MDM ersätter CFA-pålar – en lönsam affär! · den enligt Eslami & Fellenius(1997) och tillhörande CPTU-sondering visas i figur 5 och 6. 36 Bygg & teknik 2/06 Bild 3: Installation

Grundläggning av byggnaderi känsliga omgivningar ut-förs oftast med någon typ avborrad påle, bland annatCFA-pålar. Nu kan listanöver lämpliga och konkur-renskraftiga metoder ävenkompletteras med MDM(Modified Dry Mixing). Den-na artikel beskriver de tek-niska och ekonomiska förde-larna som utvärderades isamband med grundläggningav ett parkeringshus i Halm-stad.Valet av metod före-gicks av omfattande analy-ser och provbelastningar ifält. Efter färdigställt projekt kandet konstateras att MDM halveradebåde byggtid och kostnader tillglädje för alla inblandade parter

Under hösten 2004 tilldelades NCC iHalmstad entreprenaden att bygga ettnytt parkeringshus för AB Nissastadensom är ett kommunalt bolag. NCChade det näst lägsta anbudet men kon-kurrenten ansågs inte uppfylla ställdakriterier på en ”borrad eller grävd påleav betong för att undvika omgivnings-påverkan”. Efter en segdragen juridiskprocess gick NCC segrande ur striden.

Med hänsyn till den förutvarandeprocessen var det med tveksamhet somAB Nissastaden tog emot vår förfråganom att byta ut den förutbestämdagrundläggningsmetoden till en för be-ställaren helt okänd metod. HerculesGrundläggning ville utföra fältförsökmed den så kallade MDM-metoden föratt sedan om möjligt använda denna förgrundläggning av parkeringshuset, un-der förutsättning att kriterier i samtligagränstillstånd kunde uppfyllas och på-visas. Nissastaden godkände att upplåta

arbetsplatsen till fältförsök. Däremotställdes tydliga krav på att övertyga juris-terna om att metoden uppfyllde rambe-skrivningen innan beställaren kunde god-

känna ett eventuellt metodbyte. Juristernakunde med stöd av geotekniker från WSPkonstatera att MDM kunde klassas somen borrad påle. Däremot var de tveksam-ma om slutprodukten kunde klassas sombetong. Efter konsultation med diversebetongspecialister samt studier av aktuellasvenska och internationella standards, ex-empelvis SS-EN 206-1, SS-EN 12620,ASTM C125-03 och Betonghandbok Ma-

terial, kunde det mycket klartkonstateras att den produkt somskapas in-situ när MDM-meto-den används ska klassas som be-tong. För det aktuella projektetanvändes därför fortsättningsvisbeteckningen ”borrad påle av be-tong” när MDM fördes på tal.

För att skapa ett bättre be-slutsunderlag inför ett eventuelltmetodbyte erbjöd sig HerculesGrundläggning att utföra tester itre steg med följande indelning:● Intrimning av systemet och vi-suell kontroll av uppnådd kvalitet● Provbelastning av enskildaMDM-pålar● Provbelastning av pålgrupp be-stående av nio stycken MDM-pålar.

Kortfattad processbeskrivningDet finns alltid en tendens att väl funge-

rande grundläggningsmetoder, exem-pelvis KC-pelare, används i applikatio-ner som de inte är bäst lämpade för, ex-empelvis grundläggning av fastigheter.Tanken med MDM var att med minstamöjliga kapitaltillskott skapa störstamöjliga flexibilitet med avseende påtyp av jord som kan stabiliseras samtlämpliga applikationer där metoden kantillföra konkurrenskraft. PatentägarenLCTechnology och Hercules Grund-läggning har under en treårsperiod ut-vecklat produktionsmetodik och di-mensioneringsfilosofi vilket testats ifull skala vid fyra större fältförsök,bland annat två provbankar utanför Ud-devalla.

Maskinutrustning och arbetsplatslo-gistik är vid en första åsyn snarlik KC-pelarmetoden. Vid MDM tillförs dockvatten vid behov via ett separat inner-stångssystem. Flöde och tryck kan vari-eras för att skapa optimal inblandningför aktuell geologi och tillämpning.Beroende på behovet så kan vatten ochbindemedel tillsättas samtidigt eller varför sig. Dessutom kan mängden varie-

ras inom tre zoner, både vid penetrationsamt tillbakadragande.

Detta medför att en betydligt homoge-nare slutprodukt kan åstadkommas. Dess-utom kan såväl traditionella pelare medlåg hållfasthet som höghållfasta pelare ut-föras med samma utrustning.

För att uppnå full hydratisering av ex-empelvis cement så behöver mängdenvatten uppgå till cirka 20 procent av vik-

35Bygg & teknik 2/06

MDM ersätter CFA-pålar – en lönsam affär!

Artikelförfattare ärHåkan Eriksson,tekn dr, SolidGeoAB, Nacka.

Bild 1: NCC byggde parkeringshus till AB Nissastaden iHalmstad. Huset grundlades på MDM-pålar, en innovativ

vidareutveckling av KC-pelarmetoden.

Figur 2: MDM-processen liknarutförandet av KC-pelare till skillnad från

tillförsel av vatten vid behov samt attbindemedel kan tillsättas både vid

penetration och vid tillbakadragande.

ten cement. För en typisk Mälardalsleramed vattenkvot på cirka 50 procent somstabiliseras med 100 kg cement per ku-bikmeter jord räcker det teoretiskt med envattenkvot på cirka fem procent. En nära-liggande tanke är då givetvis att den torrametoden är optimal. Det finns dockmånga anledningar till varför en hybrid-metod som MDM är en bättre lösning,bland annat;● kan aktivera större mängder bindeme-del med bibehållet blandningsarbete● det krävs mindre blandningsenergi föratt uppnå samma resultat som med dentorra metoden● för höghållfasta pelare krävs högre ho-mogenitet vilket lättare skapas när vattentillförs● kraterbildning i eventuell torrskorpaundviks, pelarstabiliseringen går ända upptill markytan

● det krävs mindre lufttryck för att mataut bindemedlet● penetration av fasta jordar underlättasvilket behövs när underliggande lösa jor-dar ska stabiliseras.

Ytterligare detaljer om processen, ge-nomförda fältförsök och lämpliga appli-kationer återfinns bland annat i Erikssonet al, (2004 och 2005).

Några resultat från förprovning ochproduktionskontrollInnan möjligheten vid Gamletull dök uppså hade Hercules Grundläggning ochLCTechnology genomfört fyra större fält-försök med MDM-metoden, vilket inne-bar att samtliga inblandade var övertygade

om att applikationen var den rätta. Innanetablering av CFA-maskin från Italien av-styrdes så var det dock en billig försäk-ring att komplettera med ett ytterligarefältförsök på Gamletull, dessutom krävdeförståeligt nog beställaren AB Nissasta-den detta.

Huvudsyftet med den inledande kon-trollen var att säkerställa att den aktuellaundergrunden inte innehöll några störreöverraskningar, att det gick att borra tillförutsatt djup samt att spillet minimera-des eftersom arbetsplatsen var lokaliseradtill centrala Halmstad. Samtliga provpela-re och efterföljande produktionspelare ut-fördes med diametern 600 mm och 400kg byggcement per kubikmeter påle vil-ket motsvarar cirka 113 kg/m.

När systemet var stabilt och den visuel-la kontrollen säkerställt åtminstone denytliga kvalitén installerades tre pelaremed längden sju meter. Efter sju dygn ut-fördes statisk dragprovbelastning på enav pålarna medan de resterande två pålar-na drogs upp med mobilkran för efterföl-jande visuell kontroll, se bild 4. Vid upp-dragningen registrerades uppdragnings-kraft för att erhålla en grov uppskattningav vidhäftning mellan påle och jord. Dettakunde dessutom ytterligare verifieras vidstatisk dragprovbelastning av den förstapålen.

De geotekniska förutsättningarna varie-rar både i plan och djup men kan genom-snittligt karakteriseras av cirka tre metersand, fyra meter lös lera, två meter sand,två meter lös lera som överlagrar siltiglera som successivt övergår till att bli mersandig mot djupet. Klassificering av jor-den enligt Eslami & Fellenius (1997) ochtillhörande CPTU-sondering visas i figur5 och 6.

36 Bygg & teknik 2/06

Bild 3: Installation av provpålar ochintrimning av systemet.

Bild 4: Pågående uppdragning av MDM-påle. Ett Gewi-stag med diametern 63,5

mm trycktes ned i pålen direkt efterinstallation. Efter sju dagars härdning

kunde pålen dras upp med hjälp avfästblock i Gewi-staget.

Figur 5 (ovan): Klassificering av jord baserat på CPTU enligt Eslami &Fellenius (1997). Siffrorna och färgmönstret anger: 1/Röd) Mycket lös

lera; 2/Blå) Lera 3/Lila) Siltig lera, fast lera 4/Ljusblå,grön) Sandig siltoch/eller siltig sand 5/Gul) Sand-Grus.

Figur 6 (t h): Resultat från typisk CPTU-sondering med till-hörande klassificering av jorden. För tolkning, se figurtext 5.

Vid provbelastningen uppgick den ge-nomsnittliga vidhäftningsspänningen mel-lan påle och jord som mest till 35 kPa. Ti-den för fullständig rekonsolidering är rela-tivt kort för det aktuella området. Detgjordes dock en bedömning att den regist-rerade vidhäftningen skulle förväntas ökamed ytterligare 30 procent.

Nya forskningsrön har framfört risk föratt en svaghetszon utbildas mellan pelareoch ostabiliserad jord när bindemedletbestår av cement och jorden består avlera, se bland annat Larsson (2005). Medanledning av detta så registrerades hurmycket jord som fäste på pålen vid upp-dragning. Ingen synlig effekt av någonsvaghetszon kunde konstateras eftersomtjockleken på jordlagret uppgick till mel-lan 3 och 6 cm. Speciell fokus lades påskiktet mellan tre till sju meters djup un-der markytan där jorden konstaterats beståav lös lera, se bild 7.

När den första pålen som dragits uppskulle läggas ned i horisontellt läge gickden av på grund av moment från egen-tyngden. Momentet uppgick till cirka 26kNm, vilket ger en dragspänning på un-dersidan av cirka 1 100 kPa. Vetenskapli-ga studier av kvoten mellan drag- och

tryckhållfasthet har för jordförstärkningresulterat i mellan 10 till 20 procent, sebland annat Terashi (1980). Med en kvotpå 15 procent uppgår tryckhållfasthetenför den aktuella pålen till 7,3 MPa.

Pelare nummer 2 kapades i vertikaltläge hängande i mobilkran innan pålenfälldes horisontellt. Pålen kunde läggashorisontellt utan att brott eller sprickbild-ning uppträdde, se bild 8. Den 4,5 meter

långa pålen genererade ett moment av cir-ka 16 kNm vilket motsvarar en tryck-spänning av cirka 4,6 Mpa. Detta korre-sponderade väl mot tryckhållfasthet upp-mätt på laboratoriet.

Det slutgiltiga underlaget för att kunnafatta beslut om byte från CFA-pålar tillMDM var två stycken statiska provbelast-ningar på grupper om nio stycken φ600mm pålar installerade i kvadratiskt mön-ster med 10 cm överlapp. Grupperna pla-cerades i var sin ände av området där olikageotekniska förutsättningar konstaterats.Den ena gruppen hade en effektiv pål-längd på 12 meter medan grupp nummertvå hade 16 meter långa pålar. På pålgrup-pen göts en plint med sidmåtten 1,6 meteroch tjocklek 0,7 meter vilket motsvararkommande konstruktion. Så kallade ”tell-tales” installerades för registrering av rö-relser ned till sex meters djup. Mothålletanordnades med Titan-stag som förankra-des fem meter under pelarnas underkant,för att undvika påverkan vid den statiskaprovbelastningen, se bild 9.

Dimensionerande lasteffekt för respek-tive grupp uppgick till:● Brottstadie 2 100 kN● Bruksstadie 1 700 kN.

38 Bygg & teknik 2/06

Bild 7: I det leriga skiktet mellan tre tillsju meters djup konstaterades att brottet

gick i genomsnitt 5 cm utanför pålensradie. Detta tyder på försumbar effekt av

eventuell svaghetszon mellan påle och jord.

Bild 8: Uppdragning av MDM-pålar efter sju dygns härdningoch rekonsolidering. I förgrunden syns den sju meter långapålen som gick av vid fällning till horisontellt läge. I bak-

grunden pågår fällning av den 4,5 meter långa pålen som höll.Bild 9: Montering av mothållsbalkar för statisk provbelastning

av MDM-pålar.

Målsättningen med provbelastningenvar att med stegvis pålastning belastagrupperna med 3 000 kN. Detta kundetyvärr endast utföras för en av gruppernaeftersom ett av de fyra Titan-stagen loss-nade vid cirka 2 000 kN total belastning.Plinten betedde sig dock helt elastisktoch den kvarstående rörelsen efter av-lastning var försumbar. Grupperna upp-trädde som styva block och rörelsen påöverkant av den gjutna plinten och påsex meters djup var i stort sett identiska,se figur 10. Baserat på de statiska provbe-lastningarna beslutades det att utföra pål-grupperna med längder varierande från14 till 16 meter.

Eftersom lasterna för de totalt 48 pelar-na i parkeringshuset varierade, utforma-des pålplintarna med olika storlek. AntaletMDM-pålar i respektive plint varieradefrån som minst tre stycken upp till sommest 32 stycken. För att minimera diffe-renssättningen utnyttjades enbart mantel-friktionen vid dimensioneringen medanspetsbärförmågan betraktades som extrasäkerhet. Kraftöverföringen från plintartill pålgrupperna sker genom friktion.Friktionskoefficienten är generellt mycketlåg, endast i storleksordningen 0,1. För attöverföra uppträdande horisontalkraftertill omgivande jord, kontrollerades pål-

gruppen för direkt skjuvning och kontakt-tryck mot jorden.

För att kunna använda resultaten frånde statiska provbelastningarna så optimaltsom möjligt utfördes kalibrering mellanfältförsöken och FEM-analyser. Jordensmekaniska egenskaper valdes så att godöverensstämmelse erhölls mellan uppmättaoch beräknade samband med huvudsyftetatt innehålla givna deformationskriterier,speciellt differenssättningar, se figur 11.

När samtliga förprovningar var utfördatogs ett enhälligt beslut att byta grundlägg-ningsmetod till förmån för MDM. Omfatt-ning av tilläggskontroll fastställdes till attomfatta kärnprovtagning, visuell inspek-tion i samband med uppdragning av helapålar samt kontroll av omgivningspåver-kan vid installation av MDM-pålar i an-slutning till Östras bageri. Efter färdig-ställd byggnad skulle rörelserna för tio pe-lare kontrolleras tills de avstannat helt.

39Bygg & teknik 2/06

Figur 10: Resultat från statisk provbelastning på grupp avnio MDM-pålar med 12 meters effektiv pållängd.

Figur 11: Kalibrering av FEM-analyser utförda med stöd avstatiska provbelastningar.

Figur 12: Resultat frånenaxiella tryckförsökpå kärnor upptagna

med S-Geobor.

FmGeo ansvarade för kärnprovtagning vil-ket utfördes med S-Geobor. Det togs pro-ver från sex pålar ingående i tre olika fun-dament. Efterföljande enaxiella tryckför-sök som utfördes på Statens geotekniskainstitut (SGI) visade att hållfastheten varie-rade som förväntat och att medelvärdetmed god marginal översteg det karakteris-tiska, se figur 12 på föregående sida. Dendimensionerande tryckhållfastheten i på-larna var vald till cirka 900 kPa, vilket in-nebar att varje enskild MDM-påle belasta-des med cirka 250 kN. Med avseende påpålarnas hållfasthet förväntades en säker-het i brottstadie på drygt 3,0, vilket medråge blev uppfyllt.

Eftersom den geotekniska profilen varväldigt varierande har inga långtgåendeslutsatser dragits angående hållfasthetensspridning. De lägsta värdena (1,1 respekti-ve 1,5 Mpa) närmast markytan registrera-des i pelare som ingick i den pålgruppsom provbelastades statiskt. Baserat på

samtliga kärnprover erhölls följande re-sultat:● Medelvärde: 8,8 Mpa● Variationskoefficient: 44,5 procent

Eftersom massförskjutningar och häv-ningar alltid uppträder vid installation avKC-pelare, var alternativ förberedda närMDM-pålar skulle installeras alldeles in-till Östras bageri, där minsta avstånd mel-lan befintlig byggnad och pålar uppgicktill cirka 0,5 meter. Sättningsdubbar ochpunkter för inmätning installerades ochkontrolleras allt eftersom pålningen när-made sig bageriet. Den nyligt grundför-stärkta utbyggnaden erhöll dock endastmycket små rörelser, cirka 2 mm både ihorisontell och i vertikal riktning, varförnågot metodbyte inte blev aktuellt.

Vid uppdragning av fem hela pelare,kunde två stycken läggas ner i horison-tellt läge (vilket inte var fallet vid för-provningen) utan att de överskred drag-hållfastheten vilket tyder på att den var istorleksordning 1,6 Mpa och en tryckhåll-fasthet på 10,7 Mpa. Några av pålarna ka-pades med kedjesåg för ytterligare visuellkontroll, se bild 14.

Registrering av rörelser för samtligafundament utfördes under hela byggtidensamt cirka tre månader efter färdigställan-det. Rörelserna har konstaterats vara småoch i samma storleksordning som förutsä-gelserna, se figur 15. Efter att hela bygg-naden färdigställts har de totala rörelsernaklingat av vid cirka 15–20 mm och diffe-renssättningarna har genomgående under-stigit begränsningen 1:800.

Några slutsatser och framtidautblickNu när facit föreligger kan det myckettydligt konstateras att beslutet att bytagrundläggningsmetod från CFA tillMDM var klokt. Tiden för installation av503 pålar med 15 meters medellängd togcirka fyra veckor i anspråk, inklusive allprovning och kontroll. Detta motsvararcirka 50 procent av den kalkylerade pro-duktionstiden för CFA. Efter att alla ex-

traordinära utvecklingskostnader exklu-derats, medförde metodbytet även en hal-vering av grundläggningskostnaderna näreffekter på plintar och golv medräknats.De projektspecifika fördelarna var huvud-sakligen;● kortare byggtid● lägre kostnader● skonsam mot omgivning med hänsyntill spill, vibrationer och massundan-trängning● konkurrenskraftig grundläggningsme-tod för byggnader.

Genom den ökade homogeniteten samtmöjligheten att installera pelare med höghållfasthet bör rimligtvis både stabilise-ring och solidifiering samt samverkans-grundläggningar bli en framtida potentialför MDM. ■

ReferenserEriksson, H., Gunther, J., Holm, G.,

Westberg, G., 2004, Modified Dry Mixing(MDM) – A new possibility in Deep Mix-ing, Deep Mixing 2004, International Con-ference, Los Angeles, USA.

Eriksson, H., Gunther, J., Ruin, M.,2005, MDM combines the advantages ofdry and wet mixing, Deep Mixing 2005,International Conference on Deep Mix-ing, Best Practice and recent advances,Stockholm.

Eslami, A., Fellenius, BH, 1997, Pilecapacity by direct CPT and CPTu met-hods applied to 102 case histories, Cana-dian Geotechnical Journal, vol 34, no 6,pp 886–904.

Larsson, S., Kosche, M., 2005, Labo-ratory study on the transition zone sur-rounding lime-cement columns, DeepMixing 2005, International Conferenceon Deep Mixing, Best Practice and recentadvances, Stockholm.

Terashi, M., Tanaka, H, Mitsumoto, T,Niidome, Y, Honma, S, 1980, Fundamentalproperties of lime and cement treated soils(2nd report), Port and Harbour Research In-stitute. Report, vol 19, nr 1, s 33–62.

40 Bygg & teknik 2/06

Bild 13: Enaxiella tryckförsök utförda påSGI i Linköping.

Bild 14: Uppdragen påle som kapas med kedjesåg för visuellkontroll av homogenitet.

Figur 15: Resultat från sättningsmätningar utförda påpelare i parkeringshuset. Mätningar pågick under helabyggtiden samt tre månader efter färdigställd byggnad.