Source: http://docplayer.fi/720228-Massastabilointika-sikirja-24-6-2014.html
Timestamp: 2018-01-21 22:51:35+00:00
Document Index: 6877556

Matched Legal Cases: ['kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

Massastabilointika sikirja - PDF
Massastabilointika sikirja
Download "Massastabilointika sikirja 24.6.2014"
Mika Mikael Virtanen
1 0 Massastabilointika sikirja
2 Massastabilointikäsikirja 1 Sisällysluettelo 1. JOHDANTO MASSASTABILOINTIMENETELMÄ JA LAITTEISTOT Menetelmän yleiskuvaus Menetelmän etuja Laitteistot ja niiden toimintaperiaatteet TEKNISET PROSESSIT JA MASSASTABILOINNIN VAIKUTUS MAAN OMINAISUUKSIIN Massastabilointitekniikat Massastabiloinnin vaikutus maan ominaisuuksiin SOVELLUTUKSET JA KÄYTTÖKOHTEET Geotekniset sovellutukset Tiet Rautatiet Kadut ja raitit Kunnallistekniikka ja verkostot Satamat ja meriväylät Viher- ja maisemarakentaminen Ulkoliikunta-alueet Ympäristötekniset sovellutukset Ympäristönsuojausrakenteet Kaivosalueet Pilaantuneiden maiden käsittely Sulfaattimaiden käsittely Teollisuuden ja kaupan kentät sekä varastoalueet ALUERAKENTAMINEN MASSASTABILOINTIPROJEKTIN VAIHEET Prosessi Lähtötiedot ja pohjatutkimukset Esitutkimukset ja suunnittelu... 36
3 Massastabilointikäsikirja Suunnittelu ja stabiloituvuustutkimukset Urakkalaskenta Stabilointityö Lopputulokseen ja työn etenemiseen vaikuttavat tekijät ja huomioitavat asiat MASSASTABILOINNIN SIDEAINEET Yleistä Sementit Kalkkituotteet Muut sideainekomponentit Stabiloituvuustutkimukset Sideainereseptointi Käytettävät laboratoriotutkimusmenetelmät MASSASTABILOINNIN SUUNNITTELU Lähtötiedot Mitoitusparametrien määritys Massastabiloinnin vakavuustarkastelu Massastabiloinnin painumalaskenta Luiskattu kaivanto Tärinäsuojaus RAKENTAMINEN LAADUNVARMISTUS KIRJALLISUUSLUETTELO Liitteet Liite 1 KÄSITTEISTÖ/TERMISTÖ
4 3 Esipuhe Massastabilointimenetelmä ja sen pilottilaitteisto on kehitetty Suomessa 1990-luvun alussa. Ensimmäiset isot kohteet olivat turvepehmeikköjen massastabilointi tie- ja ratakohteissa Suomessa ja Ruotsissa vuodesta 1993 lähtien. Näistä kohteista saadut hyvät kokemukset johtivat menetelmän sovellutusten laajentamiseen ja seuraavana suurena sovellutusalueena oli pehmeiden/pilaantuneiden ruoppausmassojen massastabilointi ja hyötykäyttö satamien rakentamisessa vuodesta 1996 lähtien. Massastabilointiteknologian laitteistot, sideaineet ja sovellutukset ovat kehittyneet nopeasti edelleen 2000-luvun aikana. Menetelmää on sovellettu jo monissa eri maissa ja maanosissa ja sitä on käytetty monipuolisesti erilaisiin infra- ja ympäristörakennussovellutuksiin. Massastabilointimenetelmä on osoittautunut kustannus- ja ekotehokkaaksi menetelmäksi moniin sovellutuksiin. Massastabilointikäsikirjan tavoitteena on edistää menetelmän hyötykäyttöä jakamalla perustietoa menetelmästä, laitteistosta, sideaineista, sovellutuksista, tutkimuksista, suunnittelusta sekä rakentamisesta ja laadunhallinnasta. Käsikirja on suunniteltu palvelemaan rakennuttajia, viranomaisia, suunnittelijoita, urakoitsijan sideainetoimittajia ja laadunvalvojia. Käsikirjan kirjottajat: Juha Forsman Harri Jyrävä Pentti Lahtinen Tarja Niemelin Iikka Hyvönen Massastabilointikäsikirja on tehty alalla toimivien yritysten tuella. Käsikirjatyössä ovat olleet mukana ALLU Stamix Oy, Certification Center CTCR Oy / RuSol, Finnsementti Oy, Lemminkäinen Infra Oy, Nordkalk Oy ja Ramboll Finland Oy. Kaikki osapuolet ovat osallistuneet käsikirjan ohjaamiseen ja kommentointiin. Luopioisissa ja Espoossa
5 Massastabilointikäsikirja 4 1. JOHDANTO Massastabiloinnilla muutetaan pehmeän maan teknisiä ja ympäristöllisiä ominaisuuksia niin, että se mahdollistaa sen päälle tehtävän rakentamisen tai että pehmeää maata voidaan siirrettynä hyödyntää sovellutuskohteessa täyttö- tai rakennusmateriaalina. Monipuolisen sideainekehityksen ansiosta erilaiset pehmeät maa-ainekset voidaan massastabiloida kustannustehokkaalla tavalla. Sideainelaadun ja -määrän optimointi laboratoriossa tavoiteominaisuuksien saavuttamiseksi on välttämätöntä. Erilaiset teollisuuden sivutuotteet sideaineseoksessa yhdessä kaupallisten sideaineiden kanssa mahdollistavat menetelmän laajemman taloudellisesti tehokkaan käytön. Käsikirjan loppuosassa ovat käytännön ohjeet pohjatutkimusten, suunnittelun, rakentamisen ja laadunvalvonnan osalta. Kuvassa ja taulukossa 1.1 on esitelty massastabilointihankkeen osapuolet sekä heidän tehtävänsä. Massastabilointimenetelmä ja laitteisto luvussa kuvataan perusperiaatteet menetelmästä ja eroja vaihtoehtoisiin ratkaisuihin verrattuna. Massastabilointia voidaan soveltaa monella eri tavalla (luku 2). Laajimmin käytetty sovellutus on in situ, missä luonnontilainen pehmeä maa massastabiloideen tavoitesyvyyteen asti. Ex situ-sovellutuksissa kaivettu tai ruopattu pehmeä aines siirretään uuteen paikkaan missä se massastabiloidaan osaksi lopullista rakennetta tai niin, että se siirretään lujittumisen jälkeen lopulliseen hyötykäyttökohteeseen. Nämä sovellutukset tulevat kasvamaan kaikkialla missä on ongelmia ylijäämämaiden kanssa kuten monissa kaupungeissa. Käsikirjan luvussa 4 kuvataan laajasti erilaisia teknisiä- ja ympäristösovellutuksia, joista on saatu jo hyviä kokemuksia. Sovellutukset osoittavat, että kaikkialla missä rakentaminen ulottuu pehmeäpohjaisille alueille, olisi järkevää selvittää massastabilointivaihtoehto. Massastabiloinnin hyödyt korostuvat usein pehmeäpohjaisten alueiden rakentamiskelpoiseksi tekemisessä. Kun koko rakennettava alue massastabiloidaan ns. esirakentamisena, niin alueen jatkorakentamistyöt helpottuvat oleellisesti. Kuva 1.1. Massastabilointiprojektin osapuolet.
6 Massastabilointikäsikirja 5 Taulukko 1.1. Massastabilointihankkeen osapuolet ja heidän tehtävänsä. Osapuoli Rakennuttaja Pohjatutkija Tutkimuslaboratorio Suunnittelija Urakoitsija Laadunvalvoja Viranomainen Tehtävä Toiminnalliset vaatimukset (painuma, kantavuus, laajuus, ), suunnitteluttaminen, rakennuttaminen Pohjamaan kerrosrakenteen, kerrospaksuuksien ja ominaisuuksien selvittäminen Stabiloitavuuden tutkiminen, sideainereseptöinti (lujuus, jäykkyys), muut tekniset ominaisuudet (vedenläpäisevyys, liukoisuudet, ) Pohjarakennus- ja massastabilointisuunnitelman laatiminen, urakkapyyntöasiakirjojen laatiminen (yhdessä rakennuttajan kanssa) Massastabilointityön toteutus (pää- tai aliurakoitsijana) Stabilointityön ja lopputuotteen laadunvalvonta (ohjaava ja toteava) Stabiloinnille asetettava vaatimukset ja viranomaisohjeet Ympäristöluvittaminen (pima, jätemateriaalisideaineet, ) Sideainetoimittaja Laiterakentaja Tutkijat Sideaineen toimittaminen työmaalle, sideaineiden kehittäminen Stabilointilaitteiden rakentaminen, huolto ja korjaukset Massastabilointimenetelmän kehitys (sideaineet, tekniikka, ohjeet, yms.)
7 Massastabilointikäsikirja 6 2. MASSASTABILOINTIMENETELMÄ JA LAITTEISTOT 2.1 MENETELMÄN YLEISKUVAUS Massastabilointi on pehmeiden maa-ainesten, kuten saven, liejun ja turpeen lujittamismenetelmä, jossa pehmeät maakerrokset lujitetaan sideaineella homogeeniseksi lujittuneeksi kerrokseksi tavoitesyvyyteen asti. Tällöin rakenteen käytön aikaisia painumia voidaan rajoittaa tai ne voidaan poistaa ja rakenteen stabiliteetti eli varmuus sortumaa vastaan paranee. Alueilla, jossa pinnassa on turvekerros (tai muu hyvin pehmeä maakerros) ja alla savikerros, voidaan massastabilointikoneen ulottuman alapuolinen savikerros pilaristabiloida ja turvekerros massastabiloida. Nykyisellä tekniikalla massastabilointi tehdään käyttäen kuivaa sideainetta. Massastabilointimenetelmän yleisperiaate on esitetty kuvassa 2.1. Kaivinkoneeseen asennettua sekoitinkärkeä käyttäen voidaan nykyisillä laitteistoilla hyvissä olosuhteissa suorittaa stabilointi aina 7-8 metrin syvyyteen asti. Painesyöttimen avulla syötetään yhtä tai kahta sideainetta tai sideaineseosta sekoittimen kärkeen, jossa pyörivä rumpusekoitin sekoittaa sideaineen maahan ja samalla homogenisoi maa-ainesta. Sekoitustyö tehdään liikuttamalla sekoitinkärkeä sekä pinnasta syvemmälle ja takaisin että sivusuunnassa. Massastabilointia tehdään koneen ulottuman verran (tyypillisesti työ etenee noin 3 5 m 3 5 m ruuduissa), minkä jälkeen levitetään työalustatäyttö, tai suodatinkangas ja työalusta, koneen liikkumista varten. Työalusta toimii myös massastabiloinnin tiivistyspenkereenä. Stabilointityön jälkeen käsitellylle alueelle tehdään usein myös esikuormituspenger, jonka alla lopullinen lujittuminen tapahtuu. Erityisesti turvealueilla esikuormituspenger on välttämätön stabiloidun materiaalin tiivistämiseksi stabiloinnin lujittumisaikana (vrt. betonin tiivistäminen). Massastabiloinnin tavoitelujuus saavutetaan yleensä 1 3 kk:n aikana. Massastabilointimenetelmää käytetään myös kaivettujen tai ruopattujen pehmeiden maa-ainesten stabilointiin. Lisäksi sitä voidaan käyttää pilaantuneiden maa-ainesten tai sedimenttien stabilointiin, jotta haitalliset ainekset saadaan niukkaliukoiseen muotoon. Kaivettujen tai ruopattujen massojen massastabilointi mahdollistaa niiden hyödyntämisen rakennusalueella lujitettuna pohjamaana tai täyttö- / rakennusmateriaalina, jolloin vältytään massojen poiskuljetukselta sekä vähennetään luonnonkiviainesten tarvetta. Kuva 2.1. Massatabilointimenetelmän ja laitteiston yleisperiaate.
8 Massastabilointikäsikirja 7 Massastabiloinnissa käytetään tyypillisesti sementti- ja kalkkipohjaisia sideaineita tai sideaineseoksia. Näiden lisäksi seosaineina voidaan käyttää mm. masuunikuonaa, lentotuhkaa tai kipsiä. Käytettävä sideaine tai sideaineseos riippuu stabiloitavasta maasta ja sideaineresepti (laatu ja määrä) määritetään etukäteen laboratoriossa. 2.2 MENETELMÄN ETUJA Kaivettujen pehmeiden tai pilaantuneiden maa-ainesten massastabiloinnilla saavutetaan merkittäviä etuja: Huonolaatuiset massat saadaan jalostettua stabiloimalla hyötykäyttöön ja näin vähennettyä luonnon kiviainesten käyttöä. Huonolaatuisia massoja ei tarvitse kuljettaa ja läjittää muualle. Pilaantuneita massoja, jotka käsitellään massastabiloinnilla niukkaliukoisempaan muotoon, ei tarvitse viedä pilaantuneiden maiden kaatopaikalle vaan ne voidaan jalostaa stabiloimalla hyötykäyttöön. Pehmeikölle rakennettaessa massastabiloinnilla on myös monia etuja kilpaileviin vaihtoehtoihin verrattuna. Taulukossa 2.1. on verrattu tavallisimmin todettuja massastabiloinnin etuja muihin pohjarakennusmenetelmiin. Taulukko 2.1. Massastabiloinnin etuja verrattuna joihinkin muihin pohjarakennusmenetelmiin. Pohjarakennusmenetelmä Paalutus Massastabiloinnin tarjoamia etuja Massastabilointi on yleensä halvempi kuin paalutus mm. koska paalut ulottuvat syvemmälle ja paalutus edellyttää betonilaattaa tai paaluhattuja. Hyvin pehmeillä pohjamailla käytetään massastabilointia toisinaan paalutuksen työalustana, jotta paalutus olisi mahdollista. Massanvaihto Massastabiloinnissa ei tarvitse kaivaa pehmeitä maita pois ja läjittää niitä muualle, ja näin vähennetään kuljetustarpeita sekä maankaatopaikkojen tarvetta. Massanvaihdossa käytetään ja tarvitaan huomattavasti enemmän luonnon kiviaineksia kuin massastabiloinnissa ja kuormitetaan vähemmän ylijäämämaiden vastaanottoalueita. Massastabilointi on yleensä taloudellisesti kilpailukykyinen massanvaihtoon verrattuna. Massastabilointi on ympäröiville rakenteille riskittömämpi vaihtoehto kuin massanvaihto. Massastabilointi on usein teknisesti varmempi ratkaisu kuin massanvaihto. Sulfidisavialueilla pohjaveden pinnan yläpuolelle sijoitetut kaivetut sufidisavet saattavat olla ympäristöriski. Massastabilointia käytettäessä riskialttiita maa-aineksia ei tarvitse kaivaa ja sijoittaa pohjaveden pinnan yläpuolelle. Kevennys Massastabiloinnilla saadaan monissa tapauksissa poistettua haitalliset painumat kevennysrakennetta tehokkaammin ja riskittömämmin. Kokonaiskevennystä, jossa pohjamaan kuormitusta ei lisätä uuden penkereen kuormalla, käytettäessä muodostuu usein pehmeitä ylijäämämaita toisin kuin massastabiloinnissa. Putkien asentaminen kevennykseen ja putkien myöhempi esiinkaivu kevennyskerroksesta tai kerroksen läpi on usein ongelmallista.
9 Massastabilointikäsikirja 8 Taulukko 2.1. jatkuu. Pystyojitus Pystyojitettu rakenne vaatii pitkän painuma-ajan. Pystyojitetuissa rakenteissa on suuri sekundaaripainumien riski. Suomessa käytetään vähän pystyojitusta ja pystyojituskalustoa on maassa vähän ja kalusto on pääosin vanhentunutta (aikataulu ja kustannusriski). Pilarointi Massastabilointi on määräsyvyyteen tehtyyn pilaristabilointiin verrattuna laattamainen ja luotettavammin painumia tasaava ratkaisu. Massastabiloinnissa laatuvaihtelut ovat usein suurempia kuin pilaristabiloinnissa, mutta massastabiloitu rakenne ei ole yhtä herkkä laatuvaihtelulle kuin pilarointi. Massastabilointiin kaivetusta putkikaivannosta vapautuva massastabiloitu savi on pilaristabiloitua savea helpommin hyötykäytettävissä maarakennusmateriaalina. Hyvin pehmeällä pohjamaalla massastabilointi on pilaristabilointia helpompi toteuttaa, koska massastabilointikone tekee itselleen massastabiloidun työalusta edetessään. Pehmeällä pohjamaalla penkereen stabiliteetti on helpommin saavutettavissa massastabiloinnilla kuin pilaristabiloinnilla. 2.3 LAITTEISTOT JA NIIDEN TOIMINTAPERIAATTEET Massastabiloinnin perusyksikön runkona toimii kaivinkone, johon liitetään erillinen sekoitinyksikkö ja painesyötin (kuva 2.2). Massastabilointijärjestelmä koostuu seuraavista laitteista ja osakomponenteista: kaivinkone sekoitinyksikkö painesyötin ohjausyksikkö tiedonkeruujärjestelmä Nykyisin käytössä olevilla laitteistoilla massastabiloinnin maksimiulottuvuus syvyyssuunnassa on hyvissä olosuhteissa 7 8 metriä, mutta saavutettavissa oleva maksimisyvyys riippuu aina sekä työskentelyolosuhteista että käsiteltävän materiaalin laadusta. Tarvittaessa syvempää massastabilointia, on se mahdollista tehdä pilaristabilointilaitteistolla toisiaan leikkaavia pilareita käyttäen. Optimitilanne stabiloitavan kerroksen paksuuden osalta on noin 3 5 m. Myös ohuempia kerroksia voidaan massastabiloida. Varsinaisen stabilointityön yhteydessä sideaine syötetään stabiloitavaan massaan sekoitinyksikön kärjen kautta. Samalla käsiteltävä massa sekoittuu. Sekoitus tapahtuu pyörivien rumpujen avulla samanaikaisesti liikuttamalla sekoitinkärkeä käsiteltävässä kerroksessa sekä pysty- että vaakasuunnassa. Koko stabiloitava massa käydään näin läpi ja samaan aikaan massaan syötetään kuivaa sideainetta. Näin lisättävä sideaine pyritään sekoittamaan mahdollisimman tasaisesti koko käsiteltävään massaan. Käsiteltävästä materiaalista riippuen, stabilointityössä voidaan käyttää erilaisia sekoitinkärkityyppejä (kuva 2.3). Sideaineen syöttö sekoitinyksikköön tapahtuu paineilmaa käyttäen moottoroidusta painesyöttimestä (kuva 2.2). Sideaineen syöttöä ja sekoitusprosessia kontrolloidaan ohjausyksiköllä (kuva 2.4a), jonka kautta on
10 Massastabilointikäsikirja 9 mahdollista säätää mm. ilmamäärää ja sideainevirtausta. Nämä vaikuttavat syöttöpaineeseen. Sekoitinkärjen rumpujen pyörimisnopeutta on myös mahdollista säätää. Lisäksi kontrolloidaan stabilointisyvyyttä sekä sekoitustyön määrää kutakin stabilointiyksikköä (blokkia) kohden. Tavallisesti stabilointiruudun koko x,y-tasossa on noin 3 5 m x 3 5 m. Myös erillisen, jatkuvana stabiloinnin toteutumatietoa keräävän, ohjausjärjestelmän (kuva 2.4b) käyttäminen on mahdollista. Työtehoa / työsaavutusta kuvataan käsitteellä stabilointikapasiteetti. Todellisen kapasiteetin arvioinnissa tulisi ottaa huomioon työmaalla esiintyvät häiriötilanteet, tankkaukset tai muut vastaavat käyttökatkokset. Sekoitusteho otetaan kaivukoneen hydraulijärjestelmästä. Kapasiteettiin vaikuttavat sideaineen määrä, runkoaineen laatu ja joudutaanko työmaalla oleva massastabilointikenttä esihomogenisoimaan tai esisekoittamaan ennen varsinaista massastabilointityötä. Myös ulkoilman lämpötilalla (ts. talviolosuhteet) voi olla vaikutusta kapasiteettiin. Seuraavassa on esitetty suuntaa-antavaa tietoa muutamien tyypillisten runkomateriaalityyppien stabilointityön yhteydessä normaaliolosuhteissa saavutettavasta kapasiteettitasosta (näissä kapasiteeteissa saattaa olla suuriakin tapaus- ja olosuhdekohtaisia poikkeamia): Turpeen stabilointi n m 3 / h Saven stabilointi n m 3 / h Ruoppausmassan stabilointi n m 3 / h Sitkeiden savien tai silttien stabilointi n m 3 / h Menetelmää käytettäessä reunaehtona on, että sekoitinyksikön kautta syötettävien sideainekomponenttien on oltava hienorakeisia ja kuivia, jotta niiden liikuttelu sekoitinkärkeen onnistuu pneumaattisesti paineilmalla. Kuva 2.2. Massastabiloinnin perusyksikkö, jossa on stabilointiyksikkö kiinnitettynä kaivinkoneeseen ja liitettynä painesyöttimeen.
11 Massastabilointikäsikirja 10 Kuva 2.3. Massastabiloinnin sekoitinyksikön sekoitinkärkiä. a) b) Kuva 2.4. Massastabiloinnin hallintajärjestelmä: a) ohjaus- ja tiedonkeruujärjestelmä ja b) 3Djärjestelmän periaate. Massastabilointi Pehmeiden maa-ainesten lujittamismenetelmä Käyttötarkoitus painumien rajoitus/poisto, stabiliteetin parantaminen, pehmeiden maa-ainesten jäykkyyden lisääminen, pilaantuneiden maiden haitallisuuden vähentäminen, vesipitoisten massojen käsittelyn helpottaminen Usein edullisempi kuin ns. perinteiset pohjarakennusmenetelmät
12 Massastabilointikäsikirja TEKNISET PROSESSIT JA MASSASTABILOINNIN VAIKUTUS MAAN OMINAISUUKSIIN 3.1 MASSASTABILOINTITEKNIIKAT Massastabilointi on monipuolinen pehmeikköalueiden ja pehmeiden massojen käsittelymenetelmä. Massastabiloinnin käyttö voidaan jakaa kahteen pääryhmään: 1. Pehmeiden alueiden massastabilointi paikalla eli in situ stabilointi 2. Kaivettujen / ruopattujen massojen massastabilointi eli ex situ stabilointi Kuvissa esitetään in situ ja ex situ -massastabilointisovellutuksia, joissa stabiloitava pohjamaa voi olla savea, liejua, turvetta yms.: 1A) Perinteinen massastabilointi tien, kentän ym. rakenteen pohjan lujittamiseksi haitallisten painumien estämiseksi ja stabiliteetin varmistamiseksi (kuva 3.1A) 1B) Massastabiloinnilla voidaan lujittaa pehmeiköllä myös tuleva putkijohtokaivanto, ym. siten ettei kaivanto tarvitse erillistä tuentaa, tai tuennaksi riittää tuentaelementit, ja siten, että stabiloitu maa antaa hyvän pohjan tulevalle rakenteelle. Lisäksi pois kaivettu stabiloitu maa on näin helpommin hyötykäytettävissä (kuva 3.1B) 1C) Pois kaivettavat pehmeät massat voidaan massastabiloida in-situ ennen kaivua ja kaivun jälkeen hyötykäyttää esim. meluvallina. Massastabiloimalla kaivumaat etukäteen saadaan myös vaikeasti kuljetettavat massat helposti kuljetettavaan muotoon (kuva 3.1C) 2A) Pehmeitä ylijäämämassoja sijoitetaan täytettävälle alueelle, jossa ne massastabiloidaan. Massastabilointi voidaan tällöin ulottaa myös mahdolliseen allaolevaan pehmeään savi- /turve- ym. kerrokseen. (kuva 3.2) 2B) Ruoppausmassoja sijoitetaan pengerrettyyn altaaseen, jossa ne massastabiloidaan. Stabiloitu täyttö voi toimia esimerkiksi osana tulevaa satama-alueen täyttöä. (kuva 3.2) 3A) Ylöskaivettu pehmeä maa massastabiloidaan altaassa ja hyödynnetään materiaalin lujittumisen jälkeen esim. tien pengertäyttönä (kuva 3.3A) 3B) Vettä pidättävä massastabiloitu kerros esim. louhetäytön päällä kasvualustan alla (kuva 3.3B) 3C) Massastabiloitu materiaali melu- tai tulvavallina (kuva 3.3C) 4 Ruopatut massat voidaan massastabiloida proomussa ja hyötykäyttää ne edelleen mereen tai maalle tehtävässä täytössä (3.4) 3.2 MASSASTABILOINNIN VAIKUTUS MAAN OMINAISUUKSIIN Vaikutukset geoteknisiin ominaisuuksiin Massastabilointi muuttaa maan geoteknisiä ominaisuuksia merkittävästi. Vaikutusten suuruus ja nopeus riippuu käytetystä sideaineesta, sideaineen määrästä, runkoaineesta sekä lujittumisajasta, lämpötilasta ja tiivistyksestä. Massastabilointi muuttaa maan indeksiominaisuuksia (esim. vesipitoisuus, plastisuus, tilavuuspaino, ), lujuus- ja kokoonpuristuvuusominaisuuksia sekä vedenläpäisevyyttä. Kuvassa 3.5 on esitetty stabiloinnin vaikutus yksiaksiaaliseen puristuslujuuteen ja muodonmuutokseen. Vaikutukset ympäristöominaisuuksiin Massastabilointia sovelletaan myös pilaantuneiden maiden käsittelyyn. Stabiloinnilla sidotaan haitalliset aineet niukkaliukoiseen muotoon siten, että käsitellyt massat voidaan hyötykäyttää tai läjittää turvallisella tavalla. Massastabiloinnilla voidaan tehdä myös ns. reaktiivisia seinämiä, jotka sitovat haitalliset ainekset niin, etteivät ne pääse leviämään ympäristöön. Eri sideaineilla ja sideaineseoksilla on erilaisia ominaisuuksia haitallisten ainesten sitomiseen, ja siksi käytettävät sideainereseptit on aina tutkittava tapauskohtaisesti laboratoriossa etukäteen.
13 Massastabilointikäsikirja 12 Massastabiloinnilla voidaan vähentää haitallisten ainesten pääsyä ympäristöön mm. seuraavien ominaisuuksien muutosten johdosta: haitta-aineiden pidättyminen ja kapseloituminen materiaalien muuttuneet kemialliset ominaisuudet (ph, redox) materiaalien muuttuneet fysikaaliset ominaisuudet kuten vedenläpäisevyys hienoainespartikkeleiden sitoutuminen ja vesipitoisuuden pieneneminen 1. IN SITU Lopullinen rakenne A) B) C) A) Tiepenkereen pohjanvahvistus massastabiloimalla B) Massastabiloituun massaan kaivettu luiskattu putkijohtokaivanto C) Ennen kaivua massastabiloitu pehmeä savi hyödynnettynä esim. meluvallina stabiloidun pohjamaan päällä Kuva 3.1. In situ massastabilointi pohjavahvistuksena ja maarakennusmateriaalina. 2. EX SITU Hyödyntäminen massastabilointialtaassa A+B) A) Massanvaihdossa tms. muodostuvalla ylijäämämaalla tehty täyttö, joka on massastabiloitu paikalleen. B) Ruoppausmassojen läjitys altaaseen, jossa se massastabiloidaan ja alue hyödynnetään päällysrakenteella täydennettynä esim. satamakenttänä. Kuva 3.2. Ex-situ stabilointi, jossa stabiloitu massa hyödynnetään stabilointialtaassa täyttömateriaalina ja tulevien rakenteiden pohjarakenteena.
14 Massastabilointikäsikirja EX SITU Massastabilointiallas Lopullinen rakenne A) B) C) Ylöskaivettu savi tms. massastabiloidaan altaassa ja hyödynnetään materiaalin lujittumisen jälkeen muualla. A) Tien pengertäyttä B) Vettä pidättävä kerros esim. louhetäytön tai rengasrouhekerroksen päällä kasvualustan alla C) Meluvalli Kuva 3.3 Ex-situ stabilointi, jossa stabilointialtaassa stabiloitu massa hyödynnetään muualla. 4. EX SITU Massastabilointi proomussa Käyttö kuten kohdassa 3. Ex situ (kuva 3.3) Kuva 3.4 Ex-situ stabilointi, jossa stabilointialtaassa stabiloitu massa hyödynnetään muualla. Kuva 3.5 Stabiloinnin vaikutus saven yksiaksiaaliseen puristuslujuuteen ja muodonmuutokseen.
15 Massastabilointikäsikirja SOVELLUTUKSET JA KÄYTTÖKOHTEET 4.1 GEOTEKNISET SOVELLUTUKSET Massastabiloinnilla on lukuisia erilaisia käyttökohteita ja sovellutuksia pohjavahvistusmenetelmänä sekä heikkolaatuisten maa-ainesten jalostusmenetelmänä. Massastabiloinnin käyttökohteita ovat esimerkiksi: tiet kadut ja raitit rautatiet kunnallistekniikka ja verkostot satamat ja meriväylät maisema- ja viherrakentaminen (mm. puistot) ulkoliikuntapaikat ympäristönsuojausrakenteet kaivosalueet kaatopaikat ja jätteenkäsittelyalueet teollisuuden ja kaupan alueet sekä talonrakennuskohteet tulvasuojelu Massastabilointi voidaan tehdä: pehmeiden maakerrosten koko paksuudelle massastabilointina määräsyvyyteen ( kelluva rakenne) yhdistelmärakenteena, jossa massastabilointi on pilaristabiloinnin päällä Massastabiloimalla pehmeiden maakerrosten alapintaan saakka aikaansaadaan esikuormituksen jälkeen lähes painumaton pohjanvahvistus penkereelle (kuva 4.1a). Määräsyvyyteen tehdyssä massastabiloinnissa massastabiloinnin alapuolelle jää pehmeitä maakerroksia (kuva 4.1b). Määräsyvyyteen tehty massatabiloitu kerros siirtää penkereen aiheuttamat kuormat syvemmälle maakerrokseen ja tasaa painumia. Jos määräsyvyyteen tehdyn massastabiloinnin alle jää painuvia maakerroksia, sen päälle tehty rakenne ei ole painumaton. Painuman suuruuteen vaikuttaa oleellisesti se ylittääkö penkereen ja massastabiloinnin aiheuttama kuorma alapuolisen savikerroksen esikonsolidaatiojännityksen. Määräsyvyisen massastabiloinnin alle tehty pilaristabilointi rajoittaa massastabiloinnin alapuolisten pehmeiden maakerrosten painumaa ja parantaa penkereen varmuutta liukupintasortumaa vastaan (kuva 4.1c). Yleisimmin massa- ja pilaristabiloinnin yhdistelmärakennetta on käytetty silloin, kun ylimpänä maakerroksena on turve- tai liejukerros, johon pilaristabilointimenetelmällä ei aikaansaada riittävän lujia pilareita. Massastabilointia voidaan käyttää myös pilaristabilointikoneen työalustana erityisen heikosti kantavalla pohjamaalla TIET Tierakenteissa massastabilointia käytetään tyypillisesti pehmeikköalueiden pohjanvahvistuksena. Tavoitteena on saada aikaan kantava rakennuspohja päälle tulevia pengertäyttöjä ja rakennekerroksia varten, jolloin massastabilointi: rajoittaa ja tasaa maan pohjamaan painumia kasvattamalla pohjamaan maakerrosten jäykkyyttä parantaa kokonaisstabiliteettia parantamalla pohjamaan maakerrosten lujuutta lisää pohjamaan kantavuutta (kasvattaa E moduulia) parantaa heikkolaatuisten kaivumaiden laatua ja hyötykäyttömahdollisuuksia (stabilointi ennen kaivua)
16 Massastabilointikäsikirja 15 Tiekohteissa, joissa tehdään pehmeän pohjamaan kaivua (esimerkiksi massanvaihtokaivanto, alikulun leikkaus, tms.), voidaan kaivettava pehmeä maa-aines massastabiloida ennen kaivua, jolloin kaivettavien maa-ainesten leikkaus on helpommin toteutettavissa ja leikatun maa-aineksen laatu paranee. Tällöin kaivumaat ovat helpommin kuljetettavissa ja hyötykäytettävissä muualla rakennushankkeessa esimerkiksi pengertäyttönä tai maisema- ja viherrakentamisessa. a) b) c) Kuva 4.1 Massastabilointi a) pehmeän maakerroksen alapintaan, b) massastabilointi määräsyvyyteen ja c) massastabiloinnin ja pilaristabiloinnin yhdistelmä.
17 Massastabilointikäsikirja 16 a) b) Kuva 4.2 Esimerkki massastabiloinnin käytöstä tien pohjavahvistuksena suoalueella. a) tiealue ennen massastabilointia ja b) massastabiloinnin ja päällysrakenteen rakentamisen jälkeen (valokuva: Leppänen 1995 ja 1996) RAUTATIET Rautatiehankkeissa massastabilointia voidaan käyttää mm.: vanhan, pehmeikölle rakennetun ratapenkeen vieressä olevan maan lujittamiseen uuden tai korjattavan ratapenkereen pohjanvahvistuksena tärinää vaimentavana seinänä parantamaan heikkolaatuisten kaivumaiden laatua (stabilointi ennen kaivua) Kuvassa 4.3 on esitetty miten edellä mainittuja massastabiloinnin käyttötapoja voidaan soveltaa ratapoikkileikkauksessa. Pilaristabiloitua seinää on käytetty Suomessa useissa kohteissa junatärinän leviämistä vaimentavana rakenteena. Sopivissa olosuhteissa tärinää vaimentava seinä on mahdollista toteuttaa myös massastabilointitekniikalla. Kuva 4.3 Vaihtoehtoisia massastabiloinnin käyttömahdollisuuksia ratahankkeissa, a) massastabilointi tärinää vaimentavana seinänä, b) ratapenkereen viereisen maan lujittaminen ja c) maapohjan lujittaminen ratapenkereen alla.
18 Massastabilointikäsikirja 17 Suomessa on runsaasti vanhoja rautatiepenkereitä, joiden varmuus liukupintasortumaa vastaan on alhainen. Tällaista ratapengertä korotettaessa tai junien telipainoja kasvatettaessa varmuus pienenee, jolloin tarvitaan pohjavahvistustoimenpiteitä. Kun kyseessä on vanha ratapenger, on vastapenger usein kustannustehokas ratkaisu. Pohjamaan lujuuden ollessa riittämätön vastapenkereen rakentamiseksi, voidaan radan viereistä pohjamaata lujittaa massastabiloinnilla niin, että vastapenkereen rakentaminen on mahdollista ja varmuus saadaan riittäväksi. Esimerkki tällaisesta rakenteesta on esitetty kuvassa 4.3. Ensimmäinen rautatiehanke, jossa on käytetty massastabilointia pohjanvahvistuksena ratapenkereen alla oli Ruotsissa vuonna 1996 Uppsalassa Skyttorpissa (kuva 4.4). Radan kohdalla massastabiloitiin 2 3 m paksu turvekerros kovaan pohjaan saakka ennen ratapenkereen rakentamista. Esimerkki ratapihan alle tehdystä massastabiloinnista on esitetty kuvassa 4.5. a) b) c) d) Kuva 4.4 Ratahanke Ruotsissa 1996, a) lähtötilanne puuarinalle perustettu rata b) ja c) massastabilointityötä rata-alueella d) valmis massastabiloinnin päälle siirretty rata. (valokuva Leppänen 1996) Kuva 4.5 Esimerkki ratapihan alle tehdystä massastabiloinnista (Forsman 2008).
19 Massastabilointikäsikirja 18 a) b) Kuva 4.6 Vanha rata, jonka varmuus liukupintasortumaa vastaan on korotettu käyttäen vastapengertä ja massastabilointia erittäin pehmeän pohjamaan varaisesti rakennetun radan vieressä ( a)heikkilä 2006, b) Tikkanen 2006) KADUT JA RAITIT Massastabilointia voidaan käyttää katujen ja raittien pohjavahvistuksena sekä kaivumaiden laadun parantamiseen kuten tiekohteissakin. Oleellisena erona tie- ja rautatiekohteisiin on se, että kaduilla on tyypillisesti putkia ja muuta kunnallistekniikkaa, jonka ylläpidon ja täydentämisen takia katuja kaivetaan usein auki. Katujen ja raittien rakentamisessa massastabilointi: rajoittaa ja tasaa pohjamaan painumia kasvattamalla pohjamaan maakerrosten jäykkyyttä parantaa kokonaisstabiliteettia pohjamaan lujuutta kasvattamalla lisää pohjamaan kantavuutta (kasvattaa E moduulia) mahdollistaa luiskatut putkikaivannot lujitettuun pehmeään pohjamaahan parantaa heikkolaatuisten kaivumaiden laatua (stabilointi ennen kaivua) Katujen pohjanvahvistuksia suunniteltaessa on otettava huomioon katurakenteeen painumavaatimukset, putkikaivantojen kaivaminen ja putkien painumavaatimukset. Putkien painumavaatimukset ovat yleensä tiukemmat kuin pelkän katurakenteen. Edullisissa olosuhteissa ja matalissa kaivannoissa putket voidaan asentaa massastabiloituun kerrokseen luiskattuun kaivantoon. Syvemmissä kaivannoissa massastabiloidulla pohjamaalla on usein mahdollista korvata teräsponttituenta tuentaelementeillä. Toistaiseksi vähän käytetty massastabilointisovellus on stabiloidun materiaalin käyttäminen kadun tai raitin päällysrakenteen kerroksissa. Kuvassa 4.7 on esitetty periaate stabiloitujen maa-ainesten hyödyntämisestä pengertäytössä, suodatinkerroksessa tai jakavassa kerroksessa luvun lopulla tehtiin Viikin ns. savikadulla koeosuus, jossa massastabiloidusta savesta rakennetun jakavan kerroksen kantavuuden ei ole todettu alenevan jäätymisen ja sulamisen vaikutuksesta.
20 Massastabilointikäsikirja 19 a) b) Kuva 4.7 Massastabiloitu materiaali kadun pengertäytössä ja jakavassa kerroksessa (tumman vihreä, a). Massastabilointi pohjamaan lujittamisessa (vaalean vihreä, b) ja massastabilointiin kaivettu luiskattu kunnallistekniikan kaivanto KUNNALLISTEKNIIKKA JA VERKOSTOT Massastabiloinnilla voidaan lujittaa putkijohdon pohjamaa sekä maakerros, johon putkijohtokaivanto kaivetaan. Massastabiloinnin avulla voidaan pienentää kaivantolinjojen painumia, jolloin painumaerot tasoittuvat ja riski epätasaisille painumille pienenee. Kunnallistekniikan ja verkoston rakenteissa massastabilointi (kuva 4.7b): rajoittaa ja tasaa pohjamaan painumia kasvattamalla pohjamaan maakerrosten jäykkyyttä mahdollistaa luiskatut putkikaivannot pehmeään pohjamaahan parantaa heikkolaatuisten kaivumaiden laatua (stabilointi ennen kaivua) lujittaa pehmeät kaivumaat soveltuviksi putkikaivantojen lopputäytöihin
21 Massastabilointikäsikirja 20 Kunnallistekniikka ja verkostot sisältävät painumavaatimuksiltaan hyvin erilaisia rakenteita aina tiukat painumattomuuskriteerit omaavista gravitaatioputkista ja kaivoista paineputkiin, joille sallitaan suuriakin painumia. Putkilinjoja, jotka eivät siedä painumia, rakennettaessa massastabilointi saattaa olla tarpeen esikuormittaa, jotta putkien päälle rakennettavat penkereet eivät aiheuta liiallisia painumia. Putkijohtokaivannon kaivaminen stabiloituun massaan on helpompaa ja turvallisempaa kuin pehmeään koheesiomaahan kaivaminen. Kunnallistekniikan kaivantojen syvyydet vaihtelevat hyvin matalista kaivannoista aina pumppaamoiden syviin kaivantoihin. Massastabiloinnilla lujitetaan pohjamaata, jolloin hyvissä olosuhteissa massastabiloituun maa-ainekseen voidaan toteuttaa kaivantoja luiskattuina tai tuentaelementtejä käyttäen. Syvemmissä teräsponteilla tuetuissa kaivannoissa voidaan hyödyntää ponttien alapäiden väliin jäävän massastabiloinnin lujuutta, jolloin ponttien pituutta on mahdollista lyhentää. Myös kaivannon viereisen massastabiloidun maa-aineksen lujuutta voidaan hyödyntää, jolloin pontteja tai niiden tuentaa voidaan keventää. Osa kunnallistekniikan ja verkostojen linjoista sijaitsee viheralueilla, pelloilla ja metsissä, jolloin kaivantojen lopputäytöissä voidaan hyödyntää massastabiloituja heikkolaatuisia kaivumaita. Massastabiloituja kaivumaita on mahdollista hyödyntää myös muualla kaivantojen lopputäytöissä, mutta silloin massastabiloinnin lujuus- ja muodonmuutosominaisuudet on määritettävä tapauskohtaisesti, ottaen huomioon verkoston omistajan ohjeet ja vaatimukset. Pohja- tai orsivesien virtausta putkikaivannoissa estetään putkikaivantoihin rakennettavilla savisuluilla, joiden rakentamisessa voidaan hyödyntää massastabiloitua savea normaalisti käytettävän kuivakuorisaven sijaan SATAMAT JA MERIVÄYLÄT Satama- ja meriväylähankkeissa ruopataan materiaaleja, joiden meriläjitys ei aina ole mahdollista massojen pilaantuneisuuden takia. Meri- tai vesistöläjityksen sijaan materiaali voidaan massastabiloida ja hyötykäyttää sataman rakenteissa esimerkiksi uuden satamakentän täyttömaana. Satamarakenteissa voidaan hyödyntää huomattaviakin määriä stabiloituja maamassoja, jolloin kohteeseen ulkopuolelta tuotavien massojen tarve pienenee. Mikäli stabiloitava ruoppausmassa on pilaantunutta, haitta-aineiden liukoisuus yleensä pienenee stabiloidun massan lujittuessa, jolloin ruoppausmassan ympäristökelpoisuus paranee. Tyypillinen satamarakenneratkaisu, jossa on hyödynnetty massastabiloituja ruoppausmassoja, on esitetty kuvassa 4.8. Kuva 4.8 Merestä ruopatut sedimentit on massastabiloitu ja hyödynnetty satamakentän täytössä ja päällysrakenteen alaosassa.
22 Massastabilointikäsikirja 21 Kaupallisten stabiloinnin sideaineiden lisäksi potentiaalisia ovat mm. erilaiset teollisuuden sivutuotteet. Teollisuuden sivutuotteiden etuja sideaineena ovat mm. ympäristöystävällisyys, ruoppausmassan haittaaineiden liukoisuuden aleneminen ja kustannustehokkuus. Stabiloitava ruoppausmassa yleensä siirretään ensin loppusijoitus- / käsittelyaltaaseen, jossa massastabilointi toteutetaan. Allasrakenteet suunnitellaan käsiteltävien massojen laatu ja massojen käsittelytapa huomioiden. Stabilointityön vesistövaikutukset ovat yleensä vähäisiä ruoppausmassojen käsittelyn tapahtuessa suljetulla allasalueella, josta ei ole suoraa yhteyttä vesistöön (esimerkiksi kuva 4.9). Mikäli massastabiloitu ruoppausmassa hyödynnetään muualla kuin käsittelyaltaassa, siirretään se lopulliseen hyödyntämispaikkaan sen jälkeen, kun riittävä lujuus on saavutettu (usein 1 3 kk lujittumisajan jälkeen). Mikäli massastabilointi tehdään lopulliseen sijoitusaltaaseen, voidaan massastabilointi toteuttaa altaan pohjaan saakka tai "kelluvana" rakenteena, jossa altaan alaosaa ei massastabiloida. Ratkaisu riippuu tapauskohtaisesti lopulliselle rakenteelle asetetuista painumavaatimuksista. Hyödyntämiskohteessa massastabiloidun kerroksen päälle tulevien rakennekerrosten paksuus ja laatu riippuvat alueen lopullisesta käyttötarkoituksesta. Tyypillisesti tällaisia alueita käytetään erilaisina satama- ja varastokenttinä. a) b) Kuva 4.9 a) Massastabilointialtaat TBT-pilaantuneen sedimentin massastabiloimiseksi (valokuva: Vuosaaren satama), b) massastabilointi käynnissä Valencian satamassa (valokuva: ALLU). a) b) Kuva 4.10 Pilaantuneiden ruoppausmassoja sijoitettuna vanhan laiturin ja sen eteen tehdyn ponttiseinän väliin ja ruoppausmassojen massastabilointi (Deep Soil Mixing Ltd. UK).
23 Massastabilointikäsikirja 22 Kuva 4.11 Pehmeikköalue a) pintamaan raivauksen jälkeen ja b) massastabiloinnin ja satamakentän päällysrakenteen kantavan kerroksen rakentamisen jälkeen (valokuva: Havukainen 2004) VIHER- JA MAISEMARAKENTAMINEN Viheralueilla täytöt eivät yleensä edellytä routimatonta ja painumatonta materiaalia, vaan hoitoluokasta riippuen pieniä painumia ja routanousuja voidaan sallia. Käytettäessä stabiloitua massaa viheralueiden täytöissä, kiinnitetään huomiota maaston muotoiluun, kuivatuksen toimivuuteen, täyttökerroksen veden läpäisevyyteen, stabiloidun massan happamuuteen sekä täytön päälle tuleviin kasvualustakerroksiin. Maisemaja viherrakentamisessa täyttömateriaalien vaatimuksiksi yleensä riittää, että massastabiloitu materiaali on levitettävissä, muotoiltavissa ja tiivistettävissä rakenteeseen, joten tarvittava sideainemäärä saattaa olla tavanomaista vähäisempi. Stabiloitu maa-aines ei yleensä sellaisenaan sovi kasvualustaksi, vaan täyttökerroksen päälle tarvitaan varsinaiset kasvualustakerrokset. Kasvualustamateriaalin laatu ja kerrospaksuus riippuu kasvillisuustyypistä (kasvualustan paksuus tyypillisesti n. 0,2 0,5 m). Massastabiloitua heikkolaatuista ylijäämämaata tai ruoppausmassaa voidaan hyödyntää esimerkiksi maisemointi- ja pengertäytöissä sekä vesiaihioiden tiivistysrakenteissa kuvan 4.12 periaatteiden mukaisesti. Tarvittaessa massastabilointia voidaan käyttää pehmeiköllä pohjamaan vahvistuksena. Kuva 4.12 Viher- ja maisemarakentamisen täyttöjä massastabiloidusta heikkolaatuisesta ylijäämämaasta. Viherakentamisessa 1. maisemointitäytöt, 2. raittien pengertäytöt, 3. maisemointikumpareet ja 4. raitin pohjanvahvistus.
24 Massastabilointikäsikirja 23 a) b) c) Kuva 4.13 Ida Aalbergin puisto. Syvästabiloitujen ylijäämäsavien hyödyntämistä maisemarakentamisessa (a+b) ja valmis puisto c) (valokuva: Aino-Kaisa Nuotio 2013 ja 2014) ULKOLIIKUNTA-ALUEET Liikuntakenttien rakentamisessa on olennaista, että alueiden kuivatus toimii, kallistukset ovat oikeaan suuntaan ja kentät eivät lammikoidu. Kentille asetettujen tasaisuus- ja painumattomuustavoitteiden saavuttamiseksi massastabilointi on usein soveltuva pohjavahvistusmenetelmä pehmeiköillä. Kenttien tasauksen toteuttamiseksi tarvitaan niissä usein merkittäviä määriä täyttömateriaaleja, jolloin niissä voidaan hyödyntää suuria määriä massastabiloituja heikkolaatuisia ylijäämämaita. Käytön aikaisten painumien poistamiseksi hyvä tiivistys ja esikuormitus ovat usein välttämätön. Ulkoliikuntapaikkoja, joissa massastabiloitua maa-ainesta on mahdollista hyödyntää ovat mm.: urheilukentät pallokentät ratsastuskentät Ulkoliikunta-alueita, joissa tasaisuusvaatimukset ovat oleellisesti vähäisempiä, ovat esimerkiksi erilaiset maastopyöräilyradat ja laskettelumäet.
25 Massastabilointikäsikirja 24 Massastabiloinnin geoteknisiä sovellutuksia teiden, katujen ja raittien pohjanvahvistus ja pengertäytöt uusien ja vanhojen ratojen ja ratapihojen pohjanvahvistus, tärinän vaimennusrakenteet kunnallistekniikassa painumien rajoittaminen, kaivantojen tukeminen, lopputäytöt satamissa ja meriväylillä stabiloitujen ruoppausmassojen hyötykäyttö esimerkiksi merelle laajennettavien satamakenttien täytöissä viher- ja maisemarakentamisen täytöt ja pohjavahvistus ulkoliikunta-alueiden kenttien täytöt yms. 4.2 YMPÄRISTÖTEKNISET SOVELLUTUKSET YMPÄRISTÖNSUOJAUSRAKENTEET Ympäristönsuojausrakenteissa suojauskohteina ovat mm. talo-, teollisuus- ja infrarakenteet, työntekijät ja asukkaat, luontoympäristöt sekä pohja- ja pintavesiesiintymät (kuva 4.14). Tyypillisiä ympäristönsuojausrakenteita, joissa voidaan hyödyntää massastabilointia ja/tai massastabiloituja ylijäämämaita ovat mm.: meluvallit tulvasuojelu (pato- ja vallirakenteet sekä korotustäytöt) reaktiiviset seinämät pystyeristysseinät (esimerkiksi pilaantuneiden maiden kunnostusalueiden ympärillä) tärinän vaimennusseinämät (esimerkiksi ratarakenteissa) pilaantuneiden maa-ainesten kiinteyttäminen Meluvalleissa voidaan käyttää massastabilointia pohjamaan lujittamiseen ja massastabiloituja ylijäämämaita meluvallin rakenteena. Mitä korkeampi vallista ja jyrkempi luiskasta tehdään, sitä suurempi stabiloidun saven sisäisen lujuuden tulee olla. Luiskien stabiliteettia voidaan tarvittaessa parantaa geolujitteiden ja tukipenkereiden avulla. Tulvasuojelulla tarkoitetaan sellaisten pysyvien rakenteiden suunnittelua ja rakentamista, jotka estävät tai vähentävät tulvahaittoja. Massastabilointia voidaan käyttää tulvasuojapatojen ja vallien pohjavahvistuksena. Patojen ja vallien tiiviste- ja pengermateriaalina voidaan käyttää massastabiloitua ylijäämämaata tai ruoppausmassaa. Suomalaisilla savilla on alhainen vedenläpäisevyys, mutta yleensä niiden vesipitoisuus on suuri, lujuus alhainen ja kokoonpuristuvuus kuorman alla suuri. Lisäksi maarakennusominaisuudet ovat huonot Savien maarakennusominaisuuksia voidaan parantaa massastabiloimalla, jolloin saven maarakennusominaisuudet paranevat sekä lujuus ja jäykkyys kasvavat. Massastabilointi vaikuttaa saven vedenläpäisevyyteen lähinnä saven maarakennusominaisuuksien kautta kun saven rakennustekniset ominaisuudet paranevat, voidaan savesta rakennettava tiivistyskerros tiivistää helpommin, jolloin siitä on rakennettavissa homogeeninen tiivistyskerros. Tiivistekerrokseksi massastabiloitavalla savella ennakkokokeet ovat tärkeitä oikean sideainelaadun ja määrän valitsemiseksi. Massastabiloinnissa saveen ei saa sekoittaa liikaa sideainetta, koska
26 Massastabilointikäsikirja 25 silloin savikerros kuivuu liikaan, muuttuu hauraaksi ja voi halkeilla. Lisäksi saavutettavaan vedenläpäisevyyteen vaikuttaa valitut sideainekomponentit ja reseptöinti. Massastabiloitua savea voidaan käyttää vaakasuoran tai vinon tiivisteen sekä pystysuoran eristysseinän tiivistemateriaalina kohteen vaatimuksista riippuen joko sellaisenaan tai keinotekoisella eristeellä täydennettynä. Tiivistemateriaalina käytettävän massastabiloidun saven maarakennusominaisuuksien tulee olla hyvät eli materiaalin on oltava helposti tiivistettävissä homogeeniseksi rakenteeksi. Reaktiivinen seinämä on maaperään rakennettu vettäläpäisevä seinämä, jolla parannetaan sen läpi virtaavan pilaantuneen veden laatua. Seinämän toiminta perustuu seinämän läpi kulkeutuvassa vedessä tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin. Massastabilointilaitteiston sekoitinkärkeä ja painesyöttöjärjestelmää voidaan käyttää reaktiivisen seinämän rakentamisessa, jolloin massastabilointilaitteistolla syötetään pohjamaahan sideaineen sijaan ko. maaperään kemiallisesti soveltuvaa materiaalia. Massastabilointia on käytetty pilaantuneiden alueiden kunnostuksessa sekä pilaantuneiden ruoppausmassojen käsittelyssä. Stabilointi muuttaa aineen kemiallista käyttäytymistä ja kapseloi tiettyjä raskasmetalleja liukenemattomampaan muotoon. Stabiloinnin myötä materiaalista tulee teknisten ominaisuuksiensa puolesta maarakentamiseen soveltuvaa täyttömateriaalia. a) meluvalli, jossa on massastabiloitu pohjavahvistus ja massastabiloitua vallin pengermateriaalia b) tärinänvaimennusrakenne, jossa pohjamaahan on massastabiloitu tärinää vaimentava seinämä c) tulvasuojeluvalli, jonka pohjanvahvistus on massastabiloitu ja jonka pengermateriaali on massastabiloitua savea Kuva 4.14 Yhdyskunnan suojausrakenteita: a) meluvalli, b) tärinäsuojarakenne ja c) tulvapato.
27 Massastabilointikäsikirja 26 a) reaktiivinen seinämä b) pystyeristys- / katkaisuseinät c) kaatopaikkojen pinta-, pohja- ja muut eristeratkaisut d) pilaantuneiden maiden käsittely ja hyötykäyttö esimerkiksi virkistysalueilla, täyttömäissä, jne. Kuva 4.15 Yhdyskunnan suojausrakenteita: a) reaktiivinen seinämä, b) pystyeristys- / katkaisuseinä, c) kaatopaikan eriste ja d) pilaantuneiden maiden käsittely vähäliukoiseen muotoon.
28 Massastabilointikäsikirja KAIVOSALUEET Kaivosalueiden rikastushiekkojen, sivukivien, yms. varastoinnissa ja loppusijoittamisessa tarvitaan suojausrakenteita kuten pato-, penger- ja tiivisterakenteita sekä reaktiivisia seinämiä, joita voidaan toteuttaa massastabiloimalla. Suurilla kaivosalueilla käytettävä massastabilointiteknologia ja käyttökohteet tulee valita kohteen mittakaava huomioiden PILAANTUNEIDEN MAIDEN KÄSITTELY Stabilointitekniikkaa voidaan hyödyntää myös pilaantuneiden maiden käsittelymenetelmänä. Haitta-aineiden aiheuttamaa riskiä pienennetään muuntamalla ne vähemmän liukoiseen, kulkeutuvaan tai myrkylliseen tilaan. Myös lentotuhkaa voidaan hyödyntää stabiloinnissa. Haitta-aineiden pitoisuudet täytyy olla tiedossa, jotta reseptoinilla voidaan hakea sopiva sideaine liukoisuuksien pienentämiseksi. Yleensä näitä pilaantuneita stabiloituja maita voidaan hyödyntää niiden lujuusominaisuuksien mukaan esimerkiksi erilaisissa kenttärakenteissa sidottuina, kantavina rakenteina. Kemiallisesti tarkasteltuna stabilointi sopii hyvin öljyllä, PAH-yhdisteillä ja epäorgaanisilla haitta-aineilla kuten raskasmetalleilla ja suoloilla pilaantuneiden maiden käsittelyyn ja käsiteltävät kohteet voivat olla kooltaan myös pieniä. Pilaantuneiden maiden käsittely vaatii yleensä ympäristöluvan. Pilaantuneita maita voidaan stabiloida sekä in-situ että ex-situ. In-situ-menetelmällä maata ei tarvitse kaivaa ylös, vaan se voidaan käsitellä omalla paikallaan jolloin kaivamisesta aiheutuvien mahdollisten kemiallisten reaktioiden aiheuttamat riskit pienenevät oleellisesti. Kemiallisella kestävöinnillä tarkoitetaan sellaisen kemiallisen aineen lisäämistä pilaantuneeseen maaainekseen, joka aiheuttaa kemiallisia reaktioita haitta-aineiden kanssa ja muuttaa ne vähemmän liukenevaan muotoon. Haitta-aineet eivät siis hajoa vaan muuttuvat niukkaliukoisemmaksi. Esimerkkinä voidaan mainita kromi-ionien hapettuminen ja muuttuminen vaikeammin liukenevaan muotoon. Kiintetytyksellä saadaan löysä maa-aines muutettua kiinteämpään muotoon sideaineen avulla. Kun pilaantuneeseen maahan sekoitetaan sideainetta, saadaan materiaalia, jolla on alhainen vedenläpäisevyys ja haitta-aineet saadaan ns. kapseloitua. Kemiallisilla reaktoilla voidaan saada alkuperäiset haitta-aineet hajoamaan. Reagenssi voi aiheuttaa suoran hajoamisen tai se voi toimia välillisenä katalyyttinä materiaalissa olevan aineen (esimerkiksi veden) ja haittaaineiden kesken. Pilaantuneiden maiden käsittelyssä on tärkeää kiinnittää huomiota massojen homogenisointiin koko työn laajuudelta, joten työn tekijän on oltava ehdottoman ammattitaitoinen SULFAATTIMAIDEN KÄSITTELY Sulfaatti- ja sulfidipitoisia maa-aineksia esiintyy Suomessa erityisesti rannikolla. Sedimentit ovat peräisin Litorinameren ajalta noin vuotta sitten, jolloin ilmasto oli lämmin ja kasvillisuutta oli runsaasti. Maatuvat kasvinosat aiheuttivat meriveden rehevöitymistä. Hapettomissa olosuhteissa merenpohjan mikrobitoiminta pelkisti sulfaatit sulfideiksi. Jääkauden jälkeen maan kohoamisen myötä, entinen merenpohja on noussut pohja- tai orsivesipinnan yläpuolelle. Kun sulfidisavi nousee pohjaveden pinnan yläpuolelle, hapen kanssa tekemisiin joutuvan sulfidisaven sisältämät rikkipitoiset mineraalit hapettuvat ja muodostavat rikkihappoa, joka liuottaa maaperästä sen luontaisesti sisältämiä metalleja. Hapon muodostus johtaa happamien (ph 2,5 4) sulfaattimaiden syntyyn. Alhainen pharvo aiheuttaa raskasmetallien liukenemista maaperästä. Raskasmetallit kulkeutuvat veden mukana edelleen vesistöihin aiheuttaen mm. kalakuolemia. Happamat vedet aiheuttavat myös infrastruktuurin rakenteissa korroosiota.
29 Massastabilointikäsikirja 28 Sulfidimaat aiheuttavat ongelmia erityisesti silloin, kun ne kaivetaan pois paikoiltaan ja joutuvat tekemisiin hapen kanssa. Sulfidimaita on syytä epäillä silloin, kun pohjaveden pinnan alla oleva savi on mustaa ja mahdollisesti myös haisee rikkivedylle. Kuvassa 4.16 näkyy selvästi musta pohjaveden pinnan alla oleva sulfidisavi ja sen päällä oleva vaaleampi sulfaattisavi. a) b) Kuva a) Musta sulfidisavi syvemmällä koekuopassa sekä b) musta sulfidisavi vasemmalla ja hapettunut, ruskeaksi muuttunut savi oikealla (valokuva: Jonas Aspholm 2011). Sulfaattimaita voidaan stabiloida ennen niiden hapettumista, jolloin niiden ph-arvo nousee, eivätkä ne enää aiheuta happamoitumisriskiä ympäristölle. Vuonna 2011 tehdyn tutkimuksen mukaan (Lindroos et al. 2012) sulfidisavia voidaan menestyksekkäästi sekä massastabiloida että pilaristabiloida silloin, kun ko. materiaalit ovat pohjaveden pinnan alapuolella hapettomissa olosuhteissa. Hapettumisen jälkeen sulfidisavien stabiloimiseen tarvittava sideainemäärä kasvaa merkittävästi. Stabiloituja sulfidisavia voidaan hyödyntää esimerkiksi meluvalleissa tai maisemointitöissä. Stabiloiduilla sulfidisavilla ei ole enää merkittävää happamoittamispotentiaalia. Sulfidisavien on todettu lujittuvan sementtiä, kalkkia, kipsiä ja lentotuhkaa sisältävillä sideaineseoksilla ennen ko. savien hapettumista. Lentotuhkat soveltuvat sideaineksi, mikäli sulfidisavi halutaan käsitellä vain happamoitumisriskin pienentämiseksi, eikä erityistä lujuusvaatimusta ole asetettu. Massastabiloinnin ympäristöteknisiä sovellutuksia Meluvallit Reaktiiviset seinämät Pilaantuneiden maiden kunnostaminen Sulfiitti- ja sulfaattimaiden ph:n säätö Kaatopaikkojen tiivistysrakenteet
30 Massastabilointikäsikirja TEOLLISUUDEN JA KAUPAN KENTÄT SEKÄ VARASTOALUEET Teollisuuden ja kaupan pihaalueet ovat usein laajoja kenttä-, varasto- tai pysäköintialueita. Massastabilointia käytetään laajojen alueiden pohjanvahvistusmenetelmänä. Raskaasti liikennöidyillä alueilla voi esiintyä suuriakin liikennekuormia. Massastabiloinnin käyttökohteita teollisuuden ja kaupan alueilla ovat mm.: pysäköintialueet piha-alueet kenttäalueet varastokentät täytöt Laajoilla kaupan ja teollisuuden kenttäalueilla massastabilointia käytetään painumia rajoittavana ja tasaavana pohjanvahvistuksena. Talonrakennuskohteissa massastabiloinnin avulla voidaan tasata pihan painumaeroja. Kuvassa 4.17 on esitetty esimerkki massa- ja pilaristabiloinnin yhdistelmärakenteesta suuren kaupan pihaalueella. Massastabiloitua savea voidaan käyttää myös rakennusten vierus- ja alustäytöissä. Käyttö edellyttää riittävää ruotasuojausta. Massastabiloitua materiaalia on mahdollista käyttää pengertäytössä ja päällysrakenteen alaosassa, jolloin materiaalilla on oltava riittävä kuormitus- ja routakestävyys. a) b) Kuva 4.17 Massa- ja pilaristabiloinnin yhdistelmärakenne kauppakeskuksen piha-alueella: a) massastabilointityö käynnissä ja b) valmis piha-alue sekä massa- ja pilaristabiloinnin yhdistelmärakenne (Koivisto et al. 2004).
31 Massastabilointikäsikirja ALUERAKENTAMINEN Massastabilointi on erinomainen menetelmä pehmeäpohjaisten alueiden saamiseksi rakennuskelpoisiksi. Suositeltava toimintatapa on esirakentaminen, jossa ennen alueen muuta rakentamista massastabiloidaan ja tarvittaessa esikuormitetaan rakennettavan alueen pehmeäpohjaiset alueet, jotka eivät saa painua. Esirakennetun lujittuneen pohjan päälle on helppo rakentaa kadut, putkijohdot, piha-alueet jne. Raskaammat rakennukset paalutetaan massastabiloinnin läpi. Esirakentamisella säästetään kustannuksia huomattavasti verrattuna siihen, että esimerkiksi katujen ja tonttien pehmeästä pohjasta johtuvat ongelmat hoidettaisiin erikseen. Tällä yhdessä siirtymärakenteiden kanssa varmistetaan se, ettei haitallisia painumaeroja synny erilaisten rakenteiden saumakohtiin. Massastabilointi mahdollistaa alueen heikkolaatuisten maa-ainesten jalostamisen siten, että ne voidaan hyödyntää alueen sisällä rakennusmateriaalina erilaisissa täytöissä, alemmissa rakennekerroksissa, maisemarakentamisessa, meluvalleissa, yms. Uusien alueiden suunnittelussa ja rakentamisessa massastabilointimenetelmää voidaan hyödyntää monipuolisesti. Pehmeiden alueiden esirakentamisen (pohjanvaihvistamisen) lisäksi alueella tai sen ulkopuolelta kaivettavat maa-ainekset voidaan massastabiloida ja hyödyntää alueella tarvittavassa maarakentamisessa esim. alueelliset täytöt, meluvallit, viheralueet, yms. Tämä on sekä ekotehokasta että taloudellista. Pehmeiden massojen hyödyntäminen stabiloituna vähentää heikkolaatuisten maa-ainesten poiskuljetusta ja uusien neitseellisten materiaalien käyttötarvetta. Tämä kaikki vähentää merkittävästi kuljetustarvetta julkisella katuja tieverkolla sekä maankaatopaikkojen tarvetta. Uusien alueiden suunnittelu ja rakentaminen ekotehokkaalla tavalla heikkolaatuisia kaivumaita tehokkaasti hyödyntämällä edellyttää että: Alueen kaavoitus- tai esisuunniteluvaiheessa käynnistetään esirakentamisen ja massojen hyödyntämisen suunnittelu. Suunnittelun lähtötiedoiksi tarvitaan pohjatutkimuksia ja laboratoriotutkimuksia pehmeäpohjaisilla alueilla. Esirakentamisen ja massojen hyödyntämisen suunnittelu ja toteutus nivelletään ja aikataulutetaan koko hankkeen toteutukseen siten, että toimenpiteet tehdään ajoissa ja tarvittavat tilat sekä luvitus massojen varastointiin ja käsittelyyn erilaisilla sideaineseoksilla ovat olemassa. Kuvassa 5.1 on esitetty laaja esirakennuskohde, jossa pehmeä pohjamaa syvästabiloitiin kantavaksi pohjaksi teollisuuden piha-alueta ja liikenneyhteyksä varten (kuvassa a ennen massastabilointia ja kuvassa b massastabiloinnin jälkeen). Taulukossa 5.1 on esitetty massastabiloinnin käyttömahdollisuuksia aluerakentamiskohteesssa.
32 Massastabilointikäsikirja 31 a) b) Kuva 5.1 Aluerakentamiskohde, jossa suoalue on muutettu kantavaksi ja rakentamiskelpoiseksi massastabilointia käyttäen -a) ennen massastabilointia ja b) massastabiloinnin jälkeen (Hautalahti et al. 2007). Taulukko 5.1 Massastabiloinnin mahdollisia käyttökohteita aluerakentamishankkeessa. Pohjanvahvistus Rakennus- / täyttömateriaali Suojarakenne (tärinä, melu, pohjavesi, tulva, ) Tontit Kadut Kunnallistekniikka Tiet Radat, ratapihat Tulvasuojelu Meluvallit Satamat ja vesiväylät Kaatopaikat ja jätehuoltoalueet PIMA-kunnostus Maisema- ja viherrakentaminen + + -
33 Massastabilointikäsikirja 32 Kuva 5.2 Massastabiloinnin mahdollisia sovellutuksia isossa aluerakentamiskohteessa: 1. tiivisterakenteet, 2. meluvallit, 3. satamarakenteet, 4. tulvavallit, 5. esirakentaminen, 6. tiet, kadut ja kunnallistekniikka, 7. pilaantuneiden maiden hyödyntäminen, 8. ympäristönsuojausrakenteet ja 9. maisemarakentaminen. Ei pehmeiden maa-ainesten jalostusta Pehmeät maa-ainekset jalostetaan rakennusmaterialiksi Kuva 5.3 Heikkolaatuisten (pehmeiden) ylijäämämaiden hyödyntäminen aluerakennuskohteessa: a) Perinteinen menettely, jossa heikkolaatuiset kaivumaat ajetaan maankaatopaikalle ja b) optimoitu menettely, jossa heikkolaatuiset maa-ainekset jalostetaan maanrakennusmateriaaliksi.
34 Massastabilointikäsikirja 33 Taulukko 5.2. Kaavasuunnittelun ja esirakentamisen suunnittelun vaiheet (muokattu julkaisun Nauska & Havukainen 1998 taulukosta).
35 Massastabilointikäsikirja MASSASTABILOINTIPROJEKTIN VAIHEET 6.1 PROSESSI Massastabilointiprojektin toteuksen päävaiheet ja toteutukseen vaadittava aika voidaan jaotella kuvan 6.1 mukaisesti. Monet projektin vaiheet etenevät rinnan ja ovat vuorovaikutussuhteessa toisiinsa. Projektin alkuvaiheessa kerätään lähtötietoja, joita ovat esimerkiksi olemassa olevat maaperäkartat, aikaisemmin tehdyt kairaukset, näytetutkimukset, yms. Lisäksi kootaan tietoa mahdollisesti samalla alueella aiemmin tehdyistä syvästabiloinneista ja niiden kokemuksista. Olemassa olevien tietojen ja alustavien suunnitelmien perusteella ohjelmoidaan täydentävät pohjatutkimukset (kairaukset, näytteenotot, pohjavesimittaukset, maalaboratoriotutkimukset, yms.) ja ohjelmoidaan stabiloitavuuskokeet. Mikäli samalta alueelta on riittävästi aiempaa syvästabilointikokemusta ja kyseessä ei ole erityisen vaativa kohde, uudet stabiloitavuuskokeet eivät ole aina välttämättömiä. Stabiloitavuuskokeita ohjelmoitaessa huomioidaan mahdolliset aikaisemmat kokemukset ko. alueelta tai vastaavista maaperäolosuhteista. Kohteen koosta, kohteen vaativuudesta, suunnittelu- / toteutusaikataulusta, yms. seikoista riippuen stabiloitavuuskokeet tehdään yhdessä tai useammassa vaiheessa. Stabiloitavuuskokeita varten otetaan tarvittavat näytteet yleensä yhdellä kerralla, vaikka stabiloitavuuskokeet laboratoriossa tehtäisiinkin useammassa vaiheessa. Mikäli stabiloitavuuskokeita tehdään useammassa vaiheessa, on ensimmäisessä vaiheessa yleensä tavoitteena selvittää mitkä sideaineet ovat ko. kohteessa toimivia ja toisessa vaiheessa keskitytään enemmän sideainekomponenttien suhteiden ja sideainemäärän optimointiin. Massastabiloinnin suunnittelun lähtötiedoiksi selvitetään tutkimuksilla: maakerrosrajat maakerrosten indeksiominaisuudet, aina vesipitoisuus, humuspitoisuus (massastabilointimenetelmälle on ominaista, että sitä usein käytetään humuspitoisissa maalajeissa, jolloin humuksen määrä ja sen vaihtelut vaikuttavat huomattavasti stabiloituvuuteen ja sideaineen tarpeeseen) ja harkinnan mukaisessa määrin hienousluku, rakeisuus sekä tarvittaessa ph, SO 4 tai Cl maakerrosten lujuusominaisuudet, yleensä siipikairauksin (toisinaan laboratoriokokeilla) maakerrosten painumaominaisuudet, yleensä ödometrikokein Maakerrosten stabiloituvuus selvitetään: stabiloituvuuskokein laboratoriossa koestabiloinnilla maastossa saman geologisen muodostuman aikaisempien stabilointikokemusten perusteella Geotekninen mitoitus ja suunnittelu tehdään vaiheittain suunnitelmien tarkentuessa vaihe vaiheelta. Stabiloitavuuskokeiden rytmittyminen suunnitteluun vaihtelee. Mikäli kyseessä on kohde, jossa aikaisemman kokemuksen perusteella tiedetään tai voidaan perustellusti arvioida massastabiloinnin lujittuvan suunniteltuun lujuuteen, voidaan suunnittelu tehdä käyttäen mielekästä lujuutta massastabiloinnille ja stabiloitavuuskokeet voivat edetä suunnittelun perässä tai stabiloitavuuskokeet voidaan jättää jopa urakoitsijan tehtäväksi, jolloin urakoitsija määrittää urakkalaskentavaiheessa käytettävän sideainereseptin (laatu ja määrä). Tämä menettely vaatii runsaasti aikaa urakkalaskentavaiheessa. Normaali käytäntö on se, että stabiloitavuuskokeet ajoitetaan niin, että tulokset ovat käytettävissä suunnittelun aikana. Yksinkertaisimmassa tapauksessa suunnittelu ja stabiloituvuustutkimukset tehdään yhdellä kerralla. Kuvassa 6.2 on esitetty miten massastabilointiprojekti etenee työvaiheittain ajan suhteen. Kuvassa 1.1 on esitetty projektin eri osapuolet ja taulukossa 1.1 osapuolten tehtävät.
36 Massastabilointikäsikirja 35 Kuva 6.1 Massastabilointiprojektin päävaiheet. Joskus hanke voi edetä esisuunnittelusta suoraan toteutusvaiheeseen, mikäli kohteesta/alueelta aikaisempia dokumentoituja syvästabilointikokemuksia. Kuva 6.2 Massastabilointiprojektin tehtävien sijoittuminen aika-akselilla.
37 Massastabilointikäsikirja LÄHTÖTIEDOT JA POHJATUTKIMUKSET Massastabilointihankkeen suunnittelussa ensimmäinen vaihe on olemassaolevien pohjatutkimustietojen ja kohteen tietojen kokoaminen. Näiden tietojen pohjalta tehdään ensimmäinen teknistaloudellinen arviointi massastabiloinnin soveltuvuudesta ko. kohteeseen. Mikäli massastabilointi havaitaan käytettävien tietojen perusteella ko. kohteeseen soveltuvalta menetelmältä, ohjelmoidaan täydentävät tutkimukset ottaen huomioon massastabiloinnin erityispiirteet. Ohjelmoitavilla tutkimuksilla selvitetään: pehmeikön eri kerrosten paksuudet ja pohjaveden pinnan korkeus ja sen vaihtelut eri kerrosten geotekniset ominaisuudet ja pilaantuneiden maiden osalta ympäristöominaisuudet näiden lisäksi otetaan näytteet stabiloituvuustutkimuksia varten Lähtötilanneselvityksessä selvitetään myös: käytössä olevat rakenteet (mm. maanalaiset putket, kaapelit, maanpäälliset ilmajohdot,...) hylätyt, hylättävät ja/tai purettavat rakenteet (aikaisemmat pohjarakenteet esim. paalut, hirsitelat, ) toteutuksen edellyttämät työalueet ja tieyhteydet kalustolle ja sideaineille sideaineiden saatavuus Pohjatutkimuksilla tarkoitetaan maa- ja kallioperän tutkimuksia, joilla selvitetään kyseessä olevan alueen pohjamaan rakennetta ja ominaisuuksia. Pohjatutkimuksia tarvitaan geoteknistä suunnittelua varten, ja niiden laajuus määräytyy rakennuspohjan laadun, kuormitusten sekä tehtävien rakenteiden asettamien vaatimusten perusteella. Pohjatutkimusten yhteydessä tehdään mm. silmävarainen maastokatselmus, koekuoppa(-kuoppia) sekä erilaisia kairauksia. Silmävaraisten havaintojen, geologisten karttojen ja ilmakuvien yms. avulla pyritään tekemään päätelmiä alueen maaperämuodostumista ja niiden rakenteesta. Koekuoppa on luotettavin tapa tutkia lähellä maanpintaa olevia kerroksia. Koekuopasta tehdään havaintoja erilaisista maakerroksista ja niiden maalajeista, maan kivisyydestä ja lohkareisuudesta, maan kaivuominaisuuksista, kuopan seinämien pysyvyydestä, pohjaveden korkeustasosta sekä kalliopinnasta. Kuopasta voidaan ottaa myös näytteitä laboratoriotutkimuksia varten. Kairauksissa pyritään ensisijaisesti havaitsemaan kairan kärkikappaleeseen kohdistuvaa kairausvastusta. Vastuksen vaihteluista voidaan päätellä kairauksella läpäistävien maakerrosten laatua, tiiviyttä, lujuutta ja kantavuutta. Kairausten yhteydessä tehdään usein myös näytteenottoa. 6.3 ESITUTKIMUKSET JA SUUNNITTELU Esitutkimuksessa selvitetään massastabiloinnin tekniset mahdollisuudet sekä taloudellisuus ja kilpailukyky alustaviin stabiloitavuuskokeisiin tukeutuen. Alustavilla stabiloituvuustutkimuksilla testataan pehmeiden maakerrosten stabiloituvuus siten, että tarvittavien sideaineiden laadut ja määrät voidaan arvioida alustavasti (1. vaihe). Näitä tietoja käytetään teknisten ratkaisuvaihtoehtojen esisuunnitteluun ja alustavan kustannusarvion tekemiseen. Esitutkimukset palvelevat päätöksen tekoa massastabilointimenetelmän valitsemiseksi. Esitutkimusten pohjalta tehdään myös varsinaisten stabiloituvuustutkimusten ohjelma (2. vaihe) sekä valitaan rakennetyypit ja/tai -sovellutukset geoteknistä suunnittelua varten. Mikäli suunnittelukohde sijaitsee vieraalla alueella, jonka maaperän stabiloitavuudesta ei ole ennakkotietoa ja sitä ei voida perustellusti arvioida käytettävissä olevien tietojen perusteella tai epäillään maaperässä olevan lujittumista haittaavaan pilaantuneisuutta, tarvitaan käytännössä alustavat stabiloitavuuskoetulokset ennen kuin massastabiloinnin suunnittelua kannattaa aloittaa. Useimmissa kohteissa pohjamaa on lujitettavissa massastabiloinnilla, mutta on olemassa kohteita, joissa pohjamaa tai jokin sen kriittinen kerros ei ole stabiloitavissa taloudellisesti mielekkäällä sideainemäärällä ja ko. kohteita ei kannata suunnitella massastabilointitekniikkaan perustuen.
38 Massastabilointikäsikirja SUUNNITTELU JA STABILOITUVUUSTUTKIMUKSET Stabiloituvuustutkimuksilla (2. vaihe) selvitetään potentiaalisten sideaineiden, niiden seosuhteiden ja määrien vaikutukset mm: saavutettavaan puristuslujuuteen tarvittavaan lujittumisaikaan lujittumisvaiheen kokoonpuristumaan lujittumisen herkkyyteen stabiloitavan materiaalin ominaisuuksien vaihdellessa, esim. vesipitoisuuden vaihtelun vaikutus (tärkeää mm. altaassa välivarastoitavien ruoppausmassojen stabiloinnissa) Massastabiloinnissa usein stabiloidaan erityyppisiä päällekkäisiä maakerroksia keskenään. Esimerkiksi savikerroksen päällä oleva turve sekoitetaan alapuolisen savi-, siltti- tai hiekkakerroksen tai kerroksen yläosan kanssa taikka yläpuolisen hiekkakerroksen kanssa, jolloin turpeen sekaan saadaan mineraalista maa-ainesta parantamaan turpeen stabiloitavuutta. Näin ollen massastabilointia varten tehtävissä stabiloitavuuskokeissa on usein mielekästä sekoittaa päällekkäisiä maakerroksia stabiloitavuuskokeiden runkoaineeksi. Turpeen tai liejun stabiloituvuutta on myös mahdollista tehostaa sekoittamalla stabiloitavan kerroksen pinnalle levitetty hiekka tai kivituhka stabiloitavaan maakerrokseen. Lisäksi voidaan tutkia mm. lujittumislämpötilan, esikuormituksen suuruuden, seosrunkoaineen määrän, yms. vaikutuksia saavutettavaan lujuuteen. Erityisen suurissa tai vaativissa kohteissa tai kohteissa, joihin massastabilointilaitteisto on edullisesti mobilisoitavissa, on mahdollista tehdä myös koemassastabilointi, jolla voidaan testata pohjamaan stabiloitavuutta ja jonka perusteella voidaan arvioida tarvittava sideainemäärä. Geotekninen suunnittelu sisältää geotekniset laskelmat (mm. painuma- ja stabiliteettilaskelmat), rakenteiden suunnittelun, piirustustukset, määrälaskennan, työselityksen, laadunvarmistussuunnitelman,. Massastabiloinnin suunnitteluun saattaa kuulua myös sideainelogistiikan, sideaineen välivarastoinnin ja sekoituksen työsuunnittelu. Geoteknisessa suunnittelussa määräytyy myös stabiloinnille asetettava tavoitelujuus tai tavoitelujuus määräytyy stabiloitavuuskokeiden tuloksista teknistaloudellisin perustein. Massastabiloinnin leikkauslujuustavoite vaihtelee yleensä välillä kpa, ollen harvemmin yli 100 kpa. Massastabilointikohteen työselityksessä määritetään mm. työohjeet, toimintatavat, stabiloidun materiaalin tekniset vaatimukset ja laadunvarmistussuunnitelma kunkin kohteen erityisolosuhteet huomioiden (mm. stabiloitava runkomateriaali ja sen laatuvaihtelu, sideaineet, lopullinen, käytettävissä oleva lujittumisaika, vuodenaika jne.). Tilaajasta, kohteesta ja kohteen vaativuudesta riippuen massastabilointikohteen työselitys voi olla kokonaisuudessaan tiettyyn kohteeseen räätälöity tai se voi pohjautua pitkälti yleiseen työselitykseen ja laatuvaatimuksiin, jota tarkennetaan tarvittavin osin. Yksityiskohtaisen ohjeistuksen avulla pyritään minimoimaan rakennusaikaisten riskien toteutuminen ja varmistamaan laadukas ja suunnitelmien mukainen työn toteutus (kuten esimerkiksi reaktiivisen sideaineen oikeaoppinen varastointi). Laadunvarmistussuunnitelmassa määritellään toimenpiteet sekä työnaikaiseen seurantaan ja laadunohjaukseen. Tämän lisäksi suunnitelma sisältää lopullisen stabiloidun kerroksen valvontakairaukset tyypillisesti 1 3 kuukautta rakentamisen jälkeen sekä mahdolliset muut seuranmittaukset. 6.5 URAKKALASKENTA Kun piirustukset ja työselitykset yms. asiakirjat ovat valmiit (tai riittävän valmiit), käynnistetään urakkakilpailu. Mikäli massastabiloinnin toteutuksesta sovitaan neuvottelumenettelyllä tai massastabilointia käytetään osana suurempaa urakkaa urakoitsijan omana vaihtoehtoisena rakenteena, ei urakkakilpailua välttämättä tarvita. Massastabilointityötä voidaan tehdä myös puitesopimustyönä, jolloin sopimuskaudella puitesopimuksen mukaisista kohteista ei järjestetä urakkakilpailua.
39 Massastabilointikäsikirja 38 Tässä vaiheessa tapahtuu massastabilointiurakan hinnoittelu ja laaditaan urakkasopimus. Viimeistään tässä vaiheessa myös määräytyy se kuka vastaa pohjamaan stabiloituvuudesta valitulla sideaineella käytännössä vastuu sideainereseptin toimivuudesta on joko rakennuttajalla tai urakoitsijalla sen mukaan kumpi on määrittänyt ja hinnoitellut käytettävän sideainereseptin. 6.6 STABILOINTITYÖ Massastabilointi toteutetaan suunnitelmien mukaisesti tarvittaessa suunnitelmaa päivittäen ja/tai täydentäen toteutuksen aikana. Massastabilointityölle on tehtävä kohdekohtainen työmaasuunnitelma, jossa esitetään miten urakoitsija kohteen massastabiloinnin käytännössä toteuttaa ja miten hoitaa urakoitsijan vastuulla olevan laadunvalvonnan ja laadun osoittamisen. Työmaasuunnitelma perustuu työselitykseen, mutta urakoitsija voi täydentää työselitystä esim. urakoitsijan oman laadunvalvonnan osalta. Massastabiloinnin kanssa samanaikaisesti tapahtuu urakoitsijan oma laadunvalvonta. Käytännössä se tarkoittaa mm. seuraavien seikkojen valvontaa ja seuraamista: stabiloitavien massojen laadun (esim. vesipitoisuus), olosuhteet (vastaako suunnitelmissa esitettyä tms.), stabiloitujen massojen laatu/laatuvaihtelu, sideaineen määrä, lujittumisen kehittyminen sekä lopputuloksen homogeenisuus ja puristuslujuus. Mikäli kohteeseen on palkattu ulkopuolinen laadunvalvoja toteutuksen ajaksi, kuten suositeltavaa on, alkaa ulkopuolisen laadunvalvojan työ (tuotantoa ohjaava laadunvalvonta) ennen urakan alkamista. Mikäli kohteessa ulkopuolinen laadunvalvoja tekee laatua toteavaa laadunvalvontaa eli stabiloinnin jälkeen tehtävät laadunvalvontakairaukset tai näytteiden puristuskokeet, alkaa ulkopuolisen laadunvalvojan työ vasta viikkoja kuukausia stabiloinnin aloittamisen jälkeen (jolloin laadunvalvoja ei tee laatua ohjaavaa työtä). Suurissa, erityisen vaativissa kohteissa tai vierasta materiaalia massastabiloitaessa, suositellaan työ aloitettavan koestabiloinnilla. Koestabiloinnilla testataan työn teknistä toteutusta, lopputuloksen laatua, työsaavutusta sekä optimoidaan sideainereseptiä. Mikäli halutaan välttää laitteiston mobilisointi pelkkää koestabilointia varten, voidaan stabilointiurakka aloittaa koeluontoisella aloituksella, jossa työn aluksi tehdään koealueita eri sideainemäärillä, eri sekoitustyön määrillä tai muilla variaatiolla ja näiden koealueiden laadunvalvontakoetuloksia odotellessa stabilointityö jatkuu vähintään riittäväksi olemassa olevan tiedon perusteella arvioidulla korotetulla sideainemäärällä. Stabilointityöt ja laadunvalvonta koostuvat seuraavasti tehtävistä: rakentaminen o töiden järjestely ja merkintätyöt o mahdollinen stabiloitavan materiaalin haraus ja homogenisointi o varsinainen stabilointityö, laadunvalvonta ja -ohjaus o työn aikana tehtävät pikatestaukset (esim. sideainemäärä) laadunvalvontatyöt o näytteenottotutkimukset o pilarikairaus- ja pilarisiipikairaus o mahdolliset muut kairaukset tai tutkimukset 6.7 LOPPUTULOKSEEN JA TYÖN ETENEMISEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT JA HUOMIOITAVAT ASIAT Massastabilointityön etenemiseen ja lopputulokseen laatuun vaikuttavat useat erilaiset asiat. Ainakin seuraavat tekijät tulisi ottaa huomioon työtä suunniteltaessa ja tehtäessä: stabiloitavien massojen laatu (geotekniset ja kemialliset ominaisuudet) massojen laatuvaihtelu pehmeän massan seassa olevat kivet, kannot, juuret, hirsipedit, ym. työn hidasteet maanpinnan ala- tai yläpuoliset esteet ja rakenteet, säilytettävien rakenteiden suojaus ja varominen vuodenaika ja lämpötilat (talviolosuhteet)
40 Massastabilointikäsikirja 39 tulvavesi, kuivatus, tms. sideaineen saatavuus ja varastointi, sideaineen varastoinnin erityisohjeet sideaineen pölyäminen, pölyämisen estäminen ja ympäristön herkkyys sideainepölylle työkoneiden ja sideainekuljetusten pääsy työalueelle varastoalueet ympäristön herkkyys mahdollisille sortumille, siirtymille tai tärinöille työaikarajoitukset kellonajan, viikonpäivän tai vuoden ajan suhteen (esim. lintujen pesintä) valmiin rakenteen laatuvaatimukset ja niiden saavuttamisen vaativuus alkulujittumisen vaikutus työn toteutukseen (kuinka nopeasti stabiloidun kerroksen päälle voi asentaa tiivistyskerroksen tai milloin voi stabilointikoneen ajaa stabiloinnin päälle) urakan aikataulu suhteessa työn toteutuksen vaatimaan aikaan Massastabilointiprojektin vaiheet Lähtötietojen kerääminen Esitutkimukset ja suunnittelut ja alustavat stabilointitutkimukset Mitoitus ja varsinaiset stabiloituvuustutkimukset Suunnittelu, piirustukset, työselitys, laadunvarmistussuunnitelma Urakkakilpailu Stabilointiurakointi ja laaduntarkkailu Laadun jälkiseurantatutkimukset ja raportointi
41 Massastabilointikäsikirja MASSASTABILOINNIN SIDEAINEET 7.1 YLEISTÄ Tyypillisimmin massastabiloinnissa käytetään sideaineena sementtiä, mutta myös kalkin käyttö on monissa tapauksissa mahdollista (kalkkisementti). Lisäksi edellisten rinnalla voidaan käyttää sideaineseoksen osakomponenttina erilaisia teollisuuden reaktiivisia sivutuotteita kuten kuonia, lentotuhkia ja/tai kipsimäisiä komponentteja. Teollisuuden sivutuotteilla pyritään vaikuttamaan positiivisesti stabiloitujen massojen tekniseen ja/tai ympäristölliseen laatuun sekä muodostuviin sideainekustannuksiin. Käytettävän sideainetyypin valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat saavutettavan lujuustason, materiaalihinnan ja saatavuuden lisäksi mm. lujittumisnopeus, jännitys-muodonmuutosominaisuudet sekä joissakin tapauksissa vaikutukset liukoisuus- ja vedenläpäisyominaisuuksiin. Valinnassa on huomioitava myös käytettävän laitteiston ominaisuudet mm. syötettävien sideaineiden maksimimäärän ja sideaineen osakomponenttien lukumäärän suhteen. Lisäksi on huomioitava syötetäänkö sideaine kuivana vai onko mahdollista käyttää kostutettua sideainetta (esim. kasavarastoitu tuhka). 7.2 SEMENTIT Sementti on massastabiloinnissa yleisimmin käytetty sideainetyyppi. Sementtejä käyttäen on useimmiten saavutettavissa muita sideainetyyppejä parempi alkulujittuminen, mikä on monissa tapauksissa etu työn totetuksen kannalta. Pitkäaikaislujittumisen osuus on puolestaan yleensä muita sideainevaihtioehtoja pienempi. Sementeille tyypillinen kova, mutta suhteellisen hauras rakenne ei muodostu ongelmaksi massastabiloinnin yhteydessä, kun lopputilanteen rakenne on paksu laattamainen ja yhtenäinen massiivikerros. Sementeillä kalsiumionien liikkuminen (diffuntoituminen) runkoaineessa on vähäistä, joten pelkän sementin sekoittumisessa runkoaineeseen mahdollisesti esiintynyt epähomogeenisuus ei juurikaan korjaannu sekoitushetken jälkeen. Tämän takia sementtiä käytettäessä sekoitustyön laatu näkyy lopputuloksessa jonkin verran voimakkaammin kuin kalkkipitoisia sideaineita käytettäessä. Massastabiloinnissa käytettyjä sementtituotteita ovat standardin EN mukaisesti: Plussementti (CEM II/B- M (S-LL*) 42,5 N), Rapidsementti (CEM II/A-LL 42,5 R), Pikasementti (CEM I 52,5 R) ja SR-sementti (CEM I 42,5 N-SR3). Sulfaattipitoisen maaperän stabilointiin soveltuu SR-sementti, joka on sulfaatinkestävä sementtilaatu. 7.3 KALKKITUOTTEET Massastabiloinnissa käytetään lähinnä poltettua (CaO), joskus myös sammutettua kalkkia (Ca(OH) 2 ). Käytännössä lähes aina kalkkituotteita käytetään massastabiloinnin yhteydessä muiden sideainekomponenttien, useimmiten sementtien, kanssa seostettuna. Poltettu kalkki on hyvin reaktiivinen sideaine. Kalkki sitoo erittäin tehokkaasti vettä ja reaktiossa muodostuu lämpöä. Muodostuva reaktiolämpö kiihdyttää myöhempiä lujittavia reaktioita. Rakenteesta tulee kalkkia sideaineena käytettäessä karkeampi ja sen vedenläpäisevyys saattaa kasvaa. Kalkkia käytettäessä alkulujittumisvaihe on suhteellisen hidas, mutta toisaalta rakenteessa tapahtuu huomattavissa määrin pitkäaikaisreaktioita. Kalkki onkin hitaasti stabiloituva sideaine, jonka putsolaaniset reaktiot voivat jatkua vielä vuosiakin stabilointityön jälkeen. Kalkin kyky diffuntoitua ympäröivään saveen tasoittaa mekaanisen sekoittamisen epähomogeenisuuksia ja parantaa sitä kautta lopputuloksen laatua. 7.4 MUUT SIDEAINEKOMPONENTIT Muita tyypillisesti massastabilointityössä hyödynnettäviä sivutuotesideainekomponentteja ovat erilaiset kuonat, lentotuhkat sekä kipsimäiset materiaalit. Useimmiten näitä materiaaleja käytetään kaupallisten sideainekomponenttien rinnalla tarkoituksena vaikuttaa positiivisesti saavutettaviin teknisiin ja/tai
42 Massastabilointikäsikirja 41 ympäristöllisiin ominaisuuksiin sekä sideainekustannuksiin. Joissain erikoistapauksissa massojen stabilointi/kiinteyttäminen on mahdollista toteuttaa jopa pelkästään mainittuja materiaaliratkaisuja sideaineena käyttäen. Ns. sivutuotesideainekomponentteja käytettäessä kokonaissideainemäärä useimmiten kasvaa jonkin verran, mutta toisaalta sideainekustannuksissa on monissa tilanteissa saavutettavissa merkittäviäkin hyötyjä. Edellinen parantaa massastabilointitekniikan kilpailukykyä. Toisaalta kokonaissideainemäärän kasvattaminen voi hieman hidastaa varsinaisen massastabilointityön toteutusta. Tekijöitä, jotka on syytä huomioida käytettäessä kuonia, tuhkia tai kipsimäisiä sideainekomponentteja ovat mm.: materiaalien saatavuus ja laatu/laatuvaihtelu välivarastointitarpeet materiaalien käsittely ja siirtotekniikka työmaalla kahden tai useamman sideainekomponentin syöttömahdollisuus, tarvittaessa sideainekomponenttien sekoittaminen keskenään jo ennen varsinaista stabilointityötä sideainekomponenttien tai etukäteen sekoitetun sideaineseoksen säilyvyys massastabilointilaitteistolla voidaan syöttää vain kuivia hienorakeisia osakomponenteja, kosteat side- ainekomponentit täytyy levittää stabiloitavan kerroksen pintaa erikseen ja tarvittaessa esisekoittaa kaivinkoneella sivutuotekomponenttien sideaineensyöttölaitteistoa mahdollisesti kuluttava vaikutus sivutuotemateriaalien käyttöön liittyvät ilmoitus-/lupa-asiat Vaihtoehtoratkaisujen käyttömahdollisuudet, saavutettavat ominaisuudet sekä lopputuloksen laatuun vaikuttavat tekijät on selvitettävä etukäteen laboratoriossa. Yhdistelemällä erilaisia sidekomponentteja pyritään saamaan aikaan räätälöityjä, tiettyyn kohteeseen mahdollisimman hyvin soveltuva ominaisuuksia. Sideaineyhdistelmien käytöllä voidaan vaikuttaa mm. lujuuden kehittymisen nopeuteen (aina nopea lujittuminen ei ole toivottavaa), märkien massojen kiinteytymiseen (kuivattavat, vettä sitovat, komponentit), rakenteen lopulliseen lujuustasoon, muodonmuutosominaisuuksiin, sideaineen epätasaista sekoittumista korjaavaan vaikutukseen, haitallisten komponenttien sitoutumiseen, vedenläpäisevyyteen ja luonnollisesti myös sideainekustannuksiin. Useimmiten sideaineyhdistelmissä on mukana yhtenä komponenttina, reaktioiden käynnistäjänä/heräteaineena, sementtiä tai kalkkia. 7.5 STABILOITUVUUSTUTKIMUKSET Stabiloituvuustutkimusten tarkoituksena on löytää teknisesti ja taloudellisesti kilpailukykyisimmät vaihtoehdot, joista voidaan valita toteutettavaan kohteeseen parhaiten sopiva vaihtoehto. Joissakin tapauksissa (esim. pimamassat) myös ympäristökelpoisuusominaisuudet vaikuttavat valintoihin. Tutkimusten tavoitteita ovat lopullisen tuotteen laatuominaisuuksien varmistaminen, soveltuvimman sideaineen ja sideainemäärän valinta sekä stabiloinnin lopputulokseen vaikuttavien tekijöiden ja edellisten vaikutusten suuruusluokan määrittely. Stabiloinin yhteydessä saavutettavien materiaaliominaisuuksien määrittely tehdään sillä tarkkuudella, että geoteknisten laskelmien (kuten stabiliteetti ja painumat) ja suunnitelmien luotettava toteuttaminen on mahdollista. Suunnittelun osalta on tärkeää tuntea mm. käsiteltävän alueen materiaalivaihtelut ja niiden vaikutus stabilointitulokseen sekä se kuinka nopeasti lujuus kehittyy. Stabiloituvuustestaus toteutetaan usein vaiheistettuna eli ensin haarukoidaan karkealla tasolla erityyppisten sideaineratkaisujen toimivuutta, saavutettavia ominaisuuksia sekä erityisesti keskinäisiä eroja, ja saatujen tulosten pohjalta valitaan tarkempiin tutkimuksiin vain kiinnostavimmat vaihtoehdot. Tarkemmissa tutkimuksissa optimoidaan mm. sideaineseosten seossuhdetta ja sideainemäärää sekä selvitetään tarkemmin kohteen stabiloituvuudessa esiintyviä vaihteluja ja lopputuloksen kannalta kriittisiä tekijöitä (hankalat
43 Massastabilointikäsikirja 42 alueet/kerrokset, ongelmakomponentit yms.) ja mahdollisuuksia vaikuttaa edellisten osalta stabiloinnin lopputulokseen parantavasti/tasoittavasti (esim. lisärunkoaineen käyttö, sideainetyypin vaihto paikallisesti jne.). Myös eri sideainevaihtoehtojen väliset erot aikalujittumiskäyttäytymisessä, lujittumisen aikaisten lämpötilaolosuhteidenvaikutusten testaaminen sekä joissain tilanteissa vaadittavien tarkentavien tutkimusmenetelmien kuten kolmiaksiaalikokeiden ottaminen mukaan tutkimuksiin kuuluvat tyypillisesti tähän tutkimusvaiheeseen. 7.6 SIDEAINERESEPTOINTI Sideaine muodostaa tyypillisesti noin % massastabilointikustannuksista ja näin ollen optimaalisen sideainetyypin ja -määrän käyttö vaikuttaa oleellisesti kohteen toteutuskustannuksiin. On tärkeää tunnistaa ne tarpeet ja vaatimukset, joita kohde asettaa käytettävälle sideaineelle ja toisaalta ylimitoitusta tulee välttää. Esimerkiksi massojen riittävä alkulujittuminen on osassa tapauksista välttämätöntä kohteen sujuvan toteutuksen ja alueen mahdollisimman nopean käyttöönoton kannalta, mutta toisaalta osalla kohteista nopeasta alkulujittumisesta on jopa haittaa (esim. tilanteessa, jossa kiinteytettävät massat siirretään ja tiivistetään lopulliseen hyödyntämiskohteeseen vasta alkulujittumisvaiheen jälkeen). Osalla kohteista lujuuden kehittymisnopeudella ei taas ole juurikaan käytännön merkitystä, jolloin nopeaan alkulujittumiseen ei ole tarvetta panostaa. Edellisten huomioiminen sideainevalinnoissa on tärkeää, sillä rakennusprojekteissa aikataulu on yksi merkittävimmistä päätöksentekoon vaikuttavista asioita, ja se voidaan näin ottaa huomioon jo sideainereseptointia tehtäessä. Rakentamisen lopputuloksen on oltava tasalaatuinen ja toteutuvan kohteen laatutaso määräytyykin käytännössä heikoimman kohdan mukaan. Mikäli koko kohde mitoitetaan hankalimman runkomateriaalin mukaisesti, päädytään merkittävällä osalla aluetta helposti huomattavaankin ylimitoitukseen, jolloin kustannukset kohoavat tarpeettomasti. Toisaalta taas keskimääräisen maaperän laadun mukaan tehty mitoitus voi johtaa siihen että kohteelle jää heikommin lujittuneita kohtia hankalimpiin maakerroksiin tai maa-aineksiin. Edellisen vuoksi on tärkeää pystyä määrittelemään lujittumisen kannalta kriittiset tekijät ja kohteen stabilointia ajatellen hankalimmat alueet tai kerrokset (stabiloitavien massojen laatuvaihtelu), jolloin suunnittelussa ja rakentamisessa pystytään tarvittaessa optimoimaan reseptointi aluekohtaisesti. Edellä mainitulla tavalla toimien vältytään ylimitoitukselta, mutta samalla varmistetaan laatuvaatimusten täyttyminen koko kohteella. Sideainereseptoinnissa pyritään huomioimaan sekä tekninen että taloudellinen näkökulma, mikä tarkoittaa paitsi sideainelaadun ja määrän optimointia myös erilaisten sideainevaihtoehtojen käyttömahdollisuuksien arviointia. Monissa tapauksissa on mahdollista pienentää sideainekustannuksia korvaamalla osa kaupallisista sideainekomponenteista esim. teollisuuden sivutuotemateriaaleilla. Sideainereseptoinnin merkitys korostuu tilanteissa, joissa olosuhteet stabilointiympäristössä poikkeavat normaalista. Esimerkiksi erittäin kylmien tai lämpimien olosuhteiden vaikutuksia stabiloitujen massojen käyttäytymiseen työn aikana, ja lopputuloksen laatuun, kannattaa pyrkiä arvioimaan etukäteen jotta oletettua hitaampi/nopeampi alkulujittuminen ei aiheuta ongelmia työn toteutuksen suhteen. Samoin stabilointityön toteutuksen kannalta normaalia hankalampien kohteiden (esim. erittäin kuivat massat, joiden käsittely helpottuu vettä lisäämällä) yhteydessä on syytä selvittää käytettävän toimintatavan ja työn toteutuksessa mahdollisesti esiintyvien poikkeamien vaikutukset lopputulokseen (=vaihteluvälit, joissa pysyttävä halutun laadun saavuttamiseksi).
44 Massastabilointikäsikirja 43 Sideaineet stabiloinnissa Sideainekustannukset muodostavat merkittävän osan massastabilointiprojektista Käytetyin sideaine on sementti ja kalkki tai niiden seos Erilaiset kuonat, lentotuhkat ja kipsimäiset materiaalit voivat tulla kohdekohtaisesti kysymykseen Sideainevalintaan vaikuttavat mm. lujittumisominaisuudet, jännitys-muodonmuutosominaisuudet, liukoisuus- ja vedenläpäisevyysominaisuudet sekä alkulujittuminen/lujittumisnopeus Hyödyntämällä teollisuuden sivutuotteita sideaineena mahdollistetaan suurienkin massamäärien taloudellinen toteutus 7.7 KÄYTETTÄVÄT LABORATORIOTUTKIMUSMENETELMÄT Käytettävät laboratoriotutkimusmenetelmät Stabiloitavan alueen runkomateriaalin laadun ja laatuvaihtelun arvioinnissa (luokittelussa) hyödynnetään tyypillisesti seuraavia laboratoriossa määritettäviä ominaisuuksia: vesipitoisuus (uunikuivaus), (%) märkätiheys, (kg/m 3 ) hehkutushäviö (hehkutusuuni, 800 C), (%) rakeisuus (areometrikoe, tarvittaessa pesuseulonta) ph SO 4 - ja Cl-pitoisuudet Lisäksi hyödynnetään lähtötietoina tehtyjen kairausten tuloksia. Lähtötietoina toimivien laboratoriotutkimusten ja kairausten perusteella pyritään alustavasti hahmottamaan stabiloitavien massojen laatu ja laatuvaihtelu kohteella, ja erityisesti haarukoimaan stabiloituvuutta ajatellen hankalimmat alueet ja/tai kerrokset. Varsinaiseen stabiloituvuustestaukseen valitaan runkomateriaalinäytteitä siten, että niiden laatu kattaa mahdollisimman hyvin koko kohteen sekä alueellisesti että luokittelutestauksen perusteella tehdyn arvioinnin perusteella odotettavissa olevien lujittumiserojen suhteen. Tavoitteena on se, että stabiloituvuustestit voidaan luokittelutietoja hyödyntäen kohdentaa varsinaista stabilointia ajatellen mahdollisimman hyvin kokonaisuutta palvelevalla tavalla. Stabiloituvuustestauksen yhteydessä massojen lujuusominaisuudet määritetään tyypillisimmin 1-aksiaalisina puristuslujuuskokeina, joita täydennetään tarpeen mukaan 3-aksiaali- ja ödömetrikokeilla. Ympäristökohteissa tutkimuksia usein täydennetään vedenläpäisevyysmäärityksillä ja liukoisuustesteillä.
45 Massastabilointikäsikirja 44 Stabiloituvuustestauksen osalta on tärkeää huomioida tutkittavan runkomateriaalin laatu ja toteuttaa lujittumistestaaminen kyseiselle materiaalityypille sopivalla tavalla. Mm. savien, silttien ja ruoppausmassojen osalta tutkimukset toteutetaan tyypillisimmin stabiloituvuustestauksessa käytettyä toimintatapaa käyttäen eli sekoittamalla testattava sideaine runkomatriaaliin, tiivistämällä saatu seos näytesylintereihin sekä säilyttäen näytesylinterit kuivumiselta suojattuna ja vakioiduissa lämpötilaolosuhteissa lujittumisvaiheen ajan. Kyseisten materiaaliryhmien testaamisen yhteydessä ei tavallisesti käytetä lujittumisvaiheen esikuormitusta kuten käytetään turvenäytteillä. Turvenäytteillä sideaineen sekoittamisen jälkeen näytesylinterit asetetaan esikuormituspenkkiin, jossa stabiloituun massaan kohdistuu pystykuormitus (tavallisesti 18 kpa). Pystykuormituksen vaikutuksesta stabiloitu massa painuu lujittumisvaiheen aikana, erityisesti lujittumisen alkuvaiheessa, suhteellisen voimakkaastikin kokoon. Kokoonpuristumisen vaikutuksesta massa tiivistyy ja samalla siitä poistuu vettä. Esikuormituksen vaikutus saavutettavaan lujuuteen on merkittävä ja näin saadut lujuudet vastaavat saatujen kokemusten perusteella huomattavasti paremmin todellisissa työmaaolosuhteissa saatavia tuloksia kuin ilman esikuormituksen käyttämistä saatavat. Tutkimusten yhteydessä saadaan myös suuntaa-antavaa tietoa stabiloitavan turvekerroksen odotettavissa olevan kokoonpuristumisen suuruusluokasta. Testauksessa käytettävän esikuormituksen tasoa varioimalla voidaan tarvittaessa arvioida myös mahdollisuuksia vaikuttaa lujittumiseen ja/tai painumiskäyttäytymiseen esim. stabiloitavalla alueella rakentamisen yhteydessä käytettävää lisäkuormitusta/painopengertä hyödyntäen. Liejujen sekä joidenkin muiden suhteellisen voimakkaasti kokoonpuristuvien materiaalien osalta testaustapa voi tilanteesta riippuen olla kumpi tahansa edellä mainituista. Testaustavan valinta tapahtuu tältä osin tapauskohtaisen harkinnan perusteella siten, että käytettävä tutkimustapa vastaa mahdollisimman hyvin todellista tilannetta stabiloitavalla kohteella mm. kerrosten oletetun kokoonpuristumisen, stabiloitavaan kerrokseen kohdistuvien kuomitusten sekä rakennetta tiivistävien tekijöiden (esim. esi- tai ylikuormituspenger) sekä veden rakenteesta poistumisen suhteen. Kuva 7.1 a) Turvekappaleiden tekoa laboratoriossa ja b) lujuusmäärityksissä käytetään tyypillisesti puristuskokeita (1-aksiaalinen puristus).
46 Massastabilointikäsikirja MASSASTABILOINNIN SUUNNITTELU 8.1 LÄHTÖTIEDOT Massastabiloinnin suunnitteluun tarvittavan lähtötiedon määrä vaihtelee massastabiloitavan kohteen vaativuustasosta riippuen. Esimerkiksi pohjatutkimustietojen määrä voi olla vähäisempi selväpiirteiseen maakerrosrajaan ulotetussa massastabiloinnissa verrattuna kohteeseen, jossa massastabilointi tehdään määräsyvyyteen ja stabiloidun kerroksen alapuolelle jätetään painuvia maakerroksia. Ensimmäinen alustava arvio massastabiloinnin soveltuvuudesta kohteeseen voidaan yleensä tehdä melko puutteellisilla lähtiedoilla alueilla, joilla on aikaisempaa kokemusta syvästabiloinnista. Mitä vieraammalla maaperällä kohde on, sitä enemmän lähtötietoja tarvitaan ensimmäistäkin alustavaa teknis-taloudellista arviota varten mikäli stabiloitavan materiaalin stabiloitavuudesta ei ole aikaisempaa kokemusta ja stabiloitavuuskokeita käytettävissä, on luotettavan alustavankin arvion tekeminen mahdotonta. Yleensä ennen massastabiloinnin suunnittelun aloittamista tulee kohteesta olla selvitettynä seuraavat lähtötiedot: Maakerrosrajat Maakerrosten indeksiominaisuudet (rakeisuus, vesipitoisuus, humuspitoisuus) Maakerrosten erikoistutkimukset esim. ph, SO 4 ja/tai Cl-pitoisuus, pilaantuneisuus, ) Maakerrosten lujuusominaisuudet Maakerrosten painumaominaisuudet Pohja- ja orsiveden sijainti ja sen vaihteluvälit Olemassa olevat rakenteet Varsinainen massastabiloinnin suunnittelu alkaa lisäpohjatutkimusten ohjelmoinnilla. Täydentävien pohjatutkimusten kairausdiagrammien ja näytetietojen avulla ohjelmoidaan stabiloitavuustutkimukset ja tehdään geotekninen suunnittelu. Massastabilointikohteen suunnittelun tulokset esitetään piirustuksissa sekä työselityksessä. Massastabiloinnin suunnitteluun sisältö on: Lisätutkimusten ohjelmointi - Kairaukset ja näytteenotto, kartoitukset, Stabiloitavuustutkimukset - Sideaineseos (laatu ja määrä) - Leikkaus- tai puristuslujuus - Painuma esikuormituksen aikana - Kantavuusominaisuudet (moduuli) Geotekninen suunnittelu (sisältää alla olevia osatehtäviä) - Stabiliteettitarkastelu - Painumalaskenta - Kaivannon stabiliteetti - Kantavuusmitoitus - Routamitoitus - yms. Piirustukset - Suunnitelmakartta - Pituus- ja poikkileikkaukset
47 Massastabilointikäsikirja 46 - Detaljipiirustukset (tarvittaessa) Laatuvaatimukset ja työselitykset - Sideaineen laatuvaatimukset, määrät ja sallitut poikkeamat - Stabiloinnin sekoitustyövaatimukset - Stabiloinnin lujuusvaatimukset ja sallitut poikkeamat Stabilointiurakan aikainen suunnittelu - Stabilointityön aikana tai jälkeen tehtävä suunnittelu 8.2 MITOITUSPARAMETRIEN MÄÄRITYS Massastabiloidun maakerroksen mitoitusparametrit voidaan määrittää joko laboratoriokokeilla, maastossa tehtävällä koestabiloinnilla tai samassa maaperässä aikaisemmin tehdyn massastabiloinnin toteutumatiedoista. Mikäli suunnittelussa hyödynnetään lähiympäristön massastabilointien toteumatietoja, on erikseen tarkistettava maaperän ominaisuuksien kuten vähintäänkin humus- ja vesipitoisuuksien vastaavuus kohteissa. Laboratoriokokeiden tai maastossa tehtävien koestabilointien ohjelmointi aloitetaan määrittämällä selvitettävien asioiden tärkeys sekä vaihtoehtojen määrä, joita ovat mm.: Sideaineen / sideaineseoksen valinta Sideaineen määrä Työtekniset detaljit Lujittumisaika Laboratoriossa tehtävistä koekappaleista määritetään aina vähintään puristuslujuus sekä muodonmuutosmoduuli E (E 50 ) 1-aksiaalisella puristuskokeella. Vaativissa kohteissa on suositeltavaa määrittää stabiloidun maan lujuusparametrit ja muodonmuutosominaisuudet kolmiaksiaalikokeilla, jotka jäljittelevät maassa vallitsevaa kuormitustilannetta sekä tapahtuvia muodonmuutoksia paremmin kuin yksiaksiaalinen puristuskoe. Massastabiloidulle maa-ainekselle on hyvin tyypillistä epähomogeenisuus, joten tutkittaessa stabiloitavuutta koestabiloinnilla, on kairauksia tehtävä riittävästi. Koestabiloinnin leikkauslujuutta määritettäessä tulisi tehdä vähintään noin 8-10 kpl edustavia puristinkairauksia (esim. pilarikaira) ja 4 6 kpl siipikairauksia (esim. pilarisiipikaira) sideaineyhdistelmää kohden. Massastabiloidun maan leikkauslujuustavoite arvioidaan suuntaa-antavasti jo stabilointikokeiden ohjelmointivaiheessa. Kokeiltavat sideaineet ja sideainemäärät valitaan kokemusperäisesti alustavan lujuustavoitteen ja maakerrosten indeksiominaisuuksien (rakeisuus, vesipitoisuus, humuspitoisuus, rikkipitoisuus) perusteella. Laboratoriossa saatuja leikkauslujuuden arvoja tulee kertoa korjauskertoimella, jolle on Suomen Liikenneviraston Syvästabiloinnin suunnitteluohjeessa (2011) on esitetty arvot kuvassa 8.1. Ko. kuvaaja ei ulotu tyypilliselle massastabiloinnin lujuusalueelle (< 100 kpa) ja käytännössä on havaittu, että sementtisideaineilla korjauskerroin voi olla alle 1 maa-aineksen vesipitoisuuden ollessa suuri ja sideainemäärä alhainen.
48 Massastabilointikäsikirja 47 Kuva 8.1. Laboratoriolujuuden korjauskertoimen maksimiarvo pilaristabiloinnille (Liikennevirasto 2010). Massastabiloinnissa redusointikerroin on harkittava ottaen huomioon mm. sideaineen laatu ja määrä, sideainekomponenttien homogeenisuus, runkoaineen tyyppi, stabilointiolosuhteet, yms. 8.3 MASSASTABILOINNIN VAKAVUUSTARKASTELU Varmuus massastabiloidun rakenteen sortumaa vastaan määritetään käyttäen rakennuttajan määräämää tai rakennuttajan kanssa sovittavaa menettelyä (Suomessa eurokoodijärjestelmän tai kansallisen menettelyn (Pohjarakennusohje) mukainen, ulkomailla muita menettelyjä). Stabiliteettilaskennassa käytettävät eurokoodijärjestelmän mukaiset osavarmuusluvut on esitetty Liikenneviraston julkaisussa ja mitoitus on ohjeistettu Liikenneviraston Eurokoodin soveltamisohjeessa ja Syvästabiloinnin suunnittelu ohjeessa. Stabiliteettilaskennassa käytetään eurokoodin mitoitustapaa 3, jossa osavarmuusluvut kohdistetaan kuormiin ja maan lujuusparametreihin. Pohjarakennusohjeen mukaisessa mitoituksessa käytetään kokonaisvarmuulukuja. Lähtökohta massastabiloinnin stabiliteettitarkastelussa on, että ensimmäiseksi on tarkistettava maarakenteen vakavuus sekä ilman stabilointia että stabilointi huomioon ottaen. Ilman stabilointia tehdyllä lähtötilanteen stabiliteettilaskelmalla arvioidaan missä määrin stabiliteetti on merkitsevä tekijä stabiloinnin mitoituksessa. Yleensä kohteen stabiliteetti ilman stabilointia lasketaan ympyräliukumenetelmällä ja laskelmassa on otettava huomioon penkereen tai leikkauksen muoto mahdollisine vastapenkereineen ja kevennysleikkauksineen sekä mahdolliset pengerkevennykset tai massanvaihdot. Massastabiloidun rakenteen stabiliteetti määritetään käyttäen ympyräliukupintoja lukuun ottamatta rakenteita, joissa suunnitellun massastabiloidun kerroksen alle jää heikko ja/tai vino stabiloimaton kerros. Tällöin suositellaan stabiliteettilaskenta tehtäväksi myös yhdistelmäliukupintoja käyttäen. Kaltevan maanpinnan tai sivukuormitetun rakenteen yhteydessä stabiliteettilaskelmia varten on lisäksi arvioitava massastabiloinnin ja kitkamaakerroksen kontaktin laatu eli onko mahdollista, että rajapintaan jää heikkousvyöhyke vai saadaanko massastabilointi ulotetuksi kitkamaakerroksen pintaan. Useissa tapauksissa on turvallista olettaa, että massastabiloinnin kontakti kitkamaakerrokseen ei ole täydellinen. Pehmeän maakerroksen päällä kelluvan kapean raskaasti kuormitetun massastabiloinnin tapauksessa on joissakin erikoistapauksissa tarpeen tarkastella myös pohjamaan sivulle puristumisen mahdollisuus. Stabiliteettilaskelmissa käytetään massastabiloinnin leikkauslujuutena valittua mitoituslujuutta redusoimattomana. Stabiloinnissa käytettävä sideainemäärä valitaan siten, että valittu mitoituslujuus varmasti saavutetaan (riittävä varmuuskerroin määritettäessä stabiloinnin lujuusvaatimus mitoituslujuudesta). Massastabiloitaessa heikolla pohjamaalla kapeaa aluetta, jossa kone etenee tehdyn stabiloinnin päällä, saattaa työnaikainen stabiliteetti olla liian alhainen. Tällaisia kohteita on esimerkiksi pitkä ja kapea tie suoalueen poikki. Stabiliteetin varmistamiseksi on mahdollista asentaa suodatinkankaan sijaan geovahviste tiivistyspenkereen alle. Tämä vahviste voidaan myös huomioida myös lopullisen rakenteen stabiliteettitarkastelussa.
49 Massastabilointikäsikirja MASSASTABILOINNIN PAINUMALASKENTA Massastabiloidun kerroksen painuma koostuu neljästä eri vaiheesta: 1. Stabilointityö: Stabilointityön aikana stabiloitavaan kerrokseen syötetään sideaine paineilmalla sekoitinkärjen kautta. Sideaine sekoitetaan stabiloitavaan maakerrokseen pyörivällä sekoitinkärjellä. Tämä aiheuttaa usein stabiloitavan maa-aineksen kuohkeutumista nostaen stabiloitavan kerroksen pintaa stabilointivaiheessa. 2. Tiivistyspenger: Suurin massastabiloidun kerroksen painuma tapahtuu yleensä silloin, kun alkutiivistys tehdään esitiivistyspenkereellä kuormittaen. Esitiivistyspenkereen paksuus vaihtelee yleensä 0,5 1 m välillä. Jäykän massastabiloidun kerroksen esitiivistys voidaan joissakin tapauksissa tehdä tela-alustaisella kaivinkoneella yliajaen. Esitiivistyspenkereen annetaan vaikuttaa massastabiloinnin lujittumisajan. 3. Esikuormituspenger: Mikäli käytön aikaiset painumat ovat tarpeen minimoida, on suositeltavaa esikuormittaa massastabiloitu kerros ylipenkereellä. Mikäli massastabilointikerroksen alle jää painuvia stabiloimattomia kerroksia, joiden painumia ei saada esikuormittamalla poistettua, jatkuu käytön aikainen painuma pidempään. Stabiloitaessa turvekerroksia on esikuormitus yleensä välttämätön. 4. Lopullinen penger: Varsinainen penger rakennetaan tiivistyspenkereen päälle tai tarvittaessa tiivistyspenkereen materiaalit korvaten. Ennen lopullisen penkereen rakentamista suositellaan varmistettavaksi tiivistämistyön eteneminen painumamittauksien avulla. Massastabiloinnin painuman vaiheet on esitetty kuvassa 8.2. Sulfiittisavea stabiloitaessa massastabiloidun kerroksen laajeneminen on mahdollista (etringiittireaktio). Mahdollinen stabiloidun kerroksen laajeneminen lujittumisen aikana ei pengerrakenteilla käytännössä aiheuta ongelmia, mutta asia on hyvä tiedostaa, mikäli esim. painumamittautuloksissa havaitaan ennakko-odotuksista poikkeavia tuloksia. Kuva 8.2 Massastabiloidun kerroksen painuman vaiheet ja aika-painuma -kuvaaja (Lähde: Forsman 2008).