Arbeid i grøfter Grøfter og sikkerhet

Transkript

1 Arbeid i grøfter Grøfter og sikkerhet Driftsoperatørsamling i Molde/Ålesund Leif K. Grande Driftsassistansen Disposisjon Enkel innføring i geoteknikk Grunnundersøkelser Sikkerhet mot ras i grøfter Åpne grøfter i friksjonsjordarter Åpne grøfter i kohesjonsjordarter Avstivede grøfter Graving i frostperioder 1

2 Geoteknikk Definisjon: Læren om hvordan jordartene oppfører seg som byggemateriale ved belastninger kalles geoteknikk eller jordmekanikk Vi skal først se på hvordan en kan analysere en jordprøve, lære litt om jordarters egenskaper (praktisk anvendelig på anleggsplassen) Hva er jord? Størrelsen og blandingsforholdet mellom steinkorn, vann og luft avgjør hvilke egenskaper jordarten har. Hvor steinkorn helt eller delvis er erstattet av plante- og dyrerester kaller vi det for organisk materiale (eks. torv og mold) Vi deler gjerne jordartene i 3 grupper: Navn Mineralske jordarter Morene jordarter Opprinnelse Vannavsatt Isavsatt Jordart Leire, silt, sand Sidemorene Bunnmorene Organiske jordarter Forråtnelse av planter og dyr Torv Myrjord Geoteknikk Jordarter grupperes etter hvor store steinkornene er Grovinndeling Blokk Stein Grus Sand Silt Leire Fraksjoner Fininndeling Grov grus Middels grov grus Fin grus Grov sand Middels fin sand Fin sand Grov silt Middels fin silt Fin silt Korndiameter (mm) > ,6 0,6-0,2 0,2-0,06 0,06-0,02 0,02-0,006 0,006-0,002 < 0,002 2

3 Geoteknikk Vi bruker kornfordelingsanalyse for å beregne kornfordelingen ved følgende framgangsmåte: Vi sikter den tørre prøven gjennom en siktesats ( 8 sikt). Den massen som blir liggende oppå hvert sikt, må inneholde korn som er større enn maskevidden på sikten den ligger på, men mindre enn maskevidden på sikten over. Vi veier hvert sikt og fører tabell, som vi igjen lager en kornfordelingskurve eller siktekurve av. Kornfordelingskurve (Siktekurve): Geoteknikk 3

4 Geoteknikk Hvordan henger jordartene sammen? Friksjonsjordarter (Sand, grus, stein, blokk, kornstørrelse >0,06 mm): I sand og grovere partikler henger korna sammen på grunn av friksjonskrefter mellom korna(som f.eks i en haug av pent stabla klinkekuler). Kohesjonsjordarter (Silt(mellomjordart), leire, kornstørrelse <0,06 mm): I leire henger korna sammen pga. elektriske krefter mellom atomenene i materialet. Disse kreftene kalles for kohesjonskrefter. Selv om jorda inneholder grovere korn(sand og grus) vil jordarten fungere som leire dersom leirinnholdet overstiger ca 15%. Kvikkleire er svært spesiell og kjennetegnes ved at selv små forstyrrelser eller omrøring kan medføre at strukturen kollapser og blir flytende. Geoteknikk Hvilke egenskaper av praktisk betydning har de forskjellige jordartene? Vannsugende evne ( Kapillær sugeevne): Gjør enkelte jordarter telefarlige Vanngjennomslippende evne ( Permeabiltet): Drenerende egenskap, øker med kornstørrelsen 4

5 Geoteknikk Drenerende egenskaper hos jordartene: Obs! Teledybden vil endre seg avh. av snødybde, bebyggelse og vegetasjon Jordart Leire Silt Sand Grus Stein Tett/åpen tett Nokså tett Nokså åpen Åpen Åpen Egenskap Ikke drenerende Lite drenerende Drenerende Godt drenerende Godt drenerende Grunnundersøkelser For å kunne planlegge sikkerhetstiltak etter 3 i forskriften, må vi kjenne grunnforholdene Hvis ikke de er kjent, krever forskriften at det utføres grunnus. til 1 m under grøftebunn Minimumskrav til grunnundersøkelser som må bestemmes: Hvilke typer jordarter vi har med å gjøre Jordartens fasthet (egentlig Skjærfasthet: S u ) Hvor høyt grunnvannet står ( Dybde til fjell, er i andre sammenhenger interessant(fundamentering) ) Grunnus. bør helst utføres av spesialister, men for grov oversikt kan en foreta us. selv 5

6 Grunnundersøkelser - Utstyr Gravemaskin: Ved å grave en prøvegrøft kan vi studere jordarter,fasthet og lagdeling. Med litt erfaring kan en på grunnlag av dette utarbeide en brukbar plan for arbeidet Dreiesondering: Kan gi et bilde av relativ fasthet, lagdeling, dybde til fjell og i noen grad av jordart. Ved registrering av dreiekraft og borsynk gis et inntrykk av grunnforholdene Grunnundersøkelser - Utstyr Skovlboring:Brukes til å bore gjennom de øverste lag. Kan få et bilde på : jordart, fasthet, lagdeling og grunnvannstand. Om ønskelig kan det tas prøver for nærmere us. i laboratoriet. Går greit ned til ca 4 m. 6

7 Grunnundersøkelser - Utstyr Vingeboring: Brukes for å finne fastheten direkte i kohesjonsjordarter (leire). Består av en nedre del, innerstenger, ytterrør, måleinstrument. Nedre del presses ned i leira, vingen skyves ut, håndtaket dreies med bestemt hastighet, vrikraften leses av. Denne kraften kalles udrenert skjærstyrke ( S u ) i uomrørt tilstand Grunnundersøkelser - Utstyr Skjærfasthet KN/m 2 (Kp/cm 2 ) Betegnelse Kjennetegn Etter grunnus. tegnes lengdeprofil for grøftetraseen. Prøvepkt. avmerkes med opplysn. om lagdeling, fasthet (0,10 0,25) Bløt leire Knyttneven: Trykkes lett inn (0,25 0,5) Middels fast leire Tommelfinger: Trykkes lett inn (0,5 1,0) Fast leire Tommelfinger: Trykkes inn med merkbar motstand Tabell som viser Fasthetsskala for leire 7

8 Sikkerhet mot ras i grøfter Hvordan lage en sikker grøft? Benytte Geotekniker til å vurdere og beskrive grøfteprofiler ( Skreddersydd løsning, optimal sikkerhetsfaktor kan benyttes) Benytte Arbeidstilsynets veileder ( Skal passe for flere forhold. Opererer med høyere sikkerhetsfaktor ) Når skal vi benytte Geotekniker? 1. Ved graving av grøft langs skråningsfot med helling >1:10 inn mot grøftesiden 2. Når det er store belastninger på grøftesidene i umiddelbar nærhet av grøfta ( Obs! egen trafikk - for eksempel gravemaskin som kjører nært og langs grøftekanten) 3. Ved graving inntil og under fundamentnivå 4. Graving i kvikkleire 5. For beregning av avstiving ved grøftedybde > 3,0 m Eks. 1 Eks. 2 Eks. 3 Sikkerhet mot ras i grøfter Hva er sikkerhet og stabilitet? Rassikkerhet er egentlig et stabilitetsproblem i geoteknikken. Som i fasthetslæren for øvrig opererer man med materialstyrke og materialpåkjenning. I den vanlige fasthetslæren (stål,betong, tre) er styrken oftest angitt som trykk- eller strekkfasthet, mens man i geoteknikken benytter skjærfasthet = S u ( Materialets motstand mot skjærbrudd) og skjærspenning som påkjenning Begrepet sikkerhet er da definert slik: Sikkerhetsfaktor= Materialstyrke / Materialpåkjenning Anvendbare tallverdier av sikkerhetsfaktoren er vanligvis i geoteknikken mellom 1,3 2,0. Som det vises på figuren under kan sikkerhetsfaktoren reduseres når vi gjør forundersøkelser 8

9 Sikkerhet mot ras i grøfter Beregning av grøftedybde Når en skal beregne stabil sidehelling i en grøft, vil grøftedybden være avgjørende. Den beregnes etter følgende regel: Hvis oppgravde masser plasseres nærmere grøftekanten enn 5 meter, må jordhaugens høyde(planert) legges til. Se figur under Av sikkerhetsmessige årsaker skal massene alltid legges minst 1 m fra grøftekanten, stein og jordklumper kan trille ned og det er praktisk med en ryddig gate mellom grøft og masser. Åpne grøfter i friksjonsjordarter(silt,sand, grus) Rastyper Sand,grus innstiller seg normalt på en bestemt skråningshelling, 2 unntak: 1. Jordfuktig finsand/silt: Overflatespenning i vannet kan binde kornene sammen. Det kan føre til at vi lager ustabile og bratte skråninger som kan føre til ras ved uttørking og ved nedbør 2. I frostperioder vil telen ha en stabiliserende virkning og vi kan lage bratte, men ustabile skråninger Stabil sidehelling og anbefalt sidehelling Som regel vil sandskråning(over grunnvannstand) innstille seg på helling mellom 1:1 1:1,6, som vi kaller: stabil sidehelling for grøfter i grus og sand over grunnvannstanden Retningslinjer for anbefalt gravehellinger i friksjonsjordartene og blandede jordarter: 9

10 Åpne grøfter i friksjonsjordarter(silt,sand, grus) Graving under grunnvannstanden Ved graving under grunnvannstand (gvs) er det vanskelig å få grøftesidene brattere enn 1: 2,5, noe som er svært plasskrevende Stabiliserende tiltak 1. Senking av gvs ved å grave drensgrøft i bunn av grøft 2. Ved større senkinger av gvs, må vannet pumpes vekk. Pumpebrønner lages utenfor grøfta. Kalles Wellpointanlegg. Må bruke fagpersonell. Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) De fleste ulykker skjer ved ras i leirgrøfter. Vi skiller mellom to typer ras, nemlig ras i tørrskorpeleire og ras i bløt leire Ras i tørrskorpeleire Slike ras foregår ved at større eller mindre deler av grøftesiden faller inn i grøfta. Leire veier ca 2 tonn/m 3 (vekten av en elefant). Årsaken er ofte at tørrskopeleiren nesten alltid har sprekker. Når det regner trenger vann ned i sprekkene og bidrar til å presse ut grøftesidene 10

11 Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Ras i bløt leire Ras i bløt leire foregår gjerne som vipperas. Bruddet skjer langs en buet glideflate. Tenker vi oss glideflaten (se figur under) som bunnen på en vippe, skjer raset ved at den ene siden av vippen får overbelastning i forhold til den andre siden. Slik overbelastning får vi enten ved å fjerne masse fra den ene siden, eller øke belastningen på den andre siden (eller begge deler). Ras av denne typen kan få stor utstrekning. Vurder alltid rassikkerhet når du arbeider i skrånende terreng Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Stabil sidehelling i leirgrøft I motsetning til sandgrøft blir sikkerheten mot ras bli mindre når dybden øker. Sikkerhet mot ras i leirgrøfter avhenger for øvrig av: Leiras fasthet: Brattere skråning i fast leire enn i bløt. Viktig å vite, jfr. det som ble nevnt under tema grunnus. Telefohold: I frosset jord kan vi grave med brattere skråning. Men obs! Det er farlig å regne tele som sikring Nedbør: Sprekker i tørrskorpeleira fylles med vann og rasfaren øker Grunnvann: Grv-forhold kan influere sterkt på stabiliteten. Anbefaler at fagfolk kontaktes ved grv-problemer Grøftekant-belastninger: Husk å ta hensyn til hvilke belastninger grøftesidene utsettes for Rystelser: Rystelser fra sprengningsarb., veier, jernbane og lignende reduserer sikkerheten mot ras. Er det akt. med slike rystelser bør fagfolk kontaktes for å få vurdert innflytelsen på sikkerheten Hvor lenge grøfta står åpen: Sørg for at grøfta lukkes så fort som mulig 11

12 Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Anbefalt sidehelling i leirgrøft Stabil sidehelling må alltid vurderes med utg.pkt i de forhold som er nevnt. Som vist før har Arbeidstilsynet i veilederen gitt maksimalverdier for skråningshelling i fast leire. Forskriftene skal følges hvis det ikke er gitt anvisninger fra geoteknisk sakkyndige. Anbefalt sidehelling er vist i figuren under. Merk! Ikke vertikale sider ved grøfter > 2,0 m. Er det foretatt grunnus. kan en beregne stabil sidehelling i bløt leire. Er forholdene vanskelige og/eller grøfta er > 3, 0 m, bør geotekniker beregne stabil sidehelling. Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Hvordan beregne stabil sidehelling i sprekkfri, ensartet(homogen) leire? Hvis grøfta ligger i sprekkfri, ensartet leire kan en på en enkel måte regne ut hvilken sideheling grøfta bør ha. Husk at metoden kun er veiledende og at forhold som tele, nedbør grunnvann osv., nevnt foran, også må vurderes. NB! Må ikke brukes i praksis uten fagkyndig backup Det skal alltid være fagkyndig ansvarshavende, jfr. forskrift For å beregne stabil sidehelling må man vite: Leiras udrenerte skjærfasthet ( S u ): Kan måles med vingebor Leiras romvekt (tetthet): Ligger vanligvis mellom 18 og 20 KN/m 3 ( 1,8 2,0 tonn/m 3 ) Beregningsdybde: Den er gravedybden + høyden av oppgravd masse < 5,0 m fra grøftekanten Ønsket sikkerhetsfaktor: Som bør ligge mellom 1,5 og 2,0 avhengig av forholdene Når tallverdiene for disse faktorene er kjent, kan stabilitetstallet regnes ut slik: Stabilitetstall = Sikkerhetsfaktor x Romvekt x Gravehøyde Skjærfasthet Når stabilitetstallet er funnet kan en ved diagrammet på neste side finne aktuell skråningshelling. Eksempel: Du skal grave en grøft i sprekkfri, homogen leire. Den skal være 3,5 m dyp og du vil ha en sikkerhetsfaktor på 1,6. Du har ved vingeboring funnet leiras fasthet til å være 20 KN/ m 2. En prøve med kjent volum er veid og romvekta av leira er 18 KN/ m 3. Hvilke skråningshelling kan du bruke? 12

13 Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Svar på eksempeloppgave: Stabilseringstallet beregnes først: T = 1,6 x 18 KN/m 3 x 3,5 m 20 KN/m 2 T = 5 Vi går så inn i diagrammet til høyre på stabilitetstallet 5,0 ( pkt a ). Går vannrett ut til vi treffer kurrven ( pkt b ) og deretter loddrett ned og leser av aktuell skråningshelling som her er 60 grader ( o ) Åpne grøfter i kohesjonsjordarter (leire) Stabiliserende tiltak - For å få en leirgrøft sikrere kan følgende tiltak være aktuelle: 1. Endring av geometri: Gjøre grøftesiden slakere eller avlaste grøftetoppen (traue ut) 2. Beskyttelse mot vann: Legge plast/presenning over terreng/grøftesider. Akt. ved åpen grøft over tid 3. Seksjonsvis utgraving: Grave, legge rør og fylle igjen i korte seksjoner 4. Elektro-osmose: Trekker vann ut av leira. Drensgrøft fylt med sand, jernstenger strømsettes(trekker vann ut) 5. Elektrolyse: Kostbar/tidkrevende. Tilfører leira kalk via perforerte rør (anode). Strømsatte jernrør(katode) 6. Kalkstabilisering: Visp presses ned i leira til ønsket dybde, røring, kalk tilf. gj. rør, danner kalkpeler (spunt) 7. Frysing: Fryser jorda kunstig for å oppnå televirkning. Kostbar, egner seg spes. godt for sjakting Eks. 1 Eks. 4 Eks. 6 13

14 Avstivede grøfter I hht til 5 i forskriften skal grøfter dypere enn 2 meter avstives. Avstiving kan utføres på forskjellige måter Avstivingsmåter: 1. Glissen spunt: Mellomrom ca 10 cm mellom elementene 2. Tett spunt: Elementene henger sammen med omlegg av forskjellig utførelse 3. Spunt i lås: Elementskjøter i lås, nedramming med maskinelt redskap 4. Grøftekasser: Vanligst nå. Ferdige spuntelement som kan bygges sammen i ulike høyder. Kan benyttes på 2 måter: Senkes ned i ferdig gravd grøft, eller presses ned etter hvert som grøfta graves ut. Grøfta graves ut inne i grøftekassen, noe som ofte foretrekkes. Grøfta graves ofte i seksjoner tilpasset rørlengden og den fylles helt eller delvis opp før grøftekassen trekkes opp. Avstivede grøfter Faremoment i avstivede grøfter: Uansett spuntmateriale må en være klar over at spuntveggene utsettes for svært store påkjenninger. Alle avstivinger > 3 meter skal beregnes. For ferdige spuntsystem(grøftekasser) skal produsentens anvisninger følges. Figuren til venstre viser vanlig forekommende jordtrykk på 2, 4 og 6 meters dybde. Uten skikkelig avstiving synker sikkerheten drastisk med økende gravedybde. Ved bruk av spunt er det svært viktig at spunten står loddrett på og i god kontakt med grøftesidene da all spunt er dimensjonert for å holde igjen for ras og ikke for å stoppe ras. Jfr. figur i midten under. Å sikre en viss bredde i grøftebunnen er viktig for tilstrekkelig arbeidsplass. For min. bredde se tabell til høyre 14

15 Avstivede grøfter Faremoment i avstivede grøfter- Bunnoppressing i avstivede grøfter (Hydraulisk grunnbrudd): Selv om vi har utført spuntarbeidet forsvarlig kan det allikevel være for ras i form av oppressing av grøftebunn, spesielt i dype leirgrøfter og grøfter dypere enn grunnvannstand i silt og finsand. Oppressing i sand- og siltmasser: Her kan bunnbrudd skje plutselig ved at bunnen i grøfta løses opp og koker. Ved graving under grunnvannstanden i slike masser må en derfor alltid sørge for at spuntens dybde under grøftebunnen er minst lik høyden fra grøftebunn til grunnvannsspeilet. Se figur nederst til venstre Oppressing i leirmasser: I leire kan massene utenfor grøfta presse bunnen opp. Prinsippet er det samme som vipperaset beskrevet tidligere. Se figuren nederst til høyre Avstivede grøfter Beregning av faren for bunnoppressing i bløt leire: På samme måte som vi beregnet stabil sidehelling i uavstivede grøfter, kan vi også beregne faren for bunnoppressing i leire. Vi må da kjenne leiras udrenerte skjærfasthet, leiras romvekt, beregningsdybde og grøftebredde. Beregningsmåten er vist ved et praktisk eksempel vist nedenfor, men husk at metoden ikke må brukes i praksis uten fagkyndig backup Det skal alltid være fagkyndig ansvarshavende, jfr. forskrift Sikkerheten mot bunnopppressing kan beregnes etter formelen: Stabilitetstall x Udrenert skjærfasthet (S u ) Sikkerhet = Romvekt x Beregningsdybde Eksempel: Udrenert skjærfasthet: 15 KN/m 2, Romvekt: 18 KN/m 3, Beregningsdybde: 4,5 m, Grøftebredde: 1,5 m For å finne stabilitetstallet bruker vi diagrammet nederst til høyre etter vi har regnet ut dybde/breddeforholdet Svar: Sikkerheten mot oppressing = 7,0 x 15 KN/m 2 = 1,3 ( Sannsynligvis ikke bunnoppressing her,men den er for 18 KN/m 3 x 4,5 m lav til å kunne aksepteres(min. 1,5). Kan avlaste gr.topp) 15

16 Graving i frostperioder Her skal vi behandle noen problemer ved graving i frostperioder Frostproblem i grøfta: For å hindre setningsskader når telen forsvinner må alltid grøftebunn og omfyllingssonen være telefri. Grøfta må ikke stå åpen uten isolasjon når det er frost. All is og snø må fjernes fra grøfta før ledningene legges. Som isolasjon brukes vintermatter, varmekabler, varmetelt osv. Telens vandring - se figur under Frostdybder: Frostdybden varierer mye også lokalt. Kommunen har oversikt over stedlige variasjoner. Frostdybden varierer avhengig av grunnforhold, snødybder, vegetasjon og bebyggelse, jfr. figur nederst til høyre Telefronten kan heves vha. isolasjon, jfr. figur nederst til venstre. Graving i frostperioder Telehiv: For å få telehiv må det være frost, vann og telefarlige masser. Fjerner vi en av disse faktorene unngår vi telehiv. Telehiv dannes ved at grunnvann suges opp til frostsonen. I frostsonen fryser vannet og det dannes islinser som vokser etter hvert som nytt vann trekkes opp til islinsen. Jfr. figur nederst til venstre Telefarlighet: Kornfordelingskurven (jfr. s 7 foran) kan også benyttes til å vurdere hvor telefarlig jordarten er. En tommelfingerregel kan være å finne ut hvor stor masseprosent som er finere enn middels silt (0,02 mm): < 3%: ikke telefarlig Mellom 3% og 12%: Litt telefarlig >12%: Telefarlig Dersom en telefarlig masse samtidig har 50% i området fin sand(0,2 mm) til middels grus (20 mm), er massen meget telefarlig Metoder som benyttes for å unngå telehiv i grøfter: Se figur nederst til høyre 16