39.1

FJELLSPRENGNINGSTEKNIKK

BERGMEKANIKK/GEOTEKNIKK 2013 Pelearbeider Tresfjordbrua Tresfjord Bridge -Pile Works Andreas Andenæs, Sivilingeniør, Multiconsult AS Arne Schram Simonsen, Sivilingeniør, Multiconsult AS Sammendrag Pelearbeidene på Tresfjordbrua er av de mest omfattende og utfordrende pelearbeidene i Norge for tiden. Store stålrørspeler med diameter 1,22 m rammes i hovedsak til stopp i meget hard morene. For flere av fundamentene er morenen så hard at en minimumspenetrasjon på 6,0 m har vist seg meget utfordrende å oppnå. Vanndyp på opptil 40 m gjør arbeidene ekstra utfordrende. På forhånd var det utført prøvepelinger, og prosjekteringen av pelegruppene støtter seg til disse. Pelearbeidene er tett oppfulgt, blant annet med Pile Driving Analyser (PDA) målinger i hvert fundament. I tillegg til pelefundamentene består broen av to senkekasser i betong, samt landkar fundamentert på stålkjerner og tre fundamenter direkte på fjell. Abstract The Tresfjord bridge is with its variety in foundation concepts and difficult soil conditions one of the most geotechnically challenging projects in Norway at the time. The project comprises design of large concrete caissons, steel core piles through large rock fills, and closed end steel pipe piles in up to 40m water depth driven in very hard moraine. Test piling has also been conducted to check feasibility of the concept, and PDA measurements have been used to verify sufficient capacity of piles. Fakta Tresfjordbrua er en del av den nye eksportveien mellom Ålesund og Åndalsnes og vil forkorte reisetiden med omtrent 30 min. Byggherre er Statens Vegvesen, utførende entreprenør er Arbeidsfellesskapet Bilfinger Tresfjordbrua, og Multiconsult er ansvarlig for design. I tillegg har Multiconsult hatt en aktiv rolle med kontroll av pelearbeidene, inkludert PDA målinger.

Figur 1: Tresfjordbrua forkorter reisetiden mellom Ålesund og Åndalsnes

Tresfjordbrua

Molde

Ålesund

Åndalsnes

39.2

Tresfjordbrua bygges som en fritt frambygg betongbru, og får en total lengde på 1290m. Hovedspennet vil hvile på to senkekasser i betong, mens resterende fundamenter i hovedsak er fundamentert på rammede stålrørspeler. Landkarene er fundamentert på stålkjerner.

Grunnforhold Det er utført totalsonderinger for hvert fundament, samt at det er tatt opp kjerneprøver. Mellom fundamentene er det utført seismikk for å kartlegge sjøbunn, lagdeling og dybde til antatt berg. Grunnforholdene varierer noe langs bruaksen, men domineres av et topplag av sedimenter i 2-4m mektighet over meget hard morene. Pelene i fundamentene nærmest land i vestenden av brua er rammet til berg med opp til 27 m penetrasjon i løsmasser. Vanndybden varierer mellom 10 og 40 m for pelefundamentene. Prøvepeling Det ble høsten 2010 utført en serie prøvepelinger i Tresfjord med vanndyp ca 40m for å undersøke muligheten for å oppnå ønsket bæreevne i morenen med tilgjengelig utstyr. Tre peledimensjoner, ø914x16 mm, ø1016x16 mm og ø1220x16 mm ble rammet. Det ble også benyttet to forskjellige hammere for å kartlegge funksjonalitet, virkningsgrad og hvilken bæreevne som var mulig å oppnå med de respektive hammerne. Det ble testet én disel hammer; Delmag D100-13, samt én falloddhammer, Junttan HHK 12S med 12 tonns akselererende lodd og maksimal fallhøyde 1,5m. Resultater fra prøvepeleingen er gitt i Tabell 1 under. Tabell 1. Prøvepelingsresultater

Pel Penetrasjon Hammer Synk Netto Energi

Dynamisk bæreevne (CASE)

Dynamisk bæreevne

(CAPWAP) [-] [m] [-] [mm/slag] [kNm] [kN] [kN]

ø914 4.8 HHK 12S 23/10 134.6 7392 - 5.4 HHK 12S 7/10 127 8206 8500 5.5 HHK 12S 10/10 136.4 8856 8650

ø1016 4.2 D100-13 30/45 142 9471 - 4.9 D100-13 10/21 131.3 10254 10300 5.0 HHK 12S 16/10 150.5 11181 11200

ø1220 3.4 D100-13 530/172 113.1 5621 5500 6.0 HHK 12S 1/1 164.4 12164 12000 6.1 HHK 12S 1.2/1 159.8 11006 10850

Basert på resultatene ble ø1220mm peler valgt. Dynamisk bæreevne for design ble satt til 9600kN, noe under målte verdier for å gi rom for noe variasjon i grunnforhold langs bruaksen. Fundamenteringskonsepter Bruas fundamenter består av både senkekasser i betong, stålkjerne fundamenter, fundamenter direkte på fjell, og fundamenter som hviler på stålrørspeler. Senkekassene i betong utgjør fundamentene for hovedspennet, landkarene står på stålkjerner. Lengst mot øst er tre fundamenter støpt direkte på fjell. De resterende 13 fundamentene utføres med ø1220x18mm stålrørspeler rammet til berg, eller stopp i morene.

39.3

Den minste av de to senkekassene landes direkte på fjell og sikres med forspente stag og fjellbolter. Den største senkekassen i akse 8 har en høyde på 42m og en diameter på 25,2m. Denne landes direkte på morene og står med egenvekt. Senkekassene fylles med sprengstein for å øke vekten. Plaxis 3D er benyttet for verifikasjon, og ANSYS med fjærstivheter fra Plaxis er benyttet for å se på fundamentspenninger under fundamentet. Maks fundamentspenninger er funnet å være ca. 700 kPa. Landkarene fundamenteres på 16 stk 150 mm stålkjernepeler installert med foringsrør gjennom opp til 20 m steinfylling med steindiameter opp til 1000 mm.

Figur 2: Oversikt over fundamenter for Trefjordbrua

Opp til 40 m vanndyp for flere av fundamentene gir store utfordringer med knekking av de store stålrørspelene. Derfor er det nødvendig med en viss penetrasjon for å oppnå rotasjonsstivhet av pelespisen. Prøvepelingen indikerte at penetrasjon over 5 m kunne vise seg meget vanskelig. Basert på rammeanalyser utført i GRLWEAP (GRL Engineers, 2010) ble godstykkelsen økt fra 16 mm til 18 mm for å redusere rammespenningene. Bergspissen er også utstyrt med en igjennstøpt hul spiss. Dette gir mulighet for å bore gjennom spissen om penetrasjon begrenses ved f.eks. stopp i blokk. Alle peler armeres og utstøpes for å sikre tilstrekkelig aksialkapasitet.

Figur 3: 3D modell av bygget geometri for 12 pelers fundament i akse 18. Med sjøbunn og bergoverflate.

39.4

Eurokode 7 og PDA I Eurokode 7 gis det korrelasjonsfaktorer for å bestemme karakteristisk kapasitet basert på målt dynamisk bæreevne. Jo flere peler som testes, jo lavere korrelasjonsfaktor kan benyttes, se tabell A.11 i Eurokode –gjengitt under i Tabell 2. Korrelasjonsfaktorene skal videre økes eller reduseres alt etter hvilken metode som er benyttet for å bestemme den dynamiske bæreevnen. Benyttes kun synkmålinger (rammeformel) skal korrelasjonsfaktoren multipliseres med 1,2. Benyttes derimot PDA målinger, samt post prosessering av resultatene med CAPWAP (GRL Engineers, 2006) kan korrelasjonsfaktoren multipliseres med 0,85. ξ5 benyttes for middelverdi, mens ξ6 benyttes for minimumsverdi. Ved å utføre PDA målinger og benytte CAPWAP, kan man altså redusere korrelasjonsfaktoren betraktelig, og utnytte pelene høyere. For et prosjekt som Tresfjordbrua med mange, og dyre peler, er dette meget hensiktsmessig og kostnadsbesparende. Karakteristisk bæreevne skal videre divideres med en partialfaktor γt for å finne design bæreevne. For rammede peler er γt=1,1. Tabell 2: Korrelasjonsfaktorer

ξ for n= ≥2 ≥5 ≥10 ≥15 ≥20 ξ5 1.60 1.50 1.45 1.42 1.40 ξ6 1.50 1.35 1.30 1.25 1.25

Ved å teste to peler med PDA i hvert fundament får man en forventet dimensjonerende bæreevne på 9600 kN/(1.1*1.6*0.85)=6400 kN for ø1220 mm stålrørspeler. Dette er benyttet i design av pelefundamentene. Tilsvarende med å teste minimum 5 stk peler i fundamentet kan dimensjonerende bæreevne økes til: 6845kN. GeoSuite – Pile Analyser Jord-pel samvirkeanalyseprogrammet GeoSuite – Pile (Vianova, 2013) ble benyttet for peleanalysene. Programmet er veldig hensiktsmessig for enkel endring av pelegeometri, og er veldig bra for analyser av flere lastkombinasjoner. Totalt ble 96 lastkombinasjoner sjekket for hvert fundament, og totalt er ca. 850 forskjellige analyser av forskjellige fundamenter utført før valget falt på de 4 fundamenttypene med henholdsvis 12, 14, 16 og 18 peler. Figur 2 gir et inntrykk av størrelsen på det minste fundamentet i akse 17, samt geometrien. Alle peler, bortsett fra 2 vertikale i 18 pelers fundamentet, har helning 5:1.

39.5

Figur 4: 12 pelers fundament i akse 17. PDA utstyr kan sees påmontert pelen som står i «kloa».

Analyser viste at pga. den veldig begrensede penetrasjonsdybden sammenlignet med pelenes lengde og vanndypet påvirker jordens laterale stivhet (P-Y kurver) systemet minimalt. Lastfordelingen mellom pelene avhenger primært av stivheten ved pelespiss (Q-Z kurver). Jo høyere stivhet, jo mindre lastfordeling mellom pelene. Prøvepelingene viste at morenen var veldig stiv, og stivheten ved pelespiss er derfor oppjustert i forhold til stivheten GeoSuite – Piles genererer basert på API. Stivheten basert på prøvepelingen var ca. 50-100 ganger stivere enn verdier basert på API. Rammeutstyr De store forholdene både når det gjelder peledimmensjoner, vanndyp og penetrasjonsmotstand krever stort og stabilt utstyr. Prøvepeling ble utført fra flytende lekter, noe som viste seg å ikke være stabilt nok for og oppnå installasjonstolleranser satt av prosjektet. Pelearbeidene utføres fra Jack-up riggen Annegret (Figur 5). De 54m lange beinene sikrer fast posisjon, og en stabil plattform til å utføre pelearbeider fra. Til ramming benyttes en IHC S-200 hammer med maks energi 200kNm. Virkningsgraden har vist seg meget god, selv for skrå peler. Hammeren er montert på en leider som sikrer sentriske slag, og bedrer kontrollen med helningen til pelene –se Figur 4.

39.6

Figur 5: Jack-up riggen Annegret til kai i Vikebukt

Figur 6: IHC S-200 hammer med leider under peling i akse 18/Skjematisk tegning av riggen (Bilfinger, 2012)

39.7

Oppfølging og PDA malinger Hele fundamentkonseptet er basert på at det utføres PDA målinger, minimum 2 per fundament, og med minimum gjennomsnittsverdi for målt dynamisk bæreevne på 9600kN i hvert fundament. Pelene er også høyt utnyttet i design, slik at spillerommet for avvik er lite. Dette har krevd tett oppfølging av pelearbeider. Multiconsult har vært, og er, ansvarlig for både oppfølging og PDA målinger. Stoppkriterier er gitt med grunnlag i sammenstillinger av PDA resultater for både peler til fjell og peler med stopp i morene. PDA resultatene er analysert ved hjelp av CAPWAP, samt sammenlignet med resultater basert på rammeformelen (Janbu, 1970) med synk målinger og bevegelsesmålinger. Stoppkriteriet er justert noe underveis, men har generelt vært gitt som mindre enn 1mm synk per. slag ved 145 kNm brutto energi. Påvist dynamisk bæreevne basert på PDA og CAPWAP har vært i størrelsesorden 10-11000 kN for de fleste peler. For peler til fjell er det i tillegg gitt krav om minimum innmesiling 220 mm (tilsvarende diameter av fjellspiss). Et representativt antall peler er også etterrammet i hvert fundament for å sikre at bergfestet er intakt selv etter ramming av omkringliggende peler, og for å sikre at vi ikke har hatt falsk stopp i morene. For å forenkle kontroll av peler som ikke er testet med PDA har vi benyttet et enkelt plot som viser penetrasjonsmotstand (tilført energi delt på synk) mot dybde, se Figur 5. Dette plottet er veldig nyttig for og fort avdekke om enkeltpeler avviker fra trenden i fundamentet, stopp i blokk etc. To representative plott er gjengitt i Figur 5 for akse 18 og 14. For akse 18 gir den veldig brå økningen i rammemotstand en meget god indikasjon på at pelene har truffet fjell. For akse 14 er det en mer jevn økning som indikerer stopp i morene.

Figur 7: Penetrasjonsmotstand vs. penetrasjonsdybde akse 18/akse 14

Konklusjon Ved store pelejobber er gode forberedelser og oppfølging avgjørende. Et prosjekt som Tresfjordbrua kunne ikke vært gjennomført på en tilfredsstillende måte uten prøvepeling, og oppfølgingsarbeider under utførelsen med PDA etc.

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Pene

trat

ion

[m]

Driving Resistance [MNm/m]

Pel 1800

Pel 1801

Pel 1802

Pel 1803

Pel 1804

Pel 1805

Pel 1806

Pel 1807

Pel 1808

Pel 1809

Pel 1810

Pel 1811

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 200 400 600 800

Pene

trat

ion

[m]

Driving Resistance [MNm/m]

Pel 1400

Pel 1401

Pel 1402

Pel 1403

Pel 1404

Pel 1405

Pel 1406

Pel 1407

Pel 1408

Pel 1409

Pel 1410

Pel 1411

Pel 1412

Pel 1413

Pel 1414

Pel 1415

39.8

Referanser GRL Engineers, Inc, 2006. CAPWAP 2006. http://www.pile.com/ GRL Engineers, Inc, 2010. GRLWEAP 2010, http://www.pile.com/ JANBU, NILMAR 1970. Grunnlag i geoteknikk. Tapir Forlag, 426p. VIANOVA 2013. Novapoint GeoSuite Toolbox – Pile Group, Version 2.0, March 2013. www.novapoint.com