NOTAT. 1. Innledning. 2. Terreng- og grunnforhold GEOTEKNISK PROSJEKTERING FOR BYGGEPLANER FOR BJØRKELUND KULVERT

Transkript

1 NOTAT Oppdrag Kunde Notat nr. Til Nedre Eiker Flomsikring Statens vegvesen Region sør G-not-003 Fra Kopi Aiga de Zeeuw Pål Bredesen, Rambøll GEOTEKNISK PROSJEKTERING FOR BYGGEPLANER FOR BJØRKELUND KULVERT 1. Innledning Rambøll Norge AS skal på oppdrag fra Statens vegvesen Region sør og Nedre Eiker kommune prosjektere fire kulverter i Nedre Eiker som er tilpasset 200 års-flom. Oppdraget inkluderer utarbeidelse av byggeplaner. I dette notatet angis det resultater fra geoteknisk prosjektering for Bjørkelund kulvert på Krokstadelva. Ny Bjørkelund kulvert skal plasseres litt sør for eksisterende bru. Den skal bygges som kulvertløsning med påfylling av masser på begge sider. Dato Rambøll Hoffsveien 4 Pb 427 Skøyen NO-0213 OSLO T F Vår ref /ADZ 2. Terreng- og grunnforhold Krokstadbekken har gravd seg inn relativt plant terreng på Bjørkelund. Terrenget ved planlagt kulvert ligger på kote 3,0 vest for Kokstadbekken og kote 6,6 øst for bekken. Lavest vannivå i Krokstadbekken antas på kote 0 i bunn av bekken og terrenghøyde her antas også på kote 0. Flomvannstand for 200-års flom er angitt til kote 5,2 for flom i Drammenselva. Helning av terrenget ved siden av Krokstadbekken er på de bratteste partiene 1:1,5. Gjennomsnittlig helning fra bunn av bekk til topp platå varierer mellom 1:2 og 1:3 på østsiden av bekken. På vestsiden av bekken er helningen generellt slakere. Grunnforholdene er beskrevet i Rambølls grunnundersøkelsesrapport nr , datert Det er utført fire totalsonderinger, en prøvetakinger og én CPTU-sondering ved planlagt kulvert. Rambøll hadde også innsikt i NGIs rapport nr : «Viking Mjøndalen A/S. Grunnundersøkelser for ny produksjonshall», datert Her ble det utført en prøveserie og 8 dreietrykksonderinger. 1/8 Rambøll Norge AS NO MVA

2 Grunnen i området består i toppen av et sandlag. Under sandlaget er det påvist silt og leire. Silt- /Leirmassene karakteriseres delvis som sprøbruddmateriale. I prøveserien utført av NGI ca. 120 m øst for kulvert er det påvist kvikkleire. Grense mellom sand og silt/leirmasser antas å stige fra ca. kote -2 i vest opp til kote 3,8 i øst. Grunnvannstand antas å stige fra kote 0 i bekk opp mot ca. 2 m under terreng på østsiden av bekken. 3. Krav til utredning Bjørkelund kulvert skal prosjekteres i henhold til Statens vegvesen håndbok 016. Kulverten klassifiseres i konsekvensklasse CC2 (etter NS-EN 190:2002+NA:2008). For geoteknisk dimensjonering av kulvert velges det en materialfaktor γ m 1,5 for kontraktant brudd og alvorlige konsekvenser. For stabilitetsberegninger i anleggsfase som gjelder overflatestabilitet i sandmasser velges det å redusere til materialfaktor γ m 1,3 for nøytralt brudd og mindre alvorlige konsekvenser. 3.1 Områdestabilitet Det er påvist sprøbruddmateriale under planlagt kulvert, men ikke kvikkleire. Kvikkleire er derimot registrert øst for planlagt kulvert. På grunn av forekomst av sprøbruddmateriale skal vurderinger utføres i henhold til NVEs retningslinjer 2/2011: «Flaum og skredfare i arealplanar, Vedlegg 1: Vurdering av områdestabilitet ved utbygging på kvikkleire og andre jordarter med sprøbruddegenskaper.». Tabell 3.1 i veilederen gir krav til sikkerhetsnivå i områder med fare for skred i sprøbruddmaterialer. Det kreves at det utarbeides en ROS analyse i henhold til NGI rapport nr , rev 0: «Program for økt sikkerhet mot leirskred. Metode for kartlegging og klassifisering av faresoner, kvikkleire», datert ROS analyse er vedlagt som Vedlegg 6. Kulvertbygging klassifiseres som tiltakskategori K2 iht. tabell 1: «Tiltak av begrenset omfang uten tilflytting av personer». Faregradsklassen før utbygging er middels (se vedlegg 1). (I henhold NVE veileder kreves det en materialkoeffisient på γ m 1,4 for både udrenert og drenert analyse, eller stabiliserende tiltak som tilfredsstiller minimumskrav til forbedring. Materialkoeffisient for dette prosjekt velges til γ m 1,5 i henhold SV Hb 016) Det er krav til skjerpet kontroll, det vil si uavhengig kontroll av prosjekteringen. 2/8

3 4. Materialparametere Valgte designparametre er basert på utførte grunnundersøkelse, presentert i vår rapport Tyngdetetthet I de geotekniske vurderingene er det benyttet 18,5 kn/m 3 som tyngetetthet for sand og silt/leire. For kalk/sement-stabilisert leire og fyllmasser er det benyttet 19,0 som tyngdetetthet. 4.2 Overkonsolidering Overkonsolideringen av leira er tolket ut i fra ødemeterforsøk. Ødemeterforsøk for pkt. C2 viser lav overkonsolidering. 4.3 Udrenert skjærstyrke Den udrenerte skjærstyrken som benyttes i stabilitetsberegningene er valgt på grunnlag av tolkede CPTU sonderinger, klassifiseringsforsøk (enaks og konus) og treaksialforsøk utført på uforstyrrede Ø 54 mm prøver i laboratoriet. Tolkning av CPTU er utført på grunnlag av poretrykksfaktoren N u og spissmotstandsfaktoren N KT. Generelt er N U benyttet ved B q verdi (poretrykksrespons) høyere enn 0,5-0,6 og N kt er benyttet ved B q lavere enn 0,5-0,6. For bestemmelse av faktorene N u og N kt er korrelasjoner basert på CAUC treaksialforsøk på blokkprøver av høy kvalitet benyttet. For de valgte korrelasjonene for N u og N kt faktorene er det skilt mellom leire med sensitivitet (S t ) lavere og høyere enn 15. Ved tolking av CPTU er det benyttet en romvekt på 18,5 kn/m 3 for alle materialer. In situ poretrykk er bestemt ut fra tolket grunnvannsnivå med antatt hydrostatisk poretrykksfordeling. OCR (overkonsolideringsgrad) er tolket fra ødometerforsøk. Det er lagt hovedvekt på følgende verdier ved bestemmelse av aktiv udrenert skjærstyrke: N u =4,0+4,5B q N kt =7,8+2,5*logOCR+0,082*I p N u =6,9-4,0*logOCR+0,07*I p for S t <15 N kt =8,5+2,5*logOCR N u =9,8-4,5*logOCR for S t >15 OCR og I p er henholdsvis overkonsolideringsgrad og plastisitetsindeks. I p er antatt konstant til 7. Det er iht. anbefaling i NVEs retningslinjer 2/2011 lagt inn en reduksjon for tolket aktiv skjærstyrke på 15 % i lag med kvikk eller sensitiv leire. Styrkereduksjonen inkluderes i beregningene, ikke ved tolking av skjærstyrken. Vurdering av leiras sensitivitet er basert på utførte laboratorieundersøkelser og vurdering/tolkning av sonderinger (trykk- og dreietrykksondering). Valg av udrenert skjærstyrke er prioritert i følgende rekkefølge: 1. CPTU tolkning 2. Laboratorieundersøkelser (konus og enaksiale trykkforsøk, ødometerforsøk, treaksialforsøk) på 54 mm prøver Tolket skjærstyrke Tolket skjærstyrke for borpunkt C2 er vist i Vedlegg 7. C-profiler vises i presentasjonen av beregningene tegninger Skjærstyrke for kalk/sement-stabilisert leire er valgt med en konstant s ua =100kPa. 3/8

4 4.4 Anisotropi og tøyningskompatibilitet I beregningene tas det hensyn til spenningsanisotropien i leira, dvs. at udrenert skjærstyrke varierer med hovedspenningsretningene (ADP-analyse). Utgangspunktet er udrenert aktiv skjærstyrke s ua (styrke der glideflaten ligger i aktiv sone). Direkte og passiv skjærstyrke er beregnet ut fra følgende sammenheng: s ud = 0,7 s ua (styrke for den tilnærmet horisontale delen av glideflaten) s up = 0,4 s ua (styrke der glideflaten ligger i passiv sone) Henholdsvis 15% reduksjon av skjærstyrke for aktiv, direkte og passiv sone for de lagene med sprøbruddsoppførsel er tatt med i beregningen ved å redusere ADP-forholdene på følgende måte: s ua (sprøbrudd/kvikk) = 0,85 s ua (ikke sprøbrudd) s ud (sprøbrudd/kvikk) = 0,59 s ua (ikke sprøbrudd) s up (sprøbrudd/kvikk) = 0,34 s ua (ikke sprøbrudd) 4.5 Drenert skjærfasthet Bestemmelse av effektive skjærstyrkeparametere i leiren (som også inkluderer sprøbruddmaterialet) er basert på erfaringsverdier, selv om det finnes et treaksialforsøk som gir mer gunstige verdier. Følgende verdier er benyttet for kohesjon og friksjonsvinkel: Sand/Fyllmasser c=0,0 kn/m 2 φ=33,0 Silt/Leire c=5 kn/m 2 φ=25,0 Sprøbruddmateriale c=0 kn/m 2 φ=24,0 4.6 Poretrykk Det er antatt hydrostatisk poretrykk. Lavvannstand er antatt på kote 0, som tilsvarer lavvann i Drammenselva. Kulvertkonstruksjoner er dimensjonert også for 200 års flom i Drammenselva som er på kote 5, Parameter for setningsberegninger Setninger under og ved siden av kulvert er beregnet med finite elemente programm PLAXIS. Stivhetsparameterene for leiren er tolket fra ødometerforsøket : Leire: E 50 ref =5 000 [kn/m 2 ] E oed ref =2 500 [kn/m 2 ] E ur ref = [kn/m 2 ] Stivheten til sand, fyllmasser og kalk/sement-stabilisert leire er antatt å være: Sand: E = kn/m 2 Fyllmasser: E = kn/m 2 Kalk-sement-stabilisert leire E = kn/m 2 Permabiliteten til leiren valgt k y =k x =15*10-5 m/s, et konservativt valg i forhold til ødomerterforsøket som ble gjort i leiren. 4/8

5 5. Stabilitet av området Rambøll har utført stabilitetsanalyser med dataprogrammet GeoSuite Stability, både med effektivspenningsanalyse og totalspenningsanalyse (ADP). For alle beregninger er det antatt lavest vannstand i bekk på kote 0 som er mest kritisk vannivå. Det ble utført stabilitetsanalyse for et profil langs planlagt kulvert (Profil A-A). Plassering av profilene er tegnet inn per hånd i oversiktsplan, tegning nr. K301. Det er utført stabilitetsanalyse for følgende tilstander: Dagens tilstand Byggefase med graving til kote -0,7 og skråningshelning 1:2 Byggefase med graving til kote -0,7 og skråningshelning 1:2 med k/s-stabilisering Ferdig utbygd kulvert i bruksgrensetilstand med last 35 kpa Videre ble det ble det utført stabilitetsanalyse for graving mot et hus nordvest for kulvert, hvor terrenget er lokalt litt brattere (Profil B-B). Her ble det utført stabilitetsanalyser bare for byggefase med k/s-stabilisering. Det er også beregnet totalstabilitet av oppfylte masser ved kulvertsiden (Profil C-C) i ferdig utbygd tilstand. Resultater fra stabilitetsberegninger er vist i tegninger nr Tabell 1 - Resultater fra stabilitetsberegninger profil A-A Profil Totalspenningsanalyse (ADP) Stabilitet i dagens situasjon 1,40 (1,19 overflate) 1,97 (1,39 overflate) - Krav Byggefase uten k/s-stabilisering 1,26 1,63 (1,30 overflate) 1,5 (1,3) Byggefase med k/s-stabilisering 1,50 1,57 (1,32 overflate) 1,5 (1,3) Ferdig utbygd tilstand normalvann 1,78 1,84 1,5 Tabell 2 - Resultater fra stabilitetsberegninger profil B-B Profil Effektivspenningsanalyse Totalspenningsanalyse (ADP) Krav Byggefase med k/s-stabilisering 1,51 1,99 (1,38) 1,5 (1,3) Tabell 3 - Resultater fra stabilitetsberegninger profil C-C Profil Ferdig utbygd uten k/sstabilisering Ferdig utbygd med k/sstabilisering Effektivspenningsanalyse Totalspenningsanalyse (ADP) Effektivspenningsanalyse Krav 1,09 1,23 1,5 1,58 2,02 1,5 Dagens stabilitet av skråning i bekkeløpet står sirka i rasvinkel. 5/8

6 Masser i skråningene består av velgraderte sandmasser. Ut ifra SV HB 016 kap velges det en skråningshelning 1:2 for å oppnå sikkerhet av overflateparallelle ras med materialfaktor γ m 1,3. Områdestabilitet for en utgraving med skråningshelning 1:2 er ikke tilfredsstillende med totalspenningsanalyse. Som tiltak til å forbedre materialfaktorene i byggefase forslår vi kalk/sement-stabilisering under planlagt kulvert. Midlere skjærstyrke av kalk/sement-stabilisert leire skal være s ud =70 kpa (s ua =100kPa). Stabilisering skal utføres til hhv. kote -7 og -9. Bredde av stabilisert området skal være under hele det planlagte kulvert pluss 1 til 4 m til sidene. Disse tiltakene føre til forbedring av materialkoeffisient for områdestabiliteten fra γ m =1,28 til γ m =1,50 for profil A-A og fra γ m =1,09 til γ m =1,58 for Profil C-C. I ferdig utbygd tilstand av kulvert er lokal- og områdestabilitet tilfredsstillende. Kritisk tilstand er med lavest vannnivå på kote 0. Det kan brukes stedlige sandmasser til oppfylling for vegfylling. Oppfylling forutsettes lagvis med god komprimering. Oppfylling skal skje samtidig på begge sider. 6. Dimensjonering av kalk/sement-stabilisering Midlere skjærstyrke av kalk/sement-stabilisert leire kreves som s ud =70 kpa (s ua =100kPa) ifølge stabilitetesberegninger. Det er ikke utført herdingsforsøk med leire fra dette området, men det ble utført herdingsforsøk med leire fra området på andre siden av Drammenselva. Resultater av disse herdingsforsøk er rappportert i Rambølls grunnundersøkelsesrapport nr , datert Herdingsforsøk ble utført med innblaning 100kg/m 3 og 50% kalk/50% sement. Den viste god respons med s ud =124 kpa etter 14 dager med enaksialforsøk for kvikkleire fra borpunkt A3. Det ble målt dårlig respons med s ud =57 kpa etter 14 dager med enaksialforsøk for humusholdig leire fra borpunkt A14. I prøveserien under Bjørkelund kulvert ble det ikke målt humusinnhold, men det er beskrevet et humusholdig lag. Vi har antatt en s ud =100 kpa for k/s-stabilisert leire og s ud =28 kpa for ren leire og dette fører til en nødvendig dekningsgrad av µ=58% (se vedlegg 1). Vi foreslår at blandingsforhold endres til 75% sement og 25% kalk for å bedre respons i lag med organisk innhold. Videre er det behov for å teste oppnådd skjærstyrke under anleggsarbeidene. Hvis den ikke viser seg til å være tilfredsstillende må det evt. suppleres med mer kalk/sement-forsterkning. 7. Bæreevne for kulvert Bæreevne av kulverten er kontrollert for last i bruddgrensetilstand av 52 kpa. Det er antatt at bunnplate har en bredde av 9,7 m og en lengde av 27 m. Det er antatt kalk/sement-stabilisering under hele bunnplate. Underkant bunnplate er antatt på kote -0,3. Det er videre antatt at bunn i bekk også ligger på kote -0,3. Bæreevne er kontrollert både med effektivspenningsanalyse for sand og totalspenningsanalyse for leire. For effektivspenningsanalyse er bæreevne kontrollert både for lavvannstand på kote 0 og flomvannstand på kote 5,2. Bæreevne er tilfredsstillende for alle tilfeller (se vedlegg 3). 6/8

7 8. Setninger Setninger under og ved siden av kulvert er beregnet med Finite-Elemente-programmet PLAXIS (vedlegg 5). Materialparameter for Plaxis-beregninger er angitt i kapittel 4.7. Resultatene fra Plaxis viser at det ikke forventes store differensial setninger ved bruk av kalk-sement stabilisering. Langtidssetningene til kulverten forventes å være ca. 5,5 cm i østlig ende av kulvert mot og ca. 7 cm i vestlig enda av kulverten. Terrenget på østlig side av kulvert forventes å sette seg opptil 6 cm, mens terrenget på vestlig side av kulverten forventes å sette seg opptil 10 cm. Langtidssetningene er skissert i figur 1. Figur 1. Langtidssetninger Det forventes at kulverten og terrenget vil slutte å sette seg i løpet av et par år. 9. Støttemur fra kulvertinnløp mot nord Mot nord er det ikke nok regulert plass til å bygge kulvert med graveskråning 1:2 mot sidene. Derfor må det velges en løsning som tillater en støttekonstruksjon med helning 3:1. Løsmassene under støttekonstruksjonen består av sand over k/s-stabilisert leire mot dybden. Tykkelse av sand/ silt under støttekonstruksjonen kan være opp til 2 m. Vi har beregnet totalstabilitet for et snitt gjennom støttekonstruksjonen (profil C-C). Den viser god nok totalstabilitet. Vi har vurdert en løsning med natursteinsmur, men fikk ikke god nok bæreevne på sand. Videre har vi kontrollert en løsning med gabbionmur, men også her hadde vi problemer med bæreevne. Vi har derfor dimensjonert en støttekonstruksjon med jordarmering av geonett. Fronten kan kles evt. med en gabbionmur med pent stablete stein i gabbionkassen. Vi fraråder fra en kledning med naturstein. Grunn til det er at massene under støttekonstruksjonen vil være utsatt for både setninger og frosthiv, som kan føre til skader på natursteinsmuren. Gabbionmurer er veldig fleksibel og det kan velges engabbionkasse som gir minst murbredde. Geonett skal ha en dokumentert langtidsstrekkstyrke på minst 50kN/m. Bredde av armert jordlegemet er beregnet til å være 6 m. Vi har dimensjonert en løsning med 6 lag. Hvis det velges en løsning uten frontkledning med gabbioner, skal geonett brettes opp og overlappes med lag over. Hvis det velges gabbionmur som front, kan geonett festes i gabbionkassen. 7/8

8 10. Generelt Utføring av kalk/sement-peler vil føre til midlertidig økning av poretrykk i grunnen, derfor må poretrykksutvikling kontrolleres i byggeperioden. Fremgangsmåte, rekkefølge: Installasjon og avlesning av to elektriske poretrykksmålere Fylle opp arbeidsplattform for k/s-rigg K/s-arbeid (poretrykk skal kontrolleres) Kontroll av k/s-resultater etter 3 dager herding med FOPS, evt. justeringer Gravearbeid Installasjon av kulvert Lagvis oppfylling på begge sider av kulvert (komprimering etter forskrift) Aiga de Zeeuw David N. Whittles Andreas Gjærum Vedlegg: 1: Beregning dekningsgrad kalk-/sement-stabilisering 2: Kontroll bæreevne /inernstabilitet natursteinsmur 3: Kontroll Bæreevne kulvert (4: Kontroll setningsberegninger håndholt) 5: Setningsberegninger PLAXIS,Andreas 6: ROS-Analayse 7: CPTU-Tolkningsark Tegning nr. (K301) Oversiktskart profiler, k/s-plan Stabilitetsberegninger 8/8