Områderegulering for Arsvågen næringsområde

Transkript

1 Statens vegvesen Områderegulering for Arsvågen næringsområde Geotekniske vurderinger RIG001-R Rev Oppdragsnr.:

2

3 Innhold 1 Innledning 5 2 Geoteknisk prosjektering forutsetninger og sikkerhetskrav Regelverk Prosjekteringskontroll og utførelseskontroll Geoteknisk kategori Konsekvensklasse/pålitelighetsklasse (CC/RC) Prosjekterings og utførelseskontroll Lastforutsetninger Trafikk- og terrenglaster Jordskjelv Sjøvannstand og poretrykk Partialfaktor Laster γ F ( V220 kap ) Materialegenskaper γ M (V220 kap ) 8 3 Grunnforhold 9 4 Beregningsgrunnlag og parametervalg Lagdeling Beregningsparametere 13 5 Stabilitetsanalyser Analyseverktøy for stabilitetsberegninger Beregningstilfeller Resultater 16 6 Setningsberegninger Resultater Egensetninger i selve fyllingen 17 7 Geotekniske vurderinger og konklusjon Konsekvenser av setninger Fylling i sjø - utlegging 19 8 Referanser 20 Tegninger: Tegning 011 Profil stabilitetsberegning Målestokk 1:1000 Tegning 012 Profil stabilitetsberegning Målestokk 1: Side 3 av 20

4 Sammendrag Utfyllingsområdet er planlagt etablert i sjøen nord for moloen som forbinder Nordre Solholmen med Laksaberget (fastlandet). Sjøbunn ligger på det dypeste ca. 50 meter under havnivå. Store deler av sjøbunnen antas å bestå av bart berg, med stedvis løsmassetykkelser opptil 9 meters tykkelse. Løsmassene antas å bestå av skjellsand. Løsmassetykkelsen er størst midt under deponiet, og ser ut til å avta utover mot fyllingsfot. Fyllingen på Arsvågen skal legges ut med en minimumshelning på 1:1,5. Utlegging av fyllingen skal utføres i henhold til Statens vegvesen HB V221 Grunnforsterkning, skjæringer og fyllinger. Utfyllingsarbeidene må utføres på en slik måte at risiko for mannskap og utstyr begrenses til et minimum. Utfylling med lekter opp til et høyest mulig praktisk nivå er da et vesentlig element. Utfylling bør utføres lagvis, fra laveste nivå i utfyllingsområdet. Lagtykkelsen tilpasses aktuelt lekterutstyr, men bør være i størrelsesorden 2-3 m. Erfaringstall med hensyn til utvidelsesfaktoren fra fast berg, ref. håndbok V221, er for fylling i vann/sjø: 1,50-1,55. Men ved fylling i sjø er det viktig å være oppmerksom på at det kan gå med mer masse enn teoretisk beregnet i profilene, kanskje helt opp til 20 %. Årsaken er at en god del masse havner utenfor fyllingsprofilet pga. unøyaktig fylling eller sterk strøm, samt at noe går med til å fortrenge løsmasser /3/. I tillegg vil også egensetningene i fyllingen i praksis resultere i merforbruk av masser i fyllingen utover teoretisk volum. Det må påregnes inntil 0,5-1,0 meter med setninger i det underliggende skjellsandlaget. Disse setningene vil mest sannsynlig påløpe i løpet av utfyllingsperioden. I tillegg må det påregnes egensetninger i selve fyllingen. Normalt vil egensetningene i en ukomprimert sjøfylling bli i størrelsesorden 1-2 % av fyllingsmektigheten, hvorav noe vil bli utviklet i fyllingsperioden og det resterende i løpet av 1-2 år etter avsluttet fylling. Over vann, hvor fyllingen kan legges ut og komprimeres lagvis, kan det påregnes å bli utviklet på i størrelsesorden 0,25-0,5 % Side 4 av 20

5 1 Innledning I forbindelse med byggeplan for E39 Rogfast vurderes et område på Arsvågen som aktuelt utfyllingsområde for tunnelmassene. Det aktuelle området ligger på Vestre Bokn, sør for dagens fergekai. Multiconsult utførte grunnundersøkelser i januar, februar og en dag i juli i Disse grunnundersøkelsene er presentert i Multiconsult rapport rev01 /1/. Som en videreføring av disse undersøkelsene, er Norconsult bedt om å utføre stabilitetsberegninger av planlagt utfylling for å avgjøre endelig utforming av fyllingen. Denne rapporten presenterer resultatene fra stabilitetsberegningene samt føringer for helning og utlegging av fyllingen. Figur 1 Planlagt utfylling på Arsvågen Det planlegges å fylle opp til kote +5 i et område med vanndyp opp mot 45 meter (ved fyllingsfot). Fyllingen skal ta høyde for 2,2 millioner m 3. Høydereferansene i foreliggende rapport henviser til NGOs høydereferansesystem (NN1954), dersom ikke annet er spesifisert Side 5 av 20

6 2 Geoteknisk prosjektering forutsetninger og sikkerhetskrav 2.1 REGELVERK Gjeldende regelverk legges til grunn for prosjekteringen, og for geoteknisk prosjektering gjelder dermed: Statens vegvesen (SV), Håndbok V220 Geoteknikk i vegbygging, 6. utgave, juni 2014 Statens vegvesen Håndbok V220 er bygget opp for å tilfredsstille kravene i: NS EN : NA:2008 (Eurokode 0) NS-EN :2002/A1:2005+NA:2010, Endringsblad A1 NS EN : NA:2008 (Eurokode 7 del 1 Allmenne regler) NS EN : NA:2008 (Eurokode 7 del 2 Regler basert på grunnundersøkelser og laboratorieprøver) Det vises til "Dimensjoneringsforutsetninger. Byggeplanfasen, dokumentnummer: Felles-001"/2/. 2.2 PROSJEKTERINGSKONTROLL OG UTFØRELSESKONTROLL Det geotekniske tiltaket er klassifisert som nedenfor: Geoteknisk kategori: 2 Konsekvens- og pålitelighetsklasse: CC/RC: 2 Kontroll av prosjektering og utførelse: Normal Geoteknisk kategori Valg av geoteknisk kategori baseres på NS EN :2004+NA:2008 punkt 2.1 Krav til prosjektering, og SVV HB V220 kap.0.6. Geoteknisk kategori 2 omfatter konvensjonelle arbeider uten unormale risikoer eller vanskelige grunn- eller belastningsforhold. Arbeidene innebærer utfylling i sjø som faller inn under geoteknisk kategori 2. Det er utført grunnundersøkelser i form av totalsonderinger, trykksonderinger og prøvetaking, de er omtalt i Multiconsultrapport: Geoteknisk datarapport nr rev01 E39 Rogfast. Massedeponi Arsvågen, datert /1/ Side 6 av 20

7 Prosjektering for geoteknisk kategori 2 bør omfatte kvantitative geotekniske data og analyser for å sikre at de grunnleggende kravene blir oppfylt. Rutinemessige prosedyrer for felt- og laboratorieproving og for prosjektering og utførelse kan da benyttes for prosjekteringen Konsekvensklasse/pålitelighetsklasse (CC/RC) HB 220 figur 0.1 og 0.7 definerer tiltakets plassering med hensyn til konsekvensklasse og pålitelighetsklasse (CC/RC). Prosjektet vurderes å falle inn under kategorien Konsekvens- og pålitelighetsklasse CC/RC PROSJEKTERINGS OG UTFØRELSESKONTROLL HB V220 figur 0.8, 0.9 og 0.10 gir føringer for krav til omfang av prosjekteringskontroll og utførelseskontroll avhengig av pålitelighetsklasse. Dette innebærer at det for prosjekteringskontroll og utførelseskontroll av geotekniske arbeider i pålitelighetsklasse 2 kan forutsettes kontrollklasse N (normal). Tabell 1 Krav til kontrollform ved prosjektering og utførelse, avhengig av kontrollklasse, fra HB V220 figur 0.10 For utførelse innebærer kontrollklasse N at det skal utføres basiskontroll av alt utført arbeid. I tillegg skal det utføres en intern, systematisk kontroll som innebærer regelmessig kontroll med faste rutiner og dokumentasjon. 2.4 LASTFORUTSETNINGER Trafikk- og terrenglaster For stabilitetsberegninger regnes det med en trafikklast (karakteristisk last) på 10 kpa jevnt fordelt over vegens planeringsbredde hvis ugunstig, eventuelt 0 hvis gunstig. For nyttelast på terreng utenfor vegbane benyttes 5 kpa. Det henvises til håndbok V220, kap I følgende beregninger er det lagt inn en jevnt fordelt last på 10 kpa Side 7 av 20

8 2.4.2 Jordskjelv Jordskjelvsdimensjonering av skråningsstabiliteten utelates da det ikke er planlagt verken konstruksjoner eller vei på toppen av fyllingen Sjøvannstand og poretrykk Laveste lavvann (LLV) i Stavanger er benyttet som ytre vannstand ved stabilitetsberegningene. Poretrykket er regnet hydrostatisk fra kote -0,85. I massene er middelvannstand i Stavanger benyttet som grunnvannstand. Poretrykket er regnet hydrostatisk fra kote -0, PARTIALFAKTOR Laster γf ( V220 kap ) For stabilitetsberegninger benyttes en partialfaktor for trafikklast på: γ F = 1, Materialegenskaper γm (V220 kap ) Tabell 2 presenterer nødvendig partialfaktor γ M ved effektivspennings- og totalspenningsanalyser. Partialfaktoren er gitt ut fra konsekvensklasse og bruddmekanisme. Tabell 2 Partialfaktor for effektivspennings- og totalspenningsanalyser I henhold til Tabell 2 settes sikkerhetskravet for stabiliteten av fyllingen til: Konsekvensklasse: CC2 --> γ M = 1,3 Bruddmekanisme: Seigt, dilatant brudd Side 8 av 20

9 3 Grunnforhold Følgende beskrivelse av grunnforholdene er klippet ut fra /1/. Moloen forbinder fastlandet i vest med Nordre Solholmen i øst, og begge disse består av bart berg i overflaten. Sjøbunnen fra fastlandet i vest faller til ca. kote minus 10 over de første m, dvs. med helning ca. 1:1 i nord avtakende til ca. 1:4 i øst, og sjøbunnen antas i dette området å bestå av bart berg. Sjøbunnen faller slakt, med helning ca. 1:10 til 1:20, i de neste ca. 200 m videre mot nord og øst, med sjøbunn på ca. kote minus 20 til minus 25 nordvest for Nordre Solholmen. Sjøbunnen utenfor denne faller på nord- og østsiden raskt til ca. kote minus 15 til minus 25, dvs. med helning mellom ca. 1:3 og 1:1, og sjøbunnen antas i dette området å bestå av bart berg. Sjøbunnen videre faller til minst kote minus 45, med helning ca. 1:4 mot nord økende til ca. 1:2 mot øst. Sjøbunnen er i borpunktene registrert på fra kote minus 7 (i pkt. nr. 22 innerst i profil J) til minus 49 (i pkt. nr. 32 ytterst i profil L). De innerste boringene i hvert profil er utført på vanndybder 7-16 m, mens de ytterste boringene i hvert profil er utført på vanndybder m. Antatt berg er påtruffet i alle borpunktene. Bergoverflaten er registrert på fra kote minus 7.5 (i pkt. nr. 22 i profil I) til minus 49 (i pkt. nr. 32 i profil L), under 0-9 m løsmasse. Det framgår av profilene A, B og C at registrerte løsmassemektigheter i borpunktene utenfor fastlandet i vest er beskjedne (0-2 m). Registrerte løsmassemektigheter øker noe i østlig retning, til inntil 4 m i profil D, 6.5 m i profil F og 9.0 m i profil H (i borpunkt nr. 18). Deretter avtar registrerte løsmassemektigheter inn mot Nordre Solholmen og er inntil 6 m i profil J. I profilene K, L, M og N nord og øst for holmen er registrerte løsmassemektigheter igjen beskjedne, med antatt bart berg registrert i 4 av 7 borpunkter. Lokalt i borpunkt nr. 31 i profil L er det imidlertid registrert en antatt løsmassemektighet på 5.8 m. Nord og øst for Nordre indikerer sonderingene at løsmassene generelt er løst lagret. Videre er det i noen av sonderingene (nr. 17 og 18 i profil H, nr. 24 og 26 i profil J, nr. 27 i profil K og nr. 31 i profil L) like over berg registrert et meget løst lag med tykkelse inntil ca. 1 m. Sonderingene indikerer at massene er av sandig eller grusig karakter uten innhold av leire av betydning. Prøvetakingene i punktene nr. 17 og 24 viser at massene ned til hhv. 6.0 m og 5.6 m dybde i disse borpunktene i all hovedsak består av knuste skjellmasser. Vasking med saltsyre gir som resultat at skjellinnholdet i disse er %. Dette gjenspeiles i tilsvarende høye vanninnhold (generelt %) og svært lave tyngdetettheter (generelt kn/m3). Korngraderingsanalysene viser at de knuste skjellmassene alle har gradering som sand, til dels grusig. Basert på registrerte bormotstander er det vår vurdering at også løsmassene ellers i området i hovedsak må antas å bestå av slike knuste skjellmasser, og sannsynligvis er dette tilfelle også for massene i det stedvis registrerte, meget løse laget over berg. Den supplerende prøvetakingen i punkt nr. 24 er avsluttet i faste masser bestående av sandig, siltig og leirig materiale. Utførte ødometerforsøk på skjellprøvene, viser (som vanninnholdene indikerer) at massene er meget kompressible, i det de kan tolkes til å ha et setningsmodultall ms på Side 9 av 20

10 Figur 2 Borplan fra /1/ Side 10 av 20

11 Utførte grunnundersøkelser strekker seg ikke forbi fyllingsfoten, jf. figur 2 og 3. Det er imidlertid utført akustiske (seismiske) målinger, i en tidligere fase, som strekker seg tilstrekkelig ut for å kunne vurdere stabiliteten pålitelig. Disse målingene indikerer bart berg for store deler der hvor fyllingsfoten kommer. Resultatene fra den akustiske grunnundersøkelsen indikerer en liten løsmasserenne ved foten av fyllingen mellom profil 300 og 350, se figur 3 (lyseblått felt) Side 11 av 20

12 Løsmasserenne Antatt fyllingsfot Figur 3 Bart berg (^) og løsmassetykkelser fra akustiske målinger. I tillegg viser figuren en oversikt over utførte geotekniske grunnundersøkelser. Rosa farge viser teoretisk utvidelse av fylingen fra 15 mill m 3 til 22 mill m 3 (over vann) Side 12 av 20

13 4 Beregningsgrunnlag og parametervalg 4.1 LAGDELING Med basis i utførte grunnundersøkelser er følgende generelle lagdeling lagt til grunn for stabilitetsanalysene (se tegning 011 og 012): Lag 1: Fylling (lysegrå) Lag 2: Skjellsand (mørkegrå) 4.2 BEREGNINGSPARAMETERE Valgte jordartssparameter er angitt i Tabell 3, og setningsparametere i Tabell 4 Tabell 3 Jordartsparametere Friksjonsvinkel ϕ [ ] Attraksjon a [kpa] Tyngdetetthet over vann γ [kn/m 3 ] Tyngdetetthet under vann γ [kn/m 3 ] Fylling 40 0 (under vann) (over vann) Skjellsand De geotekniske parameterne for fyllmasse er basert på anbefalinger gitt i e-post av /3/ fra Statens vegvesen Region vest. Jordartsparametere for skjellsand er basert på utførte treaksialforsøk og tolkninger av disse, jf.ref. /1/. Friksjonsvinkel er tatt ut mellom 0,5%-1,5% tøyning Side 13 av 20

14 Tabell 4 Setningsparametere Setningsmodul m [-] Romvekt γ [kn/m 3 ] Konsolideringskoeffisient C v [m 2 /år] Løsmassetykkelse H [m] Drensvei H kons [m] Skjellsand ,5 Benyttede setningsparametere for skjellsand er basert på resultatene av utførte ødometerforsøk fra /1/. Det er valgt ut et gjennomsnitt av konsolideringskoeffisienten for skjellsand på: C v = 350 m 2 /år Side 14 av 20

15 5 Stabilitetsanalyser Det er utført stabilitetsanalyser i to profiler 310 og 410. Se figur 3 for beliggenhet. Figur 3 viser i tillegg utfyllingens utstrekning Figur 4 Beliggenhet av stabilitetsprofiler og utstrekning av fyllingen 5.1 ANALYSEVERKTØY FOR STABILITETSBEREGNINGER Stabilitetsberegningene er utført med programmet GeoSuite Stabilitet versjon GeoSuite Stabilitet baserer seg på en likevektsbetrakning i bruddgrensetilstanden Limit equilibrium method (LEM). Beregningene er utført med sirkulære glideflater. 5.2 BEREGNINGSTILFELLER Det er utført beregninger på effektivspenningsbasis for endelig situasjon i profil 310 og 410, med fronthelning 1:1,3 og 1:1, Side 15 av 20

16 5.3 RESULTATER Egenstabiliteten i fyllingen anses som tilfredsstillende. Kritisk glideflate styres derfor til å gå gjennom fyllings-tå. Beregningsresultatene er presentert i tabell 5. Tabell 5 Beregnet sikkerhet for midlertidig og endelig situasjon Profil Fronthelning Sikkerhetsfaktor γ M Figur 410 1:1,3 1, :1,5 1, :1,3 1, :1,5 1, Krav 1, Side 16 av 20

17 6 Setningsberegninger Det er kun utført overslagsmessige håndberegninger av primærsetninger av den underliggende skjellsanden. Sekundærsetningene er ikke beregnet da kryp i skjellsanden vil bli ytterst beskjedne. Som tilleggsspenning, Δp', fra fyllingen er det benyttet ca. 400 kpa i beregningene (ca. tilsvarende en fyllingshøyde på kote +5 og eksisterende sjøbunn på kote -30). Vertikaltøyningen er beregnet med spenningseksponent n=0,5 (sandige jordarter). 6.1 RESULTATER Estimert primærsetning i skjellsanden ligger på rundt 0,5-1 meter der løsmassetykkelsen er størst. Disse vil med all sannsynlighet påløpe i løpet av utfyllingsperioden. 6.2 EGENSETNINGER I SELVE FYLLINGEN Størrelsen på egensetningene i fyllingen vil avhenge av dens sammensetning og i hvilken grad den blir komprimert under fyllingen. Ved fylling i sjø lar det deg normalt ikke gjør å komprimere massene under sjøvann utover den dybdeeffekten som oppnås ved å benytte tungt komprimeringsutstyr i overflaten når fyllingen har kommet opp til vann-nivå. Normalt vil egensetningene i en ukomprimert sjøfylling blir i størrelsesorden 1-2 % av fyllingsmektigheten, hvorav noe vil bli utviklet i fyllingsperioden og det resterende i løpet av 1-2 år etter avsluttet fylling. Over vann, hvor fyllingen kan legges ut og komprimeres lagvis, kan det påregnes setninger i størrelsesorden 0,25-0,5 %. Observasjoner av langsiktige egensetninger (krypsetninger) i sprengsteinsfyllinger er hovedsakelig utført på fyllingsdammer. Disse viser en setningshastighet av størrelsesorden 0,03 % av fyllingshøyden pr. år for ikke komprimerte steinfyllinger. For en 35 meter høy fylling tilsvarer dette ca. 1 cm per år. Setningshastigheten vil avta med tiden. Også egensetningene vil således i praksis resultere i merforbruk av masser i fyllingen utover teoretisk volum, og registrerte setninger i overflaten vil bli mindre synlige Side 17 av 20

18 7 Geotekniske vurderinger og konklusjon Utførte stabilitetsberegninger viser at fyllingen må legges ut med en skråningshelning på minimum 1:1,5 for å tilfredsstille gitte sikkerhetskrav fra kap Statens vegvesen håndbok V221 Grunnforsterkninger, fyllinger og skråninger /4/ antyder bratteste stabile skråningshelning avhengig av måte steinen er produsert og steinkvaliteten, se tabell 6. Sprengt stein av rimelig god kvalitet og gunstig kornfordeling får en stabil skråningshelning ved fri fylling fra tipp: Over vann, helningen blir ca. 1: 1,25 Under vann, helningen blir 1:1,3-1:1,5 Fyllinger som bygges opp av sprengt stein med dårlig kvalitet og/eller skifrig steinform (flakstein) og ugunstig størrelsesfordeling (mye subbus), eller ved fri fylling fra tipp, kan få betydelig slakere helning på skråningene. Tabell 6 Antyder bratteste stabile fyllingsskråning avhengig av måte steinen er produsert på og steinkvalitet Eksempler på stein av god kvalitet er granitt, gabbro og gneis. Eksempler på dårlig stein kan være fyllitt, glimmerskifer og andre sterkt forvitrede og forskifrede bergarter Det forventes i hovedsak stein av type grunnfjellsgneis, men også granittisk gneis, amfibolittisk- og glimmerskifer og fyllitt /5/. 7.1 KONSEKVENSER AV SETNINGER Primærsetningene i massene under fyllingen vil bli utviklet i løpet av byggeperioden. I byggeperioden vil disse setningene resultere i merforbruk av masser i fyllingen utover teoretisk volum Side 18 av 20

19 7.2 FYLLING I SJØ - UTLEGGING Det henvises til Statens vegvesen håndbok V221 kap for fylling i sjø /4/. For å opprettholde kravet om nødvendig sikkerhet for stabiliteten av fyllingen, legges fyllingen ut med minimumshelning 1:1,5. Utfyllingsarbeidene må utføres på en slik måte at risiko for mannskap og utstyr begrenses til et minimum. Utfylling med lekter opp til et høyest mulig praktisk nivå er da et vesentlig element. Utfylling bør utføres lagvis, fra laveste nivå i utfyllingsområdet. Lagtykkelsen tilpasses aktuelt lekterutstyr, men bør være i størrelsesorden 2-3 m. Utfyllingen må følges nøye opp med gjentatte mengde- og nivåkontroller. Det bør utarbeides loddeprofiler/loddekart for kontroll av at hvert lag er etablert som forutsatt før utleggingen av neste lag igangsettes. Erfaringstall med hensyn til utvidelsesfaktoren fra fast berg, ref. håndbok V221, er for fylling i vann/sjø: 1,50-1,55. Men ved fylling i sjø er det viktig å være oppmerksom på at det går med mye mer masse enn teoretisk beregnet i profilene, kanskje helt opp til 20 %. Årsaken er at en god del masse havner utenfor fyllingsprofilet pga. unøyaktig fylling eller sterk strøm, noe går med til egensetning i fyllinga (j.f. kap 7.2) og noe går med til å fortrenge løsmasser /3/ Side 19 av 20

20 8 Referanser /1/ Multiconsult AS Geoteknisk datarapport nr rev01 E39 Rogfast. Massedeponi Arsvågen, datert /2/ Norconsult AS Dok.nr.: Felles-001 Dimensjoneringsforutsetninger. Byggeplanfasen, datert /3/ Statens vegvesen region vest E-post fra Øystein Bueie Holstad, datert /4/ Statens vegvesen Håndbok V221 Grunnfortsrekninger, fyllinger og skråninger /5/ SINTEF og Cowi SBF2011A0080 Geologisk rapport for E39 Rogfast Versjon 5.0, datert Side 20 av 20

21

22