Geotekniikan peruskäsitteitä
Geotekniikka: tekniikan osa alue, joka käsittelee maa- ja kallioperän teknisiä ominaisuuksia ja niiden soveltamista maa- ja pohjarakentamiseen.
(kuva: professori Leena Korkiala-Tanttu)
Geotekninen suunnittelu: Geoteknisessä suunnittelussa mitoitetaan ja määritetään rakennusten ja rakenteiden liittyminen maa- tai kallioperään. Tällaisia rakenteita ovat myös infra-rakenteet kuten esimerkiksi tiet, rautatiet ja putkijohdot. Suunnittelussa määritetään perustamistavat sekä muut maa- ja kalliorakentamiseen liittyvät osa-alueet yhteistyössä muiden rakennushankkeen suunnittelijoiden kanssa. Suunnittelussa määritetään myös tarvittavat maa- ja kallioperän muokkausmenetelmät esimerkiksi kaivamalla, louhimalla, täyttämällä, tukemalla, lujittamalla ja niin edelleen. Geotekninen suunnittelu perustuu geotekniseen mitoitukseen, jossa käytetään hyväksi maa- ja kallioperän tutkittuja teknisiä ominaisuuksia. Suunnittelussa otetaan huomioon muun muassa maan sortumavaara, painuma- ja kantavuusominaisuudet, maakosteus, pohjavesi, routa, maaperän pilaantuneisuus sekä radon.
Pohjarakentaminen: talonrakennukseen ja infrarakentamiseen (esim. tiet, kadut, sillat, rautatiet, vesihuolto) liittyvien maanpinnan alapuolisten, maata tai maarakenteita vasten olevien rakenteiden tekemistä.
Pohjarakentamiseen sisältyvät pohjarakenteet kuten:
- perustukset (esimerkiksi paalut, laatat, anturat)
- maanvastaiset seinät ja lattiat (esimerkiksi kellarit, alapohjat ja koneperustukset)
- tukimuurit ja tukiseinät
- salaojat
- routaeristeet
- ankkurit; ankkurointi siirtää rakenteeseen kohdistuvat vetovoimat maahan tai kallioon
- työnaikaiset tuet kaivannoissa
- työnaikaiset rakenteet pohjaveden tason alentamiseksi
Pohjarakentamiseen sisältyy myös:
- maapohjan lujittaminen eli pohjanvahvistus
- maankaivu
- louhinta
- tonttialueiden putkijohtokaivannot
- maarakenteiden täyttö ja tiivistys
- perustusten saneeraus
- perustustenvahvistus
- pohjatutkimus.
Pohjarakenteiden suunnittelu / pohjarakennesuunnittelu: Pohjarakenteiden suunnittelu on pohjarakenteiden yhteensovittamista maan ja kallion käyttäytymisen kanssa siten, että myös pohjarakenteiden yläpuoliset rakenteet toimivat suunnitellulla tavalla ja että rakennus tai rakenne (esim. tie, silta, kaapeli ja putkijohto) ei vaurioidu eikä tule käyttökelvottomaksi.
Maarakentaminen (ei maarakennus): prosessi, joka pitää sisällään maaperän muokkaamisen ja valmistelun rakennusprojektia varten, kuten maansiirto, louhinta, aluskasvillisuuden poisto ja viherrakentaminen. Maarakentamisella on suuri rooli infrastruktuurihankkeissa, joita ovat mm. tiet, rautatiet, satamat ja kunnallistekniikan rakentaminen.
Pohjatutkimukset: Maaperäkerrokset ja maan ominaisuudet voidaan selvittää pohjatutkimuksilla. Pohjatutkimukset ovat välttämättömiä, koska niiden avulla valitaan kohteeseen sopiva perustamistapa. Pohjatutkimuksilla saadaan lähtötiedot pohjarakenteiden suunnitteluun. Pohjatutkimusmenetelmiä ovat mm. erilaiset kairaukset, näytteenotto sekä pohjavesihavaintoputket.
Kuva: Kairaus kairavaunulla käynnissä Espoon Otaniemessä (Henry Gustavsson)
Esirakentaminen: Esirakentamisella tarkoitetaan ennen alueen varsinaista rakentamista tai rakentamisen yhteydessä tehtävää rakentamisedellytysten luomista ja parantamista. Esirakentamiseen kuuluvat muun muassa maaston muotoilu kaivamalla, louhimalla ja täyttämällä, maapohjan vahvistaminen ja keventäminen, alueellisen vakavuuden parantaminen, pilaantuneiden maiden puhdistaminen, vesialueiden ruoppaus ja täyttö, rakenteiden purkaminen sekä johtosiirrot. Esirakentamisen tavoitteina ovat usein mm. kustannussäästöt ja rakentamisen hiilijalanjäljen pienentäminen.
Maaperä ja vesi
Maalajit: Maalajeja ovat esimerkiksi savi, hiekka, sora, moreeni ja turve. Maalajin nimi määräytyy rakeiden koon ja eloperäisen aineksen määrän perusteella. Rakeisuus (eli raekokojakauma) vaikuttaa maalajin lähes kaikkiin ominaisuuksiin kuten tiheyteen, leikkauslujuuteen, vedenläpäisevyyteen, tiivistyvyyteen, kapilaariseen nousuun ja muihin ominaisuuksiin. Muta ei ole maalaji. (Ks. laajempi maalajimäärittely)
Pehmeikkö: Hienorakeisten ja/tai orgaanisten maalajien peittämä, rakentamiseen huonosti soveltuva alue.
Savikko: Saven luontainen esiintymä, jossa on saven eri-ikäisiä kerrostumia. Kerrostumat voivat olla syntyneet makean veden ja toiset suolaisen veden kerrostumina. Suolaisen veden kerrostumissa on rikkiyhdisteitä, jotka voivat olla syövyttäviä.
Kitkamaa: Kitkamaalla tarkoitetaan karkearakeisia maalajeja kuten hiekkaa ja soraa. Kitkamaalle on tyypillistä, että sen lujuus muodostuu pääasiassa rakeiden kosketuskohdissa vaikuttavasta kitkasta.
Pohjavesi: Pohjavedellä tarkoitetaan kaikkea maanpinnan alapuolella olevaa vettä, joka täyttää kokonaan maaperän ontelot ja kallioperän halkeamat. Pohjavettä syntyy, kun sade- tai pintavesi imeytyy maakerrosten läpi tai virtaa kallioperän rakoihin. Pohjavesi puhdistuu epäpuhtauksista, kun se suodattuu maakerrosten läpi.
Hulevesi: Hulevesi on sade-, sulamis- ja kuivatusvettä, joka johdetaan pois rakennusten katoilta, pihoilta ja kaduilta. Hulevettä syntyy erityisesti siellä, missä maan pinta on katettu asfaltilla tai kivetyksellä.
Kuva: Hulevesirakenne Helsingin Honkasuolla (Pertti Nisonen, Helsingin kaupungin aineistopankki)
Hapan sulfaattimaa (esim. sulfidisavi, ei myrkkysavi): Happamiksi sulfaattimaiksi kutsutaan luontaisesti runsasrikkisiä maalajeja. Rakentamisessa on tärkeä tiedostaa jo suunnitteluvaiheessa ja tehdä materiaali- ja työtapavalinnan huomioiden mm. happaman maan korroosiovaikutukset. Sulfaattimaasta ei ole ihmisen terveydelle vaaraa.
Salaoja: Maan alle asennettava ja vettä johtava rei´itetty putki. Nykyisin yleisimmin muoviputki, joka johdattaa rakennuspohjasta hallitusti purkupaikalle (ojaan tai viemäriin). Salaojat ympäröidään tasarakeisella soralla. Nykylainsäädännön mukaan rakennusten salaojien tulee sijaita perustusten alimman tason alapuolella, jotta vesi ei pääse vahingoittamaan rakenteita (sadevesi tai pohjavesi).
Maalajit:
Maalajit voidaan jakaa eloperäisiin (1) ja kivennäismaalajeihin (2). Kivennäismaalajit jakaantuvat hieno- ja karkearakeisiin sekä sekarakeisiin (moreenimaalajit). Lisäksi rakentamisessa käytetään tuotettua maamateriaalia (3).
Eloperäiset maalajit (1):
- Lieju: Savea tai silttiä, jossa on mukana yli 6 % eloperäistä ainesta.
- Turve, humusmaat
Kivennäismaalajit (2):
Hienorakeiset kivennäismaalajit:
- Savi: Maalaji, joka koostuu erittäin hienorakeisista kalliosta rapautuneista mineraalihiukkasista, joiden koko on alle 0,002 mm. Maaperässä savi sisältää runsaasti vettä, ja se on tyypillisesti pehmeää ja melko heikosti kantavaa ilman pohjanvahvistusta.
- Siltti: Maalaji, joka koostuu hienorakenteisista rakeista, joiden koko on 0,002 – 0,06 mm. Georakentamisessa silttiä ei voida hyötykäyttää, sillä se on maa-aineksena erittäin routiva, heikosti kantava ja häiriintymisherkkä (menettää kaivettaessa lujuutensa). Siltin päälle voi rakentaa puutarhavajan.
Karkearakeiset kivennäismaalajit:
- Hiekka: Maalaji, joka sisältää rakeita 0,06-2,0 mm. Käytetään esimerkiksi teiden rakentamisessa suodatinkerroksessa eli tien alimmassa kerroksessa.
- Sora: Maalaji, joka sisältää rakeita 2,0-60 mm. Käytetään esimerkiksi teiden kantavissa ylimmissä kerroksissa. Nykyisin korvataan usein murskeella.
Sekarakeiset kivennäismaalajit:
- Moreenit: Suomen yleisin maalaji, joka on syntynyt mannerjäätikön murskaamana. Moreeni on sekarakeinen maalaji, joka sisältää silttiä, hiekkaa, soraa ja usein myös jonkin verran savea.
Tuotettu maamateriaali (3):
Murskaamalla tuotettuja materiaaleja ovat mm. murske ja sepeli. Yleisin murske on kalliosta murskaamalla saatu kalliomurske.
Muita tuotettuja maamateriaaleja ovat mm. kevytsora, vaahtolasimurske ja betonimurske.
Geotekniset rakenteet
Pohjarakenteet: Pohjarakenteet ovat joko pysyviä tai työnaikaisia rakenteita. Pysyviä rakenteita ovat esimerkiksi rakennuksen tai rakenteiden perustukset, maanvastaiset seinät ja lattiat, kuivanapito-, routasuojaus- ja muut suojausrakenteet sekä massanvaihdot, maavallit ja luiskat. Työnaikaisia rakenteita puolestaan ovat esim. kaivantojen tukirakenteet, pohjavedenalennusrakenteet ja eroosiosuojarakenteet.
Paalu: pystysuuntainen kantava rakenne, joka välittää ylipuolisen rakenteen kuorman kantavaan maakerrokseen. Paalu on maan sisällä (pilari on maan päällä) ja se voidaan asentaa lyömällä tai poraamalla. Paalut voivat olla teräsbetonista, teräksestä tai puusta. Paalua ei pidä sekoittaa pilariin tai palkkiin.
Kuva: Paalutustyömaa (Rakennuslehti)
Palkki: Vaakasuuntainen kantava rakenne.
Perustukset: välittävät rakennuksen painon kantavaan maahan. Perustustyyppejä ovat esimerkiksi anturaperustus, laattaperustus tai paaluperustus.
Pilari: Pilari on maanpinnan yläpuolella oleva pystysuuntainen kantava rakenne.
Pohjanvahvistus: Pehmeän tai löyhän pohjamaan vahvistamista rakentamista varten. Savialueilla maaperään voidaan sekoittaa lujittuvaa sideainetta tai maaperää voidaan esikuormittaa. Kitkamaa-alueilla löyhiä maakerroksia voidaan tiivistää.
Kaivanto: Maanpinnan alapuolelle ulottuva rakenne esim. talon perustuksia, kellaria tai putkijohtoja varten. Kaivanto voidaan toteuttaa luiskaamalla tai tukiseinien avulla. Tukiseiniä hyödyntämällä kaivanto voi olla pystysuora ja luiskaamalla kaivannon tulee olla maa-ainekseen nähden sopivassa kaltevuudessa (loiva).
Kuva: Rottermannin pysäköintilaitoksen kaivanto, jossa on käytetty tukiseiniä (YIT)
Tukiseinä: Pystysuora maata tukeva rakenne kaivannossa. Tukiseinä voi olla terästä, teräsbetonia tai puuta. Tukiseinän oikealla mitoituksella ja toteutuksella estetään sortumat.
Louhinta: Louhinnalla tarkoitetaan kallion irrotusta joko räjähdysaineella tai muilla menetelmillä, kuten kiilaamalla. Maan kaivaminen ei ole louhimista.
Geotekniset ilmiöt
Painuma (ei painauma, vajoama): Painuma on pohjamaan kokoonpuristumisesta tai tiivistymisestä johtuva maan pinnan painuma, joka ilmenee esimerkiksi lätäköitymisenä. Rakentamisessa (suunnittelu ja toteutus) tulee huomioida maaperäolosuhteet ja niiden mahdolliset muutokset painumisten välttämiseksi.
Sortuma (ei painuma): Tyypillisiä sortumakohteita ovat pehmeiköllä olevien jokiuomien törmät. Sortuma voi tapahtua myös rakentamisessa kaivutöiden aiheuttamana. Sortuma voidaan estää tukiseiniä käyttämällä.
Kuva: Asunto-osakeyhtiön Kaarilankulman rivitalo vaarassa sortua Tampereella (Simo Laitakari)
Kuva: Kaivantosortuma (Kimmo Penttinen, Aamulehti)
Maavyöry: Liittyy yleisimmin jyrkkien rinteiden päällä olevien maakerrosten liikkeellelähtöön esim. rankkasateiden tai räjäytystöiden johdosta. Suomessa harvinainen ilmiö (Suomessa yleisimmin sortuma).
Pohjannousu: Pohjaveden paineesta johtuva hienorakenteisen maan nousu kaivannon sisällä/pohjalla. Pohjannousun voi estää alentamalla pohjavettä kaivannon ympäristössä tai ulottamalla tukiseinät riittävän syvälle.
Lähteet: Termipankissa on hyödynnetty laajasti viranomaisten ja alan toimijoiden yleisesti käyttämiä määritelmiä (mm. rakentamismääräyskokoelma), toimijoiden nettisivuja ja alan asiantuntijoiden tieto-taitoa.