Prosjektering av spuntløsning for utgraving i forbindelse med ny pumpestasjon

Teknisk notat Til: COWI AS v/: Helge A. Almgren Fra: NGI Dato: 9. september 2010 Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Prosjekt: Ny pumpestasjon, Værste i Fredrikstad Utarbeidet av: Magnus Rømoen Prosjektleder: Magnus Rømoen Kontrollert av: Ørjan Nerland Prosjektering av spuntløsning for utgraving i forbindelse med ny pumpestasjon Innhold 1 Innledning 2 2 Grunnforhold og materialparametere 2 2.1 Fjelldybder 2 2.2 Løsmasser 2 2.3 Grunnvann 3 3 Oppbygning av spuntmodell 4 3.1 Beregningsprogram 4 3.2 Krav til sikkerhet 4 3.3 Innledende beregninger 4 3.4 Avgraving 4 3.5 Kalk/sement stabilisering 5 3.6 Geometrieffekt 5 3.7 Spunt 5 3.8 Beregningsprofiler 5 4 Beregningsresultater 6 4.1 Påkjenninger på konstruksjoner 6 4.2 Sikkerhetsfaktor 6 4.3 Vurdering av bunnoppressing 6 5 Praktiske hensyn 6 5.1 Arbeidsrekkefølge på utgraving/sikring av spuntgrop 6 5.2 Installasjon av kalk/sementpeler 7 5.3 Laster på riggområdet 7 5.4 Kjørbarhet av traubunn 7 6 Referanser 7 Tegninger Tegning 001 Oversiktskart M = 1 : 25.000 Tegning 010 Plantegning M = 1 : 200 Tegning 011 Laster på riggområdet M = 1 : 200

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 2 1 Innledning Fredrikstad kommune skal bygge ny pumpestasjon på Værste i Fredrikstad. Plasseringen av stasjonen er nord for den nye rundkjøringen Rundkjøring FMV nord, sørvest for nye Fredrikstad stadion. Beliggenhet av området er vist på tegning 001. COWI AS er hovedkonsulent på prosjektet og med Norge Geotekniske Institutt (NGI) som geoteknisk underkonsulent. Hovedarbeidet til NGI har bestått i å prosjektere byggegropssikringen i forbindelse med utgraving for pumpestasjonen. Dette tekniske notatet er en oppsummering av de vurderinger NGI har gjort vedrørende grunnforhold, sikring av byggegrop og gjennomføring av byggearbeidene. Byggegropen som skal etableres er ca 10 x 10 m og det skal graves ned til kote -5,5. Dagens terreng ligger på ca kote +2,5. 2 Grunnforhold og materialparametere Det er ikke utført egne grunnundersøkelser for prosjektet men jordparametere er valgt på bakgrunn av boringer utført i forbindelse med bygging av Kråkerøyforbindelsen, se ref. 1. I tillegg er resultatene fra grunnundersøkelsene utført ved nye Fredrikstad stadion tatt med i vurderingen, se ref 2. 2.1 Fjelldybder Boringene utført av Statens vegvesen (SVV) ved rundkjøringen er alle utført ned til 40 m dybde uten at det er påtruffet fjell. Byggegropen forventes derfor ikke å komem i konflikt med fjell. 2.2 Løsmasser Ut i fra tidligere grunnundersøkelser, se ref. 1 og 2, består løsmassene av et tre meter tykt lag av tørrskorpe/fyllmasser, som går fra kote +2,5 til -0,5. Under dette er det leire i stor mektighet. 2.2.1 Tørrskorpe Da det ikke er tatt noe prøver for tørrskorpen er det i beregningene brukt erfaringsparametere denne typen materialer. Dette innebærer φ = 35, a = 0 kpa og γ = 19 kn/m 3.

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 3 2.2.2 Leire Styrketolkningen av leira er gjort basert på en kombinasjon av resultatene fra en prøveserie og en CPTU-sondering utført for Bjølstadforbindelsen og en prøveserie og en CPTU-sondering utført for nye Fredrikstad stadion. Fastsettelsen av tyngdetettheten er basert på prøveserier fra Bjølstadforbindelsen og nye Fredrikstad stadion. En oppsummering av materialegenskapene til leira er gitt i tabell 2.1 og figur 2.1. Tabell 2.1 - Materialparametere for leire Kote γ Material Topp Bunn [kn/m 3 ] lag lag Leire1-0,5-12,5 18,5 Leire2-12,5-40 18,0 0 Udrenert skjærstyrke [kpa] 0 20 40 60 80 100 120 5 10 15 Kote 20 25 30 35 40 2.3 Grunnvann sua sud sup Figur 2.1 Styrkeprofil med dybden for leire Det er ikke utført noen målinger av grunnvannet, men grunnvannsnivået er forutsatt å ligge på kote +1,0 i beregningene.

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 4 3 Oppbygning av spuntmodell 3.1 Beregningsprogram Spuntberegningene er utført i FEM (Finite Element Method) programmet PLAXIS. Modellen er en 2D-modell. I tillegg er det brukt regneark for å gjøre en sjekk av den endelige løsningen mtp. bunnoppressing. 3.2 Krav til sikkerhet Sikkerheten i beregningene skal ikke være mindre enn 1,4. 3.3 Innledende beregninger NGI utførte vinteren 2010 flere innledende beregninger for å etableres en mulig sikringsløsning for gropen. Det viste seg dog raskt at med en gravedybde på 8 m fra terreng ble det et behov for veldig lange spuntnåler, som dermed førte til en forholdsvis dyr løsning. Det ble derfor utført en del tilleggsberegninger hvor følgende alternative løsninger ble vurdert: 1. En løsning hvor man graver av et område rundt spunten slik at spunten blir satt fra kote 0 2. En løsning der man beholder terrenget som det er men bruker kalk/sementstabilisering for å øke det passive motholdet på spunten. 3. En løsning hvor man både avgraver til kote 0 og bruker kalk/sementstabilisering. 4. En løsning hvor spuntgropa vannfylles og utgravingen/støping foregår under vann til bunnplaten er ferdig etablert. Basert på en vurdering av kostnader i forhold til omfanget av gjennomføringen av de ulike løsningene viste det seg at løsning nr 3 var den rimeligste og mest hensiktsmessige sikringsmetoden. Denne løsningen ble derfor lagt til grunn for den videre detaljprosjekteringen av spuntgropa. 3.4 Avgraving Omfang av den prosjekterte avgravingen er vist på tegning 010. Hensikten med avgravingen er at man får en terrengavlastning rundt spunten og dermed mindre belastning på spunten. Det er viktig at avgravingsplanen følges og at man kommer seg ned på de oppgitte kotenivåene.

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 5 3.5 Kalk/sement stabilisering Kalk/semenstabilisering brukes i dette tilfellet for å øke styrken på passiv siden, det vil si øke motholdet mot spunten inne i gropa. Omfanget av den foreslåtte kalk/sementstabiliseringen er vist på tegning 010, totalt skal det settes ca 250 peler. Kalk/sementstabiliseringen skal settes fra kote -5,5, som er framtidig traubunn, og ned til kote -10, som er underkant spunt. Unntaket her er 20 % av pelene som skal settes fra UK spunt og opp til terreng, dette for å ha mulighet for evakuering/dissipasjon av evt. Poretrykksoppbygning under installasjon. I beregningen er det brukt en styrke for kalk/sementstabiliseringen på 150 kpa. Denne styrken oppnås ca 21 dager etter at pelen er satt, se ref. 4, forutsatt den oppgitte innblandingsmengden på 32 kg/m pel. 3.6 Geometrieffekt Som følge av en veldig avgrenset byggegrop er det lagt inn en geometrieffekt i beregningene. PLAXIS er som sagt en 2D-modell, som dermed regner med en uendelig lang modell inn i planet, noe som vil gi for konservative resultater. Fastsettelsen av denne geometrieffekten er gjort ut i fra fig 21 i NGI sin publikasjon nr 16, se ref. 5. Det er gjort en sammenligning av Nc-faktoren for PLAXIS-modellen og den reelle modellen, hvor det ble konstatert et forhold på 1,19. Denne geometrieffekten er så tatt hensyn til ved fastsettelse av sikkerhetsfaktoren for de ulike beregningsfasene. Det betyr at minstekravet til sikkerhet i beregningene er lik krav til sikkerhet (1,4) dividert med geometrieffekt (1,19). Minstekravet til sikkerhet i beregningene er dermed 1,17. 3.7 Spunt I beregningene er spunten modellert med egenskapene til en AZ17. 3.8 Beregningsprofiler Spuntberegningene er utført langs to profiler, profil C og F. Beliggenheten av profilene er vist på tegning 010. Årsaken til at det ble utført beregninger for to ulike profiler er at topografien varierer rundt spuntgropa. For derfor å være sikker at beregningene ble gjort for verst tenkelig tilfelle ble det gjort en kontroll av begge retningene til gropa.

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 6 4 Beregningsresultater 4.1 Påkjenninger på konstruksjoner Maksimal dimensjonerende moment i spunten under beregningene var på henholdsvis 265 knm/m for profil C og 215 knm/m for profil F. Basert på kapasitetene for spunten, som er på 538 knm/m, er man dermed godt innenfor hva spunten tåler. For stiverne er det beregnet en dimensjonerende maksimal påkjenning på øvre og nedre stiver på henholdsvis 155 kn/m og 435 kn/m. Selve dimensjoneringen av stiversystemet er utført av COWI AS. 4.2 Sikkerhetsfaktor Minste beregnede sikkerhetsfaktor er 1,21, som oppnås ved utgraving til traubunn for profil C. Tar man i tillegg hensyn til geometrieffekten gir dette en reell sikkerhet på 1,44. 4.3 Vurdering av bunnoppressing Utgraving av gropa er vurdert mtp. bunnoppressing. Dette er gjort både ved å se på et grunnbrudd under spissen på spunten og et grunnbrudd på nivå med traubunn der også momentet i spunten er tatt hensyn til. I tillegg er det gjort en kontroll av en ren oppressing av proppen med kalk/semenstabelisert leire i forhold til et grunnbrudd. Alle beregningene viste mer en god nok sikkerhet, med minste sikkerhet mot bunnoppressing på 1,48. 5 Praktiske hensyn 5.1 Arbeidsrekkefølge på utgraving/sikring av spuntgrop Arbeidene skal utføres i følgende rekkefølge: 1. Avgraving til avgravingsnivå gitt på tegning 010 2. Installasjon av spunt rundt hele byggegropa. 3. Installasjon av kalk/sementpeler 4. Utgraving til 0,5 m under første stivernivå, kote -0,5 5. Montering av første stivernivå, kote 0 6. Avgraving til 0,5 m under andre stivernivå, kote -3,0 7. Montering av andre stivernivå, kote -2,5 8. Utgraving til traubunn, kote -5,5 9. Støping av bunnplate 10. Fjerning av andre stivernivå

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 7 11. Støping av vegger opp til etasjeskiller og støping av etasjeskiller inntil spuntvegg 12. Fjerning av øvre stiver. 5.2 Installasjon av kalk/sementpeler Det er viktig at man under installasjon av kalk/sementpelene får en god kontakt mellom pelene og spunten. Eventuelle gliper her vil føre til økte deformasjoner på spunten. Som tidligere nevnt, og som det er beskrevet i tilbudsgrunnlaget, skal det totalt settes ca 250 peler, hvorav 80 % (ca 200 stk) skal settes mellom kote -5,5 og - 10. De resterende 20 % (ca 50 stk) settes fra kote 0 og ned til kote -10. 5.3 Laster på riggområdet Det er lagt begrensninger på hvor store som kan påføres terrenget rundt gropa. Disse begrensningene er vist på tegning 011. Som tegningen viser er det i nord en begrensning på maksimalt 10 kpa over et begrenset område. For de øvrige sidene skal det IKKE påføres noe last på terrenget i en avstand på ca 5 m fra spunten. 5.4 Kjørbarhet av traubunn Ved utføring av den generelle avgravingen til kote 0 kan det hende at kjørbarheten til området rundt spuntgropa blir for dårlig. Det kan derfor være aktuelt å bygge opp et forsterknings- og bærelag før arbeidene starter. OK forsterknings- og bærelag skal ikke overstige kote 0 ved ferdig etablering 6 Referanser /1/ Statens vegvesen (2006) Rv 108. Parsell: Bjølstadforbindelsen Rapport 01R0108B_001, datert 01.04.2006 /2/ NGI (2005) NCC Construction - Nye Fredrikstad stadion. Grunnunderssøkelser Rapport 20051260-1, datert 04.10.2005 /3/ Ladd, C.C., Foott, R., Ishihara, K., Schlosser, F. and Poulos, H.G. (1977) Stress-deformation and strength caracteristics Proceedings from the 9 th International conference on soil mechanics and foundation engineering, Tokyo, 1977, s 421-494 /4/ NGI (2008)

Dokumentnr.: 20091981-00-4-TN Dato: 2010-09-09 Side: 8 Styrke av kalk-/sementstabilisert leire basert på laboratorie- og feltforsøk. Teknisk notat, prosjekt 20061580, datert 11.6.2008. /5/ NGI (1956) Veiledning ved løsning av fundamenteringsoppgaver NGI-publikasjon nr 16, 2. opplag