Kun penger menettää stabiliteettinsa, syntyy liukupinta, joiden laskeminen on perinteisesti ollut yksi geotekniikan työläimpiä tehtäviä. Laskentaohjelmistojen kehitys on keventänyt työmäärää huomattavasti, mutta laskennan tarkkuudessa on ollut kehitettävää viime päiviin asti. Erityisesti suurissa rakennushankkeissa laskentatarkkuuden paraneminen merkitsee myös kustannussäästöjä.
Samalla kun ohjelmistot ovat kehittyneet, myös tutkimustyö on tuottanut entistä parempia laskentamenetelmiä. Yhdessä nämä kehitysaskeleet ovat luoneet perustan käytännön ohjeistuksen muutoksille, jotka mahdollistavat geoteknisten rakenteiden entistä tarkemman mitoituksen.
– Aiemmin lähtökohtana oli, että maan suljettu leikkauslujuus on sama kaikissa suunnissa. Todellisuudessa näin ei ole, mikä on ollut tiedossa. Kuitenkin vasta nyt – tutkimuksen, ohjeistuksen ja laskentaohjelmistojen kehittyessä – tämä tosiasia voidaan ottaa käytännön hankkeissa huomioon, kertoo Tampereen teknillisen yliopiston geotekniikan professori Tim Länsivaara.
Norjassa aikanaan opiskellut ja työskennellyt Länsivaara on tiedostanut tämän kehitysaskeleen tarpeellisuuden, sillä muissa Pohjoismaissa ja varsinkin Norjassa geotekniset mitoituskäytännöt ovat jo aiemmin ottaneet huomioon maaperän anisotrooppisuuden eli lujuuden vaihtelun eri suunnissa.
– Tärkeä kimmoke kehityksessä on ollut Ville Lehtosen väitöskirja. Hän kehitti verrattain yksinkertaisen laskentatavan, jolla suljetun leikkauslujuuden anisotrooppisuus voidaan ottaa huomioon, Länsivaara toteaa.
Kolmenlaista lujuutta
Geotekniikan ammattilainen on tottunut laskemaan penkereiden varmuuksia koossapitävien ja liu’uttavien voimien summien suhteiden avulla. Perusperiaate on edelleen muuttumaton, mutta muun muassa Liikenneviraston uusissa ohjeissa voidaan ottaa huomioon se, että suunnittelun lähtötietona käytettävä leikkauslujuusarvo onkin jatkossa anisotrooppinen suljettu leikkauslujuus. Toisin sanoen laskelmissa otetaan huomioon myös suunta, jossa leikkauslujuus on määritetty.
– Norjalaisessa ADP-menetelmässä anisotrooppinen lujuus määritetään joko suoraan laboratoriokokeiden tai epäsuorasti empiiristen yhtälöiden avulla. Ville Lehtosen kehittämässä HSU-menetelmässä se voidaan määrittää myös tehokkaan kitkakulman avulla. Kumpikin menetelmä otetaan nyt käyttöön Suomessa, Länsivaara sanoo.
Hän muistuttaa, että ero aiemman ja uusien laskentatapojen välillä on tapauskohtainen. Joissakin tapauksissa päädytään käytännössä samaan tulokseen, joissakin ero voi olla merkittävä. Kyse on Länsivaaran mukaan pohjimmiltaan todellisen lujuuden tarkemmasta mallintamisesta.
Liikenneviraston uusi ohjeistus on tulossa käyttöön vuoden 2018 aikana. Sen perustana on Ville Lehtosen väitöskirjassaan esittämä uusi leikkauslujuuden määritystapa. Käytännön geoteknisen suunnittelun kannalta suurin ero aiempaan on se, että lähtöarvot on määritelty tarkemmin ja eri tavalla.
– Jos muutosta havainnollistaa perinteisin termein, niin uudessa menetelmässä käsitellään samassa laskelmassa kolmenlaista lujuutta: liukupinnan yläosassa vaikuttaa aktiivinen leikkauslujuus, keskivaiheilla suora leikkauslujuus ja loppuosalla passiivinen leikkauslujuus. Aktiiviosa on analoginen aktiivimaanpaineen ja passiiviosa passiivimaanpaineen muodostumiselle, Länsivaara kertoo.
Liikenneviraston ohjeista vastaava geoasiantuntija Panu Tolla pitää stabiliteettilaskennassa tehtyä kehitystyötä tärkeänä ja vaikutuksiltaan suurena. Erityinen merkitys entistä tarkemmalla stabiliteettilaskennalla on hankkeissa, joissa penkereen vakavuus on kriittinen. Tällaisia ovat erityisesti ratapenkereet, joissa kuormitustilanne on junien maksimipainojen kasvun johdosta muuttunut alkutilanteesta. Tällaisilla muutoksilla on suuri riskienhallinnallinen ja kustannusmerkitys, kun esimerkiksi peruskorjattavalla rataosuudella on tutkittava, missä varmuus riittää ja missä sitä taas on parannettava.
Civilpointin GeoCalc -laskentaohjelmiston uusin 4.0-päivitysversio ottaa jo huomioon Liikenneviraston tänä vuonna ilmestyvän ohjeen ”Tie- ja ratapenkereiden vakavuuslaskenta” ja ohjeen sallimat uudet tavat määrittää rakenteen leikkauslujuus. Tämän lisäksi GeoCalcin stabiliteettiosaa on täydennetty lisäämällä ohjelmistoon mahdollisuus mallintaa vastapenger kuormana.
– Näin vastapenkereen aiheuttama huokosveden ylipaine voidaan ottaa helposti huomioon, kun laskenta tehdään tehokkailla lujuusparametreilla, Tim Länsivaara toteaa.
Geotekniikan professori Tim Länsivaara, Tampereen teknillinen yliopisto