5.2 Pohjarakennussuunnittelu

OHJEEN SISÄLTÖ

Pohjarakennussuunnittelun vaiheet ja sisältö
Suunnittelun lähtötiedot ja kriteerit
Geotekniset tutkimukset
Geotekniset laskelmat
Perustamistavat ja pohjarakennustoimenpiteet
Pohjarakennussuunnitelma ja laadunvalvontasuunnitelma

Kadun pohjarakennussuunnitelma kattaa koko katualueen ja siinä olevat rakenteet. Katu siinä olevine rakenteineen muodostaa yhtenäisen ratkaisun, jossa vierekkäisten ja poikittaisten rakenteiden tulee toimia yhdessä. Kadun pääsuunnittelija vastaa koko suunnitteluprojektista ja muiden suunnittelijoiden yhteistoiminnasta. Kadun pohjarakenteiden suunnittelusta vastaa geotekninen suunnittelija.

Pohjarakennussuunnittelu ja siihen liittyvät pohjatutkimukset tehdään vaiheittain muuhun suunnittelun nivellettynä (taulukko 1). Kadun osalta pohjarakennussuunnittelu käynnistyy jo kaavoitusvaiheessa, jossa katua tarkastellaan osana asemakaava-alueen rakennetta. Tässä vaiheessa tutkittavat katuvaihtoehdot ovat osa maankäytön teknistaloudellista suunnittelua. Suunnittelussa on tärkeää selvittää kustannusten kannalta kriittiset tekijät kuten esim. alikulut, korkeat penkereet, syvät leikkaukset jne. ja niiden sijoittuminen alueen pohjaolosuhteisiin (rakennettavuusselvitys). Pohjarakennussuunnittelu jatkuu ja tarkentuu katusuunnitelmavaiheessa, jossa kadun sijainti ja tasaus pyritään saamaan myös pohjarakentamisen kannalta mielekkääksi. Joissakin tapauksissa ennen katusuunnitteluvaihetta edeltää yleissuunnitteluvaihe. Yksityiskohtainen pohjarakenteiden tai pohjanvahvistusten geotekninen mitoitus tehdään rakennussuunnitteluvaiheessa. Tarvittaessa suunnittelua tarkennetaan vielä rakennusvaiheen aikana.

Suunnitteluun liittyy monesti erilaisia geoteknisia tarkkailumittauksia, jotka aloitetaan tarvittaessa jo rakennussuunnittelun alkuvaiheessa ja joita jatketaan rakennusvaiheessa ja tarvittaessa myös kadun valmistumisen jälkeen.

Kadun pohjarakennussuunnittelun osia ovat mm.:

kadun ja sen rakenteiden perustamistapojen määrittely ja suunnittelu,
pohjanvahvistusten tai pohjarakenteiden suunnittelu,
siirtymärakenteiden suunnittelu eri tavoin perustettujen rakenteiden välille sekä pituus- että poikkisuunnassa,
routamitoitus (routanousut, routaeristeet, siirtymärakenteet, yms.),
työnaikaisen kuivatuksen suunnittelu leikkauksissa ja kaivannoissa,
kaivantojen suunnittelu (luiskat, tuennat, yms.),
rakentamisen ympäristöhaittojen ehkäisyn suunnittelu (mm. louhinnan aiheuttama tärinä, kaivantojen aiheuttama pohjaveden aleneminen, viereisten rakenteiden painumat, yms.),
työn toteutuksen suunnittelu,
uusiomateriaalien käyttömahdollisuuksien selvittäminen (tekniset ja ympäristölliset perusteet),
olemassa olevien rakenteiden huomioiminen ja hyödyntäminen (mikäli mahdollista),
kaivumaiden muodostumisen minimointi ja niiden hyötykäytön optimointi,
sulfidisaven ja maaperän aggressiivisuuden esiintymisen selvittäminen ja niiden aiheuttamien haittojen estäminen.

Mahdollisia pohjanvahvistus- tai pohjarakennusmenetelmiä ovat mm. esikuormitus, pystyojitus, syvätiivistys, geolujitteet, kevennys, massanvaihto, massastabilointi, pilaristabilointi, paalulaatta. Ratkaisu voi olla myös edellä mainittujen yhdistelmärakenne. Paalulaattaa lukuun ottamatta näiden suunnittelun tekee geotekninen suunnittelija. Paalulaatta suunnitellaan geo- ja rakennesuunnittelijan yhteistyönä.

Taulukko 1. Pohjarakennussuunnittelu ja -tutkimukset kadun suunnittelussa.

Oleellisimmat lähtötiedot

Kadun ja sen ympäristön rakentamisen ja suunnittelun oleellisimmat lähtötiedot ovat mm.:

uuden katusuunnitelman sisältö: katu ja katualueelle tai suunnittelualueelle rakennettavat putkijohdot, alikulut tai muut rakenteet,
maanpinnan korkeus, maaperä- ja pohjavesitiedot,
tieto katualueella ja ympäristössä olemassa olevista ja aiemmin sijainneista rakenteista,
suunnitelman laatukriteerit.

Maaperä ja pohjavesitiedot

Maaperätiedot tarvitaan mm.:

kadun rakennekerrosten paksuuden määrittämiseksi (kantavuus, routa),
siirtymäkiilojen tarpeen arvioimiseksi,
katupenkereen vakavuuden ja painuman määrittämiseksi,
kadun perustamis- ja esirakentamistarpeen määrittämiseksi,
rakentamisen pohjavesivaikutusten arvioimiseksi,
kaivantojen ja tuentojen suunnittelemiseksi,
kaivumaiden laadun ja hyödyntämiskelpoisuuden arvioimiseksi.

Tarvittavat maaperätiedot ja niiden selvittämiseksi tarvittavat tutkimukset on esitetty kohdassa Geotekniset tutkimukset.

Ympäristön olemassa olevat rakenteet

Suunnittelualueen ja sen lähiympäristön olemassa olevat rakenteet on otettava huomioon suunnittelussa. Rakenteista on selvitettävä perustamistapa ja perustamissyvyys. Kadulla sijaitsevat johdot, kaapelit, putket, ym. rakenteet on selvitettävä ja otettava huomioon suunnittelussa.

Suunnitellut leikkaukset, täytöt tai työnaikaiset kaivannot sekä rakennustöiden aiheuttama tärinä tai muutokset pohja- tai orsivedenpinnan tasossa voivat aiheuttaa katualueen tai ympäristön olemassa olevien rakenteiden painumia, siirtymiä tai stabiliteetin vaarantumista. Kaivannot ja penkereet tulee tehdä siten, ettei sortumavaaraa tai haitallisia liikkeitä ilmene ja tarvittaessa katua ympäröivät rakenteet on suojattava. Pohjaveden pysyvän alenemisen estämiseksi tai rajoittamiseksi tulee varsinkin putkijohtokaivannoissa käyttää ns. virtaussulkuja, jotka rakennetaan käyttäen savea tai bentoniittimattoa. Alikulkukaivannoissa tulee jo suunnittelun alkuvaiheessa ratkaista pohjaveden hallintajärjestelmä. Tarvittaessa tehdään suunnitteluvaiheessa tai rakennusvaiheen alussa koepumppauksia.

Taajaan rakennetulla alueella tulee aloittaa tarkkailumittaukset hyvissä ajoissa ennen rakentamista, jotta voidaan havaita, tapahtuuko alueella siirtymiä tai painumia ennen rakentamista vai ovatko ne mahdollisesti esiintyessään rakentamisen aiheuttamaa. Geoteknisen suunnittelijan ohjelmoimilla tarkkailumittauksilla seurataan mm. pohjaveden pinnan tasoa, kaivannon tukirakenteiden pysyvyyttä, lähirakenteiden painumia ja siirtymiä, paalutus- ja louhintatärinöitä sekä pohjamaan huokospainetta. Mittausten avulla minimoidaan rakentamisen työnaikaiset riskit. Ennen rakentamisen aloittamista ympäristön rakenteet myös katselmoidaan tarvittavassa laajuudessa.

Suunnittelualueen käyttöhistoria tulee olla selvillä. Mikäli hankealueen maaperä on pilaantunutta, tulee pilaantuneet maat käsitellä ympäristöviranomaisen määräysten mukaisesti ennen rakentamista tai rakentamisen yhteydessä. Maaperän pilaantuneisuus ja kunnostustarve tulee arvioida aina, kun maaperän pilaantuneisuuden kynnysarvotaso ylittyy (ks. VNa 214/2017). Terveysriskin lisäksi maapohjan pilaantuneisuudella voi olla merkitystä esim. eräiden rakennusmateriaalien säilyvyydelle tai syvästabiloinnin lujittumiselle.

Rakennusalueella aiemmin sijainneita rakenteita ei ole välttämättä purettu kokonaan. Olemassa olevat rakenteet selvitetään vanhojen suunnitelmien tai toteutumapiirustusten avulla. Tarvittaessa selvityksessä käytetään tapauskohtaisesti sopivia kairaustapoja, näytteenottoa tai koekuoppia.

Sallitut painumat

Kadun rakenteet tulee suunnitella siten, että tasaiset tai epätasaiset painumat, sivusiirtymät, routanousut ja kantavuudet pysyvät sallituissa rajoissa. Kadun päällysrakenne sietää suuriakin painumia vaurioitumatta. Tasaisen painuman sallitun ylärajan asettavat kuitenkin kadun kuivatus sekä kadussa olevat ja siihen liittyvät rakenteet. Haitallisimpia ovat epätasaiset painumat. Painumat aiheutuvat päällysrakenteen ja mahdollisen penkereen alapuolisten pehmeiden maakerrosten pitkäaikaisesta kokoonpuristumisesta, joka koostuu konsolidaatio- ja sekundaaripainumasta. Epätasaiset painumat aiheutuvat yleensä pohjasuhteiden vaihtelusta, penkereen paksuuden nopeasta vaihtelusta, siirtymärakenteiden puutteellisuuksista ja/tai työvirheistä.

Taulukossa 2 esitetään tasaisten painumien suurimmat sallitut arvot ajan funktiona erilaisille katuun ja toreihin liittyville maarakenteille. Painuma-arvoissa ei ole otettu huomioon maarakenteissa esiintyviä teknisiä rakenteita kuten esim. putkijohtoja tai muita painuma-arkoja rakenteita. Näiden vaikutuksesta maarakenteelle sallitut painumat ovat yleensä huomattavasti pienempiä kuin taulukossa 2 esitetyt arvot.

Taulukko 2 a) Katujen ja torien sallittu painuma ja routanousu (mm) sekä kaltevuuden muutos (%).
dun pinnan sivukaltevuuden sallittu muutos (InfraRYL 2006). b) sallittu painuma ja b) sallittu routanousu.

InfraRYL 2006:ssa tämä on esitetty näin (Taulukko 2). Mikä valitaan Katu 2020-ohjeeseen?

Katu, jonka alla ei ole putkijohtoja, voi painua taulukossa 2 esitettyjä arvoja enemmän, mikäli kadun rakenteen kuivatusrakenteet eivät painu kuivatustason alapuolelle. Katurakenteen kantavuus heikkenee oleellisesti veden kyllästäessä rakenteita.

Putkien minimikaltevuuksien on säilyttävä painuman jälkeenkin. Viettoviemärien minimikaltevuuden esittää putkisuunnittelija. Myös eräät kaukolämpötyypit vaativat tietyn kaltevuuden kuivatuksen (korroosion) takia. Se miten putki sietää painumaeroja, riippuu mm. putkimateriaalista, liitosten rakenteesta, putken halkaisijasta sekä arinarakenteen jäykkyydestä.

Kadun viettokaltevuudet tulee suunnitella siten, että lammikoitumista ei pääse tapahtumaan. Suunnittelu tulee tehdä taulukossa 2 esitetyillä painumilla ja kaltevuuden muutoksilla. Kadun tai torin rajoittuessa rakennukseen saavat sisäänkäyntien kohdalla painumat olla enintään 30 % taulukossa esitetystä.

Suunnitteluohjeet

Pohjarakennussuunnittelussa noudatetaan mm. seuraavia ohjeita. Eurokoodeilla mitoittamiseen tarkoitettuja ohjeita käytetään tilaajan niin edellyttäessä:

Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset. InfraRYL. Rakennustieto Oy.
Geotekninen suunnittelu. RIL 207-2017. Eurokoodin EN 1997-1 suunnitteluohje. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry. 246 s.
Paalutusohje PO-2016. RIL 254-2016. 296 s.
Kaivanto-ohje. RIL 263-2014. 215 s.
Routasuojaus – rakennukset ja infrarakenteet. RIL 261-2013. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry. 257 s.
Rakentamisen aiheuttamat tärinät. RIL 253-2010. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry.
Pihojen pohja- ja päällysrakenteet, Suunnittelu- ja rakentamisohjeet. RIL 234-2007. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry.
RIL 121-2004. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry.
Eurokoodin soveltamisohje. Geotekninen suunnittelu – NCCI 7. Liikenneviraston ohjeita 13/2017. 21.4.2017. 165 s.
Tie- ja rataleikkausten suunnitteluohje. Väyläviraston ohjeita xx/20xx.
Pohjaveden suojelu maanteillä. Väyläviraston ohjeita xx/20xx.
Tierakenteen suunnittelu. Liikenneviraston ohjeita 38/2018. 139 s.
Penkereiden stabiliteetin laskentaohje. Liikenneviraston ohjeita 14/2018. 55 s.
Syvästabiloinnin suunnittelu. Liikenneviraston ohjeita 17/2018. 167 s.
Liikenneviraston ohjeita 16/2018. 43 s.
Geotekniset tutkimukset ja mittaukset. Liikenneviraston ohjeita 12/2015. 114 s.
Paalulaattojen ja paaluhatturakenteiden suunnittelu. Liikenneviraston ohjeita 5/2014. 56 s.
Tien geotekninen suunnittelu. Liikenneviraston ohjeita 10/2012. 82 s.
Sillan geotekninen suunnittelu (Sillat ja muut taitorakenteet). Liikenneviraston ohjeita 11/2012. 96 s.
Geolujitetut maarakenteet. Liikenneviraston oppaita 2/2012. 222 s.
Kevennysrakenteiden suunnittelu. Tien pohjarakenteiden suunnitteluohjeet 05/2011, Liikennevirasto. 9.3.2011. 48 s.
Pohjatutkimusmerkinnät. Suomen Geoteknillinen Yhdistys (SGY) 2007
Geoteknisen mittaamisen ja monitoroinnin olennaiset käsitteet ja periaatteet. Suomen Geoteknillinen Yhdistys (SGY) 2017. 67 s.
Katujen ja pihojen routasuojaus. Suomen kuntaliitto, Ympäristöministeriö, VTT Yhdyskuntatekniikka. Saarelainen, S. & Kivikoski, H. 2001. 65 s.
Sedimenttien ruoppaus- ja läjitysohje. Ympäristöhallinnon ohjeita 1/2015. 76 s.

Pohjatutkimusmenetelmät

Pohjatutkimusten laajuus määritetään olemassa olevaa ohjeistusta hyödyntäen siten, että kussakin suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa on käytössä riittävät lähtötiedot rakenteiden ja kaivantojen suunnittelua, mitoituslaskelmia, ympäristövaikutusten arviointia, läheisten rakenteiden huomioonottamista, kaivumaiden hyödyntämiskelpoisuuden ja rakennuskustannusten arviota varten.

Lähtökohtana on, että suunnitelmaan kuuluvien määräluetteloiden ja kustannusarvion tarkkuus perustuu suunnitteluvaiheen mukaiseen perusteltuun tekniseen ratkaisuun ja toteuttamiskelpoisuuteen. Riittävän tarkka ja toteuttamiskelpoinen suunnittelu on mahdollista tehdä vain riittävän yksityiskohtaisten ja kattavien pohjatutkimusten perusteella. Pohjatutkimusten perusteella on pystyttävä määrittämään kaikkien merkittävien maakerrosten maaparametrien ominaisarvot mitoituslaskelmia varten. Maaperän ominaisuudet vaihtelevat usein pienipiirteisesti, jolloin geologisen muodostelman maamekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen tarvitaan useissa pisteissä tehtyjä tutkimuksia.

Taulukossa 3 on esitetty mitä maaperän ominaisuuksia on pohjatutkimuksilla määritettävä erilaisten rakenteiden suunnittelua varten. Liikenneviraston julkaisussa ”Geotekniset tutkimukset ja -mittaukset” (2015) on hieman erilainen jaottelu – kantava pohjamaa, pehmeikkö, rakenteet, kalliotilat, väylän päällysrakenne, pohjavesialueet, läjitysalueet, kallioleikkaukset ja kiviainesotto.

Maaperän laadun riittävän tarkka määrittely on tärkeää alueella säilytettävien ja hyödynnettävien maa-ainesten kannalta. Hyötykäyttöön kelpaavat maa-ainekset on tutkittava ja määriteltävä, jotta ne voidaan erotella ja käsitellä suunnitelman mukaisesti siten, että ne eivät sekoitu hyödyntämiskelvottomaksi massaksi. Maaperätutkimukset ovat lähtökohta erilaisten leikkausmassojen käyttökelpoisuuden arvioimiseen. Rakennuskohteen suunnitteluvaiheen pohjatutkimusten (kairaukset, laboratoriotutkimukset ja mahdolliset geofysikaaliset tutkimukset) perusteella määritetään mm. geotekniset maakerrokset maalajeineen ja ne esitetään pituus- ja poikkileikkauksissa sekä mahdollisissa erillisissä pohjatutkimusleikkauksissa.

Riski happoa tuottavan sulfidimaan mahdollisesta esiintymisestä hankealueella tulee tarkistaa. Tarkistus tehdään mahdollisten ympäristöön kohdistuvien haittavaikutusten välttämiseksi ja/tai rakenteiden korroosioriskin arvioimiseksi. Maaperän haju, väri ja silmämääräinen tarkastelu ei ole riittävä sulfidimaan tunnistamiseen, sillä sulfidimaa ei välttämättä poikkea väriltään tavanomaisesta savesta eikä tuota rikkivedyn hajua. Sulfidimaan mahdollinen esiintyminen tarkistetaan Geologian tutkimuskeskuksen (GTK:n) ”happamat sulfaattimaat” -karttapalvelusta. Mikäli GTK:n kartoitus ei anna viitteitä sulfidisavien esiintymisestä alueella, erillinen kartoitus ei ole aina välttämätön. Mikäli viitteitä sulfidisaven esiintymisestä todetaan, tulee rikkipitoisuuden analysointi tehdä maakerrosrajat huomioiden välille maanpinta – tuleva massanvaihto- / käsittely- / kuivatussyvyys. Paaluperustusta ja syvästabilointia käytettäessä rikkipitoisuus tulee analysoida koko savikerroksen paksuudelta.

Mikäli hankealueella esiintyy sulfidimaita, tulee hankkeessa huomioida seuraavaa:

Kaivettavien sulfidimaiden läjityksessä voi syntyä happoa, jolloin esimerkiksi läjitettävän sulfidimaan kalkitseminen voi olla tarpeen,
Työmaavesien laatua (pH, liuenneet metallipitoisuudet kuten alumiini) tulee seurata ja huomioida työmaavesien käsittelyssä (ks. luku 3.8),
Sulfidimaiden rakenteille aiheuttama mahdollinen korroosioriski selvitetään kullekin rakenteelle annetun ohjeistuksen mukaisesti (paalut, teräsbetonirakenteet, yms.).

Mikäli kohteessa harkitaan käytettävän uusiomateriaaleja, on selvitettävä, sijaitseeko kohde pohjavesialueella (tärkeä tai muu vedenhankintaan soveltuva). Uusiomateriaaleilla tarkoitetaan mm. teollisuuden ja energiantuotannon sivutuotteita ja jätteitä sekä purkujätteitä (esim. lento- ja pohjatuhka, betonimurske). Kaupunkirakentamisessa uusiomateriaaleilla tarkoitetaan usein myös kaivumaita ja maarakenteesta purettavia kiviaineksia ja muita materiaaleja. Väyläviraston ohjeessa niitä ei pidetä uusiomateriaaleina (Väylävirasto 2020).

Taulukko 3 Pohjatutkimuksilla selvitettävät asiat eri rakenteiden kohdalla. (Talonrakennuksen pohjatutkimusohjeet TPO-83, SGY ry. 1983).

Pohjatutkimusohjelma ja maastokatselmus

Kadun ja sen ympäristön rakentamisen ja suunnittelua varten maaperästä ja pohjavedestä on tarpeen tietää mm.:

maanpinnan korkeusasema katualueella ja tarvittavilta osin sen ulkopuolella,
pohjamaan kerrokset, niiden laatu ja paksuus,
kallionpinnan sijainti, kallion laatu,
kunkin maakerroksen leikkauslujuus- ja kokoonpuristuvuusominaisuudet,
ylinten ja leikattavien kerrosten routivuus,
pohjaveden painetaso ja orsivedenpinta vaihtelurajoineen,
tärkeän pohjavesialueen (tai vedenottamon) läheisyys,
vapaan vesipinnan ja tulvaveden korkeus alueella,
pohjamaan aggressiivisuus paaluille ja muille rakenteille,
sulfidisaven ja muiden happamien maakerrosten esiintyminen alueella.

Geotekninen suunnittelija ohjelmoi pohja- ja maalaboratoriotutkimukset ottaen huomioon rakenteen rakentamisen, rakenteen teknisen toimivuuden sekä kaivumaiden hyödyntämisen asettamat vaatimukset. Geoteknisten tutkimusten määrä, laatu ja vaiheistus riippuvat suunnitteluvaiheesta ja niiden laajuutta tulee tarkastella uudelleen tutkimusten edetessä saatavan tiedon perusteella. Pohjatutkimuksia ovat mm. kairaukset, näytteenotot, in-situ kokeet, koekuopat, pohjavesitutkimukset, koepumppaukset ja geofysikaaliset tutkimukset. Lisäksi voidaan tehdä mm. hydrologisia selvityksiä.

Jo yleissuunnitteluvaiheessa tulee olla käytettävissä riittävät pohjasuhdetiedot suunnitelman toteutettavuuden arviointia sekä vaihtoehtojen luotettavaa vertailua varten. Tutkimusaineisto täydennetään rakennussuunnitelmaa varten tekemällä katualueelta ja tarvittaessa katualueen ulkopuolelta kairauksia ja ottamalla tarvittaessa häiriintyneitä ja/tai häiriintymättömiä maaperänäytteitä laboratoriokokeita varten. Vaihtoehtotarkasteluja varten tiedot pohjasuhteista perustuvat mm.:

maastokäyntiin ja -katselmukseen,
karttatarkasteluun (mm. maaperäkartat),
aikaisempaan tutkimusaineistoon,
hankkeen uusiin pohjatutkimustuloksiin.

Tavoitteena on hankkia riittävästi tietoa, jotta voidaan määrittää mm.:

kadun ja kunnallistekniikan perustamistavat,
pohjamaaluokat päällysrakenteen mitoittamiseksi,
pohjamaan routivuusominaisuudet,
mahdollinen louhintatarve,
kaivannon luiskakaltevuudet tai tuentatarve,
pohjaveden alennus- ja/tai kuivatustarve,
tarve työn aikaisille seurantamittauksille (siirtymät, tärinä, …),
kaivumaiden ja uusiomateriaalien hyödyntämismahdollisuudet.

Maastokatselmus tehdään pääasiassa silmävaraisin havainnoin. Maastokatselmuksen perusteella laaditaan tai tarkistetaan tutkimusohjelma. Maastokatselmuksessa selvitetään tutkittavalta alueelta:

avokalliot (kivilajit, raot, rikkonaisuus, jyrkänteet jne., kalliokartoitus ensisijaisesti kesällä),
pintakivet ja lohkareet,
pintamaalajit (karkearakeiset, hienorakeiset, eloperäiset),
vesiuomat yms. (ojat, kaivot, lammikot, lähteet jne.),
kuopat, kaivannot (syvyys, luiskan kaltevuus, maalaji),
täytöt, penkereet (korkeus, luiskan kaltevuus, maalaji),
mahdolliset vanhat painumat, siirtymät, sortumat, vauriot rakenteissa, yms.,
mahdolliset salaoja- ja sadevesien purkupaikat ja
olemassa olevat rakennukset ja rakenteet.

Edustavilla pohjatutkimuksilla selvitetään kunkin geologisen muodostuman pohjasuhteet ja laajuus. Pohjatutkimukset koostuvat mm. kairauksista, niiden yhteydessä otettujen maanäytteiden laboratoriotutkimuksista sekä pohjavesiputkien asentamisesta ja pohjavesipinnan mittauksista. Pohjatutkimuksilla on selvitettävä ainakin maalajit, maakerrosrajat, kuivakuoren paksuus (savikoilla), maakerrosten ominaisuudet ja pohjaveden sekä mahdollisen orsiveden pinta. Täyttöalueille selvitetään täyttöjen paksuus ja koostumus (mieluiten koekuopilla). Maaperäolosuhteista riippuen selvitetään myös mm. kallionpinnan sijainti (porakonekairaus vähintään 3 m oletetun kalliopinnan alapuolelle). Kairausten lisäksi geofysikaalisilla menetelmillä voidaan hankkia jatkuvaa pohjatutkimustietoa, jonka tarkkuus ja soveltuvuus vaihtelevat olosuhteista ja menetelmistä riippuen.

Maakerroksista määritetään mm. luokitus-, lujuus-, kokoonpuristuvuus-, routivuus- ja vedenläpäisevyysominaisuuksia. Erikoistapauksissa voidaan myös tehdä erilaisia mallikokeita laboratoriossa tai koerakenteita kohteessa. Pohjatutkimuksiin voi sisältyä myös huokosvedenpaineen mittauksia, painuma-, tärinä-, lämpötila- tai sivusiirtymämittauksia. Sivusiirtymämittaukset voidaan tehdä maanpinnan yläpuolta tai maanpinnan alta inklinometriputkista.

Mikäli todennäköinen pohjanvahvistustapa on syvästabilointi ja viereisiltä alueista vastaavista olosuhteista ei ole riittävästi aikaisempia kokemuksia syvästabiloinnista, tehdään myös kohteen maanäytteillä stabiloituvuuskokeet kohteeseen soveltuvan sideainereseptin (laatu ja määrä) selvittämiseksi. Stabiloitavan kerroksen paksuuden määrittämiseksi on toisinaan tehty määrämittaisia kairauksia. Suositeltavaa on ulottaa kairaukset tiiviiseen maakerrokseen tai kallioon.

Suomessa käytössä olevat pohjatutkimusmenetelmät ja niiden käyttötarkoitukset, sekä tutkimusten ohjelmointi-, suoritus- ja raportointiohjeita, on esitetty Liikenneviraston julkaisussa ”Geotekniset tutkimukset ja -mittaukset” (2015). Julkaisussa on myös esitetty pohjatutkimusmenetelmäkohtaisesti ko. tutkimusten suorittamisessa noudatettavat ohjeet ja standardit. Suomessa käytössä olevia pohjatutkimusmenetelmiä ovat mm.: painokairaus, siipikairaus, heijarikairaus, huokospainekairaus (CPTU), heijari-puristinkairaus, porakonekairaus, koekuoppa, näytteenotto (häiritty / häiriintymätön) ja kallionäytekairaus. Geofysikaalisia menetelmiä ovat mm.: maatutkaluotaus, sähköinen vastusluotaus, refraktioseisminen luotaus ja gravimetrinen mittaus.

Suunnittelukohteesta mitataan ja luodaan maastomalli halutulta alueelta. Mikäli alueelta on esim. ko. kaupungin laserkeilausaineistoa, hyödynnetään se suunnittelun lähtötietona. Suunnitteluun ja rakentamiseen vaikuttavat rakenteet ja laitteet kartoitetaan tarvittavassa laajuudessa.

Kartoitustulokset ja pohjatutkimuskairausten symbolit esitetään asemapiirustuksessa tai erillisessä pohjatutkimuskartassa. Pohjatutkimusten symbolit esitetään kartoilla SGY:n ohjeen ”Pohjatutkimusmerkinnät” mukaisesti. Maaperätiedot esitetään pituusleikkauksissa ja poikkileikkauksissa. Kairausten diagrammit esitetään SGY:n ohjeen ”Pohjatutkimusmerkinnät” mukaisesti. Pohjatutkimuskartalla esitetään usein pohjatutkimusten perusteella arvioitu täytön tai saven alapinta, kallion pinta tai paalujen tunkeutumistaso, jotka esitetään joko z-tasona tai syvyytenä maanpinnasta.

Laboratoriotutkimukset

Maalajien geoteknisten ominaisuuksien tutkimiseksi laboratoriossa tehtävät kokeet ovat muiden geoteknisten tutkimusten ohella lähtökohtana pohja- ja maarakennussuunnittelulle. Maakerrosten geoteknisiä ominaisuuksia kuvaavat parametrit ja ominaisuuksien väliset riippuvuudet voidaan yleensä määrittää luotettavimmin maaperässä (”in situ”) tai laboratoriossa häiriintymättömistä maanäytteistä mittaamalla suoraan tutkittavaa ominaisuutta.

Laboratoriossa maan ja kallion ominaisuuksien määrittämiseksi tutkitaan mm. luokitus-, lujuus-, kokoonpuristuvuus-, tiivistys-, routivuus- ja vedenläpäisevyysominaisuuksia. Luonnontilaisissa maakerroksissa esiintyvien maalajien ja pengermateriaalien luokitusominaisuuksia ovat mm.: raekokojakauma, kiintotiheys, irtotiheys, tilavuuspaino, vesipitoisuus, humuspitoisuus, tiiviysaste, suhteellinen tiiviys ja konsistenssirajat.

Leikkauslujuudella tarkoitetaan joko murtopinnalla tai -vyöhykkeessä murtohetkellä vaikuttavaa maan leikkausjännitystä, joka yleensä määritetään siipikairalla tai CPTU-kairauksella. Kokoonpuristuvuusominaisuudet maalajeille, joista on mahdollista ottaa häiriintymättömiä näytteitä, määritetään yleensä ödometrilaitteistolla käyttämällä portaittaisia ödometrikokeita tai jatkuvakuormitteisia ödometrikokeita (CRS, CPR).

Routivuustutkimukset

Maaperän routivuus riippuu sekä maalajin ominaisuuksista että olosuhdetekijöistä kuten pakkasmäärästä, pohjaveden korkeusasemasta ja routimattomien maakerrosten paksuudesta.

Routivuustutkimukset ja routamitoitus suositellaan tehtävän tässä esitetyn mukaisesti. Väyläviraston ohjeissa (Tierakenteen suunnittelu 2018) routivuustutkimukset ja routamitoitus poikkeavat tässä esitetystä. Routatutkimukset ja routamitoitus voidaan tehdä Väyläviraston ohjeiden mukaisesti, mikäli menettely on kohteeseen soveltuva ja asiakas hyväksyy ko. menettelyn.

Maalajien routivuutta voidaan luokitella eri ominaisuuksiin perustuvien kriteerien avulla. Luokitukset perustuvat sekä laboratoriotutkimuksiin että kenttähavaintoihin (kuva 1). Rakeisuuteen perustuva routivuusluokitus on yleisin ja sen avulla voidaan kohtuullisen luotettavasti luokitella maalajit routiviin ja routimattomiin. Routivuuden määrää rakeisuuteen perustuvilla kriteereillä ei voida luotettavasti määrittää. Raekokojakauman perusteella routivia ovat kaikki rakeisuusalueen 1 maalajit ja ne alueiden 2, 3 ja 4 maalajit, joiden rakeisuuskäyrä ulottuu vasemman puoleiselle hienompirakeiselle alueelle (kuva 2). Alueen 1L maalajit luokitellaan lievästi routiviksi pienen vedenläpäisevyytensä johdosta. Routimisen kannalta suotuisissa olosuhteissa myös alueen 1L maalajit voivat olla voimakkaasti routivia.

Rakeisuutta voidaan käyttää routivuuden valintakriteerinä lähinnä sellaisissa rakenteissa, jotka eivät ole routivuuden suhteen kriittisiä. Karkearakeisten maalajien routivuuden määrittämistä voidaan täydentää kapillaarisen nousukorkeuden ja/tai hienoustekijään perustuvilla kriteereillä (taulukko 5.2.4). Hienorakeisten maalajien routivuuden arvioinnin lisäkriteerejä ovat mm. plastisuus, juoksevuusindeksi ja vedenläpäisevyys.

Kuva 1 Routivuuden luokittelutasot

Kuva 2 Rakeisuuteen perustuvan routivuusluokituksen ohjekäyrät.

	Plastisuuskartta		*)		*)	Segregaatio-	Routanousu-
Routivuusluokka	Maalaji USCS-luokitus	Plastisuus-luku, I_p , Juoksuraja, W_L [%]	Kapillaarinen nousukorkeus h_c [m]	Juoksevuus-indeksi I_L, W_L, W_P[%]	Hienoustekijä R_f [%] £ 0,074 mm	potentiaali SP₀ [mm²/Kh]	nopeus lab.kokeessa [mm/d]
Routimaton (e_r= 0 %)	GW, GP SW, SP	I_p < 1	< 1	£ 0	ollessa £ 20 % < 2,5	< 0,5	< 0,5
Lievästi routiva (e_r=5 %)	CH	I_p ³ 7; W_L > 50	1,0 – 1,5	0 – 0,25	2,5 – 5	0,5 – 1,5	0,5 – 2
Keskinkertaisesti routiva (e_r= 10 %)	CL A-linjan yläpuolella OH, MH A-linjan alapuolella	I_p ³ 7; W_L = 35 – 50 I_p ³ 7; W_L > 50	1,5 – 2,0	0,25 – 0,5	5 – 10	1,5 – 3,.0	2 – 4
Erittäin routiva (e_r= 20 %)	CL A-linjan yläpuolella	I_p ³ 7; W_L < 35	> 2,0	> 0,5	> 10	> 3,0	> 4
	ML A-linjan alapuolella	I_p £ 4; W_L > 50
	OL A-linjan alapuolella	I_p ³7; W_L = 35 – 50
A-linjan yläpuoliset maalajit, joiden plastisuusluku I_p on välillä 4-7, ovat rajatapauksia ja vaativat lisätutkimuksia
*) Suurilla kapillaarisen nousukorkeuden (>10 m) ja hienoustekijän (>30) arvoilla maan routivuus lievenee pienen vedenläpäisevyyden vuoksi

Taulukko 4 Maalajien routivuuden määrityskriteerejä.

Maalajien routivuus voidaan määrittää kokeellisesti routanousukokeen avulla. Routanousukoe suoritetaan yleensä vakiolämpötilakokeena, jolloin näyte jäätyy yksidimensionaalisesti ylhäältä alaspäin ja näytteen alaosa saa samanaikaisesti pohjavettä. Näytteeseen voidaan kohdistaa kuormitus, joka vastaa rakennekerroksista tulevia kuormia. Routanousukokeen tuloksena saadaan maalajin routivuutta kuvaavia tunnuslukuja kuten routivuuskerroin (segregaatiopotentiaali) ja routanoususuhde. Routivuuskerrointa voidaan käyttää sekä routivuuden luokitusperusteena että laskentaparametrina rakenteen routanousun laskennassa. Routivuuskerroin voidaan määrittää routanousukokeiden ohella myös in situ routanousuhavaintojen perusteella, kun tunnetaan routanousunopeus ja routivan kerroksen lämpötilajakauma. Routivuuskerroin vaihtelee maalajeittain siten, että voimakkaimmin routivia ovat siltit ja silttimoreenit (kuva 3).

Kuva 3 Maalajien routivuuskertoimen vaihtelu. Routivuuskerroin on määritetty laboratoriossa routanousukokeiden avulla.

Pohjarakenteiden geotekninen ja rakenteellinen mitoitus on tehtävä siten, että itse pohjarakenteilla sekä niiden varassa olevilla rakenteilla on riittävä varmuus sortumista, murtumista, halkeilua, liian suuria kimmoisia tai plastisia muodonmuutoksia vastaan. Myös maapohjan varmuuden murtumista tai liian suuria muodonmuutoksia vastaan on oltava riittävä. Väyläkohteissa tarvittavat geotekniset laskelmat ja laskelmissa tarvittavien parametrien määrittämisen periaatteet on esitelty laajemmin Liikenneviraston ohjeessa 10/2012 (Tien geotekninen suunnittelu). Sillan ja muiden taitorakenteiden geotekninen suunnittelu on esitelty laajemmin Liikenneviraston ohjeessa 11/2012 (Sillan geotekninen suunnittelu).

Painuma: Maapohjan painuminen aiheutuu ulkoisista kuormituksista. Ulkoinen kuormitus aiheutuu mm. seuraavista pysyvistä kuormituksista:

rakennekerrosten ja penkereen painosta,
pohjaveden pinnan alenemasta, ilman erillistä selvitystä otettava 1 m:n alenema huomioon ja
kaivantojen täytöstä kaivumaita raskaammalla materiaalilla.

Liikennekuormia ym. lyhytaikaisia kuormia ei normaalisti oteta huomioon maarakenteiden painumalaskelmissa.

Karkearakenteisissa maalajeissa painuma tapahtuu hyvän vedenläpäisevyyden takia nopeasti, yleensä jo rakennusaikana. Maarakenteiden mitoituksessa oleellisin on rakentamisen jälkeinen painuma, jolloin merkittävin painuma on normaalisti savi-, lieju- ja turvekerrosten konsolidaatiopainuma. Maarakenteiden käyttötilan painuma lasketaan normaalisti ödometrikokeiden tuloksista määritettyjen laskentaparametrien perusteella. Painumalaskenta voidaan helpoissa kohteissa tehdä häiriintyneiden näytteiden vesipitoisuuden perusteella, jolloin laskelmissa on varauduttava konsolidaatioasteesta riippuen jopa yli 50 % virheeseen. Mikäli käytettävissä on painumahavaintoja tai huokosvedenpainemittauksia, kokonaispainuman ja painuman ajallisen kehittymien arvioinnissa voidaan käyttää hyväksi myös havaintoihin perustuvia menetelmiä.

Pohjanvahvistusmenetelmien yhteydessä, esim. pystyojat, syvästabilointi, tms. käytetään menetelmän ominaisuudet huomioonottavaa laskentamenetelmää. Painumalaskentaa varten laaditaan maastomalli, jossa maapohja jaetaan maan ominaisuuksien perusteella geoteknisiin kerroksiin.

Stabiliteetti- eli vakavuus: Stabiliteettitarkasteluja tehdään alueellisen stabiliteetin sekä yksittäisen rakenteen, leikkauksen (kaivanto) tai penkereen, vakavuuden selvittämiseksi. Rakenteiden osalta tarkistetaan sekä työnaikainen tilanne/tilanteet, että valmiin rakenteen stabiliteetti. Laskelmissa selvitetään stabiliteetin kannalta vaarallisin kuormitustilanne. Vakavuuslaskelmilla määritetään normaalisti pienin sekä lyhytaikainen että pitkäaikainen kokonaisvarmuus sortumista vastaan tasapainomenetelmillä. Laskelmat suoritetaan joko ympyrän tai murtopinnan muotoisia liukupintoja käyttäen.

Lyhytaikaisessa tai helpossa tilanteessa tai alustavassa tarkastelussa riittää kattava siipikairalla määritetty leikkauslujuus kaikista vakavuuteen vaikuttavista maakerroksista (ns. f=0 -menetelmä). Laajemmin suljetun leikkauslujuuden määrittämistä stabiliteettilaskelmia varten on ohjeistettu mm. Liikenneviraston oppaassa 2/2018 (Suljettu leikkauslujuus stabiliteettilaskelmissa). Pitkäaikaisessa mitoitustilanteessa tai vaativissa olosuhteissa ja kohteissa stabiliteetti lasketaan tehokkailla parametreilla (c’f’ -menetelmä), jolloin parametrit määritetään normaalisti kolmiakselikokeiden tuloksista. Tehokkailla parametreilla laskettaessa on tiedettävä huokosveden paine, joka voidaan mitata maahan asennetuilla huokospainekärjillä.

Stabiliteettitarkastelut tehdään kokonaisvarmuus- tai osavarmuusmenettelyllä. Noudatettaessa Pohjarakennusohjeita (RIL 121-2004) tarkastelu tehdään yleensä kokonaisvarmuusmenettelyllä. Eurokoodin mukaisessa tarkastelussa mitoitus tehdään osavarmuusmenettelyllä. Suomessa eurokoodien soveltamisohjeet on laadittu talokohteita (RIL) ja väyläkohteita (Liikennevirasto) varten (Geotekninen suunnittelu, Eurokoodin EN 1997-1 suunnitteluohje, RIL 207-2017 ja Eurokoodin soveltamisohje, Geotekninen suunnittelu – NCCI 7, Liikenneviraston ohjeita 13/2017). Mikäli ei ole ennalta tiedossa mitä menettelyä hankkeessa noudatetaan, on se selvitettävä asiakkaan kanssa ennen geoteknisiä tarkasteluja.

Kaivannot: Kaivantosuunnitelma tehdään, jos on olemassa sortumisvaara sekä kaikista yli 2 m syvistä kaivannoista (VNa 205/2009). Kaivantosuunnitelmassa esitetään kaivannon ja lähirakenteiden tuentatarve, kaivusyvyys, luiskan kaltevuus, pohjaveden alentamisen tarve ja menetelmät sekä kaivannon vaativuusluokka tapauksittain paikallisten olosuhteiden mukaan ja ulkopuolisen kuormituksen yms. tekijöiden perusteella. Kaivantosuunnitelma tehdään Kaivanto-ohjeen (RIL 263-2014) mukaisesti.

Valtioneuvoston asetuksen VNa 205/2009 34§.n mukaan ”luotettavan selvityksen perusteella voidaan kaivannon työturvallisuus toteuttaa luiskaamalla tai porrastamalla kaivanto”. Luotettavana selvityksenä voidaan pitää suunnittelutehtävän edellyttämän kelpoisuuden omaavan geoteknisen suunnittelijan laatimaa suunnitelmaa, joka perustuu kohteen vaativuuden mukaisiin pohjatutkimuksiin, ympäristöselvityksiin ja mitoituslaskelmiin.

Kaivanto suunnitellaan tuetuksi, mikäli tukematon kaivanto ei laskelmien mukaan saavuta riittävää vakavuutta halutuilla tai käytettävissä olevan tilan sallimilla luiskakaltevuuksilla. Luiskatun kaivannon vaatima tila ja massojen siirto voi myös tulla niin suureksi, että tuetun kaivannon tekeminen on teknisesti ja taloudellisesti perusteltua. Putkikaivannon tavallisimmat tuentatavat ovat teräsponttiseinä ja tuentaelementit. Tuennan tulee estää kaivannon pohjan nousu ja hydraulinen murtuminen, kaivannon seinämien sortuminen ja maa-ainesten putoaminen kaivannon seinämistä ja maan pinnalta kaivantoon sekä varmistaa putkien turvallinen asentaminen. Matalissa kaivannoissa syvästabilointi toisiaan leikkaavilla pilareilla (pilarilamellit) tai massastabiloinnilla on joissakin tapauksissa mahdollinen menetelmä kaivannon pohjan ja luiskien vahvistamiseen. Syvästabiloinnin hyödyntäminen kaivannoissa on esitetty tarkemmin Syvästabiloinnin suunnitteluohjeessa (Liikennevirasto 2018).

Routamitoitus

Katurakenteen routamitoituksen lähtökohtana on mitoituspakkasmäärän valinta. Mitoituspakkasmääränä käytetään tilastollisesti kerran 5:ssä (F5) vuodessa tai kerran 10:ssä (F10) vuodessa toistuvaa pakkasmäärää, joka voidaan katsoa julkaisusta Routasuojaus – rakennukset ja infrarakenteet (RIL 261-2013). Routanousu voidaan laskea routimiskertoimen (segregaatiopotentiaalin) ja routivan kerroksen lämpötilagradientin avulla.

Routamitoitus tehdään yleensä laskemalla rakenteen sallittu routanousu. Routanousun laskentaan on olemassa laskentaohjelmia, joissa voidaan vapaasti valita rakenteen dimensiot, materiaaliominaisuudet sekä ympäristö- ja ilmasto-olosuhteet. Roudan vaikutusta voidaan arvioida myös laskemalla roudan tunkeutuminen pohjamaahan. Kuvissa 4 on esitetty mitoituskäyrästöt, joiden avulla voidaan arvioida routanousun riippuvuutta päällysrakenteen paksuudesta routivuudeltaan erilaisissa pohjaolosuhteissa.

Kuvassa 5 on esitetty mitoituskäyrästöt roudan tunkeutumisesta pohjamaahan rakennekerroksen paksuuden funktiona erilaisissa pohjaolosuhteissa. On huomattava, että mitoituskäyrästöt pitävät paikkansa vain kuvan mukaisilla lähtöolettamuksilla. Mikäli poiketaan lähtöolettamuksista, on niiden vaikutukset arvioita tapauskohtaisesti.

Roudan tunkeutumista routivaan pohjamaahan voidaan rajoittaa lämmöneristeiden avulla. Kuvassa 6 on esitetty mitoituskäyrästöt routivuudeltaan kahdelle pohjamaalle. Lämmöneristeen paksuus lasketaan kaavan 1 avulla.

Kaava 1

d = m_r x l

missä   d   on lämmöneristeen paksuus (m)
m_r           eristeen lämmönvastus (m²K/W)
λ             eristeen lämmönjohtavuus (W/Km)

Kuva 4 Routanousun riippuvuus päällysrakenteen paksuudesta routivuudeltaan erilaisissa pohjaolosuhteissa.

Kuva 5 Roudan tunkeutumissyvyys pohjamaahan rakennekerroksen paksuuden funktiona erilaisissa pohjaolosuhteissa.

Kuva 6 Routanousu erilaisilla pakkasmäärillä ja routaeristeen lämmönvastuksilla routivuudeltaan kahdella erilaisella pohjamaalla.

Esirakentaminen

Esirakentamisella tarkoitetaan rakentamisedellytysten luomista aiemmin rakentamatta jääneille huonoille maapohjille, sekä pehmeikköalueiden laadun parantamista maarakennustekniikan keinoin ennen alueen varsinaista rakentamista. Laajemmassa mielessä esirakentamiseen lasketaan kuuluvaksi myös alueelliset kaivu-, louhinta- ja täyttötyöt. Myös vesialueilla tehtävät pohjanvahvistus- ja täyttötyöt lisämaan hankkimiseksi katsotaan kuuluvaksi esirakentamisen piiriin. Pilaantuneiden maiden kunnostaminen, johtosiirrot ja rakenteiden purkaminen ovat myös esirakentamista.

Esirakentamisen tavoitteina ovat mm.:

pehmeikköjen haitallisten painumien poistaminen tai painumien nopeuttaminen
kustannussäästöt
massatalouden optimointi
riittävän korkealuokkaisen ympäristön rakentaminen
kunnallisteknisten rakenteiden perustaminen esirakennetun maan varaan

Esirakentaminen tehdään normaalisti joko yksittäishankkeena tai alueellisena pohjarakentamisena, jolloin kohteena ovat kadut, torit sekä myös tonttialueet. Tällöin eri alueet ja niiden kunnallistekniset rakenteet voidaan toteuttaa taloudellisesti ja teknisesti toisiinsa liittyviksi kokonaisuuksiksi. Esirakentaminen tulisi sen toteutuksen vaatiman ajan vuoksi aloittaa mahdollisimman aikaisin. Mitä aikaisemmin esirakentaminen voidaan aloittaa, sitä laajempi keinovalikoima on käytettävissä.

Esirakentamistoimia ovat mm.:

esikuormituspenger,
pystyojitus ja esikuormituspenger tai kuormitus vakuumilla (vakuumikonsolidaatio),
pilaristabilointi ja massasyvästabilointi,
massanvaihto kaivamalla,
keventäminen (kevytsora, vaahtolasimurske, EPS (paisutettu polystyreenimuovi), rengasleike),
maan lujittaminen geolujitteilla ja
syvätiivistys.

Esirakentamistavan valinta riippuu paitsi menetelmän soveltuvuudesta myös esikuormitusmassojen saatavuudesta, esikuormituspenkereen stabiliteetista sekä vaaditusta ja käytettävissä olevasta vaikutusajasta. Konsolidaatiopainuman vaatimaa aikaa oleellisesti nopeuttavien pystyojien taloudellinen mitoitus edellyttää 1-2 vuoden esikuormitusta. Syvästabilointi kasvattaa sekä savikerroksen lujuutta että pienentää painumia. Stabilointi edellyttää yleensä tapauskohtaisesti n. 1-6 kk:n lujittumisajan ennen stabiloidun kerroksen päälle rakentamista. Eri esirakentamisvaihtoehtojen soveltuvuutta, menetelmien vaatimaa aikaa sekä muuta menetelmän valintaan liittyvää on esitetty mm. julkaisussa Esirakentaminen (Helsingin kaupunki, Kiinteistövirasto, Geotekninen osasto, tiedote 77) ja Tien perustamistavan valinta (Liikenneviraston oppaita 2/2014).

Esirakentamismenetelmän valintaan saattaa vaikuttaa myös menetelmän kasvihuonepäästöt (esim. CO₂). Esirakentamismenetelmissä, jotka vaativat pitkän vaikutusajan (esim. esikuormitus) päästöt ovat pienemmät kuin nopeasti toteutettavissa menetelmissä (esim. syvästabilointi). Syvästabiloinnin päästöt muodostuvat pääosin sideaineesta, joten sideainevalinnalla on merkittävä vaikutus muodostuviin päästöihin. Mikäli esim. portlandsementti korvataan seossementillä tai uusiomateriaalipohjaiselle sideaineseoksella, voivat sideaineen päästöt aleta merkittävästi (karkeasti arvioituna jopa 80-30 %).

Infrarakenteiden perustaminen

Rakenteiden perustamistavan määrittävät lähinnä pohjasuhteet, vaadittava laatutaso, ympäristö ja rakenteiden paino. Tavallisimmat perustamistavat ovat: perustaminen maan varaan, perustaminen esirakentamisen avulla maan varaan tai paaluperustus. Perustamistapoja voidaan yhdistellä samassa katurakenteessa (poikkileikkauksessa), mutta tällöin on erityisesti otettava huomioon siirtymärakenteet.

Maan varaan perustaminen voidaan toteuttaa usealla eri menetelmällä ja niiden yhdistelmillä. Menetelmiä käytetään myös esirakentamisen yhteydessä:

Esikuormituksessa osa tai kaikki tulevat painumat aikaansaadaan ennen lopullisen rakenteen tai sen painumille herkimpien rakennusosien rakentamista. Esikuormitukselle on varattava riittävästi aikaa, yleensä 3-5 vuotta
Esikuormituspenger pyritään rakentamaan sellaisesta materiaalista, jota voidaan tarkoituksen mukaisesti käyttää penkereen poiston jälkeen tehtäviin muihin rakenteisiin.
Esikuormituksella aikaansaatavaa ennakkopainumista voidaan nopeuttaa liuskapystyojituksella.
Pengerkevennyksessä osa tulevista täytöistä tehdään kevytsorasta, vaahtolasimurskeesta tai EPS-muovista.
Kevennys mahdollistaa usein perustamisen maan varaan, mutta sitä voidaan käyttää myös yhdistelmärakenteena esim. syvästabiloinnin kanssa.
Kevennys soveltuu koko katurakenteelle, mutta verkoston omistajilla voi olla omia ohjeita tai käytäntöjä kevennysmateriaalien käyttämiseen verkoston kohdalla.
Massanvaihdossa maan pintaosissa oleva (yleensä korkeintaan 3-5 m paksu) savi-, turve- tai liejukerros poistetaan kaivamalla ja kaivanto täytetään louheella tai kitkamaalla.
Massanvaihdot, muut täytöt tai pohjamaan kitkamaakerrokset voidaan tiivistää syvätiivistyksellä.
Putkijohdoilla voidaan käyttää murske-, peltiprofiili-, hirsi- tai teräsbetoniarina. Murskearina voi olla geolujitteella jäykistetty.

Siirtymärakenteet

Paaluperustusta käytetään silloin kun edellä esitetyt maanvaraisperustukset eivät sovellu liian suurten painumien, pienen vakavuuden tai rakenteen vaurioherkkyyden takia. Perustamistavan valitsee geotekninen suunnittelija yhdessä muiden suunnittelijoiden kanssa. Paaluperustus tulee useimmiten kyseeseen:

korkeiden penkereiden alla painuma- ja stabiliteettisyistä,
erittäin heikoilla pehmeiköillä,
rantaviivan läheisyydessä rakenteisiin liittyen,
taitorakenteiden perustuksissa,
viettoviemäreiden yhteydessä,
mastojen, portaalien, tms. perustuksissa.

Paalutus toteutetaan yleensä kantavaan pohjakerrokseen tukeutuvina tukipaaluina (yleensä teräsbetoni- tai teräsputkipaaluja). Paksulla savikolla voidaan käyttää koheesiopaaluja tai paksujen löyhien kitkamaakerrostumien alueella kitkapaaluja. Paalut ovat yleensä lyömällä asennettavia tai ja erityistapauksissa porattavia. Työnaikaisina ja joissakin erityiskohteissa myös puupaalut ovat mahdollisia. Paalulaatta tai paaluhatut mitoitetaan rakennesuunnittelijan ja pohjarakennussuunnittelijan yhteistyönä. Paalutus, paalulaatat ja paaluhatturakenteet suunnitellaan Paalutusohjeen (RIL 254-2016) ja Paalulaattojen ja paaluhatturakenteiden suunnittelu -ohjeen (Liikennevirasto 5/2014) mukaisesti. Lisäksi on lukuisia muita paaluvaihtoehtoja.

Pintojen kaltevuudet tulee suunnitella siten, ettei haitallista lammikoitumista pääse syntymään taulukossa 1 esitetyillä painumilla ja kaltevuuden muutoksilla. Kadun tai torin rajoittuessa rakennukseen tulee sisäänkäyntien kohdalla painumille sallia ohjeellisesti vain noin puolet esitetyistä arvoista (tarkennettava tapauskohtaisesti). Siirtymärakenteet kaduille ja putkijohdoille tulee suunnitella niihin kohtiin, joissa painumaerot ja/tai routanousut muodostuvat taulukon 1 arvoja suuremmiksi. Siirtymärakenteita tarvitaan erilaisten perustamistapojen rajakohdissa, putkilinjan risteillessä eri tavalla perustettujen rakenteiden kohdalla ja pohjasuhteiden jyrkissä muutoskohdissa. Siirtymärakenteilla tasataan liian suuret painumaerot tai routanousut riittävän pitkälle matkalle. Siirtymärakenteet mitoitetaan tapauskohtaisesti kantavuus-, routivuus- ja painumalaskemien perusteella. Siirtymärakennetyyppejä ovat mm.:

Kevennys- ja massanvaihtokiiloja käytetään ratkaisuissa, joissa kadun tai putken alusrakenteeseen tehdään kiilamainen täyttö tai putken päälle tehdään kiilamainen kevennys.
Siirtymälaattoja käytetään yleensä siirryttäessä painuvalta maapohjalta painumattomalle tai routimattomalle maapohjalle tai perustukselle.
Putken tai sen liitosten taipuisuutta voidaan käyttää hyväksi siirtymäkohdissa.
Siirtymärakenne voidaan toteuttaa myös määrämittaista syvästabilointia käyttäen.

Perustettaessa putkijohtoja pehmeikölle on otettava huomioon myös perustamistavan vaikutus ajorataan. Erityisesti tämä koskee tapausta, jossa putki on perustettu siten, että se painuu vähemmän kuin katu. Jos putkijohto kulkee kadun poikki, on tehtävä siirtymärakenne sen molemmin puolin painumaeron tasaamiseksi. Jos taas putkilinja kulkee kadun suunnassa kadun alla, on katu perustettava lähes yhtä hyvin kuin putki. Erityisesti tulee varoa paalutettavien putkijohtojen perustamista kadulle, jolla on odotettavissa huomattavia painumia.

Sillan maatuen taustatyöt ja pengerrykset perustetaan mahdollisuuksien mukaan samalla periaatteella ja yhtä painumattomiksi kuin varsinainen maatukikin. Painumaeron tasaamiseksi käytetään siltojen tulopenkereiden alla siirtymälaattaa.

Penkereet pehmeiköllä

Kadun tasauksen valinta vaikuttaa usein merkittävästi kadun pohjarakennusratkaisuihin. Penkereen rakentaminen pehmeikölle edellyttää erityistä pohjarakennussuunnittelua. Yleisinä periaatteina voidaan todeta mm. seuraavaa:

Maalajien kantavuus- ja routivuusominaisuudet määräävät kadun rakennekerrosten paksuuden, mikä massatalouden kautta vaikuttaa kadun korkeusasemaan.
Matala penger voidaan toisinaan tehdä suoraan maan varaan pintamaan raivauksen jälkeen.
Kantavan kuivakuoren poistamista penkereen alta tulee välttää, mikäli mahdollista. Pehmeiköllä penkereen alaosan tiivistäminen saattaa aikaansaada pohjamaan häiriintymistä.
Yleensä korkeaa pengertä koheesiomaalla tulee välttää, koska sen painumat tulevat suuriksi tai rakentaminen edellyttää pohjanvahvistus- tai -rakentamismenetelmiä.
Korkean katupenkereen vakavuus sortumista vastaan tulee tarkastella.
Vastapenger on kustannustehokas pohjarakennusmenetelmä penkereen stabiliteetin varmistamiseksi silloin, kun sille on riittävästi tilaa tai se on painumien kannalta mahdollinen menetelmä. Vastapenger osoitetaan aina pohjarakennussuunnitelmassa ja se rakennetaan yhtä aikaa katupenkereen kanssa.

Pohjavedenhallinta

Katuleikkausten, putkijohtojen ja alikäytävien suunnittelua varten tehdään suunnittelutehtävän kannalta riittävän laaja-alaiset ja pitkäaikaiset pohjavesihavainnot osana muita pohjatutkimuksia.

Pohjavedensuojaus: Tärkeitä pohjavesialueilta ovat mm. vedenottamoiden pohjavesialueet ja suojavyöhykkeet (myös kriisiajan pohjavedenottamot). Tärkeillä pohjavesialueilla toimittaessa on varmistettava, etteivät pohjaveden korkeusasema ja laatu muutu pysyvästi. Alueille rakennettaessa on varmistettava, että pohjaveden laatu voidaan turvata myös rakenteen käytön aikana. Tavallisesti viranomaiset ovat antaneet erikoisohjeita ja määräyksiä koskien rakentamista ja kunnossapidossa tärkeillä pohjavesialueilla. Esimerkiksi Helsingin kaupungin rakennusvalvontavirasto on laatinut rakentamistapaohjeen tärkeälle pohjavesialueelle rakentamisesta. Ohjetta noudatetaan soveltuvin osin katujen rakentamisessa ja kunnossapidossa.

Tärkeillä pohjavesialueilla rakennettaessa on laadittava pohjavedenhallintasuunnitelma ja siihen liittyvä pohjaveden tarkkailuohjelma. Rakentamisessa kiinnitetään erityistä huomiota pohjaveden pilaantumisen estämiseen. Maata kaivettaessa on pohjaveden ylimmän pinnan ja maanpinnan välille jäätävä riittävä suojakerros. Maaperän kanssa kosketuksiin joutuvien aineiden ja materiaalien on oltava pohjavedelle vaarattomia. Täyttöjä tehtäessä on täyttömaa-ainesten oltava laadultaan täyttöön soveltuvia kiviperäisiä aineksia, joiden haitattomuus pohjavedelle sekä alkuperä on selvitettävä.

Pohjavedensuojauksessa voidaan tarvittaessa käyttää erilaisia eristysratkaisuja. Eristystä voidaan tehdä pintaeristyksenä (esim. päällystysmateriaalin laatu), erilaisilla tiivistyskerroksilla tai pystyeristyksenä. Eristekerroksissa käytetään usein erilaisia geosynteettejä (kalvoja ja bentoniittia). Luonnon savea tai stabiloitua savea voidaan myös käyttää, kunhan huolehditaan, että routa, kuivuminen, tms. eivät aiheuta sen halkeilua tai muita vaurioita, jotka lisäävät savikerroksen vedenläpäisevyyttä. Ohjetta Pohjaveden suojelu maanteillä (Väyläviraston ohjeita xx/20xx) voi soveltaa pohjaveden suojaukseen myös katuympäristössä.

Työnaikainen pohjavedenalennus: Toisinaan massanvaihtojen, leikkausluiskien, alikäytävien, rumpujen ja putkijohtojen rakentaminen edellyttää työnaikaista pohjavedenpinnan alentamista. Lyhytaikainen pohjavedenalennus ei yleensä aiheuta merkittäviä ympäristöriskejä. Jos työaikainen pohjavedenalennus kestää kuukausia, se voi aiheuttaa kaivojen kuivumista, puustokuolemia, sekä pehmeiköllä maanvaraisesti joskus myös paaluilla perustettujen rakenteiden painumista. Kertaluonteinen, lyhytaikainen pohjavedenalennus ei yleensä aiheuta puupaalujen lahoamista.

Pohjarakennussuunnittelussa on arvioitava työnaikaisen pohjaveden alentamisen vaikutukset ja laadittava suunnitelma pohjaveden alentamisesta tai sen rajaamisesta. Ensisijaisesti pohjaveden työnaikainen aleneminen olisi mahdollisuuksien mukaan estettävä tai ainakin rajattava työkohteeseen. Jos pohjavedenpintaa on alennettava, haittoja voidaan vähentää veden toimituksin tai kastelulla. Tarvittaessa on varauduttava pohjaveden alentamisesta aiheutuvien haittojen ja vahinkojen korvaamiseen.

Pysyvä pohjaveden alennus: Mikäli pohjavettä alennetaan pysyvästi, on tarkoin selvitettävä vaikutusalueen laajuus. Tämä voidaan luotettavasti tehdä vain pitkäaikaisella koepumppauksella. Arvioinnissa voidaan käyttää myös luotettavasti testatulla tietokoneohjelmalla tehtävää mallinnusta. Pysyvä pohjavedenalennus tappaa kasvillisuutta, kuivattaa kaivoja, aiheuttaa kokoonpuristuvien maakerrosten varaan perustettujen rakenteiden painumista sekä puupaalujen lahoamista.

Pohjarakennussuunnittelija laatii arvion pysyvän pohjavedenalentamisen vaikutuksista ja laatii pohjaveden alennussuunnitelman sekä pohjavedenhallintasuunnitelman. Pohjaveden pysyvä aleneminen tulisi rajata mahdollisimman pienelle alueelle. Yksinkertaisimmillaan kunnallistekniikan rakentamisen vaikutuksesta tapahtuvaa pysyvää pohjavedenpinnan alenemista voidaan ehkäistä ja rajata erilaisten tiivistysrakenteiden avulla, esim. putkikaivantoihin rakennettavien savi- tai bentoniittisulkujen avulla.

Pohjaveden pysyvän alenemisen haittoja voidaan vähentää esim.:

Tekemällä ja toteuttamalla vihersuunnitelma, jossa arka kasvillisuus korvataan paremmin pohjaveden alenemista sietävillä lajeilla.
Liittämällä kaivoja käyttävät taloudet vesijohtoverkon piiriin tai syventämällä kaivot.
Perustamalla painumavaarassa olevat tai puisilla perustusrakenteilla olevat rakennukset ja rakenteet ennen projektin toteuttamista uusille perustuksille, jotka eivät painu tai lahoa.
Sopimalla riskialtiiden rakennusten ja rakenteiden omistajien kanssa korvausmenettelystä.

Pohjavedenhallintasuunnitelma laaditaan, kun suunniteltu kohde sijaitsee tärkeällä pohjavesialueella tai alueella, jossa pohjaveden työnaikaisella tai pysyvällä alentamisella on haitallista vaikutusta ympäristöön ja/tai sen rakenteisiin. Pohjaveden hallintasuunnitelmassa esitetään mm.:

yhteystiedot,
hankkeen yleiskuvaus tai viittaus muihin voimassa oleviin urakka-asiakirjoihin,
hankkeen vastuutahot, vastuuaika ja vastuurajat pohjaveden suojelun kannalta; erityisesti jos ne poikkeavat urakkasopimuksesta,
kuvaus rakennuspaikan maaperä- ja pohjavesiolosuhteista,
pohjaveden laadun tai korkeustason suojelun tarve rakennuspaikassa,
tiedon alimmasta sallitusta pohjaveden työnaikaisesta ja lopullisesta alennustasosta,
kuvaus tarvittavista pohjaveden suojausrakenteista,
kaivannon tiivistystapa,
imeytysrakenteet (pohjaveden alennus),
selvitys maaperän kanssa kosketuksiin joutuvien kemikaalien ja materiaalien haitattomuudesta pohjavedelle (pohjaveden suojaus),
kuvaus rakennusaikaisista pohjaveden suojaustoimenpiteistä, toimenpiteet vahinkojen estämiseksi,
suunnitelma siitä, miten pohjaveden pinnan tasoa tai veden laatua uhkaavissa äkillisissä tapauksissa toimitaan,
pohjaveden tarkkailuohjelma.

Pohjavettä alennettaessa pohjavedenhallintasuunnitelmassa esitetään sekä työnaikainen että lopullinen tilanne. Pohjavedentarkkailuohjelmaan sisältyy mm.:

tarkkailuputkien määrä ja sijainti,
tarkkailuputkien materiaali ja koko,
maaperätiedot,
putkien korkeustiedot ja siivilätasot,
pohjaveden pinnankorkeuden mittausohjelma,
tarvittaessa pohjavesinäytteiden ottoaikataulu ja näytteistä tehtävät analyysit,
tulosten dokumentointitapa ja toimittaminen (toimitusaikataulu ja jakelu).

Tärinä ja melu

Tärinää aiheutuu maa- ja pohjarakentamisesta sekä kallion louhinasta, joissa maapohjaan tai kallioon aiheutetaan iskuja tai tärinää. Tärinä aiheuttaa lisäksi runkomelua. Tärinälle ja melulle on asetettu rajoituksia, joista melulle annetut rajoitukset vaihtelevat alueittain ja kunnittain. Suunnittelun ohjearvot ja vaikutusten arviointi on esitetty julkaisussa Rakentamisen aiheuttamat tärinät (RIL253-2010). Julkaisussa on myös esitetty laskentamenetelmät tärinälle ja sen vaikutusalueelle.

Pohjarakentamisen suunnittelussa huomioidaan, että suunniteltavat rakenteet on voitava toteuttaa niin, että asetettuja raja-arvoja ylittävää melua tai tärinää ei synny eikä rakentamisen vaikutusalueella olevia rakenteita vaurioiteta. Työsuunnittelussa tulisi välttää tärinää ja melua aiheuttavien työvaiheiden yhtä aikaista toteutusta sekä haittojen minimoimista menetelmien valinnalla.

Pohjarakennussuunnitelma sisältää mm.:

Työselostus: Keskeisin rakentamisasiakirja on InfraRYL -julkaisusarja, jossa esitetään hyvä rakentamistapa ohjetasolla. Sen lisäksi tehdään tarvittaessa työkohtainen työselostus. Siinä kerrotaan ne työtavat ja laatuvaatimukset, mitkä poikkeavat yleisestä työselostuksesta, samoin joitakin työvaiheita voidaan täydentää ja tarkentaa. Työselostus sisältää usein laadunvalvonta- ja/tai seurantamittaussuunnitelman.

Rakennussuunnitelmavaiheen geoteknisistä laskelmista laaditaan laskentaselostus.

Laadunvalvonta- ja seurantamittaussuunnitelma: Suunnitelma voi sisältää mm. maa-ainesten laadunvalvontatutkimukset, tiiviys- ja kantavuuskokeet sekä syvästabiloinnin laadunvalvontakairaukset.

Ympäristönhallintasuunnitelma: Valvonta ja tarkkailumittauksia on tarpeen tehdä paalutuksen sekä kaivu-, kaivannon tuenta-, louhinta-, täyttö-, pohjanvahvistus ja pohjavedenalennustöiden yhteydessä. Erityisen tarpeen tarkkailumittaukset ovat, kun käytetään uusia pohjarakennusmenetelmiä, rakennetaan keskusta-alueella tai jos pohjarakennustöihin liittyy seikkoja, joiden vaikutuksia ei voida selvittää luotettavasti etukäteen.

Määrälaskelma ja kustannusarvio: Määrälaskelma ja kustannusarvio laaditaan rakennussuunnitelman perusteella. Tiedot palvelevat rakennuttajaa budjetoinnissa ja suunnitelmien tarkastamisessa. Määrälaskelma liitetään yleensä tarjouspyyntöasiakirjoihin.

Turvallisuusasiakirjat: Turvallisuusasiakirjassa selvitetään ja esitetään rakennustyöhön sisältyvien kohteiden ominaisuuksista, olosuhteista ja luonteesta aiheutuvia vaara- ja haittatekijöitä sekä ongelmia. Turvallisuusasiakirjat sisältävät rakennustyön tilaajan antamia tietoja hankkeesta sekä menettelyohjeita, jotka rakennustyön toteuttajan on huomioitava ja noudatettava.

Muut asiakirjat: Edellä esitettyjen lisäksi voidaan laatia mm. rakentamista palvelevia mittaus- ja koordinaattiluetteloita.

Piirustukset (tai vastaava tietomalli) sisältävät mm.:

pohjatutkimuskartta/asemapiirustus,
pituusleikkaus,
poikkileikkaukset,
tarvittaessa erilliset geotekniset pituus- ja poikkileikkaukset, joissa voidaan käyttää suurempaa mittakaavaa,
pohjanvahvistuskartta,
perustamistapakartta,
kaivantosuunnitelmat (kartta, leikkaukset, periaateleikkaukset, mitoituskuvat),
käyrästöt (mm. kallion pinta, paalujen tai pilareiden tavoitetasot, saven paksuus, maakerrosten alapinta jne.),
muut mahdolliset kartat ja detaljipiirrustukset

Kirjoittanut Juha Forsman
Syyskuu 2020