Karlstrup Mose Forstærkning af pæledæk

Transkript

1 BROER OG TUNNELER Karlstrup Mose Forstærkning af pæledæk På Danmarks mest trafikerede motorvejsstrækning, Køge Bugt Motorvejen ligger der ved Karlstrup Mose to pæledæk, som er opført i perioden De to brodæk på hver 144 m og ca. 20 m i bredden er anlagt i et moseområde med op til 25 m ned til bæredygtige aflejringer i en tidligere dal med stejle skrænter. Siden broernes opførelse er der observeret sætninger samt vandrette bevægelser af understøtninger. Michael Schmidt Vosgerau, Senior Projektleder, Atkins en del af SNC-Lavalin michael.vosgerau@atkinsglobal. com Figur 1. Oversigtskort. Der er igennem årene udført flere forstærkningsprojekter på dele af broernes pælefundering med henblik på at standse de lodrette og vandrette bevægelser. I 2017 igangsatte Vejdirektoratet et forstærkningsprojekt, som har til formål at sikre mod yderligere flytninger ved at forstærke de resterende understøtninger, således at det de næste mange år efter planen ikke er nødvendigt at udføre yderligere forstærkningsprojekter. Der er i den sammenhæng udført belastningsforsøg til verificering af, om den valgte løsning fungerer efter hensigten. Beskrivelse af broerne Karlstrup Mose Pæledæk er opført i perioden fra 1969 til 1971 og fører Køge Bugt motorvejen over Karlstrup Mose. Pæledækket består af to parallelbroer betegnet hhv. øst- og vestbroen (KARO og KARL), der begge er opbygget af et ca. 144 m langt og ca. 20 m bredt pæledæk. Begge broer består af 18 slapt armerede betonpladefag á 8 m, som er samlet i 2 kontinuerte broplader af 9 betonpladefag hver. Både øst- og vestbroen er således opdelt i to lige lange dilatationsafsnit. Bropladerne understøttes af to endevederlag, 16 søjlerækker og en dilatationspille. Hver af de to parallelbroer består af søjle- Figur 2. Søjler og pæleåg, østlige bro. 38 TRAFIK & VEJE 2018 FEBRUAR

2 L:\projekter\ \ Køgebugt Motorvej. Broer.jba\Bro 054\Længdeprofiler_bro054.dwg Figur 3. Geoteknisk længdeprofil rækker med tre pælefunderede betonsøjler i broens tværretning, der indbyrdes er forbundet med pæleåg i beton. Pælene er præfabrikerede jernbetonpæle, der er placeret i jorden ved ramning. Skråpælene ved endevederlag og dilatationspille er almindelige pæle med sidebredden i 36 cm. Lodpælene derimod er opbygget med en 3 meter lang udvidet fod med en sidebredde på 63 cm. Den øvrige del af pælen er med sidebredden 36 cm. Allerede under nedbringning af pælene i forbindelse med broernes opførelse blev der observeret betydelige flytninger af pælenes top under ramningen. Der blev som konsekvens heraf nedrammet en større mængde ekstrapæle som kompensation for knækkede eller på anden måde ikke brugbare pæle. Der blev anvendt ca. 45% ekstra pæle under udførelsen, og pæleågene blev udvi- Figur 4. Mobilt renseanlæg. det for at få plads til de mange ekstra pæle. Der er igennem årene fra udført forstærkning af pælefunderingen i flere omgange. Senest i 2002 og 2004 blev der nedpresset stålpæle som HE450B profiler på udvalgte steder samt udført betonbjælker, der forbinder pæle med de oprindelige pæleåg. I blev selve brodækket for de 2 bygværker forstærket og renoveret i forbindelse med udvidelsen af Køge Bugt Motorvejen fra 6 spor til 8 spor. Broerne har således siden 2014 hver haft 4 spor, idet ramper for til- og frakørsel til rasteplads er blevet lagt ud på nye rampebroer. Geotekniske forhold Jordbundsforholdene på stedet er meget komplekse. Der er i området truffet meget varierende bundforhold. I broernes centrale del er der postglaciale blødbundsaflejringer af hovedsageligt tørv og gytje i op til 25,2 meters dybde underlejret af senglaciale aflejringer af primært ler med stedvise organiskholdige lag i op til 31,3 meters dybde. Ved broernes endevederlag er disse lag dog beskedne. De underliggende lag består af glaciale aflejringer af primært moræneler, men i den sydligste del desuden af meget fast kalk med en relativt stejl underjordisk skråning. Flere steder er der desuden truffet fyld i op til 8,3 meters tykkelse. I figur 3 ses det geotekniske længdeprofil, hvor den røde linje angiver bæredygtigt lag. Området har tidligere været anvendt til tørvegrav mod øst samt til losseplads i den nordlige ende. Sætninger og flytninger af understøtninger Siden 1983 er der årligt udført målinger af sætninger og sideflytninger af understøtningerne. Der er fra 2010 og frem til 2016 konstateret en acceleration af sætninger i et større antal understøtningslinjer, hvilket har medført hyppigere målinger. Denne tendens har medført et ønske fra Vejdirektoratet om, at der udføres forstærkninger af pælefunderingen med det mål at bringe sætningerne til ophør. Der er konstateret sætninger ved søjleunderstøtninger på op til 10 mm siden Der har igennem årene været udført detaljerede undersøgelser for at fastlægge årsagen til pælenes vandrette flytninger og sætninger. Det formodes, at flere faktorer spiller ind i større eller mindre grad. Vandret bevægelse af gytjen. Ændret lastpåvirkning som følge af udvidelse fra 3 til 4 spor. Sænkning af grundvandsspejl som følge af oprensning og tilretning af Møllebækken. Vandret udbøjning af pæle grundet manglende sidestøtte i gytjen. Evt. pæle i brud. Påvirkning fra rammearbejdet ved anlæg af nye rampebroer ved siden af de eksisterende broer. Som det fremgår af figur 2, er der udover TRAFIK & VEJE 2018 FEBRUAR 39

3 at broerne netop har gennemgået omisolering. Endvidere vil vibrationer fra ramningen kunne forårsage yderligere sætninger af underbygningen, hvorfor løsningen er fravalgt. Jordforstærkning Jordforstærkning, eksempelvis ved injicering af de svage jordlag, har ligeledes været i betragtning. Denne løsning er dog ikke egnet i de blødbundsaflejringer, som der er på den aktuelle lokalitet. Figur 5: Princip for nedpresning af pæle. pæleåg vinkelret på broen udført langsgående bjælker, der forbinder de enkelte pæleåg. Nogle af bjælkerne i langsgående retning fungerer som pæleåg for supplerende stålpæle nedenunder. Andre af bjælkerne fungerer som træk eller trykstænger for at binde understøtningslinjerne sammen med henblik på at begrænse de vandrette flytninger. Det aktuelle forstærkningsprojekt Med det aktuelle forstærkningsprojekt er det hensigten, at der ikke skal udføres forstærkninger de næste mange år. Forud for valg af metode er der foretaget en analyse af forskellige metoder. Idet det er et krav, at trafikken skal opretholdes uden indskrænkninger på Køge Bugt motorvejen i hele perioden, skal arbejderne kunne udføres under de eksisterende brodæk. Frihøjden under broerne er mellem 3,5 m og 4,0 m. Følgende metoder har været i betragtning: spiller en væsentlig rolle. Grundet den begrænsede bæreevne af pæle anses denne metode ikke for realistisk under de aktuelle forhold. Rammede pæle Der er tidligere set eksempler på, at der skæres hul i brodæk og rammes pæle ovenfra. Fordelen er her, at der kan rammes kraftige pæle. Ulemperne er, at minimum 1 spor på motorvejen skal inddrages, samt Figur 6. Nedpresning af stålpæle. Nedpressede pæle Den lave frihøjde levner ikke mange muligheder mht. valg af pæle samt metode for nedbringning, og det blev derfor besluttet at anvende nedpresning af stålpæle. Denne metode er også blevet benyttet ved tidligere forstærkningsprojekter, og der haves derfor nogen erfaring med metoden. Med baggrund i ovennævnte overvejelser blev det besluttet, at anvende nedpressede stålpæle nedpresset i sektioner. Stålpælene udføres i sektioner af 3 m. Sektioner svejses sammen til en lang pæl i forbindelse med nedpresningen. Udførelsesmæssige forhold Området er præget af blødbund i stor dybde samt et højtstående grundvandsspejl. Udgravninger for udførelse af forstærkningerne skal føres ca. 2,5 m ned under terræn. Dette kræver en konstant Borede pæle Det er vurderet i det aktuelle tilfælde, at der ikke er plads til en borerig under de eksisterende brodæk, hvor frihøjden flere steder kun er maksimalt 4,0 m. Denne metode er derfor fravalgt. Gewipæle Disse pæletyper er ikke egnet til de aktuelle forhold, hvor stivheden af pæle også 40 TRAFIK & VEJE 2018 FEBRUAR

4 Figur 7. Belastning med 50 t mobilkran. bortpumpning af grundvand, idet tilstrømningen er betydelig. Idet dele af området tidligere har været anvendt til losseplads, er der i vandet og jorden skadelige og forurenende stoffer, som skal fjernes fra vandet inden udledning. Dette gøres ved, at al vandet filtreres igennem et mobilt rensningsanlæg. Der er ved analyser af oppumpet vand konstateret en lang række kemiske forbindelser og miljøfarlige stoffer som eksempelvis tungmetaller i høje koncentrationer samt kulbrinteholdige stoffer som stiller store krav til vandrensningsanlægget. Efter rensning af det oppumpede vand udledes det til Møllebækken. De miljømæssige hensyn har ikke alene indflydelse på udledning af bortpumpet vand. Da området er stærkt forurenet, er der opstillet skærpede krav til, hvordan den afgravede jord håndteres. Dette gælder både ved afgravning og tilfyldning. I nogle områder er det tilladt at tilbagefylde den afgravede jord, såfremt den lægges tilbage på samme lokalitet og i samme rækkefølge. I andre områder bliver den afgravede jord bortskaffet til godkendt modtageplads for videre behandling. for fastlæggelse af pælenes længde. Der er endvidere foretaget en analyse af pælenes udbøjning grundet de meget bløde jordlag, således at søjlebrud undgås. Der er foretaget et studie af udviklingen af bæreevnen over tid efter nedpresning som følge af regenerering af de omkringliggende jordlag. Dette er relevant i forhold til, at de nedpressede pæle ikke kan nedbringes i løbet af relativt få minutter grundet den sektionsvise nedpresning med sammensvejsning imellem sektionerne. Nedpresningen varer således mange timer, og det er derfor vigtigt at vide, hvor hurtigt pælene sætter sig fast, idet nedpresning af næste situation ideelt set skal forsætte, inden dette punkt er nået. Alle stålpæle asfalteres i de sætningsgivende jordlag for at undgå tillægslast fra vedhæftning af de bløde aflejringer, hvilket ville medføre en reduktion af pælenes bæreevne i anvendelsestilstanden. Der har været stor fokus på at sikre, at eksisterende konstruktionsdele ikke beskadiges. Den eksisterende brokonstruktion har igennem årene været udsat for tvangskræfter grundet sætninger og flytninger. Der er i forbindelse med valgt metode for nedpresning samt valg af maksimal pressekraft udarbejdet en fuld FEM model af broen med pæle, pæleåg, søjler og brodæk. I modellen er de oprindelige pæle, der vurderes intakte, samt pæle fra tidligere forstærkninger indarbejdet. Efterfølgende er kræfter i pælene bestemt. Formålet hermed er, at det sikres, at man ikke risikerer at løfte understøtninger Figur 8. Forsøgsopstilling med måltavler til brug for DIC målinger. Projekt for nedpresning af pæle I forbindelse med projekteringen er der udført geostatiske beregninger af stålpælene TRAFIK & VEJE 2018 FEBRUAR 41

5 Belastningsforsøg 2016 ved modholdskræfter fra nedpresningen ved at belaste med kræfter, der er større end dem, broen er udsat for under normale forhold. En risiko herved kunne være, at man løftede et pæleåg så meget, at det medførte trækbrud mellem eksisterende pæle og pæleåg. Der er endvidere foretaget en kontrolberegning af de eksisterende pæleåg, idet disse under nedpresningen udsættes for yderligere lastpåvirkninger. Princippet for udførelse er vist i figur 5. De eksisterende pæleåg frigraves, således at disse kan bruges som modhold ved nedpresningen, som det fremgår af figur 5. Nedpresningen af de enkelte pæle foregår med en nedpresningskraft på mellem 1100 og 1400 kn. Efter at pæle er nedpresset til den planlagte dybde udføres armering og støbning af betonbjælkerne. Betonbjælkerne udføres med efterspændte stænger af hensyn til bæreevnen samt sammenstøbningen mellem bjælker og de eksisterende åg. Hovedparten af pælene er HE450B stålprofiler. I alt er der projekteret med, at der skal nedpresses 87 pæle i længder mellem 21 m og 35 m. Udførelsen forventes afsluttet i sommeren Belastningsforsøg Forud for detailprojekteringen i november 2016 blev der udført belastningsforsøg på de eksisterende betonpæle samt tidligere nedpressede stålpæle. Betonpæl 7 Tabel 1. Sammenligning af pælekræfter før og efter forstærkning. kn Der er de seneste år konstateret sætninger af understøtninger, hvor der tidligere er udført forstærkninger. Det vil derfor have stor værdi, inden et nyt projekt sættes i gang, at kunne observere, hvorledes de nedpressede pæle aktiveres og medvirker ved optagelse af laster fra broens egenvægt samt trafik. Der blev udvalgt 2 understøtningslinjer i den vestlige side af det vestlige brodæk. Ved den ene understøtning var der kun en eksisterende betonpæl under søjlen, der understøttede brodækket. Ved den anden understøtning var der i 2002 udført forstærkning med supplerende stålpæle og betonbjælker. Det var dermed muligt ved at belaste med den samme last ved de 2 understøtningslinjer, at se hvor meget af lasten, den eksisterende pæl optager, og hvor meget der via forstærkningsbjælkerne overføres til stålpæle. Målinger blev udført ved hjælp af strain gauges på pæletop. Hermed kunne tøjning og kraft i pæle fastlægges. Endvidere blev der for at måle lodrette bevægelse af pæletop anvendt DIC (Digital Image Correlation), som er en fotogrammetrisk teknik, der anvendes til måling af strukturelle deformationer, hvor højopløsningsfotos sammenlignes under belastning af konstruktionsdelen. Se endvidere nyheder/ny-og-forbedret-broovervagningpa-storebaeltsbroen/ for mere information om denne målemetode. Som belastning blev der anvendt en 50 t lastbilkran, der blev opstillet helt ude ved kanten af brodækket, som vist på figur 7. Denne placering gav den størst mulige last ned igennem søjlen over pælene. Sum Pælekraft Belastningsforsøg 2017 Stålpæl 82 Betonpæl 7 Stålpæl 83 Stålpæl 84 Sum kn kn kn kn kn Pælekraft kn Resultatet af forsøgene ved de 2 understøtningslinjer blev, at der ved linje 7, hvor der kun var en eksisterende betonpæl, blev målt en lodret flytning på 1,05 mm ved passage med lastbilen. I linje 10, hvor der på hver side af de eksisterende pæle var en nedpresset stålpæl, blev der målt lodrette flytninger på 0,4 0,5 mm for alle tre pæle. Tilsvarende viste forsøgene for linje 10, at de 2 stålpæle på hver side af betonpælen bærer i størrelsesordenen 70-80% af den samlede last i de 3 pæle. Der blev dermed tydeligt dokumenteret, at metoden med nedpressede stålpæle aflaster de eksisterende betonpæle. Figur 8 viser forsøgsopstillingen ved linje 10, hvor der er monteret strain gauges på toppen af betonpælen under søjlen samt de 2 stålpæle på hver side. Endvidere er der på pælene monteret måltavler til brug for DIC målingerne. I oktober 2017 blev der igen udført belastningsforsøg i linje 7, hvor der tidligere kun var en eksisterende betonpæl. Der var på dette tidspunkt nu udført forstærkning med nedpressede stålpæle samt forstærkningsbjælker, og det var derfor muligt at få en direkte sammenligning af før og efter forstærkning. Der blev ved dette forsøg kun udført målinger med strain gauges for fastlæggelse af tøjninger og kræfter i pæle. Sammenligning af kraften i betonpælen fra de to forsøg dvs. før og efter etablering af de nye stålpæle er vist i tabel 1 og viser, at trafiklasten, der optages i betonpælen lige under søjlen, er blevet reduceret med ca. 50% efter etableringen af de nye stålpæle. Den samlede last giver ikke samme resultatet ved de 2 forsøg. Dette skyldes, at betonpælen ved forsøg i 2016 har en lavere stivhed end pælene tilsammen i Derfor blev en del af lasten i 2016 omfordelt til øvrige pæle i nabounderstøtningerne. Endvidere ses det, at stålpælene medvirker ved optagelse af lasten som forudsat. Sammenfatning Projektet har med de vanskelige forhold, der er omkring Karlstrup Mose, vist sig som en succes ind til videre. Udførelsen af nedpresning samt håndtering af de udfordrende miljøforhold har været gennemført til alles tilfredsstillelse. Det er ved forsøg dokumenteret, at forstærkningen virker efter hensigten og aflaster de eksisterende betonpæle, og med det nye forstærkningsprojekt forventes det, at der ikke forsat vil forekomme nye permanente sætninger af pælene. 42 TRAFIK & VEJE 2018 FEBRUAR