Uudentyyppisen porapaaluseinän toimivuus ja rakenteellisen kestävyyden arviointi

Geoengineering maisteriohjelma

Uudentyyppisen porapaaluseinän

toimivuus ja rakenteellisen kestävyyden arviointi

Vilma Pakkastie

Diplomityö 18.11.2021

Copyright ©2021 Vilma Pakkastie

3

Tekijä Vilma Pakkastie

Työn nimi Uudentyyppisen porapaaluseinän toimivuus ja rakenteellisen kestä- vyyden arviointi

Koulutusohjelma Geoengineering

Vastuuopettaja/valvoja Prof. Leena Korkiala-Tanttu Työn ohjaaja(t) dipl.ins. Antti Perälä, dipl.ins. Aino Sihvola Yhteistyötaho ^SSAB

Päivämäärä ^18.11.2021 Sivumäärä ⁷² Kieli ^suomi

SSAB:n uudentyyppinen RDW-paaluseinä perustuu pituussaumahitsattuun eri- koisprofiiliin sekä porapaaluputkiin kiinnihitsattavaan lukkoprofiiliin. RDW-paa- luseinä soveltuu haastaviin, täytemaakerroksia tai lohkareita sisältäviin, asennus- olosuhteisiin. RDW-paaluseinä on materiaalikustannuksiltaan edullinen varasto- tuote, ja nopea saatavuus pyritään takaamaan tulevaisuudessa. RDW-paaluseinän jäykkyys ja momenttikestävyys ovat erittäin hyvät, ja vastaavat Suomessa yleisesti käytössä olevien teräsponttiseinien ominaisuuksia, kuten kokeellisen osuuden ana- lyyttiset laskelmat osoittavat. RDW-paaluseinää on käytetty työnaikaisena tukisei- nänä, mutta pitkäaikaisempi käyttö huomioidaan varautumalla korroosion vaiku- tukseen, ja tarkastelemalla lommahdus laskennallisesti, kun korroosio ylittää 4,0 mm. Työn tavoitteena on uudentyyppisen DRW-paaluseinän esittely ja sen toi- mivuuden sekä rakenteellisen kestävyyden analysointi. Tutkimusmenetelminä toi- mivat analyyttiset laskelmat, laboratoriokokeet RDW-lukkorakenteen vetokestä- vyydestä sekä kenttäkokemukset, jotka sisältävät urakoitsijan haastattelun ja RDW-paaluseinän ylösnoston.

RDW-lukkorakenteelle tehtyjen vetokokeiden tuloksista huomattiin, että pistehit- sattujen lukkoprofiilien vetokestävyys on noin 20 % matalampi verrattuna täyshit- sattujen lukkojen vetokestävyyteen. RDW-lukkorakenteen kestävyys riippuu mer- kittävästi siitä, miten naaraslukkoprofiili on kiinni uroslukkoprofiilin ympärillä.

Vetokokeessa naaraslukko otti kiinni vain uroslukon keskiosasta, eikä päistä, joten todellinen RDW-lukon vetokestävyys on saatuja tuloksia parempi.

Haastattelun perusteella RDW-paaluseinä on toimiva sekä taloudellinen ratkaisu, jonka asennus koekohteessa onnistui yleisesti ottaen hyvin. Verrattuna tavallisen RD-paaluseinän asennukseen, hitautta aiheutti avartimen suuri koko suhteessa RDW-paalun halkaisijaan. Käytetty uppovasara oli pieni suhteessa avartimeen, jol- loin tunkeutumisteho heikkeni. Kun tiedettiin etukäteen maaperän kivisyydestä ja kovuudesta, paalutuskoneeseen asennetulla erityisvälineistöllä saatiin parannettua RDW-paaluseinän asennustarkkuutta ja edelleen seinän suoruutta.

RDW-paalujen ylösnostossa selvisi, että 3 vuotta maassa olleet ja 4 m kallioon po- ratut porapaalut ovat uudelleenkäytettäviä. Uudelleenkäyttöä edellyttää uroslukko- profiilin vaurioiden tasoittaminen sekä mahdollinen porapaaluputken katkaisu.

Naaraslukkoprofiilissa ei ilmennyt merkittäviä vaurioita, mutta tarvittaessa profiili voidaan irrottaa ja katkohitsata tilalle uusi. Ylösnoston jälkeen kalliossa ei ilmennyt porauksen aiheuttamaa rikkonaisuutta.

Avainsanat tukiseinä, RDW-paaluseinä, lukkoprofiili, hitsaus, vetokoe

4

Author Vilma Pakkastie

Title of thesis Operability of a new type drill pile wall and evaluation of struc- tural durability

Programme Geoengineering

Thesis supervisor Prof. Leena Korkiala-Tanttu Thesis advisor(s) MSc Antti Perälä, MSc Aino Sihvola Collaborative partner SSAB

Date 18.11.2021 Number of pages ⁷² Language ^finnish New type of RDW pile wall by SSAB is based on a longitudinally welded special drill pile profile and a lock profile that is welded to drill pile. RDW wall is suitable for challenging installation conditions, for example soil with thick fill layers and boul- ders. RDW wall has economical material costs and rapid availability is planned to be quaranteed in the future. Wall stiffness and bending resistance are excellent and correspond to the properties of sheet pile walls commonly used in Finland, which can be seen in the analytical calculations in the experimental part of this thesis.

RDW wall has been used as a retaining wall during construction. However, possi- bility for long-term use is taken into account by preparing for effect of corrosion and calculating local buckling when corrosion exceeds 4,0 mm. The purpose of this thesis is to introduce RDW pile wall and analyze its operability and structural du- rability. The research methods used are analytical calculations, laboratory tests and site experiences, which include interview with contractor and lifting a RDW wall.

From the results of the tensile tests performed on the RDW lock structure, it was found that the lock profile’s pull out resistance with intermittent weld is about 20 % lower compared to the corresponding strength of locks with full welding. The dura- bility of the RDW lock structure depends significantly on how the female lock pro- file is attached to the male lock profile. In the tensile test, due to deformations in the male lock profile, the female lock only grabbed the center of the male lock profile and not the ends. Therefore, the RDW lock structure’s actual pull out resistance is better than the results obtained.

Based on the interview, RDW pile wall is functional as well as economical solution and the installation was described as a positive experience. The slowness in instal- lation, compared to a standard RD pile wall, was caused by the large size of the expander relative to the diameter of the RDW drill pile. In this case, the used down- the-hole hammer is small in relation to the expander, which reduces the percussion force. When the hardness of the soil was known in advance, the installation accu- racy and the straightness of the RDW wall were improved by installing special equipment to the piling machine.

RDW piles, that had been on the ground for nearly 3 years and were drilled in the depth of 4 m into the bedrock, were observed to be reusable when they were lifted up. However, reuse requires repairing the damage on the male lock profile and cut- ting off the drill pile pipe. There was no significant damage to the female lock pro- file, but on the other hand, the profile could be removed and replaced with a new one, if needed. After lifting the RDW wall, there was no rupture visible in the rock caused by drilling.

Keywords retaining wall, RDW pile wall, lock profile, welding, tensile test

5

Sisällys

Esipuhe ... 7

1 Johdanto ... 8

2 Tukiseinätyypin valintaperusteet ... 10

2.1 Kaivantotyypin valinta toiminnallisessa suunnittelussa... 10

2.2 Tukiseinätyypin valinta ... 10

2.3 Väliaikaiset tukiseinätyypit ... 11

2.3.1 Väliaikainen teräsponttiseinä ... 11

2.3.2 Settiseinä ... 12

3 Porapaaluseinät ...13

3.1 Porapaaluseinien kehitys ... 13

3.2 RDW-paaluseinä... 15

3.3 Porapaaluseinän asennustekniikka ... 15

3.4 Porapaalutuksen ympäristövaikutukset ...17

3.5 Teräs porapaalujen materiaalina ... 18

3.6 Korroosio ... 19

3.7 Porapaaluputkien ylösnostaminen ja uudelleenkäyttö ... 20

4 Tukiseiniin kohdistuvat kuormat ...21

4.1 Maanpaine ... 21

4.1.1 Lepopaine ... 21

4.1.2 Aktiivinen ja passiivinen maanpaine ... 21

4.2 Vedenpaine ... 22

4.2.1 Huokosvedenpaine ... 22

4.2.2 Hydrostaattinen vedenpaine ... 22

4.2.3 Hydrodynaaminen vedenpaine ... 23

5 Porapaaluseinän kaivanto ja vesitiiveys ... 24

5.1 Porapaaluseinän asennustekniikan vaikutus vesitiiveyteen ... 24

5.1.1 Lukkorakenteen vesitiiveys ... 25

5.1.2 Porapaalun alaosan kallioliitos ... 26

5.1.3 Maainjektointi ... 28

5.1.4 Porapaalu-suihkuinjektoitu seinä ... 29

5.1.5 Kallion verhoinjektointi ... 29

6

5.1.6 Injektointiaineet ... 30

5.1.7 Porapaalujen jäykkyys kalliokontaktissa ... 31

6 RDW-paaluseinän lukkorakenne ... 32

6.1 Lukon hitsaustekniikka ... 33

6.1.1 Hitsaus yleisesti ... 33

6.1.2 Hitsaus työmaalla ... 33

6.2 Lukkorakenteen korroosio ... 34

7 Rakenteellinen toimivuus ... 35

7.1 Kappaleen jäyhyysmomentin määrittäminen ... 35

7.2 RDW-paaluseinän poikkileikkausarvot AutoCAD ... 43

7.3 RDW-paalun poikkileikkausluokitus ja lommahdus ... 45

7.3.1 Lommahdustarkastelu ... 47

8 Laboratoriokokeet ... 54

8.1 RDW-lukon rakenteellinen lujuus... 54

8.2 RDW-paaluputken materiaalin kelpoisuuden toteaminen ... 60

9 Kenttäkokemukset rakenteesta ... 62

9.1 Urakoitsijan haastattelu ... 62

9.2 Porapaalujen ylösnostaminen ... 64

10 Johtopäätökset ... 68

Lähteet ... 70

7

Esipuhe

Tämä diplomityö on tehty SSAB:lle, joka on vastannut kokeellisen osuuden toteuttamisesta. Mukana on ollut Sitowise Oy rahoittamassa kirjoitustyötä.

Työtä valvoi professori Leena Korkiala-Tanttu, jota kiitän työn tarkastami- sesta, kaikista kommenteista ja rakentavasta ohjauksesta maisteriopintojen ja diplomityön aikana. Lämpimät kiitokset haluan esittää myös työtä ohjan- neelle dipl. ins. Antti Perälälle SSAB:ltä erittäin mukavasta yhteistyöstä ja mielenkiintoisesta aiheesta, joka oli samalla sekä teoreettinen että käytän- nönläheinen. Suuret kiitokset kuuluvat myös dipl.ins. Aino Sihvolalle Sitowi- seltä kannustamisesta ja tukemisesta työn aikana. Kiitos myös haastatteluun osallistuneelle urakoitsijalle.

Lopuksi haluan kiittää ystäviäni, perhettäni ja erityisesti kihlattuani Joo- nasta kaikesta tuesta, kannustuksesta ja avusta opintojeni sekä diplomityön aikana.

Kauniainen 18.11.2021

Vilma Pakkastie

8

1 Johdanto

Tukiseinät on kehitetty kaivantoja varten, joiden syvyys on merkittävä ja joissa ympäristöön kohdistuvia vaikutuksia, kuten maapohjan muodonmuu- toksia, halutaan rajoittaa. Vaativissa olosuhteissa tukiseinien käyttö mahdol- listaa kaivannon viereisen toimintatilan riittävyyden sekä turvallisen työs- kentelyn erityisesti helposti sortuvassa maaperässä.

Tukiseinätyypin valintaan vaikuttaa useita tekijöitä, kuten kaivannon pohja- olosuhteet, ympäristö, tukiseinän vesitiiveysvaatimukset sekä sen kestoikä.

Tavallisissa pohjaolosuhteissa, kun teknisesti kaikki tukiseinätyypit ovat käyttökelpoisia, rakennuskustannukset ja aika ovat merkittäviä tekijöitä tu- kiseinätyypin valinnassa. Olosuhteiden muuttuessa vaativiksi, käytettävissä olevat tukiseinätyypit vähenevät ja tukiseinien erityisominaisuudet muuttu- vat merkittävämmiksi.

Porapaaluseinät on kehitetty erittäin vaativiin kaivantoihin, joissa maaperä on kivinen, lohkareinen tai se sisältää paksuja täytemaakerroksia, eikä kus- tannuksiltaan edullisempien tukiseinien asentaminen ole mahdollista. Pora- paaluseinän käyttö on mahdollista sekä pysyvissä rakenteissa että työnaikai- sena tukirakenteena, ja niillä on erittäin suuri taivutusjäykkyys ja -kestävyys.

Porapaaluseinärakenne kykenee toimimaan vaakakuormia kestävänä maan- paineseinänä ja merkittäviä pystykuormia kantavana perustusrakenteena, sillä porapaalut porataan kallioon.

Diplomityön perustana on SSAB:n kehittämä uudentyyppinen RDW-paalu- seinä, joka koostuu pituussaumahitsatuista porapaalun erikoisprofiileista sekä lukkoprofiileista. RDW-paaluseinä on kehitetty edulliseksi varastotuot- teeksi, ja seinän asentaminen on turvallisempaa kuin esimerkiksi settiseinän, sillä tukiseinän asennus on mahdollista ennen kaivujen tekoa. RDW-paalu- seinän jäykkyys ja momenttikestävyys ovat erittäin hyvät, ja vastaavat Suo- messa yleisesti käytössä olevien teräsponttiseinien ominaisuuksia.

Diplomityön aiheen rajauksessa RDW-paaluseinä on tarkoitettu työnai- kaiseksi tukiseinäksi, jolla ei vielä tässä vaiheessa ole vesitiiveysvaatimusta.

Porapaaluseinän mahdollinen pitkäaikaisempi käyttö huomioidaan varautu- malla korroosion vaikutukseen. Korroosion takia porapaaluseinän lommah- dus on tarkistettava analyyttisesti.

Diplomityön tavoitteena on esitellä uudentyyppinen RDW-paaluseinä ja analysoida sen toimivuutta sekä rakenteellista kestävyyttä analyyttisesti sekä laboratoriossa, tutkimalla RDW-paaluseinän lukkorakenteen vetokestä- vyyttä. Lisäksi tavoitteena on selvittää käytännön kokemuksia RDW-

9

paaluseinän asennuksesta sekä siitä, ovatko RDW-paaluputket uudelleen- käytettäviä ylösnoston jälkeen.

Diplomityö koostuu teoriaosuudesta sekä kokeellisesta osuudesta. Teoria- osuudessa käsitellään tukiseinien valintaperusteita ja erilaisia tukiseinätyyp- pejä sekä esitellään RDW-paaluseinä, sen asennustekniikka ja materiaa- liominaisuudet. Lisäksi teoriaosuudessa kerrotaan maan- ja vedenpaineen vaikutuksesta tukiseiniin sekä käsitellään porapaaluseinien vesitiiveyttä sekä menetelmiä, joilla vesitiiveyttä voidaan parantaa. Teoriaosuuden lopussa kerrotaan RDW-paaluseinän lukkorakenteesta sekä hitsaustekniikasta. Ko- keellisessa osuudessa esitetään laskentamenetelmä jäyhyysmomentin rat- kaisemiseksi, lasketaan RDW-paaluseinän rakenteellisen kestävyyden omi- naisarvot analyyttisesti sekä lasketaan korroosiosta johtuvan paikallisen lommahduksen vaikutus porapaalun taivutuskestävyyteen. Lisäksi kokeelli- nen osuus kattaa laboratoriokokeiden tulokset RDW-paalun lukkorakenteen rakenteellisesta kestävyydestä. Kokeellisen osuuden lopussa käsitellään po- rapaaluputkien materiaalitodistuksen tulokset ja kenttäkokemuksia RDW- paaluseinästä urakoitsijan haastattelun sekä porapaaluseinän ylösnostami- sen, ja porapaalujen mahdollisen uudelleenkäytön, näkökulmasta.

10

2 Tukiseinätyypin valintaperusteet

Maahan joudutaan kaivamaan kaivanto monista eri syistä, sillä esimerkiksi rakennusten perustukset sijoitetaan usein alkuperäisen maanpinnan alapuo- lelle, rakenteet vaativat korjausta tai maanalainen tekniikka halutaan kaivaa esille. Jos olosuhteet, kuten maapohjan laatu sekä pohjaveden pinnan taso, ovat epäedulliset, kaivannosta voi tulla erittäin kallis, vaikeasti toteutettava ja erityisasiantuntemusta vaativa rakennusvaihe. [1, s. 104.] Kaivannot luo- kitellaan tavanomaisiksi, vaativiksi ja erittäin vaativiksi, mikä määrää suun- nittelijan pätevyysvaatimuksen [2, s. 11].

2.1 Kaivantotyypin valinta toiminnallisessa suunnittelussa Kaivannon toiminnallisessa suunnittelussa kaivantotyypin valinta on yksi vaiheista, jossa pohditaan, rakennetaanko kaivanto luiskattuna vai tuettuna.

Luiskattu kaivanto on yleensä ensisijainen ratkaisu, sillä sen toteutus on yk- sinkertaisinta ja usein edullisinta. [2, s. 31, 44.] Luiskan kaltevuus ja tästä riippuva kaivannon tilantarve määräytyvät maaperän geoteknisten ominai- suuksien, kuten maan lujuuden, sekä kaivannon syvyyden perusteella. Luis- katun kaivannon kaltevuus valitaan niin, että saavutetaan tarpeeksi suuri varmuus luiskien sortumista vastaan. [1, s. 104, 109.]

Kaivantotyypiksi valitaan tuettu kaivanto luiskatun kaivannon sijaan, jos luiskan tilantarve on liian suuri kohteeseen tai jos kaivannon syvyys on mer- kittävä. Tällöin luiskatun kaivannon kaivu- ja täyttömassojen käsittelykus- tannukset ovat suuria, ja tuettu kaivanto on lopulta taloudellinen ratkaisu.

Valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat myös ympäristöön kohdistuvien vaiku- tusten rajoittaminen, kuten maapohjan muodonmuutosten vähentäminen, sekä kaivannon vesitiiveys. [2, s. 44-45.]

Erityisesti vaativissa olosuhteissa tuetulla kaivannolla voidaan mahdollistaa, että kaivannon vieressä on riittävästi toimintatilaa, jolloin työmaan logis- tiikka tehostuu niin kaivantovaiheessa kuin myöhemmissä rakennusvai- heissa [2, s. 45]. Myös työturvallisuuden näkökulmasta tuettu kaivanto, eri- tyisesti tärinävaikutuksen alaisessa helposti sortuvassa maaperässä, on var- mempi valinta verrattuna luiskattuihin kaivantoihin [1, s. 105].

2.2 Tukiseinätyypin valinta

Eurokoodin mukaan tukirakenteet voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin.

Nämä päätyypit ovat tukimuurit, upotetut tukiseinät ja yhdistelmärakenteet.

[3, s. 16.]

Tukiseinätyypin valintaan vaikuttaa useita tekijöitä. Niitä ovat esimerkiksi kaivannon pohjasuhteet, ympäristö, syvyys sekä tarvittava tila eri

11

työmenetelmille. Myös tukiseinän vesitiiveys, kestoikä ja sen toimiminen tu- kirakenteena lopullisen rakenteen osana vaikuttavat valintaan. [4, s. 469.]

Rakennuskustannukset ja aika ovat merkittäviä tekijöitä, kun kyseessä on ta- valliset pohjaolosuhteet. Tällöin kaikki eri tukiseinätyypit ovat teknisesti käyttökelpoisia. Kun olosuhteet muuttuvat vaativammiksi, käytettävissä ole- vat tukiseinätyypit vähenevät. Näissä tapauksissa tukiseinien erityisominai- suudet muuttuvat merkittävämmiksi. [2, s. 45.] Tässä työssä käsiteltävät tu- kiseinät kuuluvat upotettuihin väliaikaisiin tukiseiniin.

2.3 Väliaikaiset tukiseinätyypit

Kaivantojen tukiseinärakenteet voidaan jakaa käyttöajan perusteella pysy- viin sekä väliaikaisiin, eli työnaikaisiin tukiseiniin [5, s. 103]. Kun tukiseinän käyttöikä on alle 2 vuotta, ja sitä tarkkaillaan käyttöaikanaan, se katsotaan väliaikaiseksi. Väliaikaisen tukiseinän käyttöiän ollessa yli 2 vuotta, suunnit- telussa tulee huomioida [2, s. 58-59]:

- Tukiseinää kuormittava maanpaine on laskettava lepopaineena

- Ankkurien ja tukiseinän korroosiosuojauksen riittävyys selvitettävä erik- seen

Työnaikaiset tukiseinärakenteet poistetaan yleensä käytön jälkeen, ellei pois- tosta seuraa haitallisia siirtymiä tai painumia viereisille rakenteille [5, s.

103].

2.3.1 Väliaikainen teräsponttiseinä

Teräsponttiseinä on maailmanlaajuisesti eniten käytetty tukiseinätyyppi, ja niitä käytetään yleisimmin syvien kaivantojen tukemiseen [1, s. 115-117]. Te- räsponttiseinän muodostavat pystysuorat teräsponttilankut, jotka täryte- tään, lyödään tai painetaan maahan [2, s. 45].

Teräsponttilankkujen muoto, koko ja teräslaatu vaihtelevat käyttökohteen mukaan. Lankut voidaan jakaa muun muassa kevyisiin, raskaisiin ja erikois- profiileihin. Suomessa käytetyimmät ponttilankut ovat kuvassa 1 esitetyt ras- kas U- tai Z-profiili. [4, s. 470.] Teräsponttiyhdistelmistä U-profiilit liittyvät toisiinsa ja ne lyödään ponttiin seinän poikkileikkauksen neutraaliakselilla [1, s. 115]. Z-profiilit liittyvät vastaavasti toisiinsa seinän ulkosivulla [2, s. 47].

Kuva 1. Teräsponttiseinän yleisimmät profiilit. Vasemmalla U-profiili ja oike- alla Z-profiili [6, s. 582].

12

Teräsponttilankkujen asennuksessa käytetään paneelimenettelyä, missä lan- kut lyödään maahan asteittain useamman lankun sarjoina [1, s. 116]. Maa- hanlyönnin aikana teräsponttilankut pyrkivät kallistumaan suuntaan, johon lankutus etenee. Tässä voidaan käyttää apuna kiristettyä vaijeria, joka tukee lankkua ja vähentää kallistusta. [4, s. 471.]

Jos maapohja on kivinen, teräsponttilankutuksen suunnittelussa on varau- duttava merkittäviin sijaintipoikkeamiin [2, s. 45]. Jos kivet ja lohkareet ovat suuria tai kitkamaakerros on hyvin tiivis, teräsponttilankutus ei ole mahdol- lista, koska tukiseinää ei saada asennettua tarvittavaan syvyyteen. Lankun osuessa suureen lohkareeseen, se voi taipua tai vaurioitua alaosastaan. [1, s.

117.] Lisäksi haastavissa pohjaolosuhteissa teräsponttien lukkoliitoksiin voi syntyä merkittäviä muodonmuutoksia [2, s. 48]. Edellä mainitut seikat vai- keuttavat myös lankkujen ylösvetoa ja uudelleenkäyttöä [1, s. 117].

2.3.2 Settiseinä

Settiseinää käytetään sekä matalien että syvien kaivantojen tuennassa. Sei- nän runko muodostuu maahan lyötävistä pystysuorista teräspalkeista. [4, s.

471.] Teräspalkit asennetaan 1,0…4,0 metrin etäisyydelle toisistaan. Yleisim- min käytetään H-profiilin teräspalkkia tai kahta [-profiilin palkkia, jotka asennetaan rinnakkain. Porapaalujen käyttö pystypalkkeina on myös mah- dollista. [2, s. 50.] Runkoon, teräspalkkien väliin, asennetaan vaakasuuntai- nen lankutus, joka toimii seinärakenteena. Settilankkuina käytetään yleensä kevyitä puulankkuja tai teräspalkkeja. [4, s. 471.] Seinärakenteena voidaan käyttää myös valettuja betonipalkkeja, ruiskubetoniseinää tai pystypalkkei- hin hitsattavia teräslevyjä [2, s. 50]. Settiseinän leikkaus on esitetty alla ku- vassa 2.

Kuva 2. Settiseinä [6, s. 584].

Settiseinän rakentamisessa tulee huomioida painumat ja sortumat, jotka syntyvät seinän asennusvaiheen yhteydessä, kun lankkujen taakse jää tyhjää tilaa [7, s. 38]. Settiseinän käyttö nykyään on harvinaista, sillä sen rakenta- minen on usein hidasta. Settiseinää käytetään teräsponttiseinää korvaavana tukiseinänä kohteissa, joissa ponttien asennus tavoitetasoon on mahdotonta maapohjan ollessa tiivistä, kivistä tai lohkareista. [2, s. 51.]

13

3 Porapaaluseinät

Porapaaluseinä on kehitetty erittäin vaativiin kaivantoihin, kun kustannuk- siltaan edullisempien tukiseinien asentaminen ei ole mahdollista. Porapaa- luseinää suositellaan käytettäväksi kohteissa, joissa [2, s. 52-53]:

- maapohja on lohkareinen, kivinen tai sisältää tiiviitä karkearakeisia kitka- maakerroksia, mutta maaperässä ei ole metalliromua

- tukiseinän edellytys on suuri taivutusjäykkyys

- tukiseinällä on pienet sallitut sijainti- ja kaltevuuspoikkeamat

- tukiseinää voidaan hyödyntää pysyvänä pystykuormia kantavana raken- teena

- tukiseinä voidaan upottaa kallioon haluttuun syvyyteen.

3.1 Porapaaluseinien kehitys

Porapaaluseinä muodostetaan teräsputkipaaluilla, jotka kiinnittyvät toi- siinsa putkien sivuille hitsattavilla lukkoprofiileilla kuvan 3 mukaisesti. Po- rapaalujen porauksessa käytetään ylikoon avarrinkruunua, jonka halkaisija on uroslukkoprofiilin verran suurempi kuin paalun ulkohalkaisija. Kun po- rapaaluseinän on määrä ulottua kallioon, paalut upotetaan yleensä 0,5-1,5 m ehjän kallion sisään. [2, s. 51.]

Kuva 3. Kallion sisään ulottuva porapaaluseinä kaivannon tukiseinänä [8, s.

6].

14

Porapaaluseinää voidaan käyttää sekä pysyvissä rakenteissa että työnaikai- sena tukirakenteena. Porapaaluseinä on hyvä ratkaisu kohteissa, joissa tuki- seinällä tulee olla suuri taivutusjäykkyys ja -kestävyys. Ja kun porapaalut ulotetaan kallioon, porapaaluseinä kestää lisäksi erittäin suuria pystysuun- taisia kuormia. Eli porapaaluseinärakenne kykenee toimimaan samanaikai- sesti vaakakuormia kestävänä maanpaineseinänä ja merkittäviä pystykuor- mia kantavana perustusrakenteena. Porapaaluseinä on mahdollista tehdä vesitiiviiksi. [8, s. 5.] Porapaaluseinien etuna on myös paalujen vähäiset si- jainti- ja kaltevuuspoikkeamat keskisen porausmenetelmän ansiosta [9, s.

184].

Porapaaluseinän ominaisuuksiin, kuten jäykkyyteen, taivutuskestävyyteen ja pystykantavuuteen, pystytään vaikuttamaan monipuolisesti muuttamalla porapaaluputken halkaisijaa, teräksen laatua tai putken seinämän paksuutta.

Seinän jäykkyys ja pystykantavuus paranevat edelleen porapaaluputken si- säpuolisella raudoituksella ja betonoinnilla. Hyvän jäykkyyden avulla pora- paalujen tukitasojen sijainti sekä määrä on optimoitavissa. [2, s. 51.] Pora- paaluseinä on myös mahdollista vaakatukea teräksisten palkistojen avulla ja maa-/kallioankkureilla samalla tavoin kuin teräsponttiseinien tapauksessa [10, s. 13].

RD-paaluseinä, kun se vaatii erityistä jäykkyyttä, on mahdollista toteuttaa myös Combi-seinänä. Combiseinä koostuu primaari- ja sekundaarielemen- teistä. Primaarielementteinä voivat toimia teräsputkipaalut, joiden väliin asennetaan sekundaarielementtejä, jotka ovat yleensä U:n tai Z:n muotoisia teräspontteja, kuten kuvassa 4 esitetään. Teräspontit asennetaan yleensä, lyömällä tai täryttämällä, putkipaalujen poraamisen jälkeen. [8, s. 5,9.] Com- biseinillä on hyvä muunneltavuus, jolloin rakenteen kapasiteettia ja muotoa on mahdollista optimoida kohteeseen sopivaksi. Lisäksi combiseiniä käytet- täessä pystykuormia voidaan hallita hyvin, ja combiseinien taivutuskestävyys käytetyn materiaalin määrään suhteutettuna on hyvä. [11, s. 4,14.]

Kuva 4. Erilaisia combi-seinä yhdistelmiä [12, s. 9].

15

3.2 RDW-paaluseinä

Uudentyyppinen RDW-paaluseinä, joka on esitetty kuvassa 5, perustuu SSAB:n pituussaumahitsattuun erikoisprofiiliin sekä naaraslukkoprofiiliin, jotka voidaan hitsata kiinni putkiin joko tehtaalla tai työmaalla. Teräsputki- paalujen lukkoprofiileina käytetään erikoisvalmisteisia rullamuovattuja luk- koja. [13, s. 5.]

Kuva 5. Vasemmalla periaatekuva RDW-paaluseinärakenteesta ja oikealla jo asennettua seinälinjaa [13, s. 5,14].

Porapaaluseinä asennetaan keskisellä porausmenetelmällä standardoitua uppovasarakalustoa sekä ylikokoista, halkaisijaltaan 407 mm, avarrinkruu- nua käyttämällä. RDW-paaluseinä soveltuu käytettäväksi kuten tavallinen porapaaluseinä eli haastaviin asennusolosuhteisiin, esimerkiksi jos maape- rässä on paksuja täytemaakerroksia tai lohkareita, eli silloin kun teräspont- tiseinän asennus on vaikeaa tai jopa mahdotonta.

RDW-paaluseinän asentaminen on turvallisempaa kuin esimerkiksi settisei- nän, sillä tukiseinän asennus on mahdollista ennen kaivujen tekoa. Seinän jäykkyys ja momenttikestävyys vastaavat Suomessa yleisesti käytettyjen te- räsponttiseinien ominaisuuksia. RDW-paaluseinää on käytetty työnaikai- sena tukiseinänä, joten tällä hetkellä vesitiiveysvaatimusta seinällä ei ole.

RDW-paaluseinä on materiaalikustannuksiltaan edullinen varastotuote, joissa porapaalujen pituus on tällä hetkellä 12 m, ja tulevaisuudessa pyritään takaamaan tuotteen nopea saatavuus. [13, s. 5-6.]

3.3 Porapaaluseinän asennustekniikka

Suomessa porapaalut asennetaan käyttämällä iskeviä porausmenetelmiä, jotka perustuvat syöttövoimaan, pyöritykseen, iskuun ja huuhteluun [14, s.

73]. RDW-paalujen asentamisessa käytetään keskistä porausmenetelmää, joka on esitettynä kuvassa 6, ja uppovasaraan perustuvaa porauskalustoa [8, s. 5,27].

16

Keskisessä porausmenetelmässä, jonka periaate on esitetty alla kuvassa 6, kalustossa käytetään pilottikruunua ja keskistä avarrinkruunua [14, s. 76].

Avarrinkruunuja on kaksi erilaista; kiinteä maakenkään lukittu avarrin ja ir- rallinen maakenkään lukitsematon avarrin [10, s. 35]. Avarrinkruunu kiinni- tetään maakengän avulla porausputken alaosaan, jossa avarrinkruunu pyörii ilman porausputken pyörimistä [9, s. 212].

Pilottikruunu ja avarrinkruunu ovat lukittuna toisiinsa porauksen aikana.

Kun päästään tavoitesyvyyteen, pilottikruunu otetaan irti avarrinkruunusta ja vedetään ylös. [14, s. 76.] Avarrinkruunu jätetään yleensä valmiin paalun osaksi [9, s. 146]. Mikäli avarrinkruunu tai maakenkä jätetään osaksi paalun kantavaa rakennetta, niiden on kestettävä mahdolliset rasitukset [10, s. 12].

Tästä eteenpäin poraus voidaan tehdä kallioporauksena tarvittaessa. On ole- massa myös porakruunujärjestelmiä, missä kallioporaukseen voidaan käyt- tää samaa pilottikruunua. [9, s. 214.]

Porauksen aikana syöttövoimasta aiheutuva paine pilottikruunun alla on pie- nempi kuin huuhtelupaine, minkä ansiosta kruunussa olevat huuhtelureiät pysyvät auki porauksen ajan. Jos huuhtelureikien tukkeutumista tapahtuu, reiät voidaan avata nostamalla huuhtelupainetta suurimpaan mahdolliseen arvoon, muuttamalla pyöritys- ja syöttövoimaa tai vaihtamalla huuhtelussa käytettävä aine nesteestä ilmaksi. [9, s. 220.]

Kokemukseen perustuen keskistä porausmenetelmää käyttäen saavutetaan yleensä suorempia porapaaluja kuin epäkeskisillä menetelmillä, jotka perus- tuvat ainoastaan yhteen avarrinkruunuun. Maaperän ollessa lohkareinen ja kivinen, rengasavartimellinen porakruunu on yleensä nopeampi ja luotetta- vampi kuin epäkeskinen porausmenetelmä ja siipiavartimen käyttö. [10, s.

35.] Keskistä porausmenetelmää käytetään aina läpi-injektoitavien porapaa- lujen asennuksessa [14, s. 76].

Kuva 6. Keskisen porausmenetelmän periaatekuva [15, s. 32].

17

Porauskalustona keskisessä menetelmässä RDW-paaluseinän asennuksessa käytetään uppovasaraan perustuvaa porauslaitetta, joka on kuvattuna alla kuvassa 7. Uppovasaraan perustuvassa porauslaitteessa pyöritys- ja lyöntiyk- siköt ovat erotettu toisistaan. Poratangot, jotka sijaitsevat porausputken si- sällä, kiinnittyvät uppovasaraan ohjausholkin välityksellä. Uppovasara kiin- nittyy edelleen porakruunuun. Porausputki saadaan maahan kohdistamalla iskuenergia ohjainosasta maakenkään. Porausputken sisäpuolista poratan- koa pyörittää pyöritysyksikkö, joka sijaitsee paalun pääosan yläpuolella. Po- rauslaitteen poravasarat toimivat joko pneumaattisesti tai vesikäyttöisesti.

Kuten päältälyötävässä porauslaitteessa, pyöritysyksikkö ja poratangot toi- mivat hydraulisesti. On huomattu, että uppovasaraan perustuvilla poraus- laitteilla asennetuista porapaaluista saadaan hieman suorempia kuin pääl- tälyötävään vasaraan perustuvilla laitteilla. [9, s. 148, 211.]

Kuva 7. Uppovasaraan perustuva porauslaite (muokattu) [14, s. 74].

3.4 Porapaalutuksen ympäristövaikutukset

Porapaalutuksen ympäristöhäiriöiden laajuus ja vakavuus riippuvat paalu- tuksen sijainnista, maaperä- ja pohjavesisuhteista, menetelmästä sekä työ- vaiheesta [8, s. 32].

Porapaaluseinän asentaminen tiiviiden maakerrosten läpi aiheuttaa yleensä vähemmän tärinää kuin teräsponttien lyöminen, eikä tärinä ole yleensä ym- päristöä vahingoittavaa, joten seinä soveltuu tärinäherkkien rakenteiden lä- heisyyteen [8, s. 6][2, s. 53].

Karkearakeisten maakerrosten tapauksessa, poraus voi aiheuttaa löyhien maakerrosten tiivistymistä, ja vastaavasti tiiviiden maakerrosten löyhty- mistä. Paalua tukevan maan löyhtymistä tapahtuu, jos paalun tilavuus on pienempi kuin porauksen aikana poistuvan maa-aineksen tilavuus. [9, s.

221.] Hienorakeisissa maakerroksissa poraus voi johtaa maaperän häiriinty- miseen ja huokosvedenpaineen kasvuun, mikä johtaa maakerrosten

18

lujuuden alenemiseen [10, s. 36]. Tästä voi seurata läheisten rakenteiden pai- numia tai sivusiirtymiä. Erityisen suuria riskejä on stabiliteetiltaan herkissä rakennuskohteissa ja jos läpäisemättömien maakerrosten alla on paineellista pohjavettä. Maakerrosten lujuuden palautuminen on hidasta, ja kun ky- seessä on ylikonsolidoitunut maakerros, lujuus palautuu vain osittain. [9, s.

220-221.]

Porauksessa paalut asennetaan ylikokoisella avarrinkruunulla, jonka halkai- sijan koko on uroslukkoprofiilin verran suurempi kuin putken halkaisija. Täl- löin porapaaluputken ympärille jää tyhjätila, joka täyttyy porasoijalla ja ym- päröivällä maamassalla, jonka tilavuus riippuu käytettävän uroslukkoprofii- lin leveydestä. Tiiviissä kitkamaassa, tyhjätila korvautuu melkein kokonaan porasoijalla. Tämän ansiosta muodonmuutokset tukiseinää ympäröivässä maapohjassa ovat pieniä. Maapohjan suurempia muodonmuutoksia sekä painumia tukiseinän vieressä voi tapahtua porattaessa löyhässä maaperässä, kuten kitka- tai täyttömaissa, tai pehmeässä koheesiomaassa. Maapohja voi myös häiriintyä, jos paineilma karkaa paaluputken ulkopuolelle. Porapaalu- seinän jäykän rakenteen ansiosta seinän taipuminen ja sitä seuraavat muo- donmuutokset maapohjassa jäävät kuitenkin pieniksi. [2, s. 53.]

3.5 Teräs porapaalujen materiaalina

Teräs on maailmanlaajuisesti rakennusteollisuuden tärkein raudan jatkoja- lostuksen seurauksena syntynyt käyttömetalli. Teräkset ovat rautametallin ja hiilen seoksia, joissa hiilipitoisuus on alle 1,7 %. [16, s. 180.] Teräslajeja on olemassa useita tuhansia. Teräksen poikkeavuus muihin rakennusmateriaa- leihin, kuten tiileen, betoniin ja puuhun verrattuna on sen suuri lujuus. Te- räksen koostumus ja valmistusprosessi mahdollistavat mekaanisten ominai- suuksien säätämisen. [17, s. 27.] Esimerkiksi lisäämällä teräkseen lisäaineita, sen lopullisiin ominaisuuksiin on mahdollista vaikuttaa merkittävästi.

Seostamalla teräkseen pieniä määriä mikroseosaineita, kuten alumiinia tai tinaa, teräksen sitkeys, lujuus sekä hitsattavuus paranevat. Edelleen lisää- mällä kuparia tai nikkeliä on mahdollista parantaa teräksen korroosionkes- tävyyttä ja sitkeyttä. [16, s. 180.]

Teräksen käytön etuja ovat muun muassa kevyt ja luja rakenne, melkein sama lujuus vedossa sekä puristuksessa, hyvä hitsattavuus, mahdollisuus valmistaa teräs halutuilla ominaisuuksilla ja hyvä kulutuskestävyys. Käytön haittoina ovat kallis hinta sekä korroosio-ongelmat pinnassa. [17, s. 28.]

Porapaalujen teräslajin valinnalla voidaan vaikuttaa huomattavasti koko paaluseinärakenteen rakenteelliseen kestävyyteen [10, s. 11]. RDW-paalusei- nässä paalun materiaalina käytetään lujaa seostamatonta terästä S440J2H [13, s. 6]. Nimikkeessä tunnuksella S tarkoitetaan rakenneterästä, 440 myö- törajan vaadittua vähimmäisarvoa [MPa=N/mm²], J2 laatuluokkaa ja H

19

rakenneputkea. Laatuluokkaan J2 kuuluville teräksille iskusitkeysominai- suudet määritetään lämpötilassa -20 °C. [18, s. 10.]

Porapaaluputkissa käytetty teräs on valmistettu termomekaanisesti valssaa- malla. [19, s. 12] Teräksen termomekaaninen valssaus on menetelmä, jossa teräkseen saadaan halutut materiaaliominaisuudet. Nämä ominaisuudet, joita ei voida saavuttaa pelkällä lämpökäsittelyllä, saavutetaan loppuvals- sauksella eli muokkauksella tietyn lämpötila-alueen sisällä. [19, s. 8.]

3.6 Korroosio

Korroosio tarkoittaa metallien syöpymistä, joka johtuu kemiallisista tai säh- kökemiallisista tekijöistä. Syöpynyt metalli on poistettava käytöstä, eikä sen palauttaminen ole mahdollista. [17, s. 31.]

Tavallisissa korroosio-olosuhteissa maaperässä on luonnonmaakerroksia, jotka ovat kivennäismaalajeja ja ei-aggressiivisia, sekä karkearakeista täyttöä pohjavedenpinnan kummallakin puolella. Aggressiiviset tai tavallisesta poik- keavat olosuhteet ovat usein maaperässä tai maakerroksessa, joka sisältää [9, s. 42.]:

- merkittäviä pitoisuuksia orgaanista ainesta, eli humuspitoisuus on yli 6 pro- senttia

- merkittäviä pitoisuuksia rikkiä

- löyhiä täyttöjä, joihin on rikastunut suoloja - pilaantuneita maa-aineksia

- maa-alueita, joissa voidaan havaita tasavirtalähteen potentiaalikenttä.

Pysyvissä porapaaluseinärakenteissa tulee huomioida teräspaalujen korroo- sio alla olevan taulukon 1 mukaisesti [8, s. 14]. Tämä tarkoittaa korroosiova- ran huomioimista riippuen siitä, onko kyseessä tavalliset vai aggressiivisiksi luokitellut olosuhteet [9, s. 42]. Korroosiovara tarkoittaa ruostuvaksi oletet- tavaa osaa, jota ei voida mitoituksessa huomioida kantavana teräspoikki- pinta-alana [20, s. 107].

20

Taulukko 1. Korroosiovarat [mm] erilaisissa olosuhteissa. Tiivistettyjen täyt- töjen tapauksessa yllä olevan tiivistämättömän täytön lukemat voidaan jakaa kahdella. [9, s. 114.]

Korroosiosuojauksessa teräspaalun seinämän ainepaksuuden ylimitoitus on suositeltava menetelmä, mutta teräspaalu voidaan suojata myös ulkopuoli- silla pinnoitteilla, esimerkiksi suojamaalauksella tai sinkityksellä, joiden va- lintaan vaikuttaa merkittävästi pinnoitteen kesto asennuksenaikaisia rasi- tuksia vastaan. [8, s. 22.] Näkyviin jäävien seinäpintojen betonointi tai ruis- kubetonointi on myös mahdollista. Tällöin porapaaluseinän lukkoprofiilit tu- lee yleensä hitsata umpeen. [2, s. 58.]

3.7 Porapaaluputkien ylösnostaminen ja uudelleenkäyttö Työnaikaisissa rakenteissa porapaaluseinän teräspaalujen ylösnostaminen ja uudelleenkäyttö on mahdollista. Ennen porapaalujen ylösnostamista, mer- kittävien painumien ja vaaratilanteiden estämiseksi, paalut on täytettävä tar- vittaessa maa-aineksella. Porapaaluseinän poiston jälkeen maakerrokset tu- lee tiivistää kohteen vaatimuksien mukaisesti. Porapaalujen ylösnostossa voidaan käyttää esimerkiksi ponttivasaraa. Kun porapaaluseinä nostetaan ylös, tulee kiinnittää huomiota mahdollisen avarrinrenkaan, joka on kiinni- tetty maakenkään, vaikutukseen porapaalun ylösnostamisessa. [8, s. 29.]

21

4 Tukiseiniin kohdistuvat kuormat

Tukiseiniin voi, kaivannon ulkopuolelta, maaperässä vaikuttaa useita erilai- sia kuormia, jotka tulee ottaa huomioon kaivannon suunnittelussa. Yleisim- mät tukiseinän kuormat ovat:

- maanpaine - vedenpaine

- pintakuormat kaivannon sisä- ja ulkopuolella - maan tiivistys-, tärinä- sekä törmäyskuormat - maan jäätymisen aiheuttamat kuormat.

Edellä mainituista kuormista maanpaineen ja vedenpaineen vaikutuksella on yleensä suurin merkitys tukiseinien suunnittelussa. [2, s. 79.]

4.1 Maanpaine

Maanpaine muodostuu, kun maamassan oma paino tai ulkoinen kuormitus aiheuttavat kosketuspaineen tukirakenteeseen kuten tukiseinään. Tukisei- nään aiheutuvan maanpaineen suuruuteen ja jakautumiseen vaikuttavat maan laatu, lujuus sekä tukiseinän liikkeet kuten siirtymät. Tukiseinän liik- keiden perusteella maanpainetta voidaan kuvata lepopaineena, aktiivisena maanpaineena ja passiivisena maanpaineena. [21, s. 151.] Maanpaine on riip- puvainen maaperän geoteknisistä ominaisuuksista sekä tukiseinän käyttö- ajasta ja tuentatavasta. Tukiseinät, kuten porapaaluseinä, ovat pysyvinä kal- lioon tukeutuneina rakenteina siirtymättömiä. Tällöin maanpaine lasketaan lepopaineena. [1, s. 122-123.]

4.1.1 Lepopaine

Lepopaine perustuu tukiseinän ja maan liikkumattomuuteen. Oletetaan, että maahan lyödyllä ohuella pystysuoralla jäykällä tukiseinällä ei ole vaikutuksia maan sisäisiin jännitysolosuhteisiin. Kun tämä tukiseinä pysyy paikallaan, yhtä suuri maanpaine kohdistuu seinän molemmille puolille. Vaikka maa kaivetaan pois seinän toiselta puolelta, seinä pysyy edelleen liikkumatto- mana. Tämän seurauksena maanpaine pysyy ennallaan tukiseinän toisella puolella. [22, s. 225.]

4.1.2 Aktiivinen ja passiivinen maanpaine

Aktiiviseksi maanpaineeksi kutsutaan maanpaineen minimiarvoa. Tämä maanpaine syntyy, kun tukiseinä siirtyy maamassasta poispäin kohti kaivan- toa, eli se myötää rasituksen johdosta. Tällöin maan leikkauslujuus alkaa

22

vastustamaan muodonmuutosta maamassassa, jolloin tukiseinään kohdis- tuva paine pienenee. Myötäämisen jatkuessa maamassassa tukiseinän ta- kana syntyy murtotilanne ja paine vakioituu. [23, s. 172.] Tällöin maan leik- kauslujuus on täysin kehittynyt [21, s. 155].

Passiivinen maanpaine on vaikuttavan maanpaineen suurin mahdollinen arvo. Tämä maanpaine syntyy, kun tukiseinää työnnetään kohti maamassaa, jonka seurauksena seinä alkaa liikkua. Kuten aktiivisen maanpaineen ta- pauksessa, syntyy murtotilanne ja leikkauslujuuden suuruinen maamassan liikkumista vastustava leikkausjännitys. Tässä tapauksessa leikkausjännitys on kuitenkin suuntautunut niin, että se kasvattaa tukiseinän työntämiseen tarvittavaa voimaa, ja voiman kanssa samansuuruisen maanpaineen arvoa.

[22, s. 225.]

4.2 Vedenpaine

Vedenpaine tulee huomioida tukiseinien mitoituksessa niillä tasoilla, joilla vedenpinta vaihtelee kaivannon sisä- ja ulkopuolella tukiseinän käytön ai- kana [2, s. 88].

4.2.1 Huokosvedenpaine

Kuormituksesta johtuva veden kyllästämän maan kokonaisjännitys voidaan jakaa raepaineeseen ja huokosvedenpaineeseen. Raepaine on tehokas jänni- tys, joka syntyy, kun maarakeet koskettavat toisiaan. Raepaine ilmaistaan keskimääräisenä paineena kokonaiselle poikkileikkaukselle. Huokosveden- paine on vedenpaine, joka vaikuttaa rakeiden väleissä yhtä suurena joka suuntaan.

Maata kuormitettaessa huokosvedenpaine kasvaa lisäjännityksen seurauk- sena. Jos maaperä on karkearakeinen, eli sen vedenläpäisevyys on hyvä, pai- neistunut huokosvesi pääsee purkautumaan sivuille. Huokosvedenpaineen alentuessa raepaine kasvaa kiviaineksen tiivistyessä. Hienorakeisessa maa- perässä, vedenläpäisevyyden ollessa pieni, paineellinen huokosvesi muuttuu hyvin hitaasti raepaineeksi, mikä voi aiheuttaa maaperään painumia. [22, s.

107.]

4.2.2 Hydrostaattinen vedenpaine

Suunnittelussa oletetaan hydrostaattisen paineen syntyvän vettä läpäisemät- tömässä maaperässä, kun pohjaveden pintojen tasot poikkeavat toisistaan tukiseinän eri puolilla, ja vesi ei virtaa kaivannon tukiseinän ali. Vaikka maa- perä olisi hyvin vettä läpäisevä, vedenpaine voidaan huomioida hydrostaat- tisena, jos vesitiivis tukiseinä ulotetaan maakerrokseen, joka ei läpäise vettä.

Kuvassa 8 esitetään hydrostaattisen vedenpaineen laskeminen ja tyypillinen

23

vedenpaine-eron kehittyminen tukiseinän eri puolilla. Kuvassa näkyy, kuinka vedenpaine-ero kehittyy, kun etäisyys vedenpinnan tasosta tukisei- nän kaivamattomalla puolella kasvaa. Kun kaivamattomalla puolella saavu- tetaan sama taso, jolla vedenpinta on tukiseinän toisella puolella, hydrostaat- tinen vedenpaine on saavuttanut minimiarvonsa, jossa se pysyy muuttumat- tomana. [22, s. 107.] [24, s. 2.]

Hydrostaattisen vedenpaineen laskentaan käytetään yhtälöä:

𝑢 = 𝛾_𝑤ℎ_𝑤 (1)

jossa 𝑢 𝑜𝑛 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡𝑎𝑎𝑡𝑡𝑖𝑛𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑑𝑒𝑛𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒 𝛾_𝑤 𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑙𝑎𝑣𝑢𝑢𝑠𝑝𝑎𝑖𝑛𝑜 𝑣𝑒𝑑𝑒𝑙𝑙𝑒

ℎ_𝑤 𝑜𝑛 𝑘𝑜𝑟𝑘𝑒𝑢𝑠 𝑣𝑒𝑑𝑒𝑛𝑝𝑖𝑛𝑛𝑎𝑛 𝑡𝑎𝑠𝑜𝑠𝑡𝑎

Kuva 8. Hydrostaattisen vedenpaineen laskenta [2, s. 89].

4.2.3 Hydrodynaaminen vedenpaine

Hydrodynaaminen vedenpaine syntyy tilanteessa, jossa pohjaveden pinnan- tasot eroavat toisistaan tukiseinän eri puolilla, ja vesi virtaa tukiseinän ali.

Tällainen pohjaveden virtaus on suotovirtausta, jota voi esiintyä esimerkiksi karkearakeisessa maaperässä. [3, s.23.] Näissä tapauksissa tulee varmistaa, ettei kaivannon pohja murru hydraulisesti [2, s. 89].

24

5 Porapaaluseinän kaivanto ja vesitiiveys

Vesitiiviillä kaivannolla tarkoitetaan kaivantoa, joka pidättää vettä ja jossa kaivantoon tulevan vuotoveden määrää on rajoitettu pieneksi. Yleensä kai- vannon vaatimuksena ei ole täydellinen vesitiiveys. Vuotoveden määrää on rajoitettava, kun halutaan säilyttää ympäristön pohjaveden taso, kaivanto halutaan pitää kuivana tai kaivannon rakenteet ovat osana pysyvää tukisei- närakennetta. [2, s. 66.]

Porapaaluseinäkaivantojen rakennustyöt toteutetaan yleensä kuivatyönä, eli kaivannon pohja pidetään kuivana. Kaivannoissa tulee vähintään olla sade- ja sulamisvesien kuivatusjärjestelmät. Pohjaveden alentaminen on myös mahdollista, mitä seurataan kaivantoalueelle asennetuista havaintoputkista.

[8, s. 29.]

5.1 Porapaaluseinän asennustekniikan vaikutus vesitiivey- teen

Porapaaluseinän vesitiiveys riippuu maaperän ominaisuuksista, pohjave- siolosuhteista sekä siitä, onko porapaaluseinä upotettu kallioon ja kallio in- jektoitu. Vesitiivis porapaaluseinärakenne on esitetty alla kuvassa 9. RD-paa- luseinän rakenteessa kohdat, jotka tulee huomioida vesitiiveyttä arvioidessa ovat lukkorakenne sekä porapaalun alaosan kallioliitos. [8, s. 20.]

Kuva 9. Vesitiiviin porapaaluseinärakenteen periaatekuva [8, s. 21].

25

5.1.1 Lukkorakenteen vesitiiveys

Porapaalujen lukkorakenne sellaisenaan ei ole vesitiivis. Väliaikaisena tuki- seinänä porapaaluseinä ei vaadi erityisiä toimenpiteitä, jos maapohja on hie- noainespitoinen ja vedenpaineen ero seinän eri puolilla on ”kohtuullinen”.

Tällöin veden mukana kulkeutuva hienoaines usein sulkee lukkoliitokset. [2, s. 52.] Kohtuullisena vedenpaineen erona tukiseinän eri puolilla pidetään korkeintaan 50-80 kPa, jolloin lukon läpi kulkeutuva vesimäärä on hyvin pieni, kun maaperä on huonosti vettä läpäisevää [8, s. 20]. Kun olosuhteet muuttuvat, eli maapohja on karkearakeista tai kyseessä on esimerkiksi avo- vesiolosuhteet, lukkoliitosten tukkeutuminen vähenee tai sitä ei tapahdu ol- lenkaan, mikä voi johtaa merkittäviin vesivuotoihin [2, s. 52].

Jos RD-paaluseinän vesitiiveys on välttämätöntä, tiivistysainetta on syytä käyttää lukkoprofiileissa aina. Jos porapaaluseinäkaivanto ulottuu pohjave- den tason alapuolelle, kuten vaativissa kaivannoissa yleensä, veden virtaama lukkoprofiilin läpi on usein voimakasta. Tällöin lukkoprofiilin tiivistäminen hitsaamalla se kiinni paaluputkeen, tai polyuretaanipohjaisten tiivistysainei- den käyttö ei ole mahdollista. Näissä olosuhteissa lukkoprofiilin eteen suosi- tellaan teräksisen levyn hitsausta, sekä levyn ja lukkoprofiilin välisen alueen injektointia. [8, s. 20.] Alla kuvassa 10 on esitetty ratkaisuja RD-paaluseinän lukkoprofiilin vesitiiveyden parantamiseksi.

Kuva 10. Keinoja parantaa RD-paaluseinän lukkoprofiilin vesitiiveyttä: a) Tiivisteaine lukkoprofiiliin, b) lukkoprofiilin taustan injektointi, c) lukkoprofiilin kiinnihitsaus ja d) teräksisen levyn hitsaus sekä injektointi [2, s. 52.]

RM/RF- lukkoprofiilin, eli uros- ja naarasprofiilien, tiivistysaineita on useita, ja joillakin materiaaleilla vesitiiveyksiä on testattu laboratorio-olosuhteissa.

Tiivistysmateriaalien soveltuvuus kohteeseen ja olosuhteisiin tulee kuitenkin aina arvioida erikseen. Myös hitsaamattoman ja injektoimattoman RM/RF – lukkoprofiilin läpi virtaavan veden määrää on mitattu käyttäen erilaisia ve- denpaineen arvoja. [8, s. 13.]

Yleisin lukkorakenteessa käytetty tiivisteaine pohjautuu bitumiin [8, s. 20].

Bitumi on seos, joka muodostuu raskaista hiilivedyistä maaöljyn tislauksen ja jalostuksen seurauksena. Bitumit voidaan luokitella niiden valmistustavan

26

mukaan. Suomessa käytetään yleisesti polymeerimodifioitua kumibitumia.

Polymeerin lisäyksen tavoitteena on bitumin käyttöiän kasvattaminen, ja Suomessa hyvien kylmäominaisuuksien sekä elastisuuden parantaminen. Bi- tumin käyttö rakennustarkoituksessa perustuu materiaalin kykyyn eristää vettä ja vesihöyryä, kestää merkittäviä sään vaihteluita sekä happojen, emäs- ten ja suolojen syövyttävää vaikutusta. Bitumin etuna on myös sen hyvät lii- mausominaisuudet, jotka eivät heikkene, vaikka materiaali olisi pitkään ve- den vaikutuksen alaisena. [16, s. 279-282.]

RD-paaluseinän RM/RF – lukkojen kautta suoritetussa bitumi-injektoin- nissa on huomattu, että etukäteen lukkoihin tehtaalla asennettu bitumi on kuoriutunut asennusvaiheessa kuvan 11 mukaisesti, ja lukkojen sisälle jää- neen bitumin määrää on vaikeaa arvioida. [25, s. 17-18.]

Kuva 11.Asennusvaiheessa lukoista kuoriutuneet bitumitiivisteet [25, s. 18].

5.1.2 Porapaalun alaosan kallioliitos

Porapaaluseinän alaosan liitos kallioon pidättää usein hyvin vettä, mutta sen ei voida sanoa olevan vesitiivis [2, s. 53]. Porapaaluseinän alaosan vesitiivey- teen kalliossa vaikuttavat merkittävästi pohjavesiolosuhteet sekä kallion ja kallion päällä olevan maakerroksen vedenläpäisevyys [8, s. 20]. Virtausta kalliopohjan kautta porapaaluseinän sisäpuolelle voidaan vähentää tai se voidaan katkaista kokonaan upottamalla seinä ehjään kallioon. Tässä po- raussyvyydellä on merkittävä vaikutus seinän vedenpitävyyteen. Suomen olosuhteissa upotussyvyytenä käytetään noin 0,5-1,5 metriä. [10, s. 18.] Ve- sitiiveyden saavuttamista edesauttaa paalujen kärkien upottaminen samalle tasolle keskenään sekä paalujen lukkoprofiilien asentaminen lähelle paalun

27

alapäätä. [8, s. 20]. Jotta vesitiiveys voidaan varmistaa, paaluvaipan ulko- puolelle jäävä kallioreikätila voidaan injektoida lukkoprofiilin sisältävän in- jektointikanavan kautta. Lisäksi porapaaluseinän alapuolisen kallion ver- hoinjektointia voidaan tehdä taloudellisesti injektointiputken kautta, joka asennetaan porapaaluputken sisälle. [2, s. 53.]

RD-paaluseinän RF-lukkoprofiilin sisältämää injektointikanavaa voidaan käyttää kallion ja paalun välisen tilan tiivistysinjektointiin. Kun kaivanto teh- dään RD-paaluseinällä kallion pintaan asti, juuripalkki on mahdollista ra- kentaa porapaaluseinän ja kallion rajapintaan. Porapaaluputkien läpi on li- säksi mahdollista tehdä porapaaluseinän alapuolisen kallion tiivistysinjek- tointia, jotta pohjaveden virtaus kallion kautta voidaan estää. Kun porapaa- luseinässä käytetyt paalut ovat avoimia alaosastaan, niitä voidaan hyödyntää myös pohjaveden alentamisessa pumppauskaivoina. [8, s. 20-21.]

Jälki-injektoinnin tekeminen on myös mahdollista RD-paaluseinän kaiva- mattomalla puolella, millä voidaan edelleen parantaa vesitiiveyttä sekä lujit- taa maaperää seinän taustapuolella. Jälki-injektointimenetelmät ovat esi- tetty alla kuvassa 12. Vasemmalla puolella injektointiputket on kiinnitetty porapaaluputkiin ennen paalujen asentamista. Oikealla puolella injektoin- nissa käytetyt putket porataan tai painetaan tukiseinän takapuolelle tai sei- näpaalujen asentamisen jälkeen paalujen saumoihin. [8, s. 20-21.]

Kuva 12. Jälki-injektointimenetelmät [8, s. 22].

28

RD-paaluseinän alaosan injektoituminen ja kontakti kallioon todetaan visu- aalisesti sen jälkeen, kun porauksessa on saavutettu kallionpinnan taso. Po- rapaaluseinän tiiveyttä voidaan tarvittaessa parantaa useilla menetelmillä, joita ovat maan injektointi, juuripalkin asennus, suihkuinjektointi tai kallion verhoinjektointi. [8, s. 30.]

5.1.3 Maainjektointi

Maainjektoinnilla tarkoitetaan prosessia, jossa maan huokos- tai tyhjätilat täytetään osittain tai kokonaan injektioaineella. Injektioaine viedään käsitel- tävällä alueelle injektointiputkia käyttämällä. [26, s. 121.]

Injektointiputket asennetaan maahan 0,5 – 3 m välein paineen, tärytyksen tai huuhtelun avulla. Yksinkertaisin injektointi tapahtuu alaosastaan 0,5 metrin matkalta rei’itettyjen putkien avulla. Putkien avulla maan injektointi aloitetaan alhaalta, ja injektointia jatketaan nostamalla putkia asteittain ylöspäin. Jos kyseessä on vaativa injektointityö, putkina käytetään mansetti- putkia, jotka upotetaan maaputkiporauksella tehtäviin reikiin. Mansettiput- ken ulkopinnan tiivistyksessä käytetään bentoniittia, jolloin injektiolaasti ei pääse kulkeutumaan putken ulkopintaa pitkin maanpinnalle. Mansettiput- ken injektioreikien kohdalla kumiholkit ohjaavat injektiolaastin maaperään, mutta toimivat tulppana, jotta vesi ja maa-aines eivät pääsisi kulkeutumaan mansettiputken sisälle. Mansettiputkeen voidaan lisäksi asentaa siirreltävä kaksoistulppa, jonka avulla injektiolaasti on mahdollista saada ainoastaan tiettyjen reikien kohdalta maaperään. [1, s. 202.]

Maainjektointi pienentää maan vedenläpäisevyyttä. Tarvittaessa maainjek- toinnin avulla voidaan myös suurentaa maan puristus- ja leikkauslujuutta, kun injektointiaineet kovettuvat. [1, s. 200-203.] Kovettuminen tapahtuu, kun injektioaine toimii sideaineena ja muodostaa maapartikkeleiden kanssa yhdistelmän. Yhdistelmän lujuusominaisuuksiin vaikuttavat käytetyt aineet sekä ainesuhteet. [26, s. 121.] Maan injektoitavuus ja lujuus, jonka maa-aines saavuttaa, riippuu injektoitavasta maalajista, injektiossa käytettävästä ai- neesta sekä maan lujittumisajasta [27, s. 259].

Maainjektoinnilla on useita käyttökohteita. Injektoinnin avulla voidaan vä- hentää tukiseiniin kohdistuvaa maanpainetta, jolloin seinien mitoitusta on mahdollista keventää. Käynnissä olevaa painumaprosessia voidaan injek- toinnilla hidastaa tai vähentää lisäkuormien aiheuttamaa lisäpainumaa jaka- malla kuorma suuremmalle alueelle. Lisäksi löyhiksi jääneiden paalujen vai- pan tai kärkiosan ympäröivän maa-aineksen injektoinnilla voidaan parantaa paalun kantavuutta. Maainjektointia voidaan hyödyntää kohteissa, joissa yli- määräinen tärinä ei ole sallittua. [26, s. 122.]

29

5.1.4 Porapaalu-suihkuinjektoitu seinä

Porapaalu-suihkuinjektoidun seinän muodostavat porapaalut, jotka kestävät seinän taivutusta, ja paalujen välissä olevat suihkuinjektoidut pilarit kuvan 13 mukaisesti. Pilarit toimivat vesitiiviinä osana porapaalujen välissä. Seinän asennuksessa porapaalujen poraus tehdään ensin, minkä jälkeen toteutetaan pilareiden suihkuinjektointi porapaalujen väleihin. [2, s. 56.]

Kuva 13. Porapaalu-suihkuinjektoitu seinä [2, s. 49].

Pilarin injektoinnin alussa maahan tukiseinän alaosan tavoitetasolle, pora- taan suuttimella varustettu kruunu. Poraputkea aletaan nostaa ja pyörittää vakionopeudella, ja samaan aikaan maahan suihkutetaan suurella paineella suuttimien kautta sementti-vesiseosta. Suihkun korkea paine aiheuttaa maan rakenteen rikkoutumisen, jolloin sementti korvaa maaperän hienoai- neksen, joka kulkeutuu lietteenä maan pinnalle.

Suihkuinjektoidut pilarit eivät kestä vetojännityksiä, joten tukiseinäraken- teen tulee olla suhteellisen jäykkä ja siirtymätön. Vaakakuormat seinäraken- teen alaosa kestää, kun porapaalut porataan tarpeeksi syvälle ehjään kalli- oon.

Suihkuinjektoidut pilarit liittyvät vesitiiviisti kallioon. Yleensä porapaalujen liitos kallioon on tarpeeksi vesitiivis, mutta tarvittaessa kallioliitos voidaan injektoida porapaalun pohjalle valetun betonisen tulpan kautta, johon on po- rattu reikä injektointia varten. [2, s. 54-57.]

5.1.5 Kallion verhoinjektointi

Kallion verhoinjektointia käytetään kallion kautta tapahtuvan pohjaveden virtauksen estämiseen [8, s. 20]. Verhoinjektointi voidaan tarvittaessa tehdä porapaaluputkien kautta [2, s. 56].

Kallion verhoinjektointi voidaan tehdä esi-injektoinnilla ennen kaivun aloit- tamista maanpinnan tasolta tai jälki-injektoinnilla kaivun jälkeen kaivannon pohjan tasolta. Vaativissa pohjaolosuhteissa kallion verhoinjektointina käy- tetään poikkeuksetta esi-injektointia, sillä jälki-injektointiin liittyy useita

30

riskejä. Riskeinä on, että veden virtauksen takia injektointi epäonnistuu, merkittävän vuotovesimäärän vuoksi kaivannon kuivanapito ei ole mahdol- lista, pohjaveden taso laskee liian alhaiseksi tai kaivuvaiheessa pohja murtuu hydraulisesti. [2, s. 69.]

5.1.6 Injektointiaineet

Injektointiaineet voidaan luokitella sementtipohjaisiin sekä kemiallisiin in- jektointiaineisiin [28, s. 47-48]. Kaikkien injektoinnissa käytettyjen materi- aalien sekä niiden komponenttien tulee täyttää työn materiaali- sekä laatu- vaatimukset [29, s. 11].

Injektointiaineita on useita ja tarvittavat ominaisuudet riippuvat maape- rästä, olosuhteista sekä injektioaineen käyttötarkoituksesta. Keskeisiä omi- naisuuksia injektioaineen valinnassa ovat tunkeutuvuus, pysyvyys, kyky tii- vistää tai lujittaa maa-ainesta sekä geeliytymisen muokattavuus ja nopeus.

[26, s. 124.] Injektointiaineet eivät saa aiheuttaa, sellaisenaan tai maaperässä reagoidessaan, ympäristössä pohjaveden tai maaperän pilaantumista [5, s.

55].

Kun injektointi suoritetaan pohjasuhteissa, joissa pohjaveden virtaus on mahdollinen, injektioaine voi laimentua tai jopa huuhtoutua pois. Tällaisten olosuhteiden vaikutusta voidaan vähentää käyttämällä injektointiainetta, joka kovettuu nopeasti, jolla kuivan aineen pitoisuus on suuri ja lisäaineiden käytöllä, joilla estetään injektioaineen laimeneminen. [14, s. 81.] Porapaalu- jen injektoinnissa voidaan käyttää sementtiin tai bentoniittiin pohjautuvia injektioaineita [8, s. 22].

Sementti

Käytetyin injektointiaine on vedestä ja sementistä koostuva sementtilaasti [28, s. 46]. Sementti on sideaine, joka koostuu hienoksi jauhetusta epäorgaa- nisesta materiaalista, ja veden kanssa yhdistyessään ja sitoutuessaan se- mentti muodostaa kovan massan. Massa on luja ja pysyvä jopa veden alla.

[30, s. 9.]

Sementit voidaan luokitella perustuen niiden raekokojakaumaan. Porapaa- lun ja kallion väliin jäävä tila on niin suuri, että injektoinnissa voidaan käyt- tää yleissementtiä, jos injektointimassan ei haluta tunkeutuvan kalliorakoi- hin. [31, s. 10.]

Jos raekoko laastin runkoaineessa on suurimmillaan 2 mm, ja sementin määrä on painoprosentteina suurempi kuin runkoaineen, aine luokitellaan injektioaineisiin. Muissa tapauksissa aine on juotoslaastia. [14, s. 43.]

Sementtilaastin ainesosien suhteelliset määrät sekä runkoaineen raekoko ja muoto säätelevät injektioaineen ominaisuuksia, kuten lopullista lujuutta, pumpattavuutta ja veden erottumista [32, s. 48]. Sementti-injektioaineilla

31

vesi-sementtisuhde ei saa olla suurempi kuin 0,55, ja juotoslaasteilla suhde ei saa ylittää 0,6, ellei määritellä toisin [14, s. 43]. Sementtilaastin ominai- suuksia on mahdollista parantaa tehokkaalla sekoittamisella ja erilaisten li- säaineiden avulla [33, s. 312]. Lisäaineiden käytön tärkeimmät syyt ovat ve- denerottumisen ja sitoutumisajan vähentäminen sekä tunkeutuvuuden lisää- minen [31, s. 10-11]. Lisäaineilla voidaan lisäksi säädellä injektioaineen tii- viysastetta sekä työstettävyyteen kuluvaa aikaa [32, s. 48].

Bentoniitti

Bentoniitti on luonnon savi, jota voidaan käyttää injektiolaastissa lisä- tai runkoaineena, sillä se aikaansaa laastin paisumisominaisuuden [1, s. 201].

Paisumisominaisuus perustuu bentoniitin kykyyn absorboida merkittäviä vesimääriä. Tällöin bentoniitin tilavuus kasvaa moninkertaiseksi ja paineen alla muodostaa sitkeän, käytännössä vettä läpäisemättömän, aineen. [34.]

Sementti-bentoniitti-injektointi

Sementtilaastin ominaisuuksia voidaan muokata ja kehittää lisäämällä sii- hen bentoniittia. Bentoniitin pieni lisäys, 2-5 % sementin painosta, tekee laastista paremmin koossa pysyvää sekä pumpattavuudeltaan ja tunkeutu- vuudeltaan parempaa. [33, s. 313.] Laastista tulee kestävämpää erityisesti karkearakeisen maan injektointia varten [1, s. 201]. Jos bentoniitin lisäys on suurempi, 10-30 % sementin painosta, laastissa tapahtuu puristuslujuuden laskua, mitä pienellä bentoniitin lisäyksellä ei tapahdu. Toisaalta jos sement- tilaasti pidetään pohjavedenpinnan alapuolella, se pysyy joustavana. [33, s.

313.]

5.1.7 Porapaalujen jäykkyys kalliokontaktissa

Kalliokontakti porapaaluseinän alaosassa voidaan olettaa jäykäksi, kun paa- lut porataan vähintään neljä paalupituutta kallionpinnasta ja porareikä in- jektoidaan vähintään betonilla lujuudeltaan C20/25. Vaikka paalut porattai- siin syvemmälle, kalliokontaktin jäykkyys ei kasva suuremmaksi. Toisaalta jos paalut ovat lyhyitä ja porareiän injektointia ei tehdä, jäykkyys putoaa hy- vin nopeasti. Porapaaluseiniin kohdistuu usein merkittäviä vaakasuuntaisia kuormia. Jos porapaalujen ja kalliopinnan liitoksesta halutaan momentti- jäykkä, ja näin rajoittaa siirtymiä, tulee paalun porareikä injektoida. [8, s.

14.]

On todettu, että injektoimattoman porapaaluseinän jäykkyys on aina alle 3 prosenttia seinän jäykkyydestä, mikä voidaan saavuttaa injektoimalla pora- reikä. Porapaalujen jäykkyyteen kalliokontaktissa vaikuttaa injektoinnin ja poraussyvyyden lisäksi kallion lujuus sekä rapautuneisuus kallion pinnassa.

[8, s. 14, 18.]

32

6 RDW-paaluseinän lukkorakenne

RDW-paaluseinässä uroslukkoprofiili on valmistettu porapaaluputken poik- kileikkausmuotoon. Porapaalut kiinnitetään toisiinsa naaraslukkoprofiililla, joka on jokaiseen porapaaluputkeen katkohitsaamalla, joko työmaalla tai ko- nepajalla, kiinnitettävä teräsprofiili. Lukkoprofiiliparin avulla viereiset pora- paaluputket yhdistyvät ja lukittuvat toisiinsa kuvan 14 mukaisesti, kun luk- koprofiilin kapea uroslukko työnnetään leveän naaraslukon sisälle. Kuvassa 14 ylhäällä vasemmalla on esitetty porapaaluputki ilman naaraslukkoa, ja oi- kealla porapaaluputki, kun naaraslukko on kiinnitetty putkeen. Alhaalla on esitetty miten porapaaluputket kiinnittyvät toisiinsa.

Kuva 14. Periaatekuva RDW-paaluseinän lukkoprofiilista.

RDW-lukot ovat erikoisvalmisteisia rullamuovauksella valmistettuja [13, s.

5]. Rullamuovauksessa metalli taivutetaan tavoiteltuun profiiliin rulla- muovauslinjassa, jossa teräslevy muokataan lopulliseen muotoon muotoiltu- jen rullien välissä. Yleensä metallinauhaa syötetään kelalta, jolloin monimut- kaisten profiilien valmistaminen on mahdollista. Rullamuovauksen avulla monimutkaisten poikkileikkausten valmistaminen on mahdollista tasalaa- tuisesti ja erittäin tarkasti. [35.]

RDW-lukkoprofiilien bitumointia ei ole tähän mennessä käytetty, mutta sillä voidaan todennäköisesti vähentää kitkaa, jota esiintyy asennuksen aikana lukkoprofiilien välissä [13, s. 5].

33

6.1 Lukon hitsaustekniikka

RDW-paaluseinässä uroslukkoprofiilit kiinnitetään toisiinsa naaraslukko- profiililla, joka on hitsattu kiinni porapaaluseinän jatkopaalujen toiseen uroslukkoon. Tehtaalla lukkoprofiilit hitsataan kiinni porapaaluihin katko- hitseillä käsityönä. Porapaalut on mahdollista toimittaa työmaalle naaras- lukkoprofiili kiinnitettynä, tai naaraslukon hitsaus voidaan tehdä työmaalla.

Hitsauksesta johtuvien teräspaalujen muodonmuutoksiin ja niiden hallin- taan on kiinnitetty paljon huomiota. [8, s. 30.] [10, s. 40.]

6.1.1 Hitsaus yleisesti

Hitsauksella tarkoitetaan menetelmää, jossa osia liitetään yhteen lämmön ja/tai puristuksen avulla niin, että osat ovat jatkuvasti yhteydessä toisiinsa.

Hitsaus voidaan toteuttaa lisäaineiden avulla tai ilman lisäaineita, joiden su- lamispiste on lähellä perusaineen sulamispistettä. [36, s. 5.] Kiinteä liitos muodostuu, kun sula perusaine ja perusaineeseen tuotu lisäaine jäähtyvät [37, s. 13].

Hitsausmenetelmät voidaan jakaa kahteen pääryhmään, joita ovat sulahit- sausmenetelmät ja puristushitsausmenetelmät [38, s. 23]. Sulahitsauksessa hitsattavien liitoskohtien pintoja kuumennetaan, kunnes saavutetaan sula lämpötila. Tällöin pinnat sulavat yhteen, eikä puristusta tarvita [37, s. 14.]

6.1.2 Hitsaus työmaalla

Työmailla yleisin lukkoprofiilien asennuksessa käytetty hitsausprosessi on puikkohitsaus, joka on menetelmänä monipuolinen ja muunneltavissa oleva.

Puikkohitsauksessa käytetyt laitteet ovat yksinkertaisia ja helposti siirrettä- vissä. [10, s. 40.]

Valokaari on sähkönpurkaus kaasussa, jonka edellytyksenä on riittävä määrä sähköisesti varautuneita hiukkasia kaarivälissä. Valokaarta käytetään kaari- hitsauksessa sähköenergian muuttamiseen hitsausprosessissa tarvittavaksi lämmöksi. Valokaaren avulla voidaan tuottaa tarpeeksi korkeita lämpötiloja jokaisen materiaalin sulattamiseksi. Valokaari on yleisin ja tärkein energia- lähde hitsauksessa, sillä sen teholla on suuri tiheys ja valokaari on helppo aikaansaada. [39, s. 66.]

Puikkohitsauksessa käytettävät hitsauspuikot koostuvat sydänlangasta ja päällysteestä. Puikon hitsausominaisuudet määräytyvät pääosin päällysteen paksuuden ja koostumuksen perusteella. Päällysteellä on kolme pääasiallista tehtävää. Päällyste parantaa kaaritilan sähkönjohtokykyä, jolloin syntyy hel- posti sytytettävä ja ylläpidettävä valokaari. Päällyste muodostaa kaasuvirran, joka suojaa kaaritilaa ja hitsisulaa ilman vaikutuksilta sekä vähentää

34

seosaineiden palamista. Lisäksi päällyste muodostaa kuonaa, joka suojaa siirtyviä metallipisaroita, muovaa hitsiä ja vaikuttaa hitsiä seostavasti. [38, s.

52-53.]

Lisäaine on yleisnimitys hitsauksessa käytettävälle hitsauspuikolle, joka su- latetaan liitoskohtaan. Lisäaine valitaan siten, että se vastaa seosaineiltaan sekä muilta ominaisuuksiltaan perusainetta, eli toisiinsa liitettävien kappa- leiden materiaalia. [37, s. 18.] Kun hitsattavien paalujen osien lujuus tai tyyppi poikkeavat toisistaan, pehmeämpi tai vähemmän seostettu teräslaatu määrää yleensä lisäaineen. Jos paaluun kuitenkin hitsataan esimerkiksi kiin- nikkeitä, paaluputken seinämän osaksi liittyvä hitsiaineen tulee olla riittävän seostettu. Tällöin lisäaine valitaan seostetumman teräksen, eli paalun teräk- sen, mukaan. [10, s. 40.]

Vaativien rakenteiden puikkohitsauksessa käytetään aina emäspäällysteisiä hitsauspuikkoja, sillä perusaineen seosaineet suotautuvat vain vähän hitsin viimeiseksi sulana olevaan keskiosaan. Tämän ansiosta voidaan välttää kuu- mahalkeamien syntymistä. [37, s. 50.]

Emäspäällysteisille hitsauspuikoille tyypillistä ovat matala vetypitoisuus hit- siaineessa ja hyvät lujuusominaisuudet, vaikka lämpötila olisi alhainen. Is- kusitkeys on parempi ja transitiolämpötila, jonka yläpuolella teräs murtuu iskukuormituksessa sitkeästi ja alapuolella hauraasti, on verrattain alhai- sempi kuin muilla puikkotyypeillä. Emäspäällysteiset puikot ovat kylmästi hitsaavia, joten niiden käyttö on varminta sekä hitsiaineen tiiviyden, lujuu- den että hitsauksen suorituksen helppouden kannalta. Emäspäällysteisiä puikkoja käytetään myös, jos joudutaan hitsaamaan alle 10 asteen lämpöti- lassa. [38, s. 54.]

6.2 Lukkorakenteen korroosio

Porapaaluseinärakenteen lukkoprofiilit voivat välittää puristus- ja vetokuor- mia myös valmiin rakenteen osana. Mitoituksessa on näissä tapauksissa huo- mioitava myös korroosion vaikutus lukkoprofiilien kestävyyteen pitkällä ai- kavälillä. Lukkoprofiiliparin kapasiteetista vähennetään asennuksen aikai- sesta kestävyydestä osa, jota kutsutaan korroosiovähennykseksi. Korroo- siovähennys tehdään kaikista lukkoprofiilien ulkopinnoista, jotka ovat maata vasten, paitsi uros- ja naaraslukkoprofiilien välisestä kosketuspinnasta. [8, s.

17.]

35

7 Rakenteellinen toimivuus

Tässä kappaleessa esitetään teoreettinen menetelmä poikkileikkauksen jäyhyysmomentin laskemiseksi. Lisäksi kappaleessa lasketaan analyyttisesti RDW-paaluseinän rakenteellisen kestävyyden ominaisarvot. Lopuksi laske- taan RDW-paalun poikkileikkausluokka, lommahdus sekä esitetään korroo- sion vaikutus RDW-paaluseinän taivutuskestävyyteen.

7.1 Kappaleen jäyhyysmomentin määrittäminen

Kuvassa 15 alla on esitetty RDW-paaluputken poikkileikkauksen profiili.

Yleisille poikkileikkauksille on määritetty kirjallisuudessa valmiit yhtälöt jäyhyysmomentin laskemiseksi, mutta kuvan mukaiselle poikkileikkaukselle jäyhyysmomentin ratkaiseminen on monimutkaisempaa. Tämän vuoksi poikkileikkausprofiili kannattaa jakaa useampaan osaongelmaan; ympyrään ja vaativampiin korvakappaleisiin, jotka pilkotaan vielä useampiin osiin.

Kuva 15.RDW-paaluputken poikkileikkauksen profiili.

RDW-paaluseinä kulkee vaakatason x-akselin suunnassa, joten jäyhyysmo- mentti lasketaan sen suhteen. Poikkileikkauspinnan jäyhyysmomentti eli ne- liömomentti saadaan x-akselin suhteen yhtälöllä [40, s. 410]:

𝐼_𝑥 = ∬ 𝑦² 𝑑𝐴 (2)

jossa 𝐼_𝑥 𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑖𝑘𝑘𝑖𝑙𝑒𝑖𝑘𝑘𝑎𝑢𝑠𝑝𝑖𝑛𝑛𝑎𝑛 𝑗ä𝑦ℎ𝑦𝑦𝑠𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑡𝑖 𝑦 𝑜𝑛 𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎 𝑎𝑙𝑘𝑖𝑜𝑛 𝑘𝑜ℎ𝑡𝑖𝑠𝑢𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑡ä𝑖𝑠𝑦𝑦𝑠 𝑥 𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖𝑠𝑡𝑎 𝐴 𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑖𝑘𝑘𝑖𝑙𝑒𝑖𝑘𝑘𝑎𝑢𝑠𝑝𝑖𝑛𝑛𝑎𝑛 𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎 𝑎𝑙𝑎