Projekt
B2015-21 Optimal design av träpålar
Information
Fol-Handläggare: Gunnar Zweifel
Utförare: LTU
Kontaktperson: Per Gunnvard
Startår: 2016
Slutår: 2020
Agenda 2030 Mål: 9.1
Nyckelord: Litteraturstudie;Modellering (numerisk); Sulfidjord; pålar; Last;
Sammanfattning
Användning av träpålar för att reducera sättningar och som stabilitetshöjande åtgärd vid bankbyggnad på mycket lös undergrund har lång tradition. Användningen minskade under mitten av 1900 talet, men har fått en renässans och markant ökad användning under de senaste decennierna. Detta gäller inte minst i situationer där betongpålar blir ett dyrt alternativ eller där jorden är korrosiv. Träpålar motstår dessa effekter bättre än betong och stål. Metoden kallas som regel ” lätt bankpålning med träpålar” och utgörs av träpålar som inte stoppslås i kombination med en bank uppbyggd av jordmaterial. De praktiska erfarenheterna av att använda metoden som sättningsreducerande förstärkningsmetod är mycket goda och användningen ökar. Den är kostnadseffektiv och miljövänlig då betong ersatts av trä.
Idag utförs träpålningen oftast i ett triangulärt mönster med ca 0,8-1,2 meter mellan pålarna. Ovan pålarna läggs ett lastfördelande lager av krossmaterial. En vanlig tjocklek på detta är ca 0,6 m. I krosslagret kan geonät placeras, vilket idag vanligen sker genom att två lager av geonät installeras.
Ovan träpålarna finns som regel inga pålplattor och funktionen bygger på att valvverkan etableras i krosslagret och mellan träpålarna. Krosslagrets relativt ringa tjocklek gör att valvbildningen blir svår och geonäten är tänkta att underlätta bildning av en balk över pålarna. Det mesta rörande kraftspelet i konstruktionen är idag tämligen okänt och i branschen diskuteras mycket hur denna konstruktion lämpligen bör utformas. Osäkerhet råder framförallt gällande geonätens betydelse i konstruktionen. Viktiga frågor att belysa är: Behövs nät? Över-/underdimensioneras näten? Vad är optimerat avstånd
mellan pålar? Beskaffenhet på krossmaterialet? Hur stor stabilitetshöjande effekt kan uppnås? Vilken sättningsreduktion kan förväntas? Önskvärd längd på pålar gentemot önskad funktion?
Projektet tar fasta på den osäkerhet råder i branschen om hur konstruktioner med jordarmering över olika typer av bankpålning bäst bör utformas. Detta projekt har som målsättning att klarlägga kraftspelet i denna typ av konstruktion och utverka riktlinjer för optimal design under olika förutsättningar. En teoretisk analys av konstruktionens funktion genomfördes genom finita elementanalyser med programmet PLAXIS både genom 2D- och 3D simuleringar. Dessutom genomfördes laboratorieförsök kommer att behöva utföras, dels för att utröna samverkan mellan nät och ballast och dels för att erhålla värden till parametrar som ingår i de konstitutiva modeller som används vid simuleringarna. Resultaten från den teoretiska analysen ska jämföras gentemot fältförsök på en instrumenterad provbank beräknade storheter jämförs med uppmätta vartefter den teoretiska modelleringen modifieras.
Projektresultaten tas med i fortsättningsprojektet: A2020-17
Resultat från projektet
TEKNISKA RESULTAT
Sett till simuleringsresultaten har pålningsmönstret, kvadratiskt eller triangulärt, inte någon avsevärd påverkan på sättningarna i träpålade bankar. Inte heller har pålningsmönstret någon avsevärd påverkan på valvverkningen och membraneffekten. Resultaten visade att det högst tillåtna värdet på centrumavståndet (𝑠) kan ökas från 1.2 till 1.6m utan att överskrida träpålarnas konstruktiva karaktäristika bärförmåga. Brottgränsen för geonäten, om ändå relativt hög, var långt ifrån att överskridas i någon av simuleringarna. Inte heller överskreds bruksgränserna för differential- och totalsättningarna. Genom att öka 𝑠 från 1.2 till 1.4m ökade resurseffektiviteten (sättningsreduktionen per påle) med 30% för både de mantelburna pålarna och de mantelburna pålarna med viss spetsbärförmåga. Samtidigt minskade antalet pålar med nästan 1/3. En ökning av s förbi 1.4m minskade ökningen av resurseffektiviteten. Baserat på resultaten är det därför rekommenderat att sätta dimensioneringskraven i TK Geo 13 till 0.8 ≤ 𝑠 ≤ 1.4m.
ANDRA RESULTAT
De numeriska resultaten jämfördes med resultaten från fem analytiska modeller som är implementerade i europeiska standarder eller rekommendationer, t.ex. Carlsson-modellen ("kilmetoden") enligt Rogbeck et al. (2010) och Concentric Arches-modellen (CA-modellen) av van Eekelen (2015). Den förra är den rekommenderade analytiska modellen i TR Geo 13 (Trafikverket, 2016b) vid dimensionering av lätt bankpålning med träpålar. Jämförelsen av resultaten visar att de numeriska simuleringarna är tillförlitliga gällande lastfördelningen i banken. Den numeriskt bestämda dragbelastningen i geonätet är rimlig, fastän på den låga sidan vid jämförelse med de analytiska resultaten. Carlsson-modellen överskattade grovt de numeriska resultaten. CA-modellen var överlag bäst på att uppskatta de numeriska resultaten. Därför rekommenderas CA-modellen vid dimensionering av träpålade bankar. Carlsson-modellen kan dock användas vid överslagsberäkning, tack vare att den är såpass enkel att använda.
NYTTA
Projektet har klarlagt mycket av den lastfördelning som inte tidigare varit känd för lätt träbankpålning. Mer specifikt hur valvverkan och membraneffekten uppstår i konstruktionen och hur de kan kvantifieras.
Rapporten ger ett utförligt exempel på både numeriska och analytiska beräkningar för dimensionering av lätt bankpålning.
Den analytiska Carlsson-metoden som föreskrivs i TR Geo 13 visade sig grovt överskatta de simulerade resultaten. Den mest avancerade analytiska metoden, Concentric Arches-metoden (i nederländska CUR226-standarden), överskattade de simulerade resultaten betydligt mindre och lyckades samtidigt fånga beteendet i simuleringsresultaten. I den här typen av konstruktioner kan en överskattning stjälpa mer än hjälpa, p.g.a. behovet av viss sättning mellan pålarna för valvverkan att ens uppstå. Därför rekommenderas att använda en mer avancerad metod, förslagsvis Concentric Arches-metoden, i första hand.