Ehitusgeoloogia

Ehitusgeoloogia on rakendusgeoloogia haru, mis on tihedalt seotud ehitusega ja tähtis tsiviilehituses, kaevandamises ja naftatööstuses. Selle eesmärgiks on anda geoloogilist ja geotehnilist nõu, samuti uurida maapinna ja ehitise vahelisi vastastikmõjusid ning kuidas maapinnas toimuvad protsessid sellele mõju avaldavad. Ehitusgeoloogia on seotud pinnasemehaanikaga, keskkonnageoloogiaga ja hüdrogeoloogiaga. Ehitusgeoloogia peamiseks küsimuseks on, et kuidas saavutada olemasolevate geoloogiliste tingimuste juures optimaalsed ehituslikud lahendused.

Ajalugu

Geoloogia kui modernne teadus on eksisteerinud alates 18. sajandist, kuid ehitusgeoloogia kujunes teadusharuna välja alles 19. sajandi lõpus. Selle aitasid kaasa linnastumine ja industrialiseerimine. Ehitati keerulisemaid ehitisi, mille tulemusena sagenesid ka õnnetused.

Esimesed teooriad pinnasemehaanikast loodi 1773. aastal, kui Charles Coulomb töötas välja meetodi, kuidas määrata sõjalistele vallidele mõjuvaid pinnase poolt põhjustatud surveid. Ta leidis, et maksimaalne nihketugevus sõltub pinnase sidususest ja hõõrdetegurist.

Esimene ehitusgeoloogia raamat, mille autor oli William Penning, anti välja 1880. aastal. Seal kirjeldati, kuidas ehitus ilma geoloogilise uuringuta on ebatäielik ja kui tihedalt on need omavahel tegelikult seotud.

1856. aastal töötas Henry Darcy välja Darcy seaduse, mis kirjeldab vedeliku voolamist poorses pinnases. Albert Attenberg arendas savide koostise indeksid, mis on kasutusel ka tänapäeval pinnase määramisel. Osborne Reynolds avastas 1885. aastal, et pinnase nihkumine suurendab tihedust ja osakeste kokkutõmbumist teralistes materjalides.

Austria insener ja geoloog Karl Terzaghi seletas ära pinnasemehaanika tähtsuse ehitusgeoloogias ja pidas seda üheks alldistsipliiniks. Ta kirjutas mitmeid sellega seotud artikleid, mis 1925. aastal ka avaldati. Teda peetakse ka pinnasemehaanika isaks. Ta arendas välja efektiivpinge teooria ja tegi kindlaks, kuidas see mõjutab pinnase nihketugevust. Terzaghi töötas välja ka erinevate vundamentide kandevõimed ja teooria, kuidas ennustada ehitise põhjustatud vajumite kestvust ja suurust savikihtide konsolideerumisel.

Mitmed paljude inimohvritega õnnetused näitasid, et ehitustel on vaja geoloogilisi uuringuid. Näiteks 1918. aastal toimunud õnnetus Rootsis Getås, kus maalihe purustas rongitee ja selle tulemusena sõitis reisirong teel välja. Selle pärast loodi Rootsis ka maailma esimene geotehnika komisjon, mis tegi süstemaatilist tööd.

Pinnasemehaanika

Pinnaseteadus tegeleb enamasti pudeda pinnase füüsikaliste omaduste uurimisega. Nendest omadustest sõltuvad omakorda pinnase mehaanilised omadused, nagu tugevus, vajumite teke, vee läbilaskvus ja muud ehitustegevuse seisukohalt olulised näitajad. Pinnas koosneb kolmest faasist: tahke osa, õhk ja vesi. Pinnasepoorid, mis asuvad osakeste vahel, on täitunud õhu või veega.

Pinnaseomadusi mõjutavad neli peamist tegurit: osakeste valdav suurus, osakeste tüüp, lõimiseline koostis ning osakeste, õhu ja vee suhteline hulk pinnases.

Pinnase omadused

Mõned tähtsamad pinnase omadused, mida kasutatakse analüüsimaks pinnase tingimusi:

• Mahukaal – pinnase kogukaalu ja kogumahu suhe.
• Kuivmahukaal – pinnase tahkete osakeste kaalu ja pinnase kogumahu suhe.
• Veesisaldus – pinnases leiduva vee ja tahke osa kaalude suhe protsentides. Mida väiksem on veesisaldus, seda vähem vett pinnases võrreldes tahkete osakestega on.
• Veeküllastusaste – näitab, kui suur osa pinnase pooride mahust on veega täidetud.
• Poorsus – näitab pinnase tühimike ehk pooride ruumala osakaalu. Pooride ruumala ja pinnase koguruumala suhe.
• Poorsustegur – pooride ruumala ja tahke osa ruumala suhe.
• Suhteline tihedus – väljendab pinnase looduslikku tihedust tema tihedaima ja kohevaima oleku suhtes, kasutades poorsustegureid. Mida suurem on suhteline tihedus, seda tihedam on pinnas ja seda lähemal on pinnas oma minimaalsele poorsustegurile.
• Filtratsioonimoodul – iseloomustab pinnase vee läbilaskmise võimet.
• Nihketugevus – maksimaalne nihkepinge, mida pinnas purunemata talub. Sõltub tahkete osakeste vahelistest sidemetest.

Ehitusgeoloogilised uuringud

Puuraugu puurimine Buckland Monachorumi küla lähedal Inglismaal

Ehitusgeoloogilisi uuringuid viivad läbi vastava haridusega ja sellel alal kogenud geoloogid, kes mõistavad looduslike protsesside käiku ja nende ohtusid ehitistele. Uuringud on vajalikud ehitiste projekteerimisel, ehituse erinevates faasides ja ka pärast selle lõpetamist. Saamaks aru asukoha eripäradest puuritakse ja tehakse pinnase omadusi selgitavaid nii välis- kui laborikatseid.

Põhilised punktid, millele pööratakse tähelepanu:

• Milliste omadustega on ehitusalused pinnased ning kas need suudavad ehitist kanda?
• Kas ehitised võivad põhjustada vajumeid ja kui ulatuslikult?
• Millised põhjavee tingimused projekti asukohas valitsevad, kuidas need võivad tulevikus muutuda ja kuidas mõjutavad ehitist?
• Milline mõju on kaeve-ja täitetöödel? Kas ehitamisel on vaja kasutada tugiseinu?
• Kuidas ja milliseid pinnaseid ehituses kasutada?
• Kas looduslikud ja planeeritud nõlvad on stabiilsed? Kui ei, siis kuidas neid stabiliseerida?
• Millised peavad olema vundamendid?
• Kas esineb pinnasereostust, kui ohtlik see on ja kuidas seda likvideerida?

Uuringutel saadav informatsioon võimaldab valida ehitisele soodsaimate geoloogiliste tingimustega asukoht ning valida optimaalne vundamendi ja ehitise konstruktsioon. Samuti saab anda soovitusi ehitamise tehnoloogia valikuks ja ehitise alla jääva pinnase omaduste parandamiseks

Ehitusgeoloogilise uuringuid tehakse kõikidel rajatavatel ehitusobjektide projekteerimisel, näiteks:

• elamute, kommerts- ja tööstusehitised;
• riiklikel ehitustöödel: elektrijaamad, kanalisatsioon, tunnelid, kanalid, paisud, tammid, ehitised, raudteed, maanteed, sillad ja lennujaamad;
• kaevandused ja karjäärid;
• sadamad ja kaid;
• naftapuurplatvormid.

Maalihe Richemondis (Virginia, USA)

Tüüpilised geoloogilised ohud, millega tuleb arvestada: seismilised ohud, vulkaanilised ohud, maalihked, mudavoolud, ebastabiilsed nõlvad, erosioon ning nõrgad ja vajuvad pinnased.

Eesti ehitusgeoloogilised tingimused

Ehitustegevus on seotud maapinna ülemise osaga. Ehitusgeoloogilised tingimused olenevad sellest, kas paljandub pinnakate või aluspõhi.

Aluspõhja kivimid

Aluspõhja kivimid on tugevad ja tsementeerunud ning neid nimetatakse kaljupinnasteks. Ehitusalusena väga head, sest neil on suur kandevõime ja nad on peaaegu kokkusurumatud. Kuid karbonaatsete kivimite avamusalal võib tekkida probleeme karstinähtustega ja survelise põhjaveega ning liivakivide puhul tuleb vaadata tsementeerituse astet. Aluspõhja kivimitele saab ehitada ainult siis, kui pinnakate on õhuke või puudub üldse.

• Põhja-Eesti rannikul asuvad Ediacara ja Kambriumi konsolideerunud savid, liivsavid ja liivakivid.
• Kesk-Eestis asuvad Ordoviitsiumi ja Siluri karbonaatkivimid.
• Lõuna-Eestis Devoni liivakivid, kuid esineb ka savisid ja dolomiite.

Pinnakatte pinnased

Pinnakatte pinnased on pehmed, pudedad ja tsementeerumata. Need on väga lihtsasti kokkusurutavad. Pinnakate on liigestatum ja muutlikumate tingimustega. Seetõttu on ehitustingimused ka mitmekülgsemad. Ehitusalusena kasutatavad pinnakatte tüübid jagunevad neljaks: moreenid, liiv, nõrgad savid ja eripinnased.

• Moreen on levinum pinnakatte pinnas. Umbes pooltel juhtudel on ehitusalusena kasutatavaks pinnaseks moreen. Üldiselt hea ehitusalus, aga väga ebaühtlase koostise tõttu varieeruvate omadustega. Mida rohkem sisaldab moreen savi ja mida vähem jämepurdu, seda väiksem on selle tugevus. Moreen jagatakse omaduste järgi kolme rühma:
  • Klindiesine moreen – Levib Põhja-Eestis klindi ees. Sisaldab palju savi ja jämepurdu (tard- ja liivakivitükid).
  • Põhja-Eesti moreen – Levib Ordoviitsiumi ja Siluri avamusalal. Sisaldab rohkelt jämepurdu ja vähem savi kui klindiesine moreen.
  • Lõuna-Eesti moreen – Levib Devoni avamusalal Lõuna-Eestis. Liivakas ja savine, sisaldab vähem jämepurdu. Ehitusalusena nõrgem kui Põhja-Eesti moreen.

Moreenis esinevad tihti külmakerked, mille käigus pinnasesse jääv vesi külmub jääläätsedena ja toimub mahu suurenemine. See põhjustab pinnase kerkeid ja on ohtlik ehitise vundamendile ja võib põhjustada selle purunemist.

• Liivad on levikult teisel kohal. Liiv on suure kandevõimega ja tugev ehitusalus. Konkreetsed omadused sõltuvad suhtelisest tihedusest ja poorsusest. Liivad on tihendatavad, sellega saab suurendada suhtelist tihedust ja vähendada pinnases vajumite ulatust. Need on lihtsasti mõjutatavad hüdrodünaamikast, kuna nende filtratsioonimoodul on kõrge. Näiteks liivasesse pinnasesse kaevatud süvendid kaotavad oma tugevuse, kui põhjavee taset langetada. Üsna tavalised on orgaanika vahekihid liivas, mis vähendavad tugevust ja suurendavad kokkusurutavust ning pinnases esinevaid vajumeid.

• Nõrgad savid paiknevad nõgudes ja tasandikel, kus konsolidatsioon on aeglane. Savi omadused muutvad sügavuse suunas. Mida sügavamal, seda väiksem veesisaldus ja suurem tugevus ning tihedus. Väga nõrk ehitusalus, sest savid on kohevad ja kokkusurutavad. Savikates pinnastes esinevad suured vajumid. Kõike enam esineb savipinnaseid Pärnu, Haapsalu ja Matsalu lähedal. Samuti mereäärsetel aladel.

• Eripinnaste alla liigitatakse ebatavalised pinnased, näiteks turvas, allika- ja järvelubi, muda jne. Selliseid pinnaseid ehitusalusena välditakse, sest nende tugevus on väike ja esineb suuri vajumeid. Lisaks ei ole nende kihtide paksused ühtlased.

Kirjandus

• Coduto, D.P. 1999. Geotechnical Engineering: Principles and Practices
• Vilo, A. 1986. Ehitusgeoloogia
• Price, David George, 2008 Engineering Geology: Principles and Practice
• Prof. D. Venkat Reddy, NIT-Karnataka, 2010, Engineering Geology

Välislingid

• Ehitusgeoloogiliste tööde tegemise kord Riigi Teataja
• Ehitusgeoloogia andmekogu Maa-amet