Gl./Ny Storstrømsbro. Geologi/Geoteknik & Funderingskoncepter. ved COWI / Claes Thunbo Christensen

Transkript

1 Gl./Ny Storstrømsbro Geologi/Geoteknik & Funderingskoncepter for DGF ved COWI / Claes Thunbo Christensen 1

2 Gl. Storstrømsbro, betydning for samtiden Betydning for samtiden: STOR Indviet 1937 af Kong Christian d. X på dennes egen fødselsdag, d. 26. sept. 2

3 Gl. Storstrømbro, betydning i samtiden 3

4 En "Universal Enhed" løber af stabelen på Burmeister & Wains værft 4

5 Universal enhed, elliptisk 5

6 . miljøvenligt. og uden grundvandssænkning!? Hampetov indsmurt med tælle, v. dykker 6

7 7

8 "Interface", pilletop & us. parementskasse Overside pilletop i tørholdt kote 3 m: Tætningslister langs rand Rundjern for senere udstøbning af "interface" hulrum mellem pilletop og parementskasse, og for forankring af samme 8

9 Præfab. "parementskasse" sejles på plads En "parementskasse" sejles til arbejdsstedet, ophængt mellem 2 pontoner 9

10 Gl. Storstrømsbro, tunge løft, også i 1935 Spændvidder ~60 m 3 hovedfag dog: ( ) m Det første brofag anbringes af "Stærkodder" på sine piller, den 27. februar

11 Gl. Storstrømsbro, anlægsudgift

12 Gl. Storstrømsbro, geologisk længdeprofil (1931) 12

13 Is forhold (ref. DSB, 1937) "Hvad isforholdene angår, er Storstrømmen et af vore mest udsatte farvande. Af de 25 vintre fandtes der is i 16 vintre i 4 af disse svær fastis med tykkelse indtil 40 cm." "I de svære isvintre, som gennemsnitligt optræder hvert 3. år, var der gennemsnitligt 55 isdage pr år." 13

14 Isskruninger ved Masnedø (ref. DSB, 1937) "I 2 vintre ( ) var der stærk isskruning 2 3 m, " "ja, helt op til 5 m højde". 14

15 Is last vs. "global opvarmning", et kuriosum?, Farø bro is last over B = 4 m: P k = 2.3 MN, P d = 3.5 MN Farø Falster Bro: ALS skibsstød op til 20 MN (tilslutningsfag) á 30 MN (hovedspænd) statisk ækvivalent (Islast ikke design bestemmende) Gl. Storstrømsbro (inkl. jernbane, relativt tungere end Farø broerne), tilbageregnet vandret kapacitet (ex. check af tidligere viste interface pilletop/parementskasse.), R d ~ 7 MN BDK/VD Tillæg DK:2013 Islast over B = 4 m, P k ~ 14 MN, P d ~ 21 MN, Ny Storstrømsbro: ALS skibsstød op til ~ 30 MN (tilslutningsfag) á 60 MN (hovedspænd) statisk ækvivalent (Igen: Islast ikke design bestemmende ) Konklusion: Gl. Storstrømsbro regningsmæssigt helt utilstrækkelig for islast ifølge nutidig standard, men åbenbart ok i de 4 isvintre i 40'erne: 1939/40, 1940/41, 1941/42, 1946/47..!?! 15

16 Østre & Vestre linje, broforslag 1909 og 1966 Vestre linie Østre linie Vestre linie Østre linie Farø broerne 16

17 Jordbundsforhold (Gl. Storstrømsbro, DSB 1937) 17

18 Jordbundsforhold i Storstrømmen (DGI ) G. Larsen, C. Bæk Madsen, N. Foged (1978), Geoteknisk Instituts Bulletin 31: Storstrømmen. Geologiske forhold i Farø linien Øvre kridtlag kaldes "slamkalk", uhærdnede til let hærdnede, dvs. med en fasthed, der er mindre end normalt for skrivekridt. Slamkalken repræsenterer et niveau omkring ca. 200 m under den oprindelige Senon overflade (65.5 til 100 Mio år siden, Maastrichtian etage dog 65.5 til 71 Mio år) har antagelig. en mægtighed, der næppe overstiger ca. 400m. slamkalken har haft en normal skrivekridthærdning nuværende, overvejende uhærdnede tilstand skyldes senere opløsningsprocesser (herunder også glaciologiske bevægelser, som har medført opfrysning/omlejring/knusning). 18

19 Jordbundsforhold i Storstrømmen (DGI 1966) Vingestyrker i moræneler, fra DGI's 1966 undersøgelser, vestre og østre linje > COWI (2012): Ny forbindelse Storstrømmen Geoteknisk Notat Fase 1: resultater bekræfter vurderingen fra 1931, at den vestre linje er funderingsmæssigt svagere end den østre linje. 19

20 Jordbundsforhold i Storstrømmen (DGI 1966) Vingestyrker i kridtet, fra DGIs 1966 undersøgelser, vestre og østre linje > COWI (2012): Ny forbindelse Storstrømmen Geoteknisk Notat Fase 1: vingestyrkerne i de øvre få metre særdeles beherskede, i Bor. 11 er høje styrker først fundet i 9 meters dybde under skrivekridtets overflade. 20

21 Ny Storstrømsbro, D+W forslag m. enkelt pylon Øst Vest 21

22 D+W forslag "D" med enkelt pylon Øst Vest Spændvidder 80 m 2 hovedfag dog: ( ) m 22

23 Forundersøgelser fra Fugro Seacore jack up 23

24 Forundersøgelser fra Fugro Seacore jack up 24

25 14 geologiske lag tolket v. Fugro Engineering Services Soil Type Recent Marine, RM, to be dredged Early Holocene, EH, to be dredged Late Glacial Deposits, LGD Periglacial deposits, PGD Glacial Outwash Channel deposits, GOC Meltout Till, MT (*) Upper Baltic Till, UBT Interglacial Deposits, IGD Mid Danish Till, MDT Kobbelgård Beds, KOB Klintholm Till/Sejerø Beds, KT/SB Undifferentiated Till, UT CHALK, unstructured CHALK, structured Inkompetente Tvivlsomme Hæderlige til gode Hæderlig? Udmærket 25

26 Geo. længdeprofil v. Fugro Engineering Services < Masnedø Recent Marine Late Glacial Deposits Melt out Till Mid Danish Till Glacial Outwash Channel deps. Chalk Upper Baltic Till Early Holocene Recent Marine Kobbelgård beds Falster > 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m Chalk, too.. 60 m St St m 26

27 Ny Storstrømsbro, VD's forundersøgelser En "pakke" med 5 boringer ved (næsten) hver eneste bropille 1 borehul for optagning af prøver og udførelse af vingeforsøg 2 boringer med CPT (stop/start fra dækket af borerig > q c "peaks" ) 2 boringer med SPT 27

28 Bevidstløs maskinel/statistisk udledning af jords egenskaber 28

29 Statistisk & udledning af jords egenskaber Fx. w, q c, c v m.fl.: Under antagelse af normalfordeling. f 90 % 5% 5% c u men hvad nu, hvis nedre 90% konfidensgrænse, 5% fraktilen, er urealistisk lille, eller negativ??? (Hint: Hvis 0 < x < pr. def., så er: < log(x) < )

30 Konsistensegenskaber skal være konsistente Grundlæggende sammenhænge: Volumen Rumvægt Vægt Volumen Rumvægt Vægt Luft (1-S r ) e 0 0 Vand S s r e w w w s Sr e w w Porer e Korn-massiv 1 s s Total 1 + e w s s 1 s (1+w) 1 e Sr e w = s + S r e w 1 e 30

31 Konsistensegenskaber skal være konsistente Soil s w S r e dry nat sat Type [Mg/m 3 ] [%] [%] [ ] [kn/m 3 ] [kn/m 3 ] [kn/m 3 ] Gravel Pad % 100% Gravel Pad % 100% Recent Marine, RM, to be dredged % 100% Early Holocene, EH, to be dredged % 100% Late Glacial Deposits, LGD % 100% Periglacial deposits, PGD % 100% Glacial Outwash, GOC % 100% Meltout Till, MT (*) % 100% Meltout Till, MT1 (*) % 100% Meltout Till, MT2 (*) % 100% Upper Baltic Till, UBT % 100% Interglacial Deposits, IGD % 100% Mid Danish Till, MDT % 100% Kobbelgård Beds, KOB % 100% Klintholm Till/Sejerø Beds, KT/SB % 100% Undifferentiated Till, UT % 100% CHALK, unstructured % 100% CHALK, structured % 100%

32 Ny Storstrømsbro: Funderingskoncept Direkte fundering på grundforbedret jordbund Grundforbedring i form af "pæle inklusioner" 32

33 Funderingskoncept Grus/Sten pude Mindre kompetent grund Mere kompetent grund 33

34 Funderingskoncept Umiddelbare fordele: Alle strukturelle elementer præfabrikerede Ingen behov for byggegruber Variabel cc. pæleafstand gør, at konceptet kan tilpasses behov for grundforstærkning, ved hver bropille. Ulempe: Sediment indkapsling? (Uddybning, sejlrende i lavvandede områder?) Holdningsændring?: Pæle, der ikke når op til FUK og buevirkning mellem pælehoveder: Uantageligt.? Men fra 2004 afprøvet teknologi (Rion Antirion Bridge, Greece, m.fl.) 34

35 Grundforbedring med pæle inklusioner Pæle har multiple funktioner, (aksialt, tværlast og bøjning): For anvendelsesgrænsetilstanden: Sætningsreducerende for lodret last Flytningsreducerende for vandret last For brudgrænsetilstanden: Bæreevneforøgende Stabiliserende, over for vandret last (især is last, skibsstød) Reducerende for permanente flytninger f. ekstrem vandret last (skibsstød) Level, [m] Critical circular ULS and ALS slip failures, cutting piles Distance from footing edge, [m] Layers Footing Circ failure, ULS Circ failure, ALS Piles Load, ULS Load, ALS 35

36 Pæle inklusioners stabiliserende virkning Last overførsel til pæle? Q z t z p y Overklipning af pæle? Pæles strukturelle kapacitet? (N M diagram verificeres ) 36

37 Sætningsreducerende virkning F vertical Parallel last optagelse i: "Pile assembly" "Soil assembly" z1 = z13 E gravel1 A pile E gravel2 A pile z2 z3 z4 F pile po 2 po 4 L 2 L 4 po 2 po 4 F soil z13 = z1 E gravel1 A soil z14 z15 E gravel2 A soil z16 Sædvanlig FE: [K] {z} = {Q} Gensidig udveksling af overflademodstand, po enten som stivhedsbidrag i stivhedsmatrix, [K] eller som ydre lastbidrag i lastvektor, {Q} Flytningsvektor Lastvektor E pile A pile E pile A pile z5 z6 z7 z8 z9 po 6 po 8 L 6 L 8 po 6 po 8 z17 E soil(1) A soil z18 z19 E soil(2) A soil z20 z21 E pile A pile z10 po 10 L 10 po 10 E soil(3) A soil z22 Stivhedsmatrix * = z12 = z23 z11 k spring Q tip L 12 z23 E soil(4) A soil z24 = 0 Pile assembly Soil assembly 37

38 Sætningsreducerende virkning, pylon pier 1C Pæleafstand, a.pile = 5m Vertical stress increase [MN/m2] Settlement [m] Level [m] Gravel.pile Pile Soil*10 Soil*10 (No pile) Level [m] Gravel.pile Pile Soil Soil (no pile) 38

39 Sætningsreducerende virkning, pylon pier 1C Pæleafstand, a.pile = 3m Vertical stress increase [MN/m2] Settlement [m] Level [m] Gravel.pile Pile Soil*10 Soil*10 (No pile) Level [m] Gravel.pile Pile Soil Soil (no pile) 39

40 Sætningsreducerende virkning, pylon pier 1C Pæleafstand, a.pile = 2 m Vertical stress increase [MN/m2] Settlement [m] Level [m] Gravel.pile Pile Soil*10 Soil*10 (No pile) Level [m] Gravel.pile Pile Soil Soil (no pile) 40

41 Lasthistorik: Pos./neg. konsolidering+kryb GENERELT: Jord både sveller og konsoliderer, for hhv. aflastning og belastning Jord, især finkornet jord, har viskose egenskaber: Jord kryber, også for ' < ' pc Jf. data fra Vestbroen, Farøbroerne, m.fl. 41

42 Lasthistorik: Model for pos./neg. kons+kryb UBT: Void ratio versus load (and time) Load path: Vertical total stress, sv [kn/m2] Init. t=tc; T=1 Upd. t=tc; T= Swell Sw Cr Swell Void ratio, [ ] Sw Cr Cons Creep Cons Creep 240 Cons 240 Creep 42

43 Lasthistorik: Model for pos./neg. kons+kryb Uddybning, t = 0+ Gruspude placering, t = 7 days Pillefundament placering, t = 14 days Pilleskaft placering, t = 44 days Bro overbygning, placering, t = 74 days Levetid, t = 120 years Pier 5S, BH 29: Akkumuleret sætning, for alle jordlag, versus tid Tid [dage] Sætning 43

44 Effekt af pæleinklusioner på beregnede sætninger Creep settlements [mm] Masnedø Settlements of Storstrøms Bridge Pier No Pylon pier 1C Creep settlements with pile inclusions Creep settlements without piles Falster

45 Sætningskriterium: Dobbelt differens sætning Bøjningsmomenter i overbygning vurderes ud fra: "Dobbelt differens sætning" for bropille "i": Sætningen af pillen selv, minus middelværdien af nabopillernes sætning: i i 2 i 1 i 1 Et mål for krumning, dvs. bøjningsmoment Ex: i 1 = 20 mm; i = 80 mm; i+1 = 140 mm Intet problem ved bropille i, trods 60 mm differenssætning 45

46 "Jord under neglene" Men inden vi går helt amok med konstitutive modeller, finite elementer og flotte flytnings farveplots, lad os få jord under neglene. Vi må se SE og MÆRKE jorden (tygge os igennem den..) 46

47 Pille 16N, 17N BORING 7 Northing [m] Bridge alignment and boreholes 6S 7S 8S 9S 10S 11S 12S 13S 14S 15S 16S 17S 18S 19S 20S 21S 22S 23S 24S 1S 2S 3S 4S 5S 5N 4N 3N 2N 1N 1C 11N 10N 9N 8N 7N 6N BH 20 BH 21 BH 22A BH 23 BH 24 BH 25 BH 26 BH 27 BH 28A BH 29 BH 30A BH 31D BH 32 BH 33A BH 34 BH 35C BH 36 BH 37 BH 38 BH 39 BH 40 BH 41 BH 42 BH 43 BH 44 BH 45 BH 46 BH 47 BH 48 17N 16N 15N 14N 13N 12N BH 17 22N 21N 20N 19N 18N BH 13 BH 14 BH 2 BH 3 BH 6A BH 7 BH 9A BH 11A Easting [m] 47

48 Moræneler, Boring 7, m 48

51 Slamkalk / Kridt, Boring 7, m 51

55 Ved ankerpille 1N BORING 23 Northing [m] Bridge alignment and boreholes 6S 7S 8S 9S 10S 11S 12S 13S 14S 15S 16S 17S 18S 19S 20S 21S 22S 23S 24S 1S 2S 3S 4S 5S 5N 4N 3N 2N 1N 1C 11N 10N 9N 8N 7N 6N BH 20 BH 21 BH 22A BH 23 BH 24 BH 25 BH 26 BH 27 BH 28A BH 29 BH 30A BH 31D BH 32 BH 33A BH 34 BH 35C BH 36 BH 37 BH 38 BH 39 BH 40 BH 41 BH 42 BH 43 BH 44 BH 45 BH 46 BH 47 BH 48 17N 16N 15N 14N 13N 12N BH 17 22N 21N 20N 19N 18N BH 13 BH 14 BH 2 BH 3 BH 6A BH 7 BH 9A BH 11A Easting [m] 55

58 ler > Slamkalk/Kridt, Bor 23, m 58

61 Pille 3S BORING 27 Northing [m] Bridge alignment and boreholes 6S 7S 8S 9S 10S 11S 12S 13S 14S 15S 16S 17S 18S 19S 20S 21S 22S 23S 24S 1S 2S 3S 4S 5S 5N 4N 3N 2N 1N 1C 11N 10N 9N 8N 7N 6N BH 20 BH 21 BH 22A BH 23 BH 24 BH 25 BH 26 BH 27 BH 28A BH 29 BH 30A BH 31D BH 32 BH 33A BH 34 BH 35C BH 36 BH 37 BH 38 BH 39 BH 40 BH 41 BH 42 BH 43 BH 44 BH 45 BH 46 BH 47 BH 48 17N 16N 15N 14N 13N 12N BH 17 22N 21N 20N 19N 18N BH 13 BH 14 BH 2 BH 3 BH 6A BH 7 BH 9A BH 11A Easting [m] 61

66 Slamkalk, Boring 27, m 66

67 Slamkalk/Kridt, Boring 27, m 67

68 Slamkalk/Kridt, Boring 27, m 68