Pelefundamentering - dimensjoneringsmetoder og utførelse belyst med praktiske eksempler

Transkript

1 Pelefundamentering - dimensjoneringsmetoder og utførelse belyst med praktiske eksempler april 2014 Quality Tønsberg Hotel (14) Rambarhetsanalyser Dr. ing. Arne Åsmund Skotheim, Norconsult

2 Hvorfor rambarhetsanalyser? Peler er forutsatt rammet til berg på grunn av store trykklaster, men kan berg nås? Peler er forutsatt rammet til bestemt dybde i løsmasser på grunn av store strekklaster, men kan denne dybden nås? Dvs. er rammeutstyret og peletverrsnittet egnet/store nok for at pelen skal komme ned til ønsket dybde? Er rammeutstyret/peletverrsnittet optimalt for effektiv nedramming (tid, kostnad, fjæring, dilatans, fastgroing)? Sikre at rammespenningene ikke vil bli for store og at utmattingsbidraget ikke blir for stort. Vurdere bevegelser/rystelser fra pelerammingen for/ved nærliggende konstruksjoner/bygg (akseptable?).

3 Hva inngår i rambarhetsanalysen? Grunnforhold og jordparametere bestemmes. Dimensjonerende laster fastlegges. Dimensjonerende bæreevne for aktuell(e) peletverrsnitt beregnes som funksjon av dybde. Nødvendig peletverrsnitt og rammedybde bestemmes (foreløpig?). Rammemotstand fra grunnen estimeres som funksjon av dybden, om nødvendig for flere peletverrsnitt. Data for aktuelt/aktuelle rammeutstyr fastlegges. Rambarhetsanalyse utføres med rammeformel/energiligning eller med et bølgeforplantningsprogram (GRLWEAP). Resultatene blir vanligvis presentert via kurver/grafer som viser antall slag per meter (N) eller synk per slag (s) i mm/slag, samt ramme-spenninger mot rammet dybde. Andre varianter blir også brukt. Endelig valg av peletverrsnitt og rammeutstyr foretas.

4 Rammet dybde i grunnen fra ansett (m) Rammemotstand hva er det? Rammemotstand, WH/s (MNm/m) PELER RAMMET FOR HELLESYLT DJUPVASSKAI (HOVEDKAI)

5 Estimering av rammemotstand Eurocode-7: lite konkret å hente. Peleveiledningen (2012): Beregning av rammemotstand (Rc;k) er omtalt i Avsnitt 4.8: «Beregningen kan gjøres som angitt i kapittel men det tas hensyn til nedsatt eller øket styrke av jorden under rammingen». Kapittel 4.2.1: Rammede friksjonspeler i sand. Statens vegvesens Håndbok-016 (2010) sier stort sett det samme (Avsnitt ). Metode 1: Modifisert drenert bæreevneberegning. Hva med andre jordarter og andre peletyper? Hva med åpne kontra lukkede/pluggede stålrørspeler?

6 Estimering av rammemotstand Innenfor marin/offshore geoteknikk finnes det flere metoder for beregning av rammemotstanden eller Soil Resistance to Driving (SRD): Remoulded shear strength method (Toolan & Fox, 1977) Metode 2. Factored shear strength method (Semple & Gemeinhardt, 1981) Metode 3. Stevens et al (1982) method Metode 4. Alm & Hamre (2001) method Metode 5. Utenom Stevens et al (1982) er disse metodene basert på CPT-data. Metodene benyttes både for friksjons- og kohesjonsjordarter. Metodene forutsetter kontinuerlig nedramming uten stopp. Metodene benyttes både for lukkede/pluggede og åpne tverrsnitt/stålrør. For åpne tverrsnitt (stålrør) er SRD=minimum(uplugget og plugget). Andre anbefalinger/metoder blir også brukt offshore.

7 Estimering av rammemotstand Innenfor landgeoteknikk eller "nearshore/onshore" geoteknikk blir offshoremetoder av og til brukt i Norge. Som oftest blir imidlertid rammemotstanden estimert via en eller annen form for bæreevnebetraktning. Årsaken til dette antas å være todelt: Tradisjonelt har det i Norge vært et klart skille mellom geoteknikere som opererer offshore og de som ikke gjør det. Siste nevnte kategori har ofte hatt lite kjennskap til metoder som blir brukt offshore. De fleste offshore-metoder for estimering av rammemotstand forutsetter at CPTdata er tilgjengelig, og i mange prosjekter mangler slike data.

8 Metode 2: RSSM (Toolan & Fox, 1977) Sidefriksjon i leire: f=c ur hvor C ur =omrørt udrenert skjærfasthet Sidefriksjon i sand: f=q t /300 (evt. q c /300) f lim =120 kpa Spissmotstand i leire: q p =9*C us hvor C us =udrenert skjærfasthet ved pelespiss Spissmotstand i sand: q p =q ts (evt. q cs ) hvor q ts (evt. q cs )=CPTU-motstand ved pelespiss Kontinuerlig nedramming uten stopp er forutsatt.

9 Metode 3: FSSM (Semple & Gemeinhardt, 1981) For sidefriksjon i leire inngår overkonsolideringsgraden (OCR) som input. Samme formel for sidefriksjon benyttes i Metode 4. For sidefriksjon i sand og spissmotstand i sand og leire benyttes samme som for Metode 2 (RSSM). Kontinuerlig nedramming uten stopp er forutsatt.

10 Metode 4: Stevens et al (1982)

11 Metode 4: Stevens et al (1982)

12 Metode 4: Stevens et al (1982) Kontinuerlig nedramming uten stopp er forutsatt.

13 Metode 5: Alm & Hamre (2001) Metoden benytter spissmotstand (q t ) and friksjon (f s =f si ) fra CPTU som input. Friction fatigue er innebakt. Kontinuerlig nedramming uten stopp er forutsatt. For detaljert beskrivelse henvises det til:

14 Metode 5: Alm & Hamre (2001) "Friction fatigue concept"

15 Metode 5: Alm & Hamre (2001)

16 Metode 5: Alm & Hamre (2001)

17 Analysemetoder Rammeformel/energiligning som beskrevet i f. eks. Peleveiledningen (2012) og SVV Håndbok- 016 (2010). Dette er kjente formler som brukes mye, og som ikke beskrives ytterligere her. Bølgeforplantningsanalyseprogram, med GRLWEAP (2012, 2005) som det desidert mest brukte. Utenom offshore er dette imidlertid lite brukt i Norge, og noe bakgrunnsbeskrivelse kan være greit å få med seg.

18 GRLWEAP - Modell GRLWEAP = EN-DIMENSJONALT BØLGEFORPLANTNINGSANALYSEPROGRAM Basert på formulering etter Smith (1960): Total jordmotstand R t = R s *(1+J*v) R s =statisk jordmotstand, J=dempning, v=hastighet for pelespiss

19 GRLWEAP Input utenom hammerdata og SRD Foruten hammerdata, peledata og rammemotstand/srd er effektivitet, elastisk grense og dempning viktige parametere. Quake = Elastisk grense (bilineær arbeidskurve)

20 Rambarhetsanalyser - Eksempler 1. Pelet undervannskonstruksjon (offshore) 2. Hellesylt Djupvasskai 3. Loftesnes bru

21 Undervannskonstruksjon offshore Leire 4 stk. åpne stålrørspeler Ø610/25mm (S355) Nødvendig rammedybde L p =12,6m Kan L p nås med aktuelle hammere med akseptable rammespenninger og uten at utmattingsbidraget blir for stort? IHC S-90 / IHC S-200

22 Undervannskonstruksjon offshore

23 Undervannskonstruksjon offshore - sentrale problemstillinger Egenvektspenetrasjon må estimeres. Oppnåelig rammedybde = penetrasjonsdybde når beregnet slagtall er kommet opp i 1000 slag per meter (vanligvis). Fastgroing ( soil set-up ) kan inntreffe på grunn av forsinkelser/stop under rammingen forårsaket av havari og/eller bytting av hammer og/eller for dårlige værforhold. Ved gjenopptagelse av rammingen kan større slagtall enn det som ble estimert for kontinuerlig ramming opptre. Tidligere erfaring tyder på at en pel kan restartes med same hammer dersom slagtallet før avbruddet er mindre enn 300 slag per meter og avbruddets varighet er begrenset til maksimum 24 timer. Generelt kan denne effekten dekkes opp ved at en passende reservehammer er tilgjengelig (back-up).

28 Hellesylt Djupvasskai

29 Hellesylt Djupvasskai Grunnundersøkelser og grunnforhold 25 totalsonderinger (D=10-65m) 5 prøveserier (D maks =18m) 6 CPTU (D=7,5-33,5m) Løsmassene består i hovedsak av et humusholdig løst til middels fast lag av silt og sand over et lag av fastere sandige og grusige masser. Berg ligger dypt.

30 Hellesylt Djupvasskai Oversiktstegning Peleplassering

32 Hellesylt Djupvasskai Hovedkaien: 70 stk. Ø1220/12,5mm (S355) inngår i hovedkaien 26 stk. Ø1220/12,5mm (S355) er reservepeler Pelene er åpne uten spiss Innvendig masse fjernet ned til inntil 10m dybde med etterfølgende armering og utstøping. Forankringsfundament: 5 stk. Ø813/&12,5mm (S355) Pelene er lukket med spiss Dimensjonerende last er ca kn på trykk og ca kn på strekk. Nødvendig rammedybde mht. bæreevne estimert til 24-30m. Hydraulisk fallodd (FAS): W 80 kn, H 150cm, h 1 Rambarhetsanalyse viste at pelene kunne rammes ned til nødvendig dybde med akseptable rammespenninger. Pelene ble rammet til 24-30m dybde. Innvendig volum ble armert og utstøp.

34 Rammet dybde i jord (m) Hellesylt Djupvasskai - Hovedkai 0 Bæreevne og rammemotand (kn) Dimensjonerende bæreevne-trykk Lavt estimat rammemotstand Middels estimat rammemotstand Høyt estimat rammemotstand Dimensjonerende last (trykk): kn (pluss effektiv pelevekt ned til sjøbunnen) Nødvendig rammedybde: m under sjøbunnen

35 Rammet dybde i grunnen (m) Rammet dybde i grunnen (m) Hellesylt Djupvasskai - Hovedkai N (slag per meter) WH/s (MPa) Høyt estimat rammemotstand 45 Høyt estimat rammemotstand Middels estimat rammemotstand Middels estimat rammemotstand Lavt estimat rammemotstand Lavt estimat rammemotstand Hydraulisk fallodd: W=80 kn, H=150cm, h 1 Rambarhetsanalyse med rammemotstand iht. Metode 1 og bruk av rammeformel viste at pelene kunne rammes ned til nødvendig dybde med akseptable rammespenninger.

36 Rammet dybde i grunnen fra ansett (m) Hellesylt Djupvasskai - Hovedkai 0 Rammemotstand, WH/s (MNm/m) PELER RAMMET FOR HELLESYLT DJUPVASSKAI (HOVEDKAI) Pelene er rammet til 19-43m dybde under sjøbunnen uten plugging. Underestimert rammemotstand og bæreevne i 5-20m dybde, ellers OK.

37 Rv5 Loftesnes bru - dagens bru

38 Loftesnes bru - gammel og ny bru Akse II eksisterende bru Akse 3 ny bru

39 Rv5 Loftesnes bru - Grunnforhold

40 Rv5 Loftesnes bru - Fundamentering Forprosjektet: Ø1016mm stålrørspeler med spiss rammet til stor dybde/berg

41 Rv5 Loftesnes bru - Fundamentering Utfordringer Peler for hovedfundament vest vil komme veldig nær fundament Akse II for eksisterende bru ("pelekollisjonsfare"?) Vil volumfortrengning og rystelser fra pelerammingen gi skadelege forskyvninger og rystelser for eksisterende bru? Kortvarige strekkrefter på noen peler tilsier at disse pelene må minst 35m ned i grunnen; er dette oppnåelig?

42 Rv5 Loftesnes bru - Fundamentering Aksjon mot utfordringer Prøvepeling ble utført i uke 3-4 i peler Ø1016/20mm lukket - Rammet 18m fra eksist. brufundament Ø1016/18mm lukket - Rammet 8m fra eksist. brufundament Ø1016/18mm åpen - Rammet 3m fra eksist. brufundament Hydraulisk fallodd med energi 176 knm

43 Rammet dybde i jord (m) Rammet dybde i jord (m) Rv5 Loftesnes bru Forhåndsvurdering - bæreevne av prøvepeler Bæreevne for lukket pel med spiss (kn) Bæreevne for åpen rørpel (kn) Dimensjonerende bæreevne - Trykk Dimensjonerende bæreevne - Strekk 5 Dimensjonerende bæreevne - Trykk Dimensjonerende bæreevne - Strekk

44 Rv5 Loftesnes bru Forhåndsvurdering - rammemotstand for prøvepeler Ifølge forhåndsvurdering ville ikke åpen stålrørspel plugge under nedramming

45 Rv5 Loftesnes bru Forhåndsvurdering - Forskyvninger/setninger på eksist. fundament Akse II Massefortrengning (Pel P1 og Pel P3 lukket, Pel P4 åpen) Poretrykksoppbygging Rystelser/repeterte laster fra rammingen Grunnen ved/under og selve fundamentet i Akse II ville bevege seg mot peler som blir rammet. Fundamentet ville få setninger som var størst ved nærmest side og minst ved fjerneste side av fundamentet, dvs. en rotasjon av overliggende søyle/bru ville opptre med størst utslag lengst opp ved brubanen. Størrelser vanskelig å anslå (usikre). Forskyvninger og setninger ble betydelige Prøvepelingen avsluttet for Pel P4 nærmest Akse II ved 30m penetrasjon

46 Rammet dybde i grunnen (m) Rammet dybde i grunnen (m) Rv5 Loftesnes bru Forhåndsvurdering - Energi og rystelser for prøvepeler (tett/lukket) Nødvendig rammeenergi (knm) Svingehastighet (mm/s) 0, , ,0 5,0 10,0 10,0 15,0 15,0 20,0 20,0 25,0 25,0 30,0 30,0 35,0 5 m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag 35,0 10 m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag Beste estimat - 4 mm/slag 20 m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag Beste estimat - 10 mm/slag 5 m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag Høyt estimat - 4 mm/slag 10 m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag Høyt estimat - 10 mm/slag 20 m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag

47 Rammet dybde i grunnen (m) Rv5 Loftesnes bru - Prøvepeling Målte rystelser på nærmeste brufundament eksisterende bru Rystelser på tvers dominerer Svingehastighet (mm/s) m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag 10 m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag 20 m avstand - Høyt estimat - 10 mm/slag 5 m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag m avstand - Beste estimat - 10 mm/slag P1-Stoppslagning-Avstand 18m P1-Etterramming--Avstand 18m P3-Stoppslagning-Avstand 8m P3-Etterramming-Avstand 8m P4-Før plugging-avstand 3m P4-Stoppslagning etter plugging-avstand 3m

48 Rammet dybde i grunnen fra ansett (m) Rv5 Loftesnes bru - Prøvepeling Målt rammemotstand fra peleprotokoller og PDA Rammemotstand, hwh/s (MNm/m) Pel P1 - Ø1016/20mm med spiss - Brutto Pel P3 - Ø1016/18mm med spiss - Brutto Pel P4 - Ø1016/18mm uten spiss - Brutto Pel P1 - Ø1016/20mm med spiss - Netto Pel P3 - Ø1016/18mm med spiss - Netto Pel P4 - Ø1016/18mm uten spiss - Netto

49 Takk for oppmerksomheten!