Pystyojitus vakuumikuormituksella on pystyojituksen kehittyneempi versio ja perustuu pys-tyojituksen ja alipaineen yhteisvaikutukseen. Menetelmän tavoitteena on vähentää maape-rän käytön aikaisia painumia käsittelyn jälkeen. Vakuumipumpulla imetään maaperästä vettä ja kaasua alipaineen avulla, jonka seurauksena tapahtuu konsolidaation lisäksi tyypil-lisesti sisäänpäin suuntautuneita sivusiirtymiä. Vakuumikuormitusta voidaan käyttää myös yhdessä painopenkereen kanssa optimoimaan sivuttaissuuntaisia muodonmuutoksia. Peh-meikön paksuuden ollessa suuri on usein perinteinen esikuormitus ja esikuormitus pys-tyojituksella liian hidas menetelmä. Vakuumikuormituksella voidaan nopeuttaa painumi-seen tarvittavaa aikaa lähes 3–6 kertaisesti. Vakuumikuormitus toimii tapauksissa, joissa maaperän kantavuus ei ole riittävä painopenkereen kantamiseen tai painopenkereen aiheut-tamat sivusiirtymät eivät ole sallittuja. (Ohtonen 2017).
Vakuumikonsolidaation menetelmät voidaan jakaa karkeasti kalvollisiin ja kalvottomiin menetelmiin. Perinteisesti vakuumikuormitusta on tehty kalvollisena menetelmänä, eli kä-sittelyalueen päälle on asennettu ilma- ja vesitiivis kalvo alipaineistusta varten. Kalvollisessa menetelmässä yhdistetään pystyojanauhat suoraan vaakasuuntaisiin putkiin eikä kalvolle ole tarvetta (kuva 31). Kalvollisella menetelmällä voidaan saavuttaa korkeampi alipaine, mutta kalvottoman menetelmän edut ovat helpompi toteutettavuus ja pienempi riski vuo-toihin. Kalvotonta menetelmää on myös helpompi yhdistää painopenkereen kanssa. (Ohto-nen 2017).
Päästö, kg CO2e/penger-m
Esikuormituspenkereen korkeus, m Helsinki
Päästö, kg CO2e/kenttä-m2
Esikuormituspenkereen korkeus, m Helsinki
Jyväskylä
Kenttärakenne
Kuva 4.6.1: Erilaisia menetelmiä pystyojituksen asentamiselle ja käytölle, kun kuormitus to-teutetaan vakuumikonsolidaatiomenetelmällä (mukaillen Cofra 2021a).
Vakuumikuormituksen teoreettinen maksimialipaineistus on 100 kPa, mutta erilaisten vuo-tojen takia todellinen alipaine on yleensä 70–80 kPa välissä. Kalvollisessa menetelmässä tulee noudattaa varovaisuutta tiivistyskalvon asentamisessa vuotojen vähentämiseksi. Tyy-pillinen vakuumikuormituksen kesto on 2,5–4 kuukautta ja saavutettu painuma noin 10–
20 % pehmeikön paksuudesta. (Kurian 2013). Vakuumikuormitus soveltuu erityisesti koh-teisiin, joissa kuormituspenkereen materiaalia ei ole edullisesti saatavilla, pehmeikkö on erittäin heikko ja rakennusaika on lyhyt. Vakuumikonsolidointi ei välttämättä toimi hyvin maaperässä, jossa on hyvin vettä johtavia kerroksia koheesiomaakerrosten välissä. Tällöin käsittelyalue tulisi eristää seinärakenteella tai pystyojaan asennettavalla eristävällä pinnalla.
(Ohtonen 2017).
Suunnittelu
Vakuumikonsolidaatio suunnitellaan pääsääntöisesti käsinlaskennalla empiirisillä ja ana-lyyttisillä menetelmillä ja numeerisilla menetelmillä silloin, kun halutaan selvittää ajasta riippuvan alipainekuorman vaikutukset kerroksellisessa maassa. Numeeristen menetelmien vaatimien maaparametrien määrittäminen on haastavaa. (Ohtonen 2017).
Rakentaminen
Perinteisessä kalvorakenteisessa vakuumikonsolidointitekniikassa järjestelmän osat ovat pystyojanauhat, ojitusmaakerros, vaakasuuntaiset ojat ja kokoojaputket, alipainepumppu sekä ilma- ja vesitiivis membraani. Ojitusmaakerroksen paksuus on yleensä 0,5–1,5 m ja ojituskerrosta voidaan käyttää myös työkoneiden alustana. Pystyojanauhojen asennustasot
jätetään noin 1 m vettä läpäisevän pohjamaakerroksen yläpuolelle. Pystyojitus tehdään suo-datinkerroksen läpi, johon asennetaan salaojaputkiverkosto. Tiivistysmembraania asenne-taan yleensä 2–3 kerrosta päällekkäin ja sillä peitetään koko käsittelyalue. Kalvottomassa järjestelmässä tarvitaan tapauskohtaisesti erillinen työkoneiden alusta, koska ojituskerrosta ei ole. Tiivistyskalvoa ei asenneta, vain pystyojanauhat kiinnitetään suoraan vaakasuuntai-siin poistoputkiin. (Ohtonen 2017). Käsiteltävä alue jaetaan varsinkin suurissa projekteissa pienempiin itsenäisiin alueisiin. Tyypillinen aluekoko perinteiselle kalvollisena vakuumi-konsolidaatiotekniikalle on 6000–10 000 m2, josta yksittäinen vakuumipumppu käsittelee noin 1000–1500 m2 aluetta ja pitää sen 80 kPa alipaineessa. Kalvottomalla tekniikalla pumppu pysty käsittelemään isompaa noin 5000–7500 m2 aluetta ja pitämään sen 75 kPa alipaineessa. (Ohtonen 2017). Nauskan ja Havukaisen (1998) mukaan mitä isommaksi kä-siteltävä alue kasvaa, sitä edullisemmaksi vaihtoehdoksi vakuumikonsolidaatio muodostuu.
Käyttömäärät Suomessa
Suomessa kokeiltiin vakuumikonsolidaatiota ensimmäistä kertaa Helsingin Itäkeskuksen koekentällä 70-luvulla (Nauska & Havukainen 1998). Kalvollista menetelmä on käytetty Helsingissä Torpparinmäessä 90-luvun alkupuolella ja Arabianrannassa 90-luvulla (Nauska
& Havukainen 1998 ja Puumalainen 1998). Kalvotonta vakuumikonsolidointia on suunni-teltu käytettäväksi Vantaalla Luhtaanmäen koekentällä, mutta hanketta ei ole vielä toteu-tettu (Kangas 2021).
Hiilijalanjälki
Päästölaskennan esimerkkirakenteessa on käytetty tiivistyskalvolla tiivistettyä vakuumi-konsolidaatiorakennetta. Päästölaskennassa on otettu huomioon kalliomurskeen, hiekan, pystyojanauhojen ja tiivistyskalvon valmistuspäästöt ja kuljetuspäästöt, pystyojanauhojen asennuspäästöt, penkereen rakentamisen, tasaamisen ja tiivistämisen päästöt, tiivistyskal-von asentamispäästöt ja vakuumikonsolidaatiojärjestelmän tarvitsemasta energiasta tulevat päästöt. Pystyojanauhojen ja tiivistyskalvon kuljetuspäästöissä on huomioitu tieliikenteestä ja laivaliikenteestä tulevat päästöt. Tiivistyskalvoa on käytetty 2 kerrosta. Päästölaskennassa ei ole huomioitu vakuumikonsolidaatiojärjestelmän asennuksesta johtuvia päästöjä. Esi-merkkirakenteessa pengerkorkeus on 2,5 m. Menetelmää pystyisi käyttämään ilman pen-gertä. Tämän takia on päästölaskentatuloksissa esitetty myös rakenne ilman penpen-gertä. Va-kuumikonsolidaation kestoksi on oletettu 4 kuukautta. Pystyojituksen alipaineistuspump-paukselle on päästölaskennassa käytetty tehoa 7,5 W/m2, joka vastaa noin 80 kPa esikuor-mitusta. Kirjallisuudessa alipaineistuspumppauksen teho on ollut noin 5–7,5 W/m2 (T. K.
Dam et al. 2006).
Kuvassa 4.6.2 on esitetty vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöt tiera-kenteessa. Penkereellisessä ja penkereettömässä rakenteessa on tuotteiden ja materiaalien valmistuspäästöjen osuus kokonaispäästöistä noin 50 %, kuljetusten osuus noin 25 % ja työ-suoritteiden osuus noin 25 %. Penkereellisen ja penkereettömän rakenteen päästöt jakautu-vat tuotteiden ja materiaalien, kuljetusten ja työsuoritteiden välille samoissa suhteissa, mutta penkereettömän rakenteen päästöt ovat noin 35 % pienemmät. Kuvassa 4.6.3 on esi-tetty vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöihin vaikuttavat tuotteet ja materiaalit, kuljetukset ja työsuoritteet. Merkittävä päästölähde on penkereessä käytetyn
kalliomurskeen valmistusvaihe ja kuljetukset. Kuvassa 4.6.4 näkee syvyyden vaikutuksen vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöihin. Syvyyden kasvaessa kasva-vat painumisen tasaamiseen tarvittavan kalliomurskeen määrä ja pystyojanauhojen valmis-tuksen, hankinnan ja asennuksen päästöt. Pehmeikön syvyydellä ei ole tällä menetelmällä yhtä korostunut vaikutus kuin stabilointimenetelmillä.
Kuva 4.6.2: Vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöt tierakenteessa. pen-kereen korkeus on penkereellisessä rakenteessa 2,5 m. Pehmeikön syvyys on 7 m.
Kuva 4.6.3: Vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöihin vaikuttavien tuot-teiden ja materiaalien (A1-A3), kuljetusten (A4) ja työsuorittuot-teiden (A5) päästöt tieraken-teessa Pohjois-Helsingissä.
Pengerellinen
Helsinki Pengeretön
Helsinki Pengerellinen
Jyväskylä Pengeretön Jyväskylä A5 Työsuoritteet 246,1832188 93,73070528 246,1832188 93,73070528
A4 Kuljetukset 316,9194314 113,4949759 171,3240085 60,94892347
A1-A3 Tuotteet ja materiaalit 522,4083594 181,0058785 522,4083594 181,0058785 0
300 600 900 1200
Päästö kg CO2e/penger-m
246317
Pohjois-Helsinki Ilman pengertä
Pohjois-Helsinki Penkereellinen
Jyväskylä Ilman pengertä Jyväskylä
Kallio- murske Hiekka Pystyoja- nauhat Tiivistys- kalvo Kallio- murske Hiekka Pystyoja- nauhat Tiivistys- kalvo Laiva- liikenne Nauhojen asennus Pengerrys Kuivatus- kerros Tasaus Penkereen tiivistys Tiivistys- kalvo Pumpun energia
A1-A3 A4 A5
Päästö kg CO2e/penger-m Pengerkorkeus on 2,5 m
Kuva 1.6.4: Syvyyden vaikutus vakuumikonsolidaatiolla toteutetun pystyojituksen päästöihin tiepenkereen (vasen) ja kenttärakenteen (oikea) tapauksessa. Penkereellisen rakenteen pengerkorkeus 2,5 m ja ilman pengertä 0 m.