Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena Diplomityö Marko Kelho Teknillisen korkeakoulun rakennus- ja ympäristötekniikan koulutusohjelmassa professori Terhi Pellisen valvonnassa tehty diplomityö

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta TIIVISTELMÄ Tekijä: Marko Kelho Diplomityö: Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena Päivämäärä: Sivumäärä: Professuuri: Tietekniikka Koodi: Yhd-10 Valvoja: Professori Terhi Pellinen, Teknillinen korkeakoulu Ohjaaja: Diplomi-insinööri Tuovi Päiviö-Leppänen, Tiehallinto Avainsanat: Roudan seuranta-asema, kelirikko, painorajoitus Diplomityön tavoitteena oli tutkia roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa ja arvioida tiedon käytettävyyttä painorajoitussuunnittelun tukena. Lisäksi tutkittiin, miten aseman sijainti vaikuttaa mittaustuloksiin ja näkyykö toteutunut kelirikko asemien tuottamassa tiedossa. Tutkimusaineistona olivat kelirikko- ja painorajoitustilastot sekä roudan seurantaasemien vuosina tuottama tieto. Asemat mittaavat tierakenteesta lämpötilaa sekä tierakenteen vesipitoisuutta kuvaavia sähköisiä ominaisuuksia eli dielektrisyyttä ja sähkönjohtavuutta. Mittaustietoa analysoitiin ja kuvattiin graafisesti sekä verrattiin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Lisäksi diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. Sähköiset ominaisuudet kuvaavat lämpötilaa tarkemmin tierakenteen routaantumista ja roudan sulamista. Kuitenkin sähköisten ominaisuuksien arvot ovat lämpötilaa enemmän paikallisia ja riippuvat aseman sijainnista. Sähköisten ominaisuuksien perusteella ei siten voida välttämättä päätellä roudan sulamisen alueellista etenemistä. Sitä vastoin tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila on sidoksissa ilman lämpötilaan ja asemien tuottamaa tietoa voidaan luotettavammin yleistää säähavaintojen ja ilman lämpötilan kuin sähköisten ominaisuuksien muutosten perusteella. Inventoidun runkokelirikon vuosittainen vaihtelu ei näkynyt kaikkien asemien tuottamassa tiedossa; joillain asemilla, kuten Kuorevedellä, muutokset olivat kuitenkin selvästi havaittavissa. Niinä syksyinä, joiden jälkeisinä keväinä kelirikkoa havaittiin enemmän kuin muulloin tutkimusaikana, tierakenteen jäätyminen eteni muita syksyjä hitaammin. Päätelmien tekemistä vaikeuttavat monet syyt: kelirikon vuosittainen vaihtelu ja esiintyminen olivat vähäisiä; lisäksi kelirikon tarkastelu tiepiireittäin kuvaa vain likimääräisesti aseman edustaman alueen kelirikkoa. Haastattelututkimuksen mukaan roudan seuranta-asemien suurin hyöty liittyy tällä hetkellä painorajoitusten poistamisen ajankohtaan, jota on voitu aikaistaa jopa muutamalla viikolla, kun aseman tuottama tieto on osoittanut tierakenteen kuivuneen riittävästi. Tiepiireillä ei kuitenkaan ole resursseja mittaustiedon analysointiin, joten tarvitaan valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. Kevätkelirikon seurannan lisäksi asemien tuottamaa tietoa voitaisiin hyödyntää nykyistä enemmän myös syys- ja talvikelirikon seurannassa sekä kelirikkokorjausten ajankohtaa määritettäessä. Tietoa pystyttäisiin käyttämään myös lähtötietona kelirikkoa tai tierakenteen routaa ennustavissa malleissa. Ennuste tierakenteen kosteudesta ja roudasta esitettäisiin teemakarttojen avulla Internetissä. Tiedon käytettävyyttä lisäävät mittauksen jatkuvuus ja aseman sijainnin pysyvyys sekä tiedon vuosittainen vertailu. Mittaustavan yhtenäistäminen helpottaisi asemien tuottaman tiedon vertailtavuutta. Asemat tulisi sijoittaa tiepiirien rajoista riippumattomien kelirikkoalueiden mukaisesti ja asemien lukumäärän tulisi olla nykyistä selkeämmin suhteessa kelirikon esiintymiseen.

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE Faculty of Engineering and Architecture MASTER THESIS Author: Marko Kelho The use of frost monitoring stations for imposing truck weight Master Thesis: restrictions Date: Number of Pages: Professorship: Highway Engineering Code: Yhd-10 Supervisor: Professor Terhi Pellinen, Helsinki University of Technology Instructor: M.Sc. Tuovi Päiviö-Leppänen, Finnish Road Administration Keywords: Frost monitoring station, thaw weakening, weight restriction The aim of the study was to investigate monitoring data produced by frost monitoring stations located at different parts in Finland. Furthermore, it was studied whether the collected data could be utilized more effectively for imposing truck weight restrictions. The study material included records of visual inspection of thaw weakening, records of imposed truck weight restrictions, and the monitoring data produced by the stations during years The collected data included temperature measurements and measurements of electrical properties of soil such as dielectric values and electrical conductivity. These electrical properties are used to determine water content in soil and pavement structure. The data were studied by graphical inspection, analysing variables and comparing data to the field observations. In addition, road district engineers and experts on thaw weakening were interviewed. The freeze and thaw of road structure is better captured by the electrical properties of soil compared to the measurements of temperature gradient. However, the electrical properties are to some extent affected by the pavement structure and location of ground water table; therefore, the electrical properties are more local than global and cannot be used easily for forecasting. As the pavement surface temperature is affected by the ambient air temperature, it is easier to use weather forecasts and local air temperature information in addition to pavement temperature gradient to predict the progression of freeze and thaw around the monitoring stations. There were some discrepancies between field observations of thaw weakening and monitoring data, although at some stations measurements matched very well. In addition, measurements at some stations suggest that the decreased rate of frost penetration in the pavement layers indicates increased thaw weakening in the spring. There are, however, several reasons for the lack of clear tends when comparing monitoring data and filed observations; visual inspections of thaw weakening are dependent of the observer; in road district, the amount of thaw weakening in a specific location was assessed using the total amount of thaw weakening in the road district; and the overall amount of thaw weakening and its yearly variation was very small during the years the monitoring data were collected. The frost monitoring data could be used more effectively for mitigating fall and winter freeze-thaw cycles, planning of frost repairs could be enhanced by better timing, and the data could also be used to develop freeze-thaw prediction models. Furthermore, the forecasts of presence of water and frost in the pavement structure could be placed in the Internet by the help of various theme maps. Other important things to consider are the continuity of obtaining monitoring data and the steadiness of monitoring locations. Also, standardization of data analysis methods could enhance interpretation of the data and stations should be located according to the severity of freeze-thaw observations, which may be independent of the location of road district boarders. When purchasing new stations, they should be placed to the areas of observed and potential severe freeze-thaw activity.

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tiehallinnon asiantuntijapalvelujen tilauksesta. Työn valvojana toimi Teknillisen korkeakoulun tietekniikan professori Terhi Pellinen ja työn ohjaaja oli diplomi-insinööri Tuovi Päiviö-Leppänen Tiehallinnon asiantuntijapalveluista. Työn ohjausryhmään kuuluivat lisäksi dosentti Jarkko Valtonen Teknillisestä korkeakoulusta sekä diplomi-insinööri Tuomas Toivonen Tiehallinnon asiantuntijapalveluista. Kiitän diplomityön ohjausryhmää työn valvomisesta ja ohjaamisesta. Kiitän myös Tiehallinnon asiantuntijapalveluja, Pirjo Ekmania, Esko Hätälää, Ulf Lindströmiä, Tuula Rytilää ja Ulla Purasta. Kiitokset haastatteluista tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöille ja asiantuntijoille sekä Jouko Beltille (Oulun yliopisto), Timo Saarenkedolle ja Tapio Inkeröiselle (Roadscanners Oy) ja Sami Ylöselle (FinMeas Oy). Espoossa Marko Kelho

5 KÄYTETYT LYHENTEET AB ABK BCI Hk KaM KVL PETA PTM PTM ikä Sa SCI Si sihk SiMr SMA SOP Sr SrM SrMr T&M-Sora TDR Tv Asfalttibetoni Kantavan kerroksen asfalttibetoni Base Curvature Index. Tien päällysrakenteen alaosan kantavuutta kuvaava arvo ( m), joka määritetään pudotuspainolaitteella. Hiekka Kalliomurske Vuoden keskimääräinen vuorokausiliikenne (ajoneuvoa/vuorokausi). PTM-mittauksessa tien poikittaista epätasaisuutta kuvaava tunnusluku. Liikenteen seassa tapahtuva tien kunnon mittaus, jossa lasermittaustekniikalla mitataan useita eri tunnuslukuja, kuten poikittainen epätasaisuus ja harjanne. PTM-mittausvuoden ja päällystystoimenpiteen vuoden erotus. Savi Surface Curvature Index. Tien päällysrakenteen pintaosan kantavuutta kuvaava arvo ( m), joka määritetään pudostuspainolaitteella. Siltti Silttinen hiekka Silttinen moreeni Kivimastiksiasfaltti Soratien pintaus. Soratien kulutuskerrokseen bitumisella sideaineella liimattu ohut murskekerros. Sora Soramurske Soramoreeni Tiehallinnon sorateiden kunnossapidon hallintajärjestelmä. Time Domain Reflectometer. Sähköisiä impulsseja lähettävä tutka. Turve

6 SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ 2 ABSTRACT 3 ALKUSANAT 4 KÄYTETYT LYHENTEET 5 1 JOHDANTO 10 2 ROUDAN VAIKUTUKSET TIESTÖLLÄ Yleistä Routa ja routiminen Routimisen edellytykset ja maalajien routivuus Roudan syvyys Roudan sulaminen Kelirikko Kelirikkotyypit Kelirikon syntyyn vaikuttavat tekijät Kelirikkokorjaukset ja niiden kannattavuus Painorajoitukset Yleistä Tiehallinnon painorajoitusmenettely Kelirikosta ja painorajoituksista tiedottaminen liikennemerkeillä Minnesotan painorajoitusmenettely 36 3 KELIRIKKO JA PAINORAJOITUKSET SUOMEN TIESTÖLLÄ Tiestön luokittelu, tieverkon pituus ja liikennemäärät Kelirikko Suomen tiestöllä Painorajoitukset Suomen tiestöllä Painorajoitusten pituus ja määrä kelirikkoon verrattuina 41 4 KELIRIKON SEURANTA Kelirikon seurannassa tarkkailtavat muuttujat 42 vi

7 4.2 Kelirikon seuranta sähköisten ominaisuuksien avulla Dielektrisyys kelirikon seurannassa Sähkönjohtavuus kelirikon seurannassa Lämpötilan seuranta-asemat Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Percoasemat 53 5 TUTKIMUSAINEISTO JA -MENETELMÄT Yleistä Kelirikko- ja painorajoitustilastot Roudan seuranta-asemien tuottama tieto Yleistä Lämpötilan seuranta-asemat Percoasemat Haastattelut 63 6 TUTKIMUSTULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU Roudan seuranta-asemien tuottama tieto lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiilien avulla tarkasteltuna Roudan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin Kelirikko ja painorajoitukset tiepiireissä Lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin Percoasemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien tuottama tieto verrattuna asemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 inventoituun kelirikkoon Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon yleistettävyys Alle 200 km etäisyydellä toisistaan sijainneiden roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon vertailu Percoaseman sijainnin muutoksen vaikutukset aseman tuottamaan tietoon Tierakenteen ja sään vaikutukset roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon Tiepiirien kokemuksia roudan seuranta-asemista ja painorajoitussuunnittelusta Yleistä Haastattelut Tutkimusaineiston ja -menetelmien luotettavuuden arviointi Kelirikko- ja painorajoitustilastot ja niiden vertaaminen roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon Roudan seuranta-asemien tuottama tieto 95 vii

8 6.6 Pohdintaa Tierakenteen roudan seuranta sähköisiä ominaisuuksia mittaamalla Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon monipuolinen käyttö 99 7 YHTEENVETO 102 LÄHDELUETTELO 108 LIITTEET 116 Liite 1. Tiepiirit, inventoitu runkokelirikko ja painorajoitukset vuosina (kartta) 116 Liite 2. Inventoitu runkokelirikko vuosina Liite 3. Maanteiden painorajoitukset vuosina Liite 4. Kelirikon ja painorajoitusten suhteellinen pituus vuosina Liite 5. Kelirikon ja painorajoitusten määrä vuosina Liite 6. Kelirikko Kuoreveden Percoaseman ympäristössä vuosina Liite 7. Kelirikko Javaruksen Percoaseman ympäristössä vuosina Liite 8. Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit 128 Liite 9. Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit 131 Liite 10. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 134 Liite 11. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 138 Liite 12. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit ajan funktiona 142 Liite 13. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit lämpötilan funktiona 146 Liite 14. Percoasemien lämpötilaprofiilit 150 Liite 15. Percoasemien dielektrisyysprofiilit 157 Liite 16. Percoasemien sähkönjohtavuusprofiilit 161 Liite 17. Percoasemien mittaama dielektrisyys ajan funktiona (viivadiagrammit) 168 Liite 18. Percoasemien mittaama sähkönjohtavuus ajan funktiona (viivadiagrammit) 175 Liite 19. Muita Percoasemien tuottamasta tiedosta piirrettyjä diagrammeja 182 Liite 20. Lämpötilan seuranta-asemien sijainti (kartta) 183 Liite 21. Percoasemien sijainti (kartta) 184 viii

9 Liite 22. Tierakenne Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemilla 185 Liite 23. Tierakenne Percoasemilla 186 Liite 24. Kuvia tierakenteista Percoasemilla 188 Liite 25. Kuvia lämpötilan seuranta-asemilta 189 Liite 26. Kuvia Percoasemilta 190 ix

10 1 Johdanto 1 JOHDANTO Kelirikkoa esiintyy erityisesti vähäliikenteisillä rakentamattomilla sorateillä. Niiden kautta kuitenkin kulkee paljon metsä- ja rakennusteollisuuden kuljetuksia. Kuljetusten lisäksi kelirikko ja painorajoitukset haittaavat myös maaseudun pienyrittäjien toimintaa sekä liikkumisen tasa-arvon toteutumista. Vaikka inventoidun kelirikon pituus on lyhentynyt viime vuosina, ei kelirikosta ja painorajoituksista aiheutuva haitta ole vähentynyt. Kelirikkoa hallitaan tienpitäjän toimesta kelirikon seurannalla ja kelirikkokorjauksilla sekä vaikuttamalla liikennekuormitukseen painorajoituksilla ja yhteistyöllä tienkäyttäjien kanssa. Tierakenteen routaantumista sekä roudan syvyyttä ja sulamista on tiepiireissä aikaisemmin arvioitu mittaamalla tierakenteen lämpötilaa routamittareilla. Viime vuosina tiepiireihin on perustettu mittausantureilla ja ohjauskeskuksella varustettuja tierakenteen lämpötilaa ja kosteutta mittaavia roudan seuranta-asemia. Asemien tuottamaa tietoa on käytetty painorajoitussuunnittelun tukena sekä roudan sulamisesta tiedotettaessa. Asemia on kuitenkin hyvin vähän suhteessa Suomen pintaalaan ja tiestön pituuteen. Tähän mennessä asemien tuottaman tiedon analysointia ei ole systemaattisesti tehty. Diplomityön tavoitteena oli tutkia roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa ja arvioida tiedon yleistettävyyttä. Lisäksi tutkittiin, miten aseman sijainti vaikuttaa mittaustuloksiin ja näkyykö toteutunut kelirikko asemien tuottamassa tiedossa. Tutkimuksessa etsittiin vastausta kysymykseen, miten asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä monipuolisemmin painorajoitussuunnittelun tukena sekä tarkasteltiin vaihtoehtoa käyttää pelkkää lämpötilatietoa roudan seurantaan ja painorajoitusten asettamiseen. Tutkimusaineistona olivat kelirikko- ja painorajoitustilastot sekä roudan seurantaasemien vuosina tuottama tieto. Asemien tuottamaa tietoa verrattiin inventoituihin kelirikkoihin, sillä ne kuvaavat kelirikko-ongelmaa painorajoituksia paremmin, sillä painorajoituksiin vaikuttavat kelirikon lisäksi tiepiirien painorajoituskäytännöt. Yksityisteiden kelirikkoa ja vuotta 2000 aikaisempia kelirikkoja painorajoitustilastoja ei tutkittu. Roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa tarkasteltiin kuvaamalla mitattuja muuttujia graafisesti, laskemalla muun muassa keskiarvoja valituista muuttujista ja vertaamalla asemien mittaustietoa kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Asemien tuottamaa tietoa käsiteltiin Excel-ohjelmistolla ja kelirikkotilastojen tutkimisessa käytettiin myös T&M-Sora- ja ArcGIS-ohjelmistoja. Lisäksi diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. 10

11 2 ROUDAN VAIKUTUKSET TIESTÖLLÄ 2.1 Yleistä 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tierakenne Tierakenne koostuu alus- ja päällysrakenteesta (Taulukko 1). Alusrakenteeseen kuuluvat pohjamaa, pengertäyte, pohjavahvistukset sekä leikkaus- ja pengerluiskat. Päällysrakenne koostuu useasta kerroksesta, joista osa on sitomattomia ja osa voi olla sidottuja. Päällysrakenne antaa tasaisen alustan liikennettä varten sekä ottaa vastaan liikennekuorman ja jakaa sen alusrakenteelle. (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982) (Tielaitos, 1991) (Tiehallinto, 2004a) Taulukko 1. Tierakenne. (Hartikainen & Jämsä, 1986) (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982) (Tiehallinto, 2004a) (Tielaitos, 1991) Päällysrakenne Alusrakenne Päällystetty tie Päällystekerrokset Sitomattomat kerrokset Kulutuskerros Muodostaa tasaisen ja kulutusta kestävän alustan liikenteelle sekä riittävän kitkan renkaan kanssa Ehkäisee veden tunkeutumista alempiin kerroksiin Bitumilla sidotut kerrokset (taipuisa rakenne) Kantavan kerroksen sidottu yläosa Käytetään, kun tarvitaan suurta kantavuutta Saa olla liikenteessä 1-3 vuotta ennen kulutuskerroksen rakentamista Murske Soratie Kulutuskerros Muodostaa tasaisen ja kulutusta kestävän alustan liikenteelle sekä riittävän kitkan renkaan kanssa Ehkäisee veden tunkeutumista alempiin kerroksiin Murske Sidekerros Sorateillä ei ole kantavaa kerrosta, mutta kulutuskerroksen alapuolella voi olla sidekerros Parantaa kantavuutta ja sitoo kosteutta Kulutuskerrosta karkeampi murske Kantavan kerroksen sitomaton alaosa Lisää tien kantavuutta Muodostaa pohjan päällystekerroksille Murske Jakava kerros Jakaa kuorman alemmille kerroksille ja lisää kantavuutta Kuivattaa tierakennetta ja katkaisee veden kapillaarisen nousun Luonnon kiveä tai mursketta Suodatinkerros Estää päällys- ja alusrakenteen sekoittumista Ehkäisee veden kapillaarista nousua ja routimista Suodatin hiekka, sora tai murske; tarvittaessa käytetään suodatinkangasta Pohjamaa tai pengertäyte Ehkäisee epätasaisia painumia ja routanousuja Vaikuttaa tien kantavuuteen ja kestävyyteen Pengertäyte ei saa sisältää savea, kiviä eikä lohkareita 11

12 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tiet jaetaan kulutuskerroksen perusteella kestopäällyste-, kevyt päällyste- sekä sorateihin. Sorateiden tierakenne on hyvin vaihteleva. Suomessa se koostuu yleensä kulutus- ja sidekerroksesta sekä jakavasta kerroksesta ja suodatinkerroksesta. Kulutuskerros on tärkein soratien kuntoon sekä ajettavuuteen vaikuttava rakenneosa. Osa sorateistä on rakentamattomia teitä eli niillä ei ole kulutuskerroksen lisäksi muita rakennekerroksia. Rakentamattomat tiet on tehty kasaamalla tieuralle tien reunoilta ja ojista kaivumaata ja vain ylin kerros on rakennettu routimattomasta materiaalista. (Lappalainen, Eerola & Patrikainen, 1985) (Nyman, 1997) (Saarelainen & Törnqvist, 2004) (Tielaitos, 1995) Tien kantavuus Merkittävin tien päällysrakenteeseen kohdistuva kuorma on liikennekuorma, joka on luonteeltaan dynaamista kuormitusta. Alusrakennetta kuormittavat lisäksi yläpuoliset kerrokset. Kuormitus aiheuttaa tierakenteessa muodonmuutoksen, joka koostuu kimmoisesta eli palautuvasta sekä plastisesta eli pysyvästä osasta. Muodonmuutoksia tapahtuu sekä päällys-, että alusrakenteessa. Tien kantavuudella tarkoitetaan tierakenteen kuormituskestävyyttä eli kykyä kestää kuormitusta ilman, että rakenteeseen syntyy murtumia tai pysyviä muodonmuutoksia. Kantavuus ilmaistaan yhdellä koko tien rakennetta kuvaavalla kimmokertoimella (Kaava 1) (Belt, Ehrola & Piippo, 1986) (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982): = (1) jossa E on kimmokerroin (kn/m 2 ) jännitys (kn/m 2 ) suhteellinen muodonmuutos Maarakenteiden kantavuus määräytyy pääasiassa maan leikkauslujuuden perusteella (Kaava 2) (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): = + (2) jossa τ f on leikkauslujuus (kn/m 2 ) c tehokas koheesio (kn/m 2 ), kitkamaalajeilla c = 0 σ tehokas normaalijännitys eli raepaine (kn/m 2 ) tehokas kitkakulma ( ), koheesiomaalajeilla = 0 12

13 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tehokas normaalijännitys saadaan kokonaisjännityksen ja huokosveden paineen erotuksena (Kaava 3) (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): = (3) jossa σ on tehokas normaalijännitys (kn/m 2 ) σ kokonaisjännitys (kn/m 2 ) u w huokosveden paine (kn/m 2 ) Vesipitoisuus vaikuttaa tien sitomattomien rakennekerrosten ja pohjamaan kantavuuteen. Huokosveden paineen kasvu pienentää maan tehokasta normaalijännitystä ja siten myös leikkauslujuutta. Hyvin vettä läpäisevillä maalajeilla ei yleensä synny leikkauslujuutta alentavaa huokosveden painetta. Jos vesipitoisuus kasvaa suuremmaksi kuin 80 % ja tiehen kohdistuu kuormitusta, niin leikkauslujuus pienenee merkittävästi. (Ehrola, 1996) (Suhonen, 2005) Hienorakeisten maalajien leikkauslujuus puolestaan riippuu hyvin voimakkaasti vesipitoisuudesta ja hienorakeisilla maalajeilla kantavuus laskee jyrkästi maaperän vesipitoisuuden kasvaessa. Keväällä tierakenteen vesipitoisuuksissa on suuria eroja pienelläkin alueella. Kantavuus saattaa vaihdella huomattavan paljon lyhyelläkin tieosuudella kevään aikana. (Ehrola, 1996) (Jämsä, 1985) (Järvinen, 1991) (Pihlamäki, 1987) (Suhonen, 2005) Ympäristötekijöillä on suuri vaikutus tierakenteen kantavuuteen ja kestävyyteen. Tärkeimmät niistä määräytyvät tien alusrakenteen, pohjaveden pinnan ja ilmaston perusteella. Tien jäätyessä sen kantavuus kasvaa moninkertaiseksi, mutta keväällä roudan sulaessa kantavuus saattaa olla vain puolet syksyn kantavuudesta. (Ehrola, 1991) (Huhtala M., 1979) (Huhtala R., 1985) (Järvinen, 1991) Veden esiintyminen maaperässä Maaperä on kallioperän päällä olevaa irrallista orgaanisten ja ei-orgaanisten ainesten muodostamaa materiaalia. Sen aineksena on maa eli maa-aines, joka on rakennustekniikassa yleinen ainekäsite. Maa-aines koostuu maalajeista, joiden muodostuminen on eräs geologisen kehityksen vaihe kallioperän kiertokulussa. Kallioperä koostuu mineraaliseoksista eli kivilajeista. (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) Luonnonkosteassa maaperässä on maa-aineksen lisäksi vettä ja ilmaa. Vesi on maarakeiden välisessä huokostilassa sekä kalliota halkovissa raoissa. Veteen vaikuttaa fysikaalisia voimia, kuten painovoima, pintajännitys ja sähköstaattiset voimat. Näiden voimien vaikutuksesta vesi voi esiintyä (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): 13

14 2 Roudan vaikutukset tiestöllä vapaana eli gravitaatiovetenä, kapillaari- eli viskoosivetenä ja adsorptio- eli vaippavetenä. Gravitaatiovesi liikkuu huokosissa painovoiman vaikutuksesta. Kapillaarivesi on maarakeiden väliin kapillaaristen voimien, kuten pintajännityksen vaikutuksesta kiinnittynyttä vettä. Kapillaarivesi esiintyy kahdessa kerroksessa siten, että ulompi kerros pysyy kiinni pintajännityksen ja kolloidisten voimien avulla ja sisempänä vaikuttavat ainoastaan kolloidiset voimat. Adsorptiovesi on maahiukkasten ja vesimolekyylien välisten sähköstaattisten voimien maarakeiden pinnalle sitomaa vettä. Hydroskooppinen vesi on ilman vesihöyrystä maarakeiden pinnoille ohuiksi kalvoiksi tiivistynyttä adsorptiovettä. Pohjavesi on hienorakeisissa maaperässä lähinnä adsorptiovettä, mutta karkearakeisessa maaperässä gravitaatiovettä. Pohjavesivyöhyke päättyy vettä läpäisemättömään maa- ja kalliokerrokseen. Maaperän huokostila ja kallioraot voivat olla osittain tai kokonaan veden täyttämiä. Kyllästysasteen, veden paineen, liikkuvuuden ja sitoutuneisuuden mukaan maaperä jaetaan neljään vesivyöhykkeeseen (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Saarenketo, 1998) (Suhonen, 2005): Juurivyöhyke, Vajovesivyöhyke (alaspäin liikkuva gravitaatiovesi), Kapillaarivyöhyke ja Pohjavesivyöhyke. Veden kapillaarinen nousukorkeus Nesteellä on taipumus tunkeutua ohuisiin huokosiin nesteen ja sitä ympäröivän seinämän aiheuttaman vetovoiman sekä nesteen pintajännityksen vaikutuksesta. Kapillaarinen nousukorkeus voidaan laskea yhtälöstä (Kaava 4) (Syed, Scullion & Randolph, 1999): h = 2 (4) jossa h on kapillaarinen nousukorkeus (m) pintajännitys (N/m) veden ja pinnan kosketuskulma ( ) r kapillaariputken läpimitta (m) w nesteen tiheys (kg/m 3 ) g maan vetovoiman kiihtyvyys (m/s 2 ) 14

15 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Maaperässä pohjavesi pyrkii nousemaan veden pintajännityksen, maa-aineksen ja vesimolekyylien välisen vetovoiman vaikutuksesta maahuokosiin pohjaveden pinnan yläpuolelle. Kohoaminen jatkuu, kunnes vesimassaan kohdistuva painovoima ja kapillaarivoimat ovat tasapainossa. Maaperässä kapillaarinen nousukorkeus on siten pohjaveden pinnan ja kohonneen vedenpinnan välinen etäisyys. Jos yhtälöön (Kaava 4) sijoitetaan veden tiheys (1 000 kg/m 3 ) ja maan vetovoiman kiihtyvyys (9,81 m/s 2 ) sekä maa-aineksen ja veden välinen pintajännitys (0,073 N/m) ja kosketuskulma ( 1 ), niin yhtälö saadaan muotoon (Kaava 5) (Suhonen, 2005) (Syed, Scullion & Randolph, 1999): 1, h (5) jossa r on kapillaariputken läpimitta (m) Maaperässä veden kapillaarinen nousukorkeus on siis kääntäen verrannollinen kapillaariputken sisäläpimittaan. Maan kapillaariputkiston keskimääräinen halkaisija on puolestaan verrannollinen maan raekokoon, joten veden kapillaarinen nousukorkeus on kääntäen verrannollinen maalajin raekokoon. Kapillaarisuuden riippuvuutta maalajin raekoosta ja tiiveydestä kuvataan malleilla, joissa on mukana maalajikohtaisia kokeellisia kertoimia. (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Suhonen, 2005) (Syed, Scullion & Randolph, 1999) Veden jäätyminen maaperässä Maassa oleva vesi ei välttämättä jäädy, vaikka sen lämpötila laskisi nollan alapuolelle. Tämä johtuu muun muassa jäätymisvyöhykkeeseen kohdistuvista puristuksista ja kuormituksista ja veden sisältämistä epäpuhtauksista. Maa-aineksen jäätymislämpötilaa alentavat huokosveden sisältämät suolat ja kolloidit. Veden jäätymiseen vaikuttavat maaperän rakenneosien suhteet sekä vedenläpäisevyys. Maaveden jäätyminen saattaa kestää jopa kuukausia, vaikka maan lämpötila olisi nollaa alhaisempi. Talvikuukausinakin maavesi on pääasiassa sulaa ja vesi liikkuu maaperässä. (Belt, 2007) (Hänninen, Venäläinen & Sutinen, 2005) (Roadscanners Oy, 2001) (Ryynänen, 2000) (Saarelainen, 1990) 15

16 2.2 Routa ja routiminen Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena Routimisen edellytykset ja maalajien routivuus 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Routa Roudaksi kutsutaan maakerrosta, joka on kovettunut maakerroksessa olevan veden jäätymisen johdosta. Roudan syntymiseen vaikuttavat ilman lämpötila, maan vesipitoisuus, rakeisuus, maakerrokseen kohdistuva kuormitus sekä routaantumisnopeus. Roudan paksuutta nimitetään roudan syvyydeksi ja sen alapintaa routarajaksi. Jos roudan muodostumisen eli routaantumisen yhteydessä maaperän vesipitoisuus ja tilavuus kasvavat ja syntyy pinnan kohoilua eli routanousua, tapahtumaa sanotaan routimiseksi. Routiminen johtuu veden kapillaarisesta noususta kerrosroudan jäämuodostumiin. Kaikki maalajit ovat routaantuvia, mutta routimista tapahtuu vain routivissa maalajeissa. (Hartikainen, 2000) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Järvinen, 1991) (Suhonen, 2005) (Parantainen, 1982) (Tielaitos, 1991) Routaa esiintyy pinta-, onkalo- ja kerrosroutana sekä massiivisena routana. Pintarouta muodostuu pystysuorista jääneulasista, joiden yläpäässä on ohut maakerros. Onkalorouta syntyy maan pintakerroksen onkaloiden seinämiin jäätyneestä vedestä. Kerrosroudassa vuorottelevat vaakasuorat jääkerrokset sekä -linssit sulan tai massiivisesti routaantuneen maakerroksen kanssa. Kerrosroudan yhteydessä tapahtuu aina routanousua ja sitä muodostavia maalajeja sanotaankin routiviksi. Routivia maalajeja on % Suomen maaperästä. Massiivista routaa muodostavia maalajeja sanotaan routimattomiksi, sillä niiden tilavuudessa ei tapahdu muutoksia routaantumisen yhteydessä. (Ehrola, 1973) (Huhtala M., 1991) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) 16

17 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Routiminen Maarakeisiin sitoutuneella vedellä on maakerroksessa vallitsevan paineen vuoksi vapaata vettä alhaisempi jäätymispiste, joten lämpötilan laskiessa ensimmäiseksi maaperässä jäätyy vapaa vesi. Lämpötilan laskiessa myös sitoutuneen veden molekyylit liittyvät jääkiteeseen. Maarakeisiin sitoutuneeseen vesivaippaan syntyy molekyylivajaus, jonka vaippa pyrkii täyttämään imemällä sulina olevista huokosista vesimolekyylejä poistuneiden tilalle. Huokoset täyttyvät pohjavedestä niihin syntyneen alipaineen ja kapillaarivoimien vaikutuksesta. Jääkide kasvaa, kunnes veden saanti katkeaa. Kiteistä kasvaa jääkerroksia ja -linssejä. Veden jäätymisen aiheuttama tilavuuden kasvu tapahtuu suurimmaksi osaksi ylöspäin, jossa vastustava voima on yleensä pienin. Routimisen aiheuttama maakerroksen tilavuuden kasvu on 5 20 %. Routivan maakerroksen syntyyn vaikuttavat maan rakeisuus, lämmönjohtavuus ja vesipitoisuus, pohjaveden sijainti, routaantumisnopeus sekä routivan kohdan kuormitus. Mitä suurempi on routaantumisnopeus, sitä vähemmän ja ohuempia jääkerroksia ehtii muodostua. Jos routaraja pysyy kauan paikallaan, esimerkiksi leudon talven vuoksi, niin syntyy paksu jääkerros. (Ehrola, 1996) (Ehrola, 1973) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Hartikainen, 2000) (Suhonen, 2005) Routimisen edellytyksenä ovat seuraavat tekijät (Anderson, 1989) (Roadscanners Oy, 2001): 1. routimisherkän maalajin esiintyminen, 2. maalämpötila < 0 C ja 3. veden saatavuus. Maalajien routivuuteen vaikuttaa eniten maalajin vedenläpäisevyys ja kapillaarisuus, siis maalajin raekoko. Routivilla maalajeilla kapillaarinen nousukorkeus on yli metrin ja erittäin routivilla yli kaksi metriä. Murskeiden ja sorien routivuutta ei voida luotettavasti määrittää kapillaarisen nousukorkeuden avulla. Savella on suuri kapillaarisuus, mutta sen vedenläpäisevyys on heikko; hiekka on hyvin vettä läpäisevää, mutta sillä on pieni kapillaarisuus. Routimattomia ovat hiekka ja sitä karkeammat maalajit. Voimakkaimmin routivia ovat siltti, silttimoreeni sekä laiha savi. Tierakenteen routimiseen vaikuttavat pohjamaan routivuusominaisuudet, päällysrakenteen paksuus ja veden saatavuus. Tierakenteen routiminen tarkoittaa sitä, että rakenne vaurioituu joko routanousun tai roudan sulamisen vaikutuksesta. (Hartikainen, 2000) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Parantainen, 1982) (Suhonen, 2005) (Tielaitos, 1993; Tielaitos, 1991) 17

18 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Roudan syvyys Roudan syvyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat lämpötilan alhaisuus, pakkasen kestoaika, maaperän rakeisuus, lämmönjohtokyky ja vesipitoisuus sekä kasvi- ja lumipeite. Määräävimmät näistä ovat lämpötilan alhaisuus ja pakkasen kesto. Roudan syvyyttä voidaankin arvioida pakkasmäärän avulla (Kaava 6). Roudan syvyys lisääntyy niin kauan kuin pakkassumma kasvaa eli usein huhtikuulle saakka. (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) = (6) jossa z f on roudan syvyys (m) C kerroin (0,0090 0,0115) F pakkasmäärä (h C) Roudan sulaminen Roudan sulaminen alkaa pääasiassa maan pinnalta ja aukeilta paikoilta ulkoilman lämpenemisen johdosta. Maan ja ulkoilman väliseen lämpötasapainoon vaikuttavat pinnan ja ilman välisen lämpötilaeron lisäksi maassa vaikuttavat lämpötilavirtaukset ja maan lämmönjohtavuus. Sulaminen tapahtuu yhtä aikaa roudan ylä- ja alapuolelta ja sulamisrintamat kohtaavat sulamisen päätyttyä. Sulamisesta % tapahtuu ylhäältä päin. Kerrosroudan sulaessa pinnan alapuolella oleva vettä läpäisemätön kerros estää veden poistumisen alaspäin ja sulanut kerros muuttuu ylikosteaksi. Tapahtumaa kutsutaan routapehmenemiseksi. Jos sulaneeseen kerrokseen kohdistuu esimerkiksi liikenteen aiheuttamaa kuormitusta ja tärinää, niin maakerros vetelöityy. Ilmiö esiintyy erityisesti keväisin vanhoilla sorateillä ja siitä käytetään nimitystä kelirikko. Tierakenteessa routa sulaa nopeimmin tien reunassa ja ylhäältä päin. Kelirikon aikana tien kantavuus tilapäisesti heikkenee. (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Palolahti, Slunga, Saarelainen & Orama, 1993) (Ryynänen, 2000) (Suhonen, 2005) 18

19 2.3 Kelirikko Kelirikkotyypit Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Pintakelirikko Keväisin esiintyvässä pintakelirikossa tien pintaosa sulaa cm syvyyteen ja sulamisesta vapautunut vesi pehmentää tien pinnan. Pintakelirikon vaikeus riippuu sulamisen aikaisesta säästä, liikennekuormituksesta, kulutuskerroksen rakeisuudesta ja hienoainespitoisuudesta sekä tierakenteen routaantumisnopeudesta ja vesipitoisuudesta routaantumisen aikana. Kulutuskerroksen korkeaan hienoainespitoisuuteen liittyvä kelirikko on yleensä aina pintakelirikkoa. Pintakelirikkovaiheelle on tyypillistä tien ylimpien kerrosten suuri sähkönjohtavuus. Vaihe kestää yleensä yhdestä kahteen viikkoon, jona aikana ei yleensä tarvita painorajoituksia. Sateet ja sulamisvedet vaikeuttavat pintakelirikkoa. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Saarenketo & Aho, 2005a) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) (Tiehallinto, 2007a) Runkokelirikko Tierakenteen roudan sulamisen edetessä syvemmällä rakenteeseen voi seurata runkokelirikko. Silloin tien pinta on mahdollisesti jo kuivunut ja kovettunut, mutta tien runko on pehmeä. Jäälinsseistä sulanut vesi ei pääse poistumaan tien sivuille tai alaspäin, sillä vielä jäässä olevat huonosti vettä läpäisevät kerrokset estävät veden poistumisen. Liikenteen kuormituksen seurauksena huokosveden paine kasvaa ja se pienentää maarakeiden välistä tehokasta jännitystä ja tierakenteen kantavuutta. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) (Tiehallinto, 2007a) Syyskelirikko Roudan sulamisen lisäksi kelirikon syntyyn vaikuttavat runsaat sateet. Sateisiin liittyvä kelirikko esiintyy pääasiassa syksyllä, minkä vuoksi siitä käytetään nimitystä syyskelirikko. Syyskelirikko on pääosin pintakelirikkoa. Leutoina talvina voi esiintyä syyskelirikon kaltaista talvikelirikkoa. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Tiehallinto, 2007a) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) 19

20 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkovaiheet Kelirikkotyyppien lisäksi vuoden aikana esiintyvää kelirikkoa voidaan tarkastella prosessina, jossa on viisi vaihetta (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a): 1. Syksyn jäätymis-sulamispehmeneminen 2. Pintakelirikko 3. Rakennekelirikko 4. Pohjamaan kelirikko 5. Syyskelirikko. Jäätymis-sulamisvaihe esiintyy myöhään syksyllä. Jäätymis-sulamissyklin aikana tien ylimmät kerrokset jäätyvät muutamiksi päiviksi, mutta sulavat lämpötilan noustessa. Jäätymis-sulamissyklien seurauksena vettä imeytyy pohjamaasta tien päällysrakenteen ylimpiin kerroksiin. Kulutuskerros saattaa vettyä ja muuttua plastiseksi. Syksyn jäätymis-sulamissyklit vaikuttavat kevään kelirikko-ongelmien vaikeuteen varsinkin, jos niiden yhteydessä muodostuu tierakenteeseen kerrosroutaa. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) Rakennekelirikkovaiheessa sulamisrintama etenee tien pinnasta cm syvyyteen, mutta pohjamaa on edelleen routainen. Jos tierakenne routii ja on huonolaatuista materiaalia, niin kohonnut vesipitoisuus yhdessä liikennekuormituksen kanssa heikentää tien kantavuutta. Erityisesti SOP teillä kelirikosta aiheutuvat vauriot liittyvät pinta- ja rakennekelirikkoon. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) Pohjamaan kelirikkovaihe alkaa, kun sulamisrintama saavuttaa pohjamaan yläpinnan. Silloin esiintyvien kelirikkovaurioiden vakavuus riippuu pohjamaan routivuudesta sekä tien rakennekerrosten paksuudesta ja jäykkyydestä. Pohjamaan kelirikon aikana tien kuntoon vaikuttavat tietä käyttävän raskaan liikenteen kuormitus ja liikennöintitaajuus. Tien kantavuus on heikoimmillaan, kun routa on kokonaan sulanut. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) 20

21 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikon syntyyn vaikuttavat tekijät Kelirikon syntymisen edellytykset Roudan sulamisesta johtuvan kelirikon syntymisen edellytykset ovat tierakenteessa olevan routivan maa-aineksen jäätyminen, sulamisen aikana vapautuvan veden jääminen tierakenteeseen ja samaan aikaan tapahtuva kuormitus (Kuva 1). (Aho, 2004) (Aho Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) Routivan maa-aineksen lämpötila laskee ja routarajalla on riiitävästi vettä saatavissa Roudan sulaessa vapautuva vesi jää tierakenteeseen Tietä kuormitetaan roudan sulamisen aikana Kuva 1. Kelirikon syntymisen edellytykset. (Launonen & Turunen, 1995) Kelirikon syntyyn vaikuttavista tekijöistä tärkeimmät ovat liikenne- ja ympäristökuormitus sekä kohteen olosuhdetekijät (Taulukko 2). Kelirikkoa esiintyy eniten rakentamattomilla sorateillä, mutta myös rakennetuilla sorateillä sekä sirotepinta- ja öljysorateillä. (Aho, 2004) (Aho Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) Taulukko 2. Kelirikon syntymiseen vaikuttavat tekijät. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo& Kolisoja, 2005) Olosuhdetekijät Ympäristökuormitus Liikennekuormitus Kuivatusolosuhteet Tien ja ympäristön topografia Kuivatusrakenteet Tierakenne Rakennekerrosten laatu, paksuus ja sekoittuneisuus Pohjamaa Maalaji ja sen routivuus Sää ja hydrologiset tekijät Lämpötila Pohjaveden pinnan korkeus Sadanta Routa Raskas liikenne Ajoitus Määrä Akselikuorma Rengaspaine Palautumisaika Sään vaikutus kelirikon vaikeuteen Kelirikon vaikeuteen vaikuttavat syksyn sademäärä, alkutalven lämpötila (routaantumisaika), talven pakkasmäärä sekä sulamiskauden lämpötila (sulamisaika), sademäärä ja yöpakkaset (Taulukko 3). Sateinen syksy lisää tierakenteen ja pohjamaan kosteutta. Leutona alkutalvena maahan sitoutuu enemmän vettä kuin kylmänä. Jos tierakenne routaantuu nopeasti, niin routaraja estää veden kulkeutumista ja rakenteeseen syntyy vain ohuita jääkerroksia. Jos lämpötila vaihtelee syksyllä paljon ja routaantuminen on hidasta, niin tierakenteeseen muodostuu paksu jääkerros. Usein vaikea kelirikko ilmenee leudon talven jälkeen. (Belt, Lämsä, Ehrola, Ernvall & Seppälä, 1999) (Hartikainen, 2000) (Suhonen, 2005) 21

22 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Sulamiskauden korkea lämpötila nopeuttaa roudan sulamista ja kelirikon poistumista, mutta jos routa sulaa nopeasti, niin vettä vapautuu enemmän kuin tierakenteesta pystyy poistumaan ja rakenteeseen voi kerääntyä paljon kosteutta. Sateet nopeuttavat roudan sulamista, mutta lisäävät kosteuden määrää rakenteessa. Yöpakkaset lieventävät kelirikkoa, sillä kun pintaosan lämpötila laskee, nousee kosteus sulaneesta kerroksesta lähelle tien pintaa. Pakkasyön jälkeen päivä on usein aurinkoinen, joilloin kosteuden haihtuminen tien pinnan kautta on voimakasta. Varjoisat tien kohdat sulavat yleensä muita kohtia hitaammin. Niissä kohteissa kelirikko ilmenee myöhemmin ja kestää pidempään kuin muualla. (Belt, Lämsä, Ehrola, Ernvall & Seppälä, 1999) (Launonen & Turunen, 1995) (Pirinen, 2007) (Saarenketo, 2007) (Suhonen, 2005) Taulukko 3. Sääolosuhteiden vaikutus kelirikon vaikeuteen. Sääolosuhde Sateinen syksy Leuto alkutalvi ja lämpötilan vaihtelu Nopeasti etenevä lämmin sulamiskausi Sateinen kevät Pakkasyö ja sitä seuraava aurinkoinen päivä sulamiskautena Vaikutus tierakenteen routaantumiseen ja roudan sulamiseen Tierakenteeseen kertyy paljon kosteutta. Hidas rountaantuminen aiheuttaa paksun jääkerroksen. Tierakenteen routa sulaa nopeammin kuin tie ehtii kuivua. Nopeuttaa roudan sulamista, mutta lisää kosteutta tierakenteessa ja hidastaa kosteuden poistumista. Nostaa kosteutta tierakenteesta kohti tien pintaa ja jos seuraava päivä on aurinkoinen, niin kosteus haihtuu. Vaikustus kelirikkoon Lisää vaikean kelirikon mahdollisuutta. Yleensä pahentaa kelirikkoa. Vähentää kelirikkoa ja kelirikkoajan kestoa. Liikennekuormituksen vaikutus kelirikkoon Raskaan liikenteen aiheuttamaan liikennekuormitukseen vaikuttavat metsäyhtiöiden kuljetusreitit, suuret rakennushankkeet sekä raskaiden ajoneuvojen nopeudet. Alhainen ajonopeus (< 40 km/h) lisää liikennekuormituksen vaikutusta. Kuormitus voi olla myös toispuoleista, sillä raskas liikenne saattaa käyttää vain tien toista puolta. Liikenteen käyttämän puolen kantavuus paranee roudan sulamisen jälkeen kevyesti kuormitettua puolta huomattavasti hitaammin. (Kurkela, 2007) (Pirinen, 2007) (Saarenketo, 2007) Pohjamaan ja tien topografian vaikutus kelirikkovaurioihin Kallio ja moreeni Rinnekohteissa kallio saattaa padota roudan kanssa virtaavaa pohjavettä tien alle, joka jäätyessään muodostaa tierakenteeseen routaa (Kuva 2A). Sivukaltevissa rinteissä, joissa pohjaveden pinta on lähellä tien pintaa, kelirikko esiintyy yläpuolisen rinteen puolella (Kuva 2B). Rinteen kautta tierakenteeseen virtaava pohjavesi muodostaa jäätyessään jäälinssejä, jotka aiheuttavat routimista tien ylärinteen puoleisella reunalla. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) 22

23 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Alavassa maastossa kelirikko esiintyy koko tien poikkileikkauksen alalla. Moreenikumpareen alueella kelirikko sijaitsee kohdassa, jossa tie siirtyy penkereeltä kumpareelle. Jos kyseiset kohteet routivat, pehmenee tie koko poikkileikkauksen alalta. Kelirikko liittyy koveralla pystygeometriaosuudella sijaitsevaan paksuun kulutuskerrokseen, joka on syntynyt tiehöylän vuosien aikana siirtämästä materiaalista. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) A B Kuva 2. Kelirikkovaurion syntyminen sivukaltevassa rinteessä, kun pohjamaa on kallio (2A) tai moreeni (2B). (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) Savi- ja silttipohjamaat sekä turvemaat Notkelmassa tai tasaisella alueella sijaitsevien tien kohtien kelirikko liittyy usein rakennekerrosten epähomogeenisuuteen. Routiminen aiheuttaa halkeamia tien reunoilla ja ohuiden rakennekerrosten tapauksessa myös keskellä tietä. Silloin esiintyy routasilmäkkeitä, joissa pohjamaa pursuaa liikennekuormituksen vaikutuksesta pintaan tien reunoilta ja keskeltä (Kuva 3A). Savi- ja silttimailla esiintyvään kelirikkoon liittyy usein tien poikkileikkauksen leventymistä. Sivukaltevissa rinteissä routiminen ja kelirikko ovat ajoradalla yläpuolisen rinteen puolella. Turvepohjamailla vauriot ovat yleensä kohdissa, joissa pohjamaa vaihtuu mineraalimaasta turpeeksi. Turv la sijaitsevilla kelirikkokohteilla on heikot reunat (Kuva 3B). (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) A B Kuva 3. Savi- ja silttipohjamailla esiintyy routasilmäkkeitä tien keskellä (3A). Kelirikkokohteiden reunat ovat heikot, jos pohjamaa on turve, savi tai siltti (3B; poikkileikkaus). Lähteestä mukailtu. (Saarenketo & Aho, 2005a) 23

24 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkokorjaukset ja niiden kannattavuus Kelirikko on painorajoituksia suurempi haitta ja kustannusten aiheuttaja, sillä se aiheuttaa lisäkustannuksia ja haittaa myös sellaisille yrityksille ja yksityishenkilöille, joiden toimintaa painorajoitukset eivät suoraan vaikeuta. Kustannuksia syntyy muun muassa aika- ja polttoainekustannuksista sekä ajoneuvon nopeammasta kulumisesta. Kelirikkoon varautumisesta seuraa myös lisäkustannuksia. Hoitokustannukset ovat kelirikkoteillä muita teitä korkeammat. Suurin osa (60 80 %) tievaurioista syntyy kelirikkoaikana. (Saarenketo, 2007) (Strandvall, 2006) Kelirikko aiheuttaa metsäteollisuudelle lisäkustannuksia estäessään puun korjuuta ja kuljetuksia jopa 100 M vuosittain. Niitä syntyy muun muassa kuljetuskaluston ylikapasiteetista keväällä, kun talven kausihuippua varten varatulle kalustolle ei löydy käyttöä kelirikkoaikana. Kelirikon aikainen puunsaanti turvataan kasvattamalla varastoja. Siitä seuraa lisäkustannuksia raaka-aineen laadun heikkenemisen ja varastoihin sitoutuneen pääoman takia. Varastoinnin aiheuttamiksi kustannuksiksi on arvioitu noin 40 M /vuosi. Metsäteho Oy:n, Tiehallinnon ja Destian selvityksessä arvioitiin kelirikkokorjausten kannattavuutta Kainuun, Koillismaan, Savo-Karjalan, Keski-Suomen, Hämeen ja Kaakkois-Suomen alueilla. Näiden alueiden yleisten teiden kelirikkokorjauksiin laskettiin tarvittavan 44 M ; tällä investoinnilla saataisiin yhdessä vuodessa puunhankinnassa noin 40 M kustannussäästö. (Metsäteollisuus, 2006) (Väkevä, 2007) Painorajoituksia noudattaa vain osa kuljetuksista ja jos painorajoitus ei muutenkaan suojaa tietä kelirikolta, niin kelirikkokorjaus täytyy tehdä joka tapauksessa tehdä elintärkeiden kuljetusten turvaamiseksi. Kelirikkokorjaukset täytyy tehdä riittävän pitkällä matkalla. Kelirikkokorjauksilla ei saavuteta yleensä tavoiteltua hyötyä, jos samalla ei paranneta kuivatusta. Korjausten yhteydessä täytyy aina varmistaa kuivatusjärjestelmän toimivuus. Kuivatuksen parantaminen on yleensä tehokkain menetelmä kelirikkotilanteen helpottamiseksi. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Strandvall, 2006) (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) (Tiehallinto, 2006a) 24

25 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Runkokelirikon lisäksi pintakelirikko kasvattaa tien hoidon ja käyttäjien kustannuksia. Syyskelirikon kesto on pidentynyt leutojen talvien vuoksi ja nykyisin Etelä-Suomessa on myös talvikelirikkoa. Pintakelirikon aikainen tien käyttö ei vahingoita tietä, sillä pintakelirikon aikana tien kantavuus voi olla jopa parempi kuin kesällä. Pintakelirikko heikentää kuitenkin ajomukavuutta, pidentää matka-aikoja, likaa ajoneuvoja ja puutavaran kuljetuksia. Eniten pintakelirikon kestoon ja vaikeuteen vaikuttaa kevään sää, mutta myös hoitotoimenpiteissä käytetyn murskeen laatu ja hienoainespitoisuus. Pintakelirikkokorjaukset tulee suorittaa tarpeeksi pitkällä osuudella ja aloittaa riittävän ajoissa. Tärkeimmät toimenpiteet ovat tien kuivatuksesta huolehtiminen, lanaus sekä kelirikkomurskeiden käyttö. (Niittyvuori, 2007) (Suhonen, 2005) 2.4 Painorajoitukset Yleistä Sääolosuhteiden lisäksi kelirikon syntyyn ja vaikeuteen vaikuttaa sulamiskautena tapahtuva liikennekuormitus. Kuormitukseen voidaan vaikuttaa tienpitäjän toimesta yhteistyöllä (tiedotus, yhteydenpito ja tien käytöstä sopiminen kelirikkoaikana) tienkäyttäjien kanssa sekä painorajoitusten avulla. Painorajoitusten tarkoituksena on ehkäistä kelirikkoa, turvata elintärkeät kuljetukset minimitasolla ja vähentää kunnossapidon kohtuutonta lisääntymistä. Liikennekelpoisuus minimitasolla tarkoittaa, että jokaiseen talouteen voidaan kulkea vähintään henkilöautolla ja että elintärkeät kuljetukset on mahdollista suorittaa. Runkokelirikon lisäksi painorajoituksia voidaan asettaa tarvittaessa myös vaikean pintakelirikon vuoksi. (Tiehallinto, 2007a) (Suhonen, 2005) Elintärkeitä kuljetuksia ovat muun muassa (Tiehallinto, 2007a): hälytysajoneuvo tienpitoajoneuvo linja-auto reittiliikenteessä työmatkaliikenne energia- ja jätehuollon sekä kaupan ja maatalouden välttämättömät kuljetukset Painorajoitus tarkoittaa suurinta maantiellä sallittua ajoneuvon massaa tai ajoneuvoluokkaa. Painorajoituksia käytetään maanteiden lisäksi muun muassa lautoilla ja huonokuntoisilla silloilla. Painorajoitussuunnittelussa ennakoidaan tulevaa kelirikkoa ja sen aiheuttamia painorajoituksia. (Päiviö-Leppänen, 2007) 25

26 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkoon liittyvässä painorajoituksessa on kaksi painorajoitusluokkaa (Tiehallinto, 2007a): 1. Suurin sallittu ajoneuvoyhdistelmän massa on 12 tonnia 2. Liikenne sallittu vain henkilöautoille, joiden suurin sallittu massa on 4 tonnia. Näistä yleisempi on 12 tonnin rajoitus, jota voidaan kiristää, jos 1 2 vaurioluokan kelirikon pituus on yli 2 km/tieosa. Painorajoitus asetetaan yleensä liittymien väliin, mutta jos rajoitusta tarvitseva osuus on pitkän liittymävälin keskellä tai toisessa päässä, niin rajoitus voidaan asettaa vain sitä vaativalle osuudelle. Painorajoituksia asetetaan sorateille, soratien pintauksille sekä päällystetyistä teistä lähinnä öljysorapäällysteille ja asfalttipäällysteille, joissa sideaineena on käytetty pehmeää bitumia. (Tiehallinto, 2007a) Painorajoitukset eivät koske edellä mainittuja elintärkeitä kuljetuksia. Muihin kuljetuksiin tiepiiri voi myöntää kertaluontoisen poikkeusluvan. Kuljetuksia, joilta vaaditaan poikkeuslupa, ovat muun muassa metsä- ja rakennusteollisuuden kuljetukset. (Tiehallinto, 2007a) Tiehallinnon painorajoitusmenettely Painorajoitusmenettelyn vaiheet Tiehallinto määrittää syksyllä tieosien kelirikkoluokat kelirikkoalttiuden ja liikenteellisen merkittävyyden perusteella. Sorateiden kelirikkoalttius arvioidaan aiempien vuosien vaurioiden perusteella. Päällystettyjen teiden kelirikkoalttius perustuu tien poikittaisen epätasaisuuden arvoihin. Tiepiirit antavat marraskuussa ennakkotiedotteen seuraavan kevään kelirikoista (Kuva 4). Tiedotuksen tarkoituksena on parantaa kuljetusten tarvitsijoiden ja suorittajien valmiuksia varautua tulevan kevään kelirikkoon. Maaliskuun aikana lähetetään kelirikkotiedote, kun kelirikon vaikeusennuste on valmistunut ja tiepiirit ovat laatineet painorajoitusennusteen. Tiedotteeseen sisältyvät myös tiedot painorajoitusyhdyshenkilöistä ja poikkeuslupamenettelyistä. (Belt, 2007) (Lämsä & Belt, 2007) (Päiviö-Leppänen, 2007) (Tiehallinto, 2007a) 26

27 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkoluokkien määrääminen Kelirikon ennakkotiedotus Painorajoitusennuste (helmikuu) Painorajoitusennuste Kelirikkotiedote iikk i d Painorajoitusten asettamien, muuttaminen ja poistaminen Tiedotus Internetissä Kelirikkoinventoinnit Kelirikon ennakointi (marraskuu) Painorajoitukset (maalis kesäkuu) Kuva 4. Painorajoitusmenettelyn vaiheita. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikkoalttius toimii lähtökohtana painorajoitusennusteen laadinnassa. Kelirikon ennustemallissa Suomi on jaettu maantieteellisiin alueisiin. Malli ennustaa alkutalven ilmastotekijöiden perusteella runkokelirikon suhteellisen pituuden eri hoitourakkaalueilla. Kelirikon vaikeutta arvioidaan toteutuneen kelirikon suhteellisen pituuden avulla. Painorajoitusuhanalaiset eli todennäköisesti painorajoitettavat tiet määritetään tien kelirikkoalttiuden, -luokan sekä kelirikon vaikeusennusteen perusteella (Kuva 5). (Belt, 2007) (Lämsä & Belt, 2007) (Päiviö-Leppänen, 2007) (Tiehallinto, 2007a) Painorajoituksen asettamisesta päättää tiepiiri ottamalla huomioon painorajoitusennusteen, paikalliset olosuhteet ja hoitourakoitsijan näkemyksen. Tiepiiri seuraa kelirikon kehitystä ja muuttaa painorajoituksia kelirikon kehityksen ja liikennekuormituksen mukaan. Painorajoitus voidaan poistaa, kun roudan sulaminen on edennyt yli 80 cm ja tien pintaosassa on kuiva kantava kerros. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikkoalttius Tien liikenteellinen merkitys Kelirikkoluokka Kelirikon vaikeusennuste Painorajoitusennuste Kuva 5. Painorajoitusennusteen vaihteet. (Tiehallinto, 2007a) 27