Leca®-sora putkikaivannossa

Leca-soran toimivuudesta putkikaivannoissa on käyty keskustelua viime aikoina. Huolenaihetta on herättänyt Leca-soran käyttäytyminen mahdollisessa putkikaivannon aukikaivussa. Haastaviksi on koettu tilanteet, joissa putkikaivanto sijaitsee kaupungissa ruuhkaisella ja ahtaalla kadulla ja aukikaivu pitäisi pystyä tekemään mahdollisimman pienin liikennejärjestelyin tai muuten vaan pienessä tilassa niin, että kaivannon seinämät eivät vaadi tilaa vieviä loivia luiskia.

Tämän vuoksi Kuusankosken kevytsoratehtaalla toteutettiin koerakenne, jossa Leca-soran toimivuutta tutkittiin putkikaivannossa. Testikentäksi valittiin tehdasalueella olemassa oleva oja, johon sekä putkisto että suunnitellut rakennekerrokset asennettiin.

Valmistelevat työt

Aluksi testikentältä poistettiin pintamaata noin 0,5–1 metriä ja pohjamaa muotoiltiin koerakenteen ennakkosuunnitelmien mukaiseksi. Tämän jälkeen kaivannon pohjalle asennettiin N3-luokan suodatinkangas, jonka päälle tehtiin murskeesta asennusalusta putkilinjalle, asennettiin putkilinja ja tehtiin putken alku- ja lopputäyttö. Testikenttä jaettiin kolmeen osaan ja eri osat erotettiin toisistaan savella tehdyillä padoilla kuvan 1 mukaisesti.

Kuva 1. Testikenttä.

Koerakenteen rakentaminen 

Jokaiseen testikentän kolmeen osaan rakennettiin erilainen koerakenne. Ensimmäisessä koerakenteessa kevytsora tiivistettiin kerroksittain. Aluksi kevytsoraa tiivistettiin noin 0,3 metrin paksuisen kerroksen päältä tärylevyllä. Tärylevy valittiin niin, että itse levyn pinta-ala oli mahdollisimman suuri suhteessa tärylevyn painoon. 

Maarakennuskohteissa kevytsoran tiivistys tehdään kerroksittain tela-alustaisella kaivinkoneella ajaen rakenteen päällä edestakaisin samalla materiaalia levittäen. Tyypillisesti kevennysrakenne on laaja alue tai tien osuus, jossa tiivistäminen onnistuu vaivatta kerroksittain tela-alustaisella kaivinkoneella.

Vastoin kevytsorarakenteen suunnitteluohjetta, testirakenteen yksittäisen osan pienuudesta johtuen testirakenne päädyttiin tiivistämään tela-alustaisella kaivinkoneella yhdessä vaiheessa noin metrin kerroksena alla olevan kuvan 2 mukaisesti. Tämä on hyvin todennäköisesti vaikuttanut kevytsorakerroksen lopulliseen tiiviyteen

Kuva 2. Kevytsorakerroksen tiivistys tela-alustaisella kaivinkoneella.

Tiivistyksen jälkeen kevytsoran päälle asennettiin N3-luokan suodatinkangas, jonka päälle tuli kantava kerros karkeasta murskeesta. Murskekerros tiivistettiin 500 kg tärylätkällä noin 0,3 metrin kerroksissa. Jokainen kerros tiivistettiin neljään kertaan.

Toinen koerakenne tehtiin kuten ensimmäinen, tosin sillä poikkeuksella, että kevytsorakerros jätettiin kokonaan tiivistämättä, jotta voitaisiin vertailla tiivistetyn ja tiivistämättömän rakenteen toimivuutta rakennetta auki kaivettaessa. Kuten olettaa saattoi, tiivistämätön kevytsorakerros ei ollut stabiili ja kerros eli karkean murskeen levityksen ja tiivistyksen aikana. Ensimmäisen ja toisen testirakenteen poikkileikkaus näkyy kuvassa 3.

Kuva 3. Ensimmäisen ja toisen testirakenteen poikkileikkaus.

Kolmannessa koerakenteessa käytettiin suodatinkangasta lujittamaan kevytsorarakennetta. Rakenteessa käytettiin kahta erilaista tapaa lujittaa kevytsoraa suodatinkankaalla. Ensimmäisessä (3A) suodatinkangas käärittiin pussiksi kevytsoran ympärille kahtena kerroksena kuvan 4 mukaisesti. 

Yhden kerroksen paksuuden ollessa puoli metriä eli puolet koko rakenteen paksuudesta. Tiivistys tehtiin kerroksittain tärylevyllä käärityn suodatinkankaan päältä. Todellisessa kohteessa, jossa on enemmän työskentelytilaa, tiivistys tehdään tela-alustaisella kaivinkoneella suoraan kevytsoran päältä ennen suodatinkankaan ylemmän kerroksen käärintää kevytsoran päälle pussiksi.

Toisessa (3B) suodatinkangas asennettiin poikittain rakenteeseen noin 0,3 metrin paksuisten kevytsorakerrosten väliin. Rakennetta ei tiivistetty kerroksittain. Myös tässä tapauksessa todellisessa kohteessa tiivistys tehtäisiin tela-alustaisella kaivinkoneella kerroksittain aina kevytsorakerroksen päältä ennen suodatinkankaan asennusta. 

Molemmissa suodatinkankaalla vahvistetussa rakenteessa kantava rakenne tehtiin samaan tapaan kuin rakenteissa 1 ja 2. 

Kuva 4. Suodatinkangas käärittiin pussiksi kevytsoran ympärille kahtena kerroksena.

Kuvassa 5 on esitetty poikkileikkauksena periaatepiirustus rakennekerroksista ja niiden suunnitelluista paksuuksista. 

Kuva 5. Poikkileikkaus rakennekerroksista.

Levykuormituskokeet 

Kantavan kerroksen tiivistämisen jälkeen kaikille neljälle rakenteelle tehtiin levykuormituskokeet, joissa mitattiin rakenteen tiiviyttä.

Rakenteiden aukikaivu

Rakenteiden aukikaivu aloitettiin levykuormituskokeiden jälkeen. Kaivu aloitettiin tiivistetystä rakenteesta 1. Aluksi kaivettiin rakenteen kantava kerros noin 2–2,5 metrin leveydeltä ja mitattiin kantavan kerroksen paksuudeksi 0,7 metriä. Tämän jälkeen suodatinkangas rikottiin ja kaivettiin tiivistetty Leca-sorakerros auki koko yhden metrin paksuudelta. Tiivistetty sora oli helppoa kaivaa ja tiivistyksestä johtuen kaivetut Leca-sora seinämät pysyivät jyrkkinä ja vain osa seinämien materiaalista valui alas kaivettaessa. 
 
Rakenteen kosteuspitoisuus oli hyvin matala, koska käytetty kevytsora oli hyvin kuivaa vuodenajasta johtuen ja aukikaivu tehtiin heti rakentamisen jälkeen, jolloin se ei vastannut tyypillisen auki kaivettavan rakenteen kosteutta, missä rakenne on saavuttanut luonnollisen kosteuden ajan kuluessa. 

Seuraavaksi kaivettiin auki tiivistämätön rakenne samoin menetelmin kuin tiivistetty rakenne 1. Tiivistämättömän kevytsoran kaivaminen oli selvästi hankalampaa kuin tiivistetyn ja luiskan kaltevuudet asettuivat auki kaivetussa kevytsorakerroksessa noin 1:1 ja 1:1,5 välille. Luiskien kaltevuuteen vaikutti myös materiaalin kuivuus, joka ei vastannut normaalin rakenteen kosteuspitoisuutta.

Suodatinkankaalla lujitettujen rakenteiden 3A ja 3B auki kaivaminen suoritettiin kantavan kerroksen osalta samoin kuin edelliset rakenteet. Pussimainen rakenne (3A) oli tarkoitus kaivaa rikkomatta suodatinkankaalla pussitettua kevytsorarakennetta. Pussille käärityn suodatinkankaan tehtävä on sitoa kevytsora ja estää sen valuminen kaivantoon. Haasteellista kyseisessä rakenteessa on paikantaa suodatinkangaspussien sijainnit ja pystyä kaivamaan putkilinja esiin rikkomatta suodatinkangasta.

Suodatinkankaalla lujitetussa rakenteessa 3B kaivu toteutettiin kaivamalla putkilinja esiin suoraan suodatinkankaiden läpi, jolloin kaivaminen ei vaatinut vastaavaa tarkkuutta kuin rakenteessa 3A. Suodatinkangas helpotti auki kaivamista ja kaivannon luiskat asettuivat jyrkempään kaltevuuteen kuin lujittamattomat rakenteet.

Aukikaivuiden jälkeen rakenteet 1 ja 2 tehtiin uudelleen ja niiden annettiin asettua ja saavuttaa luonnollinen kosteustasapaino usean kuukauden ajan, jotta rakenteet vastaisivat todellista putkikaivutilannetta. 

Uudelleen auki kaivu toteutettiin syksyllä. Tiivistetyn Leca-sora rakenteen 1. kaivettavuus oli parantunut merkittävästi johtuen luonnollisen kosteuden tuomasta näennäisestä koheesiosta, joka sitoo kevytsorarakeita toisiinsa. Kuvassa 6 on nähtävissä tiivistetty rakenne auki kaivettuna. Kantavan kerroksen paksuus oli noin 0,6 metriä ja kevytsorakerroksen noin 0,85 metriä. Rakenne pysyi paikallaan täysin pystysuorana.

Kuva 6. Tiivistetty rakenne auki kaivettuna.

Myös tiivistämätön rakenne 2. oli selvästi vakaampi ja helpommin kaivettavissa kuin heti rakenteen teon jälkeen kaivettaessa. Myös luiskien kaltevuus pysyi jyrkempänä. 

Johtopäätökset 

Kokeissa käytetty testikenttä ei vastannut täysin todellisen tyypillisen kohteen olosuhteita. Todellisessa kohteessa rakenteet ja ennen kaikkea kevytsorakerroksen tiivistys onnistuu huomattavasti paremmin suuremmasta tilasta johtuen, jolloin tiivistyksessä käytetyn tela-alustaisen kaivinkoneen liikkuminen on helpompaa ja rakenne voidaan tiivistää suositusten mukaisesti kerroksittain. Todellisessa rakenteessa tämä tarkoittaa siis kevytsorakerroksen vielä parempaa tiiviyttä kuin koerakenteessa ja näin ollen parempaa koossa pysyvyyttä ja jyrkempiä luiskan kaltevuuksia.

Tehtyjen kokeiden perusteella voitiin todeta, että tiivistämisellä on merkittävä vaikutus rakenteen stabiiliuteen rakennetta auki kaivettaessa. Hyvin tiivistetyn Leca-sorakerroksen aukikaivu onnistui jyrkillä luiskakaltevuuksilla. Merkittävää oli myös se, että rakenne oli luonnollisessa kosteuspitoisuudessa, joka paransi merkittävästi rakenteen kaivuominaisuuksia. 

Käytettäessä suodatinkangasta lujitteena huomattiin, että pussimaisen rakenteen haasteena oli pussien reunojen paikantaminen ja näin suodatinkangaspussin rikkomisen välttäminen. Tämä voi olla hyvin haasteellista, jos pussien sijaintia ei ole dokumentoitu riittävällä tarkkuudella.

Poikittaisten suodatinkangaskerrosten todettiin parantavan kaivannon aukikaivun ominaisuuksia pienentämällä kevytsoran valumista alas kaivettaessa. Rakenne olisi todennäköisesti toiminut vielä paremmin, jos koerakenne olisi ollut isompi ja näin tiivistäminen olisi voitu toteuttaa tela-alustaisella kaivinkoneella, kuten todellisissa kohteissa tehdään.