Erfaringer fra målinger med Keros Prima 1 Udarbejdet af Ole Rahbek Christensen Keros, november 22 Copyright 22 Keros Snogebaeksvej 9 DK-821 Aarhus V Tel. +45 8741 55 Fax +45 8741 56 info@keros.dk www.keros.dk
Erfaringer fra målinger med Keros Prima 1 Store krav til effektivitet og besparelser i bygge- og anlægsbranchen, har medført øget fokus på måleudstyr, der på en billig og pålidelig måde kan fastlægge råjords og opbygningers bæreevne. Et sådant udstyr skal tillige være let at håndtere under de vanskelige forhold på byggepladserne. Keros Prima 1 er netop udviklet for at opfylde disse krav. Keros har i samarbejde med forskellige geotekniske virksomheder, universiteter og Vejdirektoratet foretaget en række omfattende målinger, der sammenligner Keros Prima 1 med det traditionelle statiske pladebelastningsudstyr. Resultaterne fra disse forsøg viser, at målingerne med det langt billigere og hurtigere Keros Prima 1 fuldt og helt lever til målinger foretaget med det omkostningstunge og langsomme statiske pladebelastningsudstyr. Faktisk er der en direkte sammenhæng mellem målingerne i forholdet 1:1. Keros Prima 1, der oprindeligt er udviklet i 1998, udvikles, produceres og markedsføres af Keros, der er en 1% danskejet virksomhed. 1. Baggrund For vej- og pladsanlæg og terrændæk er det af væsentlig betydning for anlægsøkonomien, at fastlægge råjordens E-modul. Værdierne kan enten fastsættes skønsmæssigt ud fra de foreliggende geotekniske informationer eller på baggrund af prøver udført på den givne lokalitet. Såfremt råjordens E-modul for et givent projekt fastlægges på baggrund af et geoteknisk skøn, tages der udgangspunkt i jordarter og lagdelinger på den aktuelle lokalitet. Sådanne skøn skal iht. normerne foretages konservativt dvs. lavt for at reducere risikoen for skader som følge af for tynde befæstelser dimensioneret ud fra fejlagtigt høje E-moduler. For gængse jordarter findes der tabeller over typiske E-moduler. Jordart E-modul Moræneler, kalkfrit *) ~ 1-2 Moræneler, kalkholdigt *) ~ 2-5 Moræneler, fedt, kalkholdigt *) ~ 1-3 Senglaciale ler- og siltaflejringer *) ~ 5 15 Sand, fint (frostfarligt) ~ 4-7 Sand ~ 7-15 Grus ~ 1-3 *) Afhængig af in-situ vandindhold Tabel 1, Tabel fra Konstruktion og vedligehold af veje og stier, Hæfte 3.3 "Dimensionering af befæstelser og forstærkningsbelægninger, Udkast til Vejregelforslag" [4]. Som det fremgår af ovenstående tabel, er der betydelig variation i E-moduler selv inden for en bestemt jordart, og der vil således være betydelig forskel i de befæstelser, der dimensioneres ved anvendelse af de nedre værdier i forhold til de højeste for en given jordart. På grund af denne usikkerhed er der udviklet forskellige metoder til fastlæggelse af E-moduler på baggrund af forsøg på den aktuelle lokalitet. Ved at gennemføre målinger på stedet kan de aktuelle E-moduler fastlægges uden skøn, og endvidere kan man ved en systematisk planlægning af forsøgene konstatere, om der er variationer i bunden hen gennem vejstrækningen eller den aktuelle byggeplads. Sådanne informationer er væsentlige for at undgå ovennævnte skader som følge af fejlagtigt tynde belægninger, Informationerne fra en sådan veltilrettelagt forsøgsserie er dog ligeså væsentlige for at kunne optimere befæstelsen og dermed undgå at udføre unødigt omkostningstunge befæstelser eller terrændæk. Når fastlæggelse af E-moduler ved prøvning ikke er videre udbredt, skyldes det sandsynligvis, at de hidtidige prøvemetoder har krævet omfangsrigt udstyr. Der kan anvendes et såkaldt statisk pladebelastningsforsøg, hvor en cirkulær plade ved hjælp af en hydraulisk presse trykkes mod jorden, mens deformationerne aflæses. Metoden kræver et solidt modhold fra eksempelvis en lastvogn eller dumper, og antallet af forsøg, der kan gennemføres på en arbejdsdag, er relativt begrænset. Alternativt kan E-moduler fastlægges ved hjælp af de større faldlod, der regelmæssigt anvendes til kontrol af asfaltbelægningers E-moduler. Disse store faldlod giver dog samme praktiske problemer på byggepladser som statisk pladebelastningsudstyr og er tillige meget omkostningstunge i indkøb. Udbredelsen af udstyr til prøvemæssig fastlæggelse af råjordens E-modul der kan håndteres let på byggepladser medfører lave omkostninger pr. forsøg er relativt billig i anskaffelse forventes at ville føre til en langt mere udbredt anvendelse af prøvemæssigt fastlagte E-moduler ved dimensionering af befæstelser og terrændæk, idet såvel bygherrer og entreprenører har et betydeligt økonomisk incitament. Et godt bud på et sådant udstyr er Keros Prima 1.
Erfaringer fra målinger med Keros Prima 1 statisk pladebelastningsforsøgene efterfølgende er beregnet af geoteknikeren. Det gennemsnitlige tidsforbrug pr. målepunkt er for Keros minifaldloddet 5 minutter og for statisk pladebelastning 35 minutter, hvortil kommer den efterfølgende beregningstid. Figur 2 viser korrelationen mellem E-modulerne målt med statisk pladebelastning og Keros Prima 1. Alle målinger er sammenlignet med målinger fra statisk pladebelastning foretaget af Franck Geoteknik og Vejdirektoratet. Den i grafen indsatte sorte linie er en beregnet lineær regressionslinie og som det ses er formlen Y = 1, X. Det betyder at forholdet mellem statisk pladebelastning og Keros Prima 1 kan regnes 1:1. Der er ikke kendskab til usikkerheden på målinger for hverken statisk pladebelastning eller for minifaldlod. 2 15 Figur 1, Keros Prima 1, med håndholdt dataopsamlingsenhed og GPS. Keros minifaldlod 1 5 y = 1,x 2. Erfaringer fra målinger Keros har foretaget en række omfattende målinger med minifaldloddet sammen med uvildige rådgivere og geoteknikere, der lavede tilsvarende målinger med statisk pladebelastning. Nedenstående gives eksempler på resultaterne fra disse målinger, hvor det resulterende E-modul for begge udstyrs vedkommende er beregnet efter følgende formel: E hvor: 1,5 σ = d a E = Overflademodul, E m = E for bundmodul σ = pladetrykket a = pladeradius d = nedbøjningen E-modulet fra minifaldloddet fremkommer øjeblikkeligt på måletidspunktet, mens E-modulet fra 5 1 15 2 Statisk Figur 2, Korrelation mellem E-moduler fra statisk pladebelastning og fra Keros Prima 1. 3. Måling med Keros Prima 1 Jordarter kan kun tilnærmelsesvis betragtes som lineær elastiske, hvilket betyder, at E-modulet varierer i forhold til det tryk jordarten bliver udsat for. Det er derfor vigtigt at variere det pladetryk, man benytter under målingerne alt afhængig af det materiale, der måles på, og den fremtidige belastning det bliver udsat for. En typisk sammenhæng mellem pladetryk og E-modul for lerjorde ses i Figur 3 og Figur 4, hvor E-modulet er højt ved lave pladetryk, men faldende indtil et minimumspunkts for herefter at have en konstant værdi eller svag stigning indtil brudpunktet.
Erfaringer fra målinger med Keros Prima 1 E-modul (MPa) 7 6 5 4 3 2 1 5 1 15 Pladetryk (kpa) Ovenstående viser, at det er vigtigt at benytte samme pladetryk ved sammenligning af målinger fra de forskellige typer udstyr, da f.eks. E-modulet målt ved et pladetryk på 1 kpa i Figur 3 giver 145 MPa, mens det for samme punkt ved et pladetryk på 45 kpa giver 2 MPa. I bogen "Vejbygning - Materialer - Befæstelser- Belægninger" fra NCC forlaget (Tidligere kaldet Phønix bogen) gives der følgende anbefaling på anvendelse af pladetryk: Slidlag 6 kpa Figur 3, Lerjords afhængighed af det påførte pladetryk, her fra en måling på intakt kalkholdig moræneler. Bærelag Bundsikringslag Underbund 2 kpa 1-2 kpa 5-1 kpa E-modul (MPa) 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 pladetryk (kpa) Figur 4, Typisk afhængighed af det påførte pladetryk for lerjord, her fra en måling på indbygget moræneler. For stabilt grus er der en kraftig forøgelse af E- modulet i specielt det lave trykområde, men kurven vil flade ud og tilnærme sig en vandret linie ved høje pladetryk. Figur 5 viser denne sammenhæng, hvor den sorte kurve er en beregnet tendenslinie efter et 2. grads polynomium. 25 2 15 1 5, 1, 2, 3, 4, 5, Pladetryk (kpa) I samme bog gives dog også anbefalinger på, at nedsynkningen i forbindelse med målingen skal ligge på ca. 1 mm, hvilket ofte medfører lavere pladetryk specielt på underbunden. De anbefalede pladetryk giver ligeledes et billede af den typiske belastningsfordeling de enkelte lag udsættes for i den færdige konstruktion. Det anbefales, at der altid foretages målinger ved forskellige pladetryk / faldhøjder. Vi benytter typisk 4 forskellige faldhøjder i hvert målepunkt, hvorved man altid har mulighed for at inter- eller ekstrapolere sig frem til E-modulet ved netop det pladetryk, man har brug for i sine beregninger. 3.1 Målinger på råjord Målinger på råjord, såvel intakt som indbygget, skal foretages ved materialets naturlige vandindhold, og således at der hverken forekommer skorper eller fritliggende vand. Det bedste resultat opnås på netop frilagt råjord, men alternativt kan skorpen eller det fritliggende vand fjernes før målingen. Efter placering af minifaldloddet på normsandet foretages en række slag fra den maksimale faldhøjde, der er mulig, uden at sensorerne overstyres. E-modulet aftager ved de første slag, men opnår efterhånden en konstant værdi, typisk efter 2 til 1 slag. Enkelte meget hårde lerjorde kan dog kræve flere slag. Når råjorden på den måde er "opblødt", kan man fortsætte med at lave slag til bestemmelse af det dynamiske E-modul, der er direkte sammenlignelig med statiske E-moduler målt ved hjælp af statisk pladebelastning. Figur 5, E-modulets afhængighed af det påførte tryk på stabilt grus, her fra et målepunkt på en motorvejsstrækning ved Ikast. De blå ruder er målinger fra minifaldloddet og de violette firkanter er målinger fra statisk pladebelastningsudstyr.
Erfaringer fra målinger med Keros Prima 1 3 E-modul (kpa) 25 2 15 1 5 2 4 6 8 Slag nummer Figur 6, Opblødning af råjorden i løbet af de første slag med Keros minifaldloddet. Alle slag er ved et pladetryk på 1 kpa. Kurven i Figur 6 skal ikke forveksles med kurven i Figur 3 og Figur 4, da der er tale om 2 vidt forskellige fysiske fænomener. Opblødning af råjorden med 2 til 1 slag skal altid foretages, inden man starter de egentlige målinger, for kun herved opnår man det reelle resultat af råjordens bæreevne, svarende til det resultat man opnår ved statisk pladebelastningsforsøg. Alle sammenlignende målinger mellem Statisk pladebelastning og Keros Prima 1, er foretaget efter ovenstående fremgangsmåde. 3.2 Målinger på bærelag Ved målinger på bærelag og i det hele taget på friktionsjordarter er det især vigtigt, at fodpladen har ordentlig kontakt med underlaget. Ustabile og ikke reproducerbare målinger, kan skyldes større forstyrrende sten i underlaget umiddelbart under fodpladen og specielt under flytningssensoren. Efter placeringen af Keros minifaldloddet skal man lave et til to sætningsslag før de egentlige målinger kan påbegyndes. Friktionsjordarter kræver ikke en opblødning før målingerne. 4. Yderligere oplysninger Yderligere oplysninger kan fås ved henvendelse til: Ole Rahbek Christensen Keros Tlf.: 87 41 5 5 Fax 87 41 5 6 E-mail: orc@keros.dk WEB: http://www.keros.dk/