Geotekninen monitorointi

Geotekninen monitorointi tarkoittaa maan käyttäytymisen tai geoteknisten rakenteiden toiminnan seuraamista rakentamista ennen, sen aikana ja/tai sen jälkeen. Monitorointi käsittää mittaamisen lisäksi mittausten suunnittelun ja tulosten analysoinnin. Monitoroinnilla pyritään osoittamaan kiinnostuksen kohteena olevan rakennuskohteen hyväksyttävä käyttäytyminen, jolloin rakenteen kestävyys ja turvallisuus voidaan varmistaa. Tavallisempi tapa on ollut lisätä rakenteen kestävyyttä siten, että mahdolliset oletuksista poikkeavat kuormitukset eivät aiheuta vaurioita. Suomessa geoteknistä monitorointia edistää Suomen geoteknillisen yhdistyksen SGY:n vuonna 2011 perustettu Monitorointitoimikunta.

Tavoitteet ja hyödyt

Rakenteen vaurioita voivat aiheuttaa moninaiset syyt, kuten esimerkiksi ylikuormitus, suunnittelu- ja rakennusvirheet, suunnitelmista poikkeavat olosuhteet, rakenteiden ja rakenneosien heikentyminen tai tahalliset toimet. Monitorointi voi vähentää riskejä, jotka aiheutuvat rakenteen tai maaperän odottamattomasta ja haitallisesta käyttäytymisestä. Tavallisimmat riskit ovat loukkaantumiset, ihmishenkien menetys ja rahalliset vahingot. Monitoroinnilla voidaan varmistaa, että rakenteen toiminta on suunnitelmien mukaista ja rakenne toimii myös rakentamisen jälkeen oletetulla ja vaaditulla tavalla.

Monitoroinnin tavoitteet

1. Osoittaa kehittyvä vaurio
2. Antaa varoitus
3. Ilmaista tuntemattomat tekijät
4. Arvioida kriittiset suunnittelussa käytetyt oletukset
5. Arvioida urakoitsijan käyttämiä menetelmiä
6. Pitää viereisiin rakenteisiin aiheutuvat vauriot mahdollisimman vähäisinä
7. Ohjata rakentamista
8. Ohjata toimintaa
9. Suunnitella korjaavat toimenpiteet
10. Parantaa rakenteen toimintaa
11. Edistää alan kehittymistä
12. Dokumentoida rakenteen käyttäytyminen vaurioiden arvioinnin vuoksi
13. Informoida asianosaisia
14. Täyttää viranomaisten vaatimukset
15. Vähentää oikeudenkäyntejä
16. Osoittaa, että kaikki on kunnossa

Monitoroinnilla voidaan saada ennakkovaroitus ennen kuin haitallisia muutoksia pääsee tapahtumaan, jolloin korjaavien toimenpiteiden suorittaminen on mahdollista, joka merkittävästi vähentää vaurioriskiä. Samalla turvallisuus paranee, kun mittaussuureiden suuruutta pystytään seuraamaan suhteessa ennalta asetettuihin sallittuihin arvoihin.

Rakennustyö voi aiheuttaa vahinkoa ympäröiviin rakenteisiin. Läheisten rakenteiden vaurioituminen voidaan mahdollisesti estää, jolloin vältetään korjauskustannusten lisäksi oikeudenkäynnit ja niistä aiheutuvat kustannukset.

Automatisointi

Perinteisesti monitorointi on suoritettu manuaalisesti, mutta suurin osa mitattavista muuttujista on mahdollista mitata myös automaattisella mittauslaitteistolla. Automatisoinnista on suurin hyöty mittauskohteissa, jotka vaativat tiheätä ja säännöllistä mittausta tai laitteisto on asennettu vaikeapääsyiseen kohtaan. Automatisoitu mittauslaitteiston etuja ovat ihmisestä riippuvien mittausvirheiden poistuminen, mahdollisuus suureen mittaustiheyteen, hälytykset sallittujen rajojen ylittyessä ja mahdollisuus seurata mittaustuloksia etänä.

Mittausmenetelmiä

Pysty- ja vaakasiirtymät

Inklinometri

Inklinometri on maaperän siirtymien monitorointiin yleisesti käytetty mittauslaite, joka mittaa asentoa suhteessa maan vetovoimaan. Inklinometrin tyypillisiä mittauskohteita ovat sortuman liukuvyöhykkeen määrittäminen, vaakasiirtymän nopeuden ja suuruuden määrittäminen maaperässä ja maarakenteissa, kuten patopenkereissä, pehmeälle maaperälle tehdyissä penkereissä ja kaivannoissa sekä siirtymien mittaaminen tukiseinissä, paaluissa ja tukimuureissa.

Vaaitus

Vaaituksessa verrataan mitattavan kohteen pystysuuntaista asemaa kiintopisteeseen. Vaaituksessa käytetään optista laitteistoa, joka asetetaan vaakasuoraan. Mittaamisessa käytetään apuna mittalattaa, jolla korkeusero mittauskohteiden ja vaaituskojeen välillä voidaan määrittää. Siirtymä lasketaan kiintopisteen ja mittauspisteen korkeuseron muutoksesta. Saavutettava tarkkuus riippuu ainakin vaaituskojeesta, mittausetäisyydestä ja ympäristöolosuhteista.

Takymetri

Takymetrillä mitatessa siirtymät saadaan määritettyä kolmen koordinaatin suunnassa. Mittauslaitteen ja mitattavan pisteen välillä täytyy olla näköyhteys. Takymetrimittaus voidaan tehdä käsin tai robottitakymetrillä, joka mahdollistaa mittausten tekemisen automaattisesti ja reaaliaikaisesti.

Painumalevy

Painumalevyllä seurataan maan pinnan tai maakerroksen painumaa. Painumalevy koostuu levystä, johon on kiinnitetty tanko. Levy asetetaan joko maan pinnalle tai upotetaan maahan, siten että tanko jää näkyviin maan pinnan yläpuolelle. Tanko voidaan asentaa suojaputkeen, jolloin mahdollinen täytekerroksen painuma ei vääristä mittausta. Painu- 34 ma mitataan vertaamalla tangon korkeutta kiinteään vertailupisteeseen.

Painumaletku

Painumaletkulla voidaan mitata painumaa tai selvittää jatkuva painumakuvaaja poikkileikkauksesta. Painumaletku asetetaan tutkittavan pohjamaan varaan ja rakenne, kuten penger rakennetaan päälle. Nesteellä täytetyn letkun paine mitataan paineanturilla ja verrataan painetta tunnettuun kiintopisteeseen. Paine letkussa kasvaa lineaarisesti syvyyden kasvaessa, josta voidaan laskea syvyyssuuntainen siirtymä. Paineanturi voi olla liikuteltava tai kiinteästi letkuun asennettu, jolloin useita antureita voidaan asentaa samaan letkuun.

Ekstensometri

Ekstensometrillä mitataan kahden pisteen välistä etäisyyden muutosta. Ekstensometreissä on eri toimintaperiaatteella toimivia mittauslaitteita, mutta kaikki mittaavat yksittäisten pisteiden liikettä tiettyyn vertailupisteeseen nähden. Ekstensometrillä voidaan mitata etäisyyden kasvua tai pienenemistä riippuen käytettävästä laitteistosta ja niitä valmistetaan useata käyttötarkoitusta varten. Tavallisimpia sovellutuksia ovat betoni- ja kalliorakenteiden pintahalkeamat sekä maan painumien ja kallion halkeamien mittaaminen kairareiän suunnassa.

Laserkeilaus

Pääartikkeli: Laserkeilaus

Laserkeilaus on mittausmenetelmä, jolla mitataan kohteesta kolmiulotteinen pistepilvi. Laserkeilauksessa mitataan yksittäisten havaintopisteiden etäisyys mittauslaitteesta, joko valon kulkuajan tai vaihe-eron perusteella. Pisteille voidaan laskea koordinaatit, kun tunnetaan etäisyyden lisäksi lasersäteen lähtökulma. Laserkeilain tulee valita mitattavan kohteen etäisyyden, laajuuden ja tarvittavan tarkkuuden perusteella.

Pohjavesimittaukset

Pohjavedenkorkeuden havaintoputki

Havaintoputkia voidaan käyttää pohjavedenpinnan korkeuden mittaamiseen hyvin vettä läpäisevässä maassa, jossa huokosvedenpaine kasvaa tasaisesti syvyyden mukaan. Havaintoputki asennetaan kairareikään, joka täytetään hiekalla ja pintavesien kulkeutuminen putkeen estetään esimerkiksi täyttämällä reiän yläosa betonilla. Havaintoputki on vettä läpäisevä koko pituudeltaan. Mikäli maalaji on kerroksellista, havaintoputken vedenpinta edustaa tavallisesti parhaiten vettä johtavaa kerrosta. Pohjavedenpinta havaintoputkessa mitataan vedenkorkeusmittarilla.

Huokospainemittaukset

Pneumaattinen huokospainemittari

Pneumaattinen mittari perustuu kaasun paineen mittaukseen. Huokospainemittarissa kairareikään on asennettu kaksi letkua, jotka on tiivistetty anturin yläpuolelta. Mittari perustuu taipuisaan välikalvoon, jonka toisella puolella on huokosvedenpaine ja toisella kaasunpaine. Mitatessa pneumaattinen mittari liitetään pääteasemaan tai suoraan putkeen, josta kaasua johdetaan syöttöletkua pitkin kalvon taakse, kunnes kaasunpaine ylittää huokosvedenpaineen ja kaasu pääsee vuotamaan välikalvon ohi paluuletkuun. Kaasun syöttö lopetetaan ja kaasun paine laskee, kunnes huokosvedenpaine sulkee välikalvon. Kaasunpaine luetaan painemittarista ja se vastaa mittauspisteessä vallitsevaa huokosvedenpainetta.

Sähköiset huokospainemittarit

Värähdyslankaan perustuva huokospainemittari on sähköinen mittauslaite, joka soveltuu hyvin jatkuvaan mittaukseen ja tarjoaa nopean vasteajan. Huokospainemittarin toiminta perustuu siihen, että välikalvoon kohdistuva paine jännittää värähdyslangan, joka saadaan soimaan ominaistaajuudellaan. Taajuuslukema muutetaan näyttölaitteessa huokosvedenpaineeksi. Menetelmää voidaan käyttää muun muassa luiskien ja maapatojen stabiliteetin monitorointiin.

Maanpaineen mittaus

Voima-anturi

Voima-anturia (Load cell) käytetään voiman mittaamiseen ankkuritangoissa ja -vaijereissa, kalliopulteissa sekä paalujen koestuksessa. Tilapäisten kuormien lisäksi voidaan seurata ja mitata kuormia pitkäaikaisesti. Voima-anturi asennetaan mitattavaan kohteeseen siten, että kuormitus välittyy sen kautta. Voima-anturi on tavallisesti lieriön muotoinen, keskireiällinen laite, jonka sisässä on venymäantureita.

Lämpötilamittaukset

Termistori

Termistori on lämpötilaherkkä puolijohderesistori, joka lämpötilamittaus perustuu resistanssin muutokseen. Termistorista mitattu lukema saadaan luettua ohmeissa, joka muutetaan joko lukulaitteen tai muuntokertoimen avulla lämpötilaksi. Termistori voidaan valmistaa hyvin pieneksi, joten se soveltuu hyvin asennettavaksi erilaisiin mittauslaitteisiin.

Vastuslämpötila-anturi

Vastuslämpötila-anturi perustuu metallijohtimen vastuksen muutokseen suhteessa lämpötilan muutokseen. Mitattu vastuksen arvo muutetaan lämpötilaksi. Anturi on tarkka ja soveltuu hyvin pitkäkestoiseen käyttöön.

Värähdyslanka-lämpötilamittari

Värähdyslanka-anturiin perustuva lämpötilamittari, koostuu metallisesta ulkokuoresta. Lämpötilan muutos aiheuttaa kuoreen muodonmuutoksen, joka vaikuttaa värähdyslangan jännitykseen. Värähdyslangan taajuus muutetaan muuntokertoimien avulla lämpötilaksi.

Valokuituun perustuvat lämpötila-anturit

Lämpötilan mittaukseen soveltuvia valokuituantureita ovat Fibre Bragg Grating -valokuituanturi ja Brillouinsirontaan perustuva valokuituanturi.

Tärinän mittaus

Tärinää aiheutuu tavallisimmin rakentamistyön yhteydessä tehtävästä räjäyttämisestä, lyöntipaalutuksesta, maan tiivistämisestä, louhimisesta ja rikotuksesta sekä maansiirrosta. Tärinän mittaaminen voi olla tarpeen, jos lähistöllä on rakennuksia tai laitteita, joita tärinä voisi vahingoittaa. Tärinä voi myös häiritä lähistön ihmisiä. Tärinää mitataan tavallisesti laitteistolla, joka koostuu tarvittavasta määrästä geofoneja, joka on liitetty tallentimeen. Geofonit sijoitetaan tavallisesti tietyin etäisyysvälein tärinälähteestä sekä kohtiin, jotka ovat kriittisiä tärinän suhteen. Heilahdusnopeus on usein tärkein mitattava suure, mutta useimmilla laitteistoilla voidaan mitata myös kiihtyvyyttä ja taajuutta. Tarvittaessa tärinämittauksen yhteydessä voidaan mitata lisäksi paineaaltoa ja äänenpainetta.

Ankkurivoimien mittaukset

Ankkurivoimamittauksia käytetään kaivantojen tukiseinien ankkurivoimien mittaamiseen. Tukiseinien ankkurivoimien ennakoimaton kasvu lisää kaivantojen onnettomuusriskiä. Monitoroinnin avulla voidaan kuitenkin varmistaa, että tieto sallittujen ankkurivoimien ylittymisestä saadaan ajoissa ennen kuin vaaratilanteita ehtii syntymään. Voima ei saa myöskään laskea liikaa, sillä tällöin ankkuri ei enää tue seinää. Myös tällaiset tilanteet pystytään ennakoimaan monitorointia hyödyntämällä. Ankkurivoimia voidaan mitata Load cell –antureilla.

Muita mittaustapoja

Venymäliuska-anturi

Venymäliuska-anturilla mitataan tutkittavan kohteen muodonmuutosta, joka voi olla venymää tai puristusta. Tyypillisiä mittauskohteita ovat teräksen ja betonin muodonmuutokset erilaisissa rakenteissa. Yleisimmin käytetyt venymäliuska-anturit muuntavat voimasta aiheutuvan muodonmuutoksen sähköiseksi signaaliksi. Mittauslaitteen lukemaan vaikuttaa muodonmuutoksen lisäksi lämpötila, laitteen kiinnitys mitattavaan kohteeseen. Venymäliuskalla mitattu venymä voidaan muuttaa jännitykseksi tai voimaksi.

Maatutka

Maatutka (Ground Penetrating Radar GPR) on ainetta rikkomaton geofysikaalinen maan pintakerroksien tutkimusmenetelmä. Maatutka lähettää korkeataajuuksista sähkömagneettista signaalia, joka heijastuu maaperässä olevista rajapinnoista, sähköisen ominaisuuksien muutospinnoilta, takaisin. Maatutkalla voidaan luoda mitattavasta rakenteesta jatkuva profiili mittauksen suunnassa. Maatutkalla voidaan mitata roudan syvyyttä, sillä maassa olevan veden jäätyminen muuttaa maan sähköisiä ominaisuuksia, jolloin jäätyneen ja sulan maan rajapinta on mahdollista havaita. Maan suhteellista kosteuspitoisuutta on myös mahdollista mitata maatutkalla.

Lähteet

• Bäcklund, Jalle: Geotekninen monitorointi Suomessa. Diplomityö, Aalto-yliopisto, 2013. Jalle Bäcklund: Geotekninen monitorointi Suomessa (Arkistoitu – Internet Archive)
• FinMeas Oy: www.finmeas.com