T-Value: En ny strategi för utformning av tillfälliga arbeten

Riktlinjer för dimensionering av arbetsplattformar och pålningsmattor

Det viktigaste dokumentet för brittiska konstruktörer är BR470 Working platforms for tracked plant, som innehåller riktlinjer för utformning, konstruktion, drift och underhåll av arbetsplattformar. Den skrevs av Building Research Establishment under ledning av FPS.

Året 2011 publicerade BRE ett kompletterande dokument, Use of structural geosynthetic reinforcement – A BRE review seven years on. I detta dokument anges att alternativa beräkningsmodeller kan användas, inklusive plattformar som byggs med kross som stabiliseras mekaniskt med geonät, så länge konstruktionerna baseras på ‘trovärdig och representativ’ forskning och fallstudier av projekt.

Övriga riktlinjer:

• Federation of Piling Specialists Guide to Working platforms (Guide till arbetsplattformar)
• The European Federation of Foundation Contractors and Deep Foundations Institute’s A guide to working platforms (Guide till arbetsplattformar)
• The Institution of Civil Engineers Temporary Works Forum’s Working platforms – Design of granular working platforms for construction plant – A guide to good practice (En guide till god praxis)

Verifiering av arbetsplattformar genom statisk plattbelastning

BR470 rekommenderar att design av arbetsplattformar ska utföras med hjälp av statiska plattbelastningar.

Ett plattbelastningstest innebär att man ökar belastningen på en cirkulär stålplatta som placeras på en markyta och mäter den inducerade sättningen för att bestämma bärförmågan.

Vid plattbelastningstester används vanligen plattor med en diameter på 0,3 m eller 0,6 m. Storleken på den tryckbulb som skapas (och därmed djupet på den mark som testas) är direkt relaterad till plattans storlek – vanligen två gånger dess diameter (dvs. ca 0,6 m djup för en platta med en diameter på 0,3 m).

Om två tester med plattor av olika storlek utförs på samma markyta kommer resultaten att skilja sig åt, eftersom den jordvolym som testas är olika stor. Detta kan orsaka problem vid plattbelastningsprovning av en arbetsplattform, där det finns två distinkta lager: ett starkare, kompakt lager av granulatmaterial över ett svagare underlag.

Om plattformen är tjockare än 0,6 m kommer ett plattbelastningstest med en diameter på 0,3 m endast att bestämma bärförmågan och sättningsegenskaperna för det övre friktionsmaterialet och inte för den svagare marken under.

Även om resultat från tester med plattor med en diameter på 0,3 m kan användas för kvalitetskontroll – för att kontrollera att plattformen har packats korrekt och uppfyller specifikationerna – är de otillräckliga för att bedöma plattformens geotekniska bärförmåga.

En bättre metod, som Tensar rekommenderar, är att använda en större platta vars storlek ligger närmare bredden på den belastning som byggutrustningen ger upphov till (vid fältprovning för att verifiera konstruktionsmetoden för T-värdet användes en kvadratisk platta på 1 m).

Detta innebär att testet kommer att skapa en tryckbulb som är lika stor och djup som den som skapas av en riggs larver. Som ett resultat av detta kommer sättningsegenskaperna hos både plattformen och undergrunden att mätas, vilket ger en mer exakt bedömning av dess ultimata (och säkra) bärförmåga.

Fördelarna med stabiliserande geonät i arbetsplattformar

Genom att använda stabiliserande geonät i det krossade materialet som används för att bilda en arbetsplattform kan bärförmågan förbättras, samtidigt som det är upp till hälften så tjockt som ett icke-stabiliserat lager av krossat material.

Detta beror på den sammankopplingsmekanism och partikellåsning som utvecklas mellan stenmaterialet och geonätet. Detta förhindrar att det granulära materialet rör sig i sidled och skapar ett mekaniskt stabiliserat lager som ökar bärförmågan och kontrollerar differentiella sättningar.

Dessutom kan återvunnen granulär fyllning av lägre kvalitet användas och tillsammans kan detta spara tid och pengar genom minskad utgrävning och minskat inkört material, samt minska plattformens koldioxidavtryck.

I tilläggsdokumentet från 2011 till BR470 Use of structural geosynthetic reinforcement – A BRE review seven years on, behandlas visserligen geosynteter, men eftersom deras effekter baseras på enskilda tillverkares riktlinjer kan detta leda till inkonsekvens och osäkerhet för konstruktörer och ingenjörer som utför konstruktionskontroller.

Det kan innebära att geosynteter inte specificeras, vilket gör att potentiella fördelar och besparingar går förlorade. Denna missade möjlighet ledde till utvecklingen av designmetoden Tensar T-Value.

Tensars T-Value metod

Tensars T-Value metod möjliggör en mer exakt bedömning av den positiva effekten av stabiliserande geonät på bärförmågan hos en granulär arbetsplattform

Metoden kan tillämpas på en rad olika arbetsplattformsmaterial i olika markförhållanden och gör det möjligt att jämföra konstruktioner med och utan geonät, även för mycket låga skjuvhållfastheter i undergrunden. Den kan också tillämpas på ytliga och grunda inbäddade fundament, med torra eller mättade friktionsmaterial.

T-Value metoden baseras på förhållandet mellan bärförmågan och lastöverföringseffektiviteten hos det granulära lagret. Detta uttrycks som ett T-värde, som beror på skjuvhållfastheten hos granulatlagret och undergrunden. Även om metoden är vetenskapligt rigorös är den enkel att använda med mätbara ingångsparametrar (t.ex. friktionskoefficient och odränerad skjuvhållfasthet).

Detta innebär att man för första gången kan utnyttja alla fördelar med stabiliserande geonät på ett konsekvent sätt i konstruktioner för arbetsplattformar. Det ger verifierbara konstruktioner som kan minska plattformens tjocklek och förbättra bärförmågan, vilket sänker byggkostnaderna med upp till 30% och minskar plattformens koldioxidavtryck med upp till 40%.

Hur T-Value skiljer sig från andra metoder för pålningsmattor

Även om BR470 tar hänsyn till geosynteter baseras deras effekter på tillverkarnas vägledning, vilket kan leda till inkonsekvens och osäkerhet under konstruktionskontroller. Befintliga metoder är antingen alltför förenklade (t.ex. en gemensam lastspridningsvinkel för alla fall) eller använder diffusa och svårförståeliga empiriska ingångsparametrar.

Dessutom beaktas ett granulärt materials bärförmåga och en geosyntets draghållfasthet separat. Detta är olämpligt för stabiliserande geonät eftersom, som diskuterats, i stället för att verka i spänning för att förstärka granulatmaterialet, fungerar aggregatet och geonätet som en enhet på grund av förkilnings- och låsningseffekter i geonätets öppningar. Det som skiljer T-Value metoden från andra metoder är att man för första gången kan analysera prestandan hos en komposit av granulatmaterial och stabiliserande geonät. Detta ger en mer rättvisande uppskattning av prestanda och gör det också möjligt för konstruktörer att jämföra denna prestanda med den för icke-stabiliserade material.

Även om T-Value metoden i teorin kan tillämpas på andra granulerade material och geonät, gäller sambandet mellan T-Value och undergrundens hållfasthet endast för Tensars välbeprövade och testade geonät. Om andra aggregat och geonät ska användas måste sambandet härledas genom FEA och laboratorietester och valideras med fullskaletester som är lämpliga för den plattform eller det fundament som ska byggas.

Verifiering av T-Value metoden genom laboratorietester

T-Value metodenutvecklades genom finita element analyser (FEA) av friktionsmaterials stabiliserade med geonät.

Hursomhelst, i de FEA-modeller som används vid geoteknisk design karakteriseras dock geonätet utifrån dess dragstyvhet eller hållfasthetsegenskaper i luften, tillsammans med de mekaniska egenskaperna hos jorden utan geonät, ofta uppmätta med hjälp av triaxiala tester.

Detta kan leda till en betydande underskattning av stabiliseringsgeonätets prestanda, eftersom detta i hög grad beror på den mekaniska förbindelsen mellan stenpartiklarna och geonätets öppningar.

Triaxialprovning av ballasten och geonätet tillsammans löser detta problem, eftersom det gör det möjligt att mäta prestandan hos ett kompositmaterial. Provningen måste utföras i mycket större skala för att övervinna partikelstorlekseffekterna, vanligtvis på prover med en diameter på 0,5 m och en längd på 1 m, med en enda skiva (eller fler) geonät placerad i mitten av den torra, packade ballasten.

Tensar använde storskalig triaxialprovning på olika kombinationer av ballast och geonät för att verifiera att stabiliseringseffekten kunde mätas, som en del av utvecklingen av T-Value metoden.

Mer än 500 tester utfördes och resultaten visade att den maximala skjuvhållfastheten i geonätstabiliserad ballast var högre jämfört med icke-stabiliserad ballast. Med andra ord krävdes det mer spänning för att skjuta och utvidga provet och det krävdes större töjningar för att orsaka betydande mjukgörning av det stabiliserade friktionsmaterialet jämfört med det icke-stabiliserade materialet.

Verifiering av T-Value metoden genom fältförsök

T-värdesmetoden har också testats i verkligheten, när Tensar samarbetade med University of Saskatchewan i Kanada för att utföra fullskaliga plattbelastningstester av en provsektion av en granulär arbetsplattform på en lerig undergrund.

Testerna, där två 20-tons lastbilar användes som reaktionskraft, utfördes på 0,25 m och 0,5 m tjocka granulatplattformar, på sektioner med och utan stabiliserande geonät.

En kvadratisk platta på 1 m användes för att skapa en tryckbubbla som i storlek och djup liknade den som skapas av spåret från en pålningsrigg eller kran. Detta gav en mer exakt bedömning av plattformens slutgiltiga (och säkra) bärförmåga jämfört med konventionella tester med plattor med en diameter på 0,3 eller 0,6 m.

Du kan du se hela HS2 Stoneleigh Park Success Story här.

Godkännande av T-Value metoden

T-Value-metoden har välkomnats av branschen och har använts i projekt runt om i världen sedan den introducerades 2019. Dessutom har ett antal akademiska artiklar publicerats i branschtidskrifter, där teorin bakom metoden beskrivs:

• Bärförmåga hos geonätstabiliserat granulatlager på lera, Ground Engineering Magazine 10 oktober 2019
• Bärförmågan hos ett granulatlager på lera, Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering Volym 173 Nummer 1, februari 2020
  
• Hållfasthetsomfattning för granulär jord stabiliserad med multiaxiellt geonät i stora triaxiala tester, Canadian Geotechnical Journal, 18 april 2019
• Arbetsplattformar för larvgående maskiner – BR 470 guideline and a revised approach to stabilisation design with multiaxial hexagonal geogrids, Conference: 13th Australia New Zealand Conference on Geomechanics, Perth, Australien april 2019
• Utformningen av mekaniskt stabiliserade arbetsplattformar, september 2022
• Ytbärigheten hos ett starkt granulatlager på svagare sand, april 2023