enbart gått fem år sedan huset byggdes. Att det redan satt sig 70 mm tyder dock på att slutsättningen kommer att överstiga de 175 mm som här beräknats. Återigen så är det rimligt att byggnaden sätter sig mer än beräknat, då beräknat värde inte innehåller naturliga marksättningar.
Den fix som använts för att väga av objekt Mjölnaren sitter i fasaden på ett närliggande hus beläget ca 10 m från Mjölnaren. I teorin anses fixen vara en fast punkt, dvs. att den inte rör sig. Men bedömning är att denna fix sitter på en byggnad som även den sätter sig, dock inte med samma hastighet som Mjölnaren.
5.4 Allmänt
Det ska noteras att de värden på avvägningarna som anges i arbetet, 275 mm för Hagbard och 70 mm för Mjölnaren, är medelvärden. För Hagbard gav avvägningarna sättningar i storlek från 303 mm till 252 mm. För Mjölnaren varierade avvägningarna mellan 86 mm och 27 mm. Dock har även tidigare avvägningar visat på samma beteende, alltså att avvägningarna varierar i storlek mellan punkterna.
För Mjölnaren handlar det främst om att källargolvet under innergården sätter sig i en långsammare takt än det som är beläget under byggnaden. Med tanke på att det kommer ner betydligt mer last på marken under byggnaden än under innergården känns det resultatet rimligt. Som poängterat i kapitel 4 har förkonsolideringsspänningen, σ’c, och konsolideringskoefficienten, cv, stor inverkan på resultatet av sättningsberäkningar. Då både σ’c och cv är parametrar som är
behäftade med stora osäkerheter ger det i sin tur att resultatet från sättningsberäkning också innehåller stora osäkerheter. Dessa osäkerheter härstammar till viss del från provtagningarna. Om proverna blir störda kan det ge att man får missvisande resultat från CRS-försöken. Vid stora lerdjup bör även proverna tas med inte alltför stora mellanrum. Detta då parametrarna kan variera mycket med djupet och desto bättre verkligheten efterliknas, desto mer korrekta blir beräkningsresultaten.
En minskning av σ’c med 10 % gav för Hagbard att sättningsstorleken ökade med 115 %, men för Mjölnaren blev ökningen 500 %. Att det är sådan stor skillnad beror på att lerdjupet är mycket
37 större för Mjölnaren och att σ’c ökar med djupet. Lerdjupet för Hagbard är 34 meter, medan det för Mjölnaren är 90 meter. En 10 procentig minskning/ökning kommer då generera en större avvikelse från ursprungsvärdet desto större σ’c är, vilket är varför den har en större inverkan på resultatet för Mjölnaren än för Hagbard.
Att hastigheten på konsolideringsdeformationen i Uppsala inte har studerats i större omfattning anser jag är konstigt, då den uppenbarligen har en stor inverkan på vilket slutsättning som utvecklas. För att i framtiden bli bättre på att prediktera slutsättningar är det av stor vikt att krypparametern utreds ordentligt. Att följa upp sättningar genom att installera mätdubbar och väga av dessa med jämna mellanrum under en längre period är ett sätt att få utökad kunskap om sättningars beteende.
För att få bättre kunskap om hastighet på konsolideringsdeformationer anser jag att provfält, likt de i Skå-Edeby, bör uppföras där kryp kan studeras på ett kontrollerat sätt. När en bättre kunskap om konsolideringsdeformationens hastighet uppnåtts bör även de program som används för att beräkna slutsättning uppdateras, så att de inkluderar kryp. I dagsläget är det främst
FEM-program, såsom PLAXIS, som har kompetens att till viss del hantera kryp.
Under detta arbetes gång har en rad internationella rapporter studerats. Som nämndes i kapitel 2.6 har dessa främst behandlat numerisk modellering. Det har då bland annat varit jämförelser mellan olika FEM-modeller och även påvisats att det finns modeller som kan hantera kryp med tillfredsställande resultat, t.ex. en modell i PLAXIS som heter ”Soft-Soil-Creep Model”. Mitt arbetes fokus har varit att få insikt i hur stora konsolideringsdeformationerna faktiskt är i Sverige. Dessa faktiska erfarenhetsvärden kan sedan vara till hjälp i utformandet av nya, bättre metoder att beakta kryp vid sättningsberäkningar. Jag anser att en kombination av en bättre förståelse för konsolideringsdeformation och uppdaterade FEM-modeller som tar hänsyn till dessa
deformationer är vägen till att i framtiden kunna prediktera sättningsutvecklingen med goda resultat.
Detta arbete kan ses som ett enkelt första steg i att bättre förstå vilken inverkan kryp har på samverkansgrundlagda byggnader i Uppsala och dessa objekt bör därför fortsätta att följas upp.
39
6 Slutsatser
I detta kapitel presenteras de slutsatser jag nått under arbetets gång samt förslag på fortsatta studier:
• Arbetet har visat att en direkt jämförelse mellan uppmätta sättningar och teoretisk beräknade är riskfyllt. Det finns många osäkerheter att beakta; både gällande uppmätta sättningar och gällande teoretiska beräkningar. För de uppmätta sättningarna ligger de främsta osäkerheterna i användandet av fixpunkter, osäkerheter kring lastbidrag från byggnad samt bidrag från naturligt pågående marksättningar. För teoretiska sättningsberäkningar ligger de största osäkerheterna i korrekta antaganden om lerans egenskaper samt inverkan av kryp.
• Lerans egenskaper, då främst σ’c,, har stor betydelse för beräknade sättningar i samband med
samverkansgrundläggningar. Detta arbete har visat på vikten av att ha en god kännedom om lerans parametrar för att kunna göra tillförlitliga sättningsberäkningar.
• För att förenkla och möjliggöra framtida sättningsuppföljning av samverkansgrundlagda byggnader är det av största vikt att plushöjder, använt höjdsystem samt använda fixpunkter noggrant dokumenteras under byggskedet samt vid uppföljningar.
• För att i framtiden bättre kunna beräkna totalsättning i projekteringsskedet bör
kryphastigheten för olika leror studeras ordentligt. Nya beräkningsmodeller som bättre beaktar effekten av kryp får sedan utarbetas.
• Förslag till fortsatta studier är att fortsatt väga av dessa två objekt, främst Mjölnaren, för att få en ännu bättre bild utav sättningshastigheten för samverkansgrundlagda byggnader.
41
Referenser
Alén, C., 1998. On probability in geotechnics. Ph.D. thesis, Göteborg: Chalmers University of Technology.
Axelsson, K., 2000. Introduktion till geotekniken jämte byggnadsgeologin, jordmaterialläran och
jordmekaniken. 1:a red. Jönköping: Ingenjörshögskolan i Jönköping.
Bergdahl, U., Ottosson, E. & Stigson Malmborg, B., 1993. Plattgrundläggning. Stockholm: AB Svensk Byggtjänst.
Bjerrum, L., 1973. Problems of Soil Mechanics and Construction on Soft Clays. Procedings of the 8th
ICSMFE, Volym 3, pp. 111-159.
Boussinesq, J., 1885. Application des potentiels à l'étude de l'équilibre et du mouvement des solides
élastiques. u.o.:Gauthier-Villars.
Braja, M., 2009. Principles of Geotechnical Engineering. 7:e red. Nevada: Cengage Learning.
Cho, J., Lee, J.-H., Jeong, S. & Lee, J., 2012. The settlement behavior of piled raft in clay soils. Ocean
Engineering, Volym 53 (2012), pp. 153-163.
Claesson, P., 2003. Long term settlements in soft clays. PhD Thesis, Göteborg: Department of Geotechnical Engineering, Chalmers University of Technology.
Dang Dinh Chung, N., Seong-Bae, J. & Dong-Soo, K., 2013. Design method of piled-raft foundations under vertical load considering interaction effects. Computers and Geotechnics, Volym 47, pp. 16-27. Eriksson, P. & Jendeby, L. m., 2004. Kohesionspålar, Rapport 100, Linköping: Pålkommissionen. Ghasemian, L. A. o.a., 2015. Dimensional Optimization of Piled Raft Foundation. Research Journal of
Recent Sciences, 4(4), pp. 28-31.
Hammam, A. H., Abel-Salam, A. I. & Yousf, M. A., 2015. On the evaluation of pre-consolidation pressure of undisturbed saturated clays. HBRC Journal, 12 Februari.
Hansbo, S., 1975. Jordmateriallära. 1:a red. Uppsala: Almqvist & Wiksell Förlag AB.
Hansbo, S., 1981. Grundläggning av byggnader och maskinfundament. Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola.
Jendeby, L., 1986. Friction piled foundations in soft clay. A study of load transfer and settlements.. Ph.D. thesis, Göteborg: Department of Geotechnical Engineering, Chalmers University of Technology.
