Raportti TPPT 22. Sitomattomat tien rakennekerrosten materiaalit. Taustatietoa materiaalien käyttäytymisestä.

Transkriptio

1 TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA Raportti TPPT 22 Espoo, Sitomattomat tien rakennekerrosten materiaalit. Taustatietoa materiaalien käyttäytymisestä. Markku Juvankoski Rainer Laaksonen VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikka

2 ALKUSANAT Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on tärkeää, että tierakenteet suunnitellaan hyvin. Suunnittelussa käytetään hyväksi paikallisten olosuhteiden suomat mahdollisuudet ja otetaan huomioon olosuhteiden asettamat rajoitukset. TPPT-ohjelmassa kehitetään tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmässä esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kuormituskestävyyden, roudan vaikutusten ja painuman hallinnan osalta kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. Myös tierakenteen elinkaarikustannustarkasteluiden suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. Ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä koerakenteista. Koerakenteista saatuja havaintoja ja kokemuksia on käytetty hyväksi mitoitusmenettelyiden sekä menetelmäkuvausten kehittämisessä ja laadinnassa. Tässä raportissa on esitetty sitomattomien tierakennusmateriaalien ominaisuuksia sekä mitoitusparametreja ja niiden riippuvuutta erilaisista tierakenteeseen kohdistuvista rasituksista. Raportin ovat laatineet VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan tutkijat Rainer Laaksonen ja Markku Juvankoski. Lyhennelmä tästä raportista on sisällytetty TPPTraporttiin "Tien rakennekerrosten materiaalit. Taustatietoa materiaalivalinnoille" /23/, jossa on käsitelty myös sidottuja tierakennusmateriaaleja. Lokakuussa 21 Markku Tammirinne

3 3 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO TIERAKENTEIDEN MITOITUSMENETTELYIDEN PARAMETRITARPEET Mitoitusmenettelyiden yhteenveto Tielaitoksen nykyinen mitoitusmenettely PPT:n suunnittelujärjestelmän mukainen kuormituskestävyysmitoitus TPPT:n suunnittelujärjestelmä Kuormituskestävyysmitoituksen perusteet Mitoitus Toiminnallisten kerrosten mitoitusparametrit ja jännitystila rakennekerroksissa Mitoitusparametrit ja niihin vaikuttavat tärkeimmät tekijät Jännitystila rakennekerroksissa Ympäristöolosuhteet ja -rasitukset Rakenteen ja pohjamaan kosteusvaihtelut Vaikutus sitomattomien kerrosten kuormituskestävyyteen Vaikutus pohjamaan urautumiseen roudan sulamiskautena Muut rasitukset TPPT:SSÄ MÄÄRITETYT MATERIAALIEN OMINAISUUDET Tutkimusten tausta-aineisto Muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttavat tekijät Rakeisuusmuuttujat (raekokojakautuma, maksimiraekoko, hienoaineksen määrä) Kosteustila Tiiviystila Rakeiden fysikaaliset ominaisuudet ja kiviaineksen mineraloginen koostumus Riippuvuudet ja vuorosuhteet Kiviainesten moduuli Poissonin luku TPPT:n ulkopuolella tehdyt tai käynnissä olevat tutkimukset (Courage, COST) Muiden tutkimusten tulokset PARAMETRIEN MÄÄRITYS TPPT:N MITOITUSJÄRJESTELMÄN TARPEISIIN Parametrien määritysperusteet TPPT:ssä Laboratoriokokeet In-situ kokeet Koetiekonekokeet ja koetiet MATERIAALIVALINNOISTA AIHEUTUVAT SYY-SEURAUSSUHTEET KIRJALLISUUS LIITTEET...72

4 4 1 JOHDANTO Tässä raportissa on esitetty sitomattomien tierakennusmateriaalien ominaisuuksia sekä mitoitusparametreja ja niiden riippuvuutta erilaisista tierakenteeseen kohdistuvista rasituksista. Lähtökohtana materiaalien käsittelyssä on ollut tierakenteen kuormituskestävyysmitoitus. Parametreja on esitetty myös taulukkomuodossa ja ne ovat tarkoitetut auttamaan suunnittelijaa ko. rakenteeseen ja ko. olosuhteisiin sopivan rakennemateriaalin valinnassa. Asiantunteva suunnittelija voi esitettyjen parametriarvojen joukosta valita kuormituskestävyysmitoituksessa käytettävät parametrit, jos käytettävä materiaali on riittävän tarkasti tiedossa ja materiaali vastaa tässä raportissa esitettyjen materiaalien tunnistusominaisuuksia. Tässä raportissa esitettyjä materiaaliominaisuuksia voidaan käyttää hyödyksi myös siten, että kokeilla saatuja materiaaliominaisuuksia verrataan raportissa esitettyihin lähinnä vastaavien materiaalien parametreihin. Vertailun avulla voidaan välttää selvästi virheellisten tulosten käyttöönotto. Vaikkakin tämä materiaaliraportti on laadittu TPPT tutkimusohjelmaan liittyvänä ja TPPT-mitoitusmenettelyiden näkökulmasta, niin esitettyjä materiaalitietoja voidaan luonnollisesti soveltaa tierakenteiden materiaalivalinnoissa ja kuormituskestävyysmitoituksessa käytettävästä mitoitusmenetelmästä riippumatta. Raportin liitteessä 2 on selvitetty moduuli-käsitettä /23/. Tässä raportissa on pyritty käyttämään yleensä termiä "jäykkyysmoduuli". Joissakin kuvissa esiintyy etenkin aiemmista raporteista lainattuna muitakin käsitteitä (esim. jäännösmoduuli), mutta kysymyksessä on kuitenkin jäykkyysmoduuli. Tässä raportissa esitetyt materiaalien ominaisuudet ja parametrit eivät ole millään tavalla virallisesti hyväksyttyjä arvoja, elleivät ne ole esitetty myös joissain ohjeissa tai standardeissa ja ovat sitä kautta jonkin tahon virallisesti hyväksymiä. Kun esitetyt parametriarvot perustuvat laboratoriokokeisiin, niin ne pätevät ahtaasti tulkiten vain niissä olosuhteissa, jotka vastaavat laboratoriokokeessa vallinneita / simuloituja olosuhteita ja rasituksia. Tavanomaiseen tierakenteen kuuluu yleensä sidottu päällysrakennekerros, jonka tehtävä on muodostaa tasainen ja kulutusta kestävä pinta liikennettä varten. Tämän alla käytetään tyypillisesti sitomattomia karkearakeisia materiaaleja kantamaan liikenteestä aiheutuvia kuormia (kantava kerros) ja jakamaan (jakava kerros) ne pohjamaalle siten, ettei pohjamaahan synny haitallisia muodonmuutoksia. Kantavan ja jakavan kerroksen alla voidaan käyttää vielä suodatinkerrosta kuivattamaan rakennetta ja toiminaan eristeenä routivaa pohjamaata vastaan. Kantavan ja jakavan kerroksen materiaaleina käytetään tyypillisesti murskattuja materiaaleja, jakavan kerroksen materiaalina murskattuja materiaaleja tai luonnon soraa ja suodatinkerroksessa hiekkaa. Tällä hetkellä ainakin korkeampiluokkaisten teiden sekä kantava että jakava kerros tehdään yleensä murskatusta kiviaineksesta. Tien päällysrakenteen mitoitus voi perustua joko empiirisiin tai mekanistisiin malleihin, tai näiden yhdistelmänä ns. mekanistis-empiiriseen malliin. Empiirinen malli perustuu kenttähavaintoihin. Tiehallinossa vielä toistaiseksi käytössä oleva mitoitusmenettely pohjautuu empiiriseen malliin. Puhtaasti mekanistinen malli perustuu tierakenteen mi-

5 5 toittamiseen analyyttisen teorian mukaan laskettujen jännitysten ja muodonmuutosten perusteella. Mekanistisen mallin etuna on sen yleiskäyttöisyys. Mallilla voidaan käsitellä periaatteessa mitä tahansa materiaalia ja rakennetyyppiä, kunhan käytettävän analyyttisen mallin tarvitsemat parametrit tunnetaan. Empiirisen mallin käyttöalue rajoittuu niihin materiaaleihin ja rakennetyyppeihin, joilla kyseinen malli on kehitetty. Edellä kuvattuja perinteisiä materiaaleja ja rakenneratkaisuja käytettäessä kokemusperäisten mallien käyttö onkin ollut suhteellisen hyvin toimiva ja pitkällä aikavälillä itseään tarkentava. Perinteisten materiaalien väheneminen ja toisaalta paineet uusien materiaalien ja tästä johtuen jopa uusien rakenneratkaisujen käyttöön ovat johtaneet tarpeeseen kehittää uusia laskennallisia menettelyjä tierakenteen mitoittamiseen. Kokemusperäiset mitoitusmenettelyt voitaisiin luonnollisesti kehittää myös uusille materiaaleille ja rakenteille, mutta kokemusperäisen tiedon hankinta yrityksen ja erehdyksen kautta olisi aikaavievää. Laskennallista menettelyä käytettäessä sen sijaan mikä tahansa tierakenne siinä käytetyistä materiaaleista riippumatta voidaan periaatteessa analysoida ja mitoittaa, mikäli sekä kuormitus että materiaalien käyttäytyminen kyetään mallintamaan. Laskennallinen määrittäminen perustuu johonkin konstitutiiviseen yhtälöön ja malliin. Tierakenteen jännitys-muodonmuutos -mallit perustuvat yleensä kimmoiseen kuormituskäyttäytymiseen. Todellisuudessa rakennekerrosten jännityksen ja muodonmuutoksen välinen riippuvuus on kuitenkin epälineaarista eikä materiaalin jäykkyysmoduuli ole vakio, vaan riippuu jännitystasosta. Pyöräkuormitus aiheuttaa tierakenteeseen jokaisella ylityskerralla muodonmuutoksia ja muutoksen rakenteen jännitystiloihin. Yleisesti kerroksellisessa tierakenteissa rakenteen toiminnan kannalta kriittisimpiä tekijöitä ovat sidotun päällysrakenteen alapintaan syntyvä vetojännitys ja alusrakenteen yläpintaan syntyvä pystysuora puristusjännitys. Kriittinen jännitys voi syntyä kuitenkin periaatteessa mihin tahansa osaan rakenteessa. Laskennallisessa menettelyssä rakenteen käyttäytymistä pyritään mallintamaan kuormituksesta aiheutuvien jännitysten ja muodonmuutosten avulla. Käytännössä tierakenteet eivät käyttäydy analyyttisen teorian edellyttämällä tavalla, vaan mitoitusmenetelmässä joudutaan yhdistämään teoreettinen malli kentällä havaittuun vaurioitumiseen, ts. käyttää mekanistis-empiirisiä malleja. Tämä on myös TPPTsuunnittelujärjestelmässä päällysrakenteen kuormituskestävyysmitoituksessa käytetty lähestymistapa. TPPT:ssä rakenteiden kuormituskestävyysmitoituksessa sovelletaan lineaarista monikerrosteoriaa, jossa rakennekerrosmateriaalit oletetaan lineaarisesti kimmoisiksi. Tämä tarkoittaa sitä, että kuormitusten aiheuttamat muodonmuutokset oletetaan täysin palautuviksi heti kuorman poistuttua. Rakenteissa tapahtuvat pysyvät (plastiset) muodonmuutokset ja ajasta riippuvat (viskoosit) muodonmuutokset rajoitetaan mitoituksella niin vähäisiksi, että kokonaismuodonmuutoksia voidaan käsitellä lineaarisesti kimmoisina. Rakennekerroksen ominaisuuksia kuvataan moduulilla, E, ja Poissonin luvulla, µ. Materiaalit oletetaan lineaarisesti kimmoisiksi, isotrooppisiksi ja homogeenisiksi. Suunnittelujärjestelmälle on olennaista, että mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreillä (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit). Mitoituk-

6 6 sessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Parametrien taulukkoarvoja tai niille määritettyjä yleisiä vuorosuhteita voidaan käyttää alustavassa suunnittelussa, jos paikkakohtaisia parametrejä ei vielä jostain syystä ole käytettävissä. TPPT:n sitomattomien materiaalien tutkimuksissa (Pauli Kolisoja: Sitomattomien materiaalien moduulit, projekti M12,; päättynyt vuonna 1995) tavoitteena on ollut etupäässä kantavan kerroksen materiaalien moduulien määrittäminen sekä moduulin arvoon vaikuttavien tekijöiden selvittäminen ja materiaalimallin kehittäminen saatujen tulosten pohjalta. Kantavan kerroksen materiaalien ohella on jonkinverran käsitelty myös jakavan ja suodatinkerroksen materiaaleja sekä eräiden TPPT-havaintoteiden rakennekerrosmateriaaleja. Lähtöaineisto on käsittänyt n. 13 kokeen tulokset. Osa kokeista on tehty jo ennen TPPT:n projektien alkua. Tutkimuksien materiaaleina ovat olleet kantavan kerroksen kalliomurskeet ja soramurskeet sekä jakavan kerroksen ja suodatinkerroksen sora- ja hiekkamateriaalit. Sitomattomien materiaalien jäykkyysmoduulit on määritetty TTKK:n suurikokoisella (näytekoko maksimissaan h/d = 6 mm / 3 mm) dynaamisella kolmiakselilaitteistolla. Moduulien määrityksessä on käytetty SHRP P46 -protokollaa. Projektin tulosten käsittelyä on jatkettu Pauli Kolisojan väitöskirjassa Resilient Deformation Characteristics of Granular Materials. Väitöskirjaan on lisätty myös norjalaisille kiviaineksille tehtyjen kokeiden tuloksia sekä SHRP protokollan ja CEN draftin kuormitusmenettelyjen vertailua. Tutkimuksista on raportoitu tehtyjen kuormituskokeiden tulokset ja koetulosten vertailu tielaitoksen käyttämiin moduuliarvoihin. Tuloksena on esitetty myös menettely, jonka avulla erilaisten karkearakeisten kiviainesten muodonmuutosmoduuleja voidaan arvioida, kun tärkeimmät materiaalin ominaisuudet ja fysikaalista tilaa kuvaavat parametrit tunnetaan. Pohjamaan materiaaleja (moreeni, silttimoreeni, hieno hiekka, savi) ei ole tutkittu tämän projektin yhteydessä eikä niitä ole tutkittu missään muussakaan TPPT:n projektissa. Sitomattomien materiaalien materiaalitutkimusten yhteydessä väsymiskäyttäytymistä eli deformoitumista tila- tai materiaalimuuttujien sekä kuormituskertojen funktiona ei ole tutkittu, koska tutkimuksen aineisto ei palvellut tämän asian selvittämistä. TPPT:ssä materiaalien väsymiskäyttäytymiseen liittyviä kokeita ja määrityksiä on tehty sementtistabiloitujen materiaalien materiaalitutkimusten yhteydessä. Uusiomateriaalien (teollisuuden sivutuotteiden) muodonmuutoskäyttäytymistä ei ole käsitelty TPPT:n projekteissa. Tekesin ympäristögeotekniikkaohjelman projektissa Sidottujen uusiomateriaalien pitkäaikaiskestävyys /2/ on käsitelty muutamien uusiomateriaalien (lähes kaikki sementtistabiloituja) jäykkyyden määritystä sekä SHRP protokollan ja CEN draftin kuormitusmenettelyjen vertailua.

7 7 2 TIERAKENTEIDEN MITOITUSMENETTELYIDEN PARAMETRITARPEET 2.1 Mitoitusmenettelyiden yhteenveto Tielaitoksen nykyinen mitoitusmenettely Nykyisin käytössä oleva tierakenteen mitoitusmenettely /21/ on laskennallisen ja kokemusperäisen mitoitustavan yhdistelmä. Mitoitusmenettelyn lähtökohtana on tierakenteeseen sen mitoitusaikana 1 kn mitoitusakselipainoa vastaavien kuormituskertojen määrä ja sen perusteella valittava ns. tavoitekantavuus. Tavoitekantavuus tarkoittaa levykuormituskokeella lopullisen päällysteen päältä mitattavaa koko tierakenteen moduulia keväällä, jolloin tierakenne ja varsinkin sen alla oleva pohjamaa ovat heikoimmillaan roudan sulamisen jäljiltä. Päällysrakenteen kokonaispaksuus määräytyy mitoitusmenettelyssä routamitoituksen perusteella ja eri rakennekerrosten paksuudet Odemarkin mitoitusyhtälöön perustuvalla laskentamenettelyllä /21/. Laskentamenettelyllä voidaan määrittää rakennekerroksen päältä saavutettava kantavuus, E-moduuli, kun kerroksen alapuolisen rakenteen kantavuus ja tarkasteltavan kerroksen paksuus ja siinä käytetyn materiaalin jäykkyysmoduuli tunnetaan. Laskennassa käytettävä alusrakenteen kantavuus arvioidaan pohjamaan laadun (maalaji ja routivuus) ja sen kosteusolosuhteiden perusteella. Rakennekerroksissa käytettäville materiaaleille jäykkyysmoduulit määritetään kokemusperäisistä taulukkoarvoista (etenkin sidotut tai vahvistetut materiaalit). Päällystettyjen teiden kantavan kerroksen, jakavan kerroksen ja suodatinkerroksen materiaaleille on esitetty rakeisuusohjealueet, joilla materiaalien rakeisuuden tulisi olla. Menettelyssä sitomattomien materiaalien jäykkyysmoduulit (E) vaihtelevat materiaaleittain: routimaton murske (jakavan ja kantavan kerroksen rakeisuusalue) sora ja sorainen hiekka (jakavan kerroksen rakeisuusalue) routimaton hiekka (suodatinkerroksen rakeisuusalue) E = (...35) MPa E = MPa E = MPa Jäykkyysmoduulien arvot tarkennetaan materiaalin rakeisuuden perusteella rakeisuuspohjalla esitettyjen rakeisuusohjealueiden perusteella, jotka huomioivat materiaalin rakeisuuskäyrän muodon ja aseman rakeisuuspohjalla. Moduulimäärityksiin tarkoitetut rakeisuusohjealueet on esitetty erikseen kallio- ja soramurskeelle, soralle ja hiekalle. Rakennekerrosmateriaaleille viitteen /21/ mukaisessa menettelyssä esitetyt moduulit ovat materiaalin rakeisuuskäyrän määräytymisen jälkeen vakioita eli niissä ei huomioida esimerkiksi jännitystilan, vesipitoisuuden tai muun tällaisen tekijän vaikutusta. Poikkeuksena on kuitenkin hiekka. Hiekan E-moduulin on esitetty märissä olosuhteissa voivan olla 3..5 % alempi kuin "normaaleissa olosuhteissa". Muiden karkearakeisten materiaalien moduulit vastannevat keskimääräisiä moduuliarvoja materiaalien tyypilli-

8 8 sissä rakenteessa vaikuttavissa käyttötilan kosteuksissa ja tiiviyksissä. Vaikka jännitystilan vaikutusta ei sellaisenaan mitoitusmenettelyssä huomioida, huomioidaan Odemarkin mitoitusyhtälössä eri kerrosten jäykkyyksien yhteensopivuus (koska käytetään vetoa kestämättömiä materiaaleja) kuitenkin rajoittamalla tarvittaessa rakennekerroksessa käytettävän materiaalin moduuli enintään kuusinkertaiseksi mitoitettavan kerroksen alta saavutettavaan kantavuuteen nähden (E 6*E a ). Muiden tekijöiden osalta edellä käsitellyt rakennekerrosten materiaaleille esitetyt rakeisuusohjealueet rajoittavat rakennekerroksiin käyttävien materiaalien hienoainespitoisuutta ja routivuutta. Kantavassa kerroksessa käytettäville materiaaleille on asetettu myös tietyt vaatimukset käytettävän kiviaineksen laadun (lujuuden ja rakeiden muodon suhteen) /21/. Näiden osalta vaatimukset, samoin kuin vaatimukset eri kerrosten tiiviydestä / tiiviyssuhteista on esitetty viitteessä /13/. Nykyisen mitoitusmenettelyn ja sen mukaisten materiaaliparametrien on arvioitu toimivan suhteellisen hyvin, kun nykyisiä materiaaleja käytetään perinteisissä rakenneratkaisuissa, joissa siis tietty materiaali on tietyllä, omalla paikallaan rakenteessa. Menettely ei kuitenkaan sellaisenaan enää toimi, mikäli tietyn tyyppisen materiaalin paikka rakenteessa oleellisesti muuttuu tai rakenneratkaisu on muulla tavoin perinteisesti poikkeava /8/, /2/ PPT:n suunnittelujärjestelmän mukainen kuormituskestävyysmitoitus TPPT:n suunnittelujärjestelmä TPPT-suunnittelujärjestelmässä esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Parametrien taulukkoarvoja, jotka ovat aina keskimääräisiä, voidaan käyttää alustavassa suunnittelussa ja mitoituksessa (yleissuunnitelmavaiheessa), jos paikkakohtaisia parametrejä ei jostain syystä ole vielä käytettävissä. Käyttämällä rakenteiden suunnittelussa paikkakohtaisia parametrejä mitoituksella päästään yleensä kustannuksiltaan edullisempiin ja kestoiältään parempiin rakenteisiin kuin keskimääräisiä taulukkoarvoja käyttämällä. Materiaalikohtaisten parametrien käytöllä on myöskin mahdollista käyttää ko. materiaalin ominaisuudet hyväksi paremmin kuin keskimääräisillä, yleensä konservatiivisilla taulukkoarvoilla. Tällöin on luonnollisesti otettava huomioon paikkakohtaisten parametrien määrityksen kustannukset. Tästä syystä aivan pienissä ja etenkin vaativuudeltaan alemmissa rakennuskohteissa järkevä taulukkoarvojen käyttö saattaa tulla kysymykseen myös rakennussuunnitelmavaiheessa. TPPT-suunnittelujärjestelmälle tierakenteen yläosan (päällysteen) kuormituskestävyysmitoitus perustuu ns. mekanistis-empiiriseen malliin, jossa analyyttisen teorian mukaan lasketut jännitykset ja muodonmuutokset yhdistetään kentällä havaittuun päällysteen vaurioitumiseen. Suunnittelujärjestelmä soveltuu sitomattomille kestopäällysteisille (AB-, ABK-, SMA-päällysteet) tierakenteille ja suunnittelujärjestelmässä kuvataan menettelyt erikseen sekä uudelle tielle että perusparannettavalle tielle. Tierakenteen kuntoon (tasaisuuteen, vaurioitumiseen, urautumiseen) vaikuttavat rakenteen kuormitus-, routa- ja painumakestävyys sekä näiden tekijöiden yhteisvaikutukset.

9 9 TPPT suunnittelujärjestelmässä mitoitus tehdään erikseen liikennekuormitusrasitusten, routarasitusten ja painuman mukaan. Ensin tarkistetaan rakenteen / tien painumat ja pohjanvahvistustoimenpiteiden tarve. Toiseksi mitoitetaan tierakenteen kokonaispaksuus käytettävien materiaalien lämmönjohtavuuden perusteella siten, ettei mitoituksen pohjana olevaa routanousua ylitetä. Lopuksi rakenteen yläosa mitoitetaan liikennekuormitukselle ja tarkistetaan pohjamaan pysyvät muodonmuutokset tilanteelle, jolloin roudan sulaminen on pehmentänyt pohjamaan ja rakenteen alimmat osat (TPPT-raportti "Pohjamaan urautumisen arviointi kevätkantavuusvaiheessa /16/). Sulamispehmeneminen vaikuttaa rakenteen kestävyyteen ensisijaisesti alentuneen pohjamaan kuormituskestävyyden kautta. TPPT:n suunnittelujärjestelmässä käytettävät mitoituskriteerit ja mitoituksessa sovellettavat raja-arvot on määritelty tien tasaisuuden (tien käyttäjän kokema ajomukavuus) ja tien, erityisesti päällysteen rakenteellisen kestävyyden pohjalta. Ne määräävät vähimmäistason mitoituksen tuottamalle tien tekniselle laadulle ja kestävyydelle Kuormituskestävyysmitoituksen perusteet Tierakenteen mitoituksessa sitomattomat rakennekerrokset oletetaan ideaalisesti kimmoisiksi eli niissä ei teorian mukaan tapahdu pysyviä deformaatioita eikä leikkautumista. Mitoituskriteerinä käytetään päällysteen alapinnan vaakasuoraa vetomuodonmuutosta (kuva 1). Rakennekerrosten kokonaispaksuudella säädetään pohjamaan jännitykset sellaisiksi, että pohjamaan haitallinen deformaatio ja leikkautuminen rajoitetaan. Tämä tehdään pohjamaan urautumismitoituksella, jossa kriteerinä on pohjamaan sallittu urautuminen kevätaikana. Rakennekerrosten materiaalit oletetaan rakennettavaksi sellaiseen tilaan, etteivät niissä tapahtuvat pysyvät deformaatiot muodostu mitoituksen perusteeksi. Kuva 1. Tierakenteen kriittiset muodonmuutokset, periaatekuva. Mitä vahvemmat (paksummat ja/tai jäykemmät) rakennekerrokset ovat, sitä määräävämmäksi muodostuu päällysrakenteen yläosan kyky vastustaa kuormituksia. Heikoilla rakenteilla (ohuet kerrokset ja/tai pieni jäykkyys) pohjamaan muodonmuutoksista aiheutuva vaurioituminen voi muodostua määrääväksi (kuva 2).

10 1 vauriomekanismin kriittisyys pohjamaa päällysrakenne joustava / ohut rakenne jäykkä / paksu rakenne Kuva 2. Periaatekuva tierakenteen vaurioitumisen ja tierakenteen jäykkyyden / paksuuden vuorovaikutus. Rakenteiden kuormituskestävyysmitoituksessa sovelletaan lineaarista monikerrosteoriaa, jossa rakennekerrosmateriaalit oletetaan lineaarisesti kimmoisiksi. Tämä tarkoittaa sitä, että kuormitusten aiheuttamat muodonmuutokset oletetaan täysin palautuviksi heti kuorman poistuttua. Kuormituskestävyysmitoituksessa huomioidaan sitomattomien kerrosten moduulin riippuvuus jännitystilasta. Rakenteissa tapahtuvat pysyvät (plastiset) muodonmuutokset ja ajasta riippuvat (viskoosit) muodonmuutokset rajoitetaan mitoituksella niin vähäisiksi, että kokonaismuodonmuutoksia voidaan käsitellä lineaarisesti kimmoisina. Lineaarisen monikerrosteorian olettamuksena on, että tierakenne koostuu vaakasuorassa suunnassa äärettömistä kerroksista, joilla on vakiopaksuus ja joilla ei ole omaa painoa. Kaikkien kerrosten materiaalit ovat isotrooppisia ja homogeenisia ja materiaalit oletetaan lineaarisesti kimmoisiksi. Rakennekerrosten välillä vallitsee täysi kitka ja alin maakerros, yleensä pohjamaa, ulottuu äärettömän syvälle alaspäin. Rakennekerroksen ominaisuuksia kuvataan moduulilla, E, ja Poissonin luvulla, ν. Pyöräkuormaa kuvataan tasaisesti jakautuneella ympyränmuotoisella kuormalla Mitoitus Tierakenteen kuormituskestävyys mitoitus TPPT-suunnittelujärjestelmässä perustuu mekanistis-empiiriseen menetelmään, jossa kriteerinä on mitoitusiän aikana rakenteeseen kohdistuvaa kuormituskertalukua vastaava päällysteen alapinnan sallittu muodonmuutos tai taipumaerotus SCI3 (Surface Curvature Index 3 mm etäisyydeltä, d - d 3 ). Asfaltilla sidottujen kerrosten vaurioitumismekanismi on yleensä väsyminen eli toistuvat kuormitukset rikkovat rakenteen. Tämä materiaalikriteeri määritetään usein laboratoriossa suoritetulla väsymiskokeella. Kokeen tulosta kutsutaan väsymissuoraksi, kun muodonmuutoksen taso ja kuormituskertojen lukumäärä kumpikin on esitetty logaritmiasteikolla. Väsymiskokeella voidaan verrata eri päällystemassojen ominaisuuksia keske-

11 11 nään, kun taas koetiekoneella voidaan verrata erilaisten rakenteiden käyttäytymistä keskenään. Laboratoriossa tai koetiekoneella määritetty päällysteen väsymissuora täytyy aina kalibroida kentällä havaitun vaurioitumisen kanssa, jotta sitä voidaan käyttää mitoituskriteerinä (väsymiskriteerinä). Myös pohjamaassa voi tapahtua pysyviä muodonmuutoksia, jotka aiheuttavat sitomattomien ja sidottujen kerrosten vaurioitumista. Nämä pysyvät muodonmuutokset voivat olla toistuvien kuormitusten aiheuttamia ja myös tätä ilmiötä voidaan kuvata eräänlaiseksi väsymisilmiöksi. Roudan sulamisaikana pysyvät muodonmuutokset saattavat erityisesti ns. "heikoilla" rakenteilla olla yksittäisten tai verrattain harvalukuisten toistuvien kuormitusten aiheuttamia. Tällöin on kyseessä pohjamaan lujuuden ylittyminen. Tätä riksiä voidaan arvioida tarkastelemalla pohjamaan urautumista, jossa kriteerinä on pohjamaan sallittu urautuminen kevätaikana. Urautumisriski-arvioinnin periaatteita ja parametrien määritystä on käsitelty viitteessä /16/. Kuormituskestävyysmitoitus tapahtuu siten, että aluksi valitaan mitoitusjakson pituus, jolle lasketaan mitoitusjakson aikana syntyvä kuormituskertaluku (määräytyy suunnittelujärjestelmässä esitetyn vuosikustannusten minimin perusteella). Tämän jälkeen valitaan rakennekerrosmateriaalit ja niiden paksuudet alustavan rakennevaihtoehdon laskentaa varten, ottaen huomioon routamitoituksen tuottamat rakennekerrosten paksuudet. Materiaalien ominaisuuksista tulee tuntea niiden jäykkyysmoduuli (E) ja Poissonin luku (ν). Koska sitomattomien materiaalien jäykkyys riippuu niiden jännitystilasta ja -tasosta, on näiden materiaalien moduulin jännitystilariippuvuus tunnettava. Rakennekerroksissa käytettävien karkearakeisten materiaalien moduuli on sitä suurempi, mitä suurempi niiden jännitystaso on. Kokonaisjännitystaso rakenteen eri syvyyksissä lasketaan kaavalla (1)

12 12 θ = σ 1 + σ 2 + σ 3 (1) missä, θ = pääjännitysten summa, kpa (=σ 1 +σ 2 +σ 3 ) Rakennekerrosmateriaalien moduulia korjataan tarvittaessa kuormituksen huomioivaa uutta jännitystilaa vastaavaksi materiaalin jännitysriippuvuusominaisuuksien mukaan K-θ mallin kaavalla (2) θ Mr K 1 = θ K2 (2) missä, M r = jäykkyysmoduuli, kpa θ = pääjännitysten summa, kpa (=σ 1 +σ 2 +σ 3 ) θ = vertailujännitys, 1 kpa K 1, K 2 = materiaaliparametrit Kuvassa 3 on havainnollistettu moduulien muuttumista rakenteessa iteraatioprosessin alkutilan arvoista jakavassa ja kantavassa kerroksessa lopputilan jännitysjakautumaa vastaavaksi. Alkutilan moduulilla tarkoitetaan tässä yhteydessä ensimmäisellä kerralla jännitysten laskemisessa käytettyä kerroksen moduulin arvoa. Periaatteessa kaikista rakenteessa käytettävistä kerrosmateriaaleista tulee tuntea niiden jännitysriippuvuus. Mikäli materiaalien jännitysriippuvuutta ei tunneta, on suunnittelujärjestelmässä esitetty käytettäväksi materiaaliparametreille taulukossa 1 esitettyjä tyyppiarvoja. Kokonaisjännitys (kpa) / Kimmomoduuli (MPa) S yvyys (m) moduulin lähtötaso kokonais jännity s moduulin muutos rakennekerrosrajat -1 Kuva 3. Kokonaisjännitystaso tierakenteessa eri syvyyksillä sekä kokonaisjännitystason vaikutus materiaalien jäykkyysmoduuliin.

13 13 Taulukko 1. Rakennekerrosten materiaalien parametreille suunnittelujärjestelmässä esitetyt tyyppiarvot materiaalikuvauksin ja näytetunnuksin täydennettynä. Kerros K 1 K 2 Kantava kerros 23,5 - lievästi lajittunut kalliomurske (KAMU2) Jakava kerros 24,49 - suhteistunut luonnon sora (JASR3) Suodatinkerros 17,48 - karkea hiekka (SUHK) Kun käytettävät materiaalit ja tien rakenne on alustavasti valittu, lasketaan monikerrosohjelmalla standardikuormituksen aiheuttamat jännitykset ja muodonmuutokset rakenteessa. Laskettujen muodonmuutosten ja päällysteen väsymiskriteerin perusteella määritetään sallittu kuormituskertaluku. Tätä kuormituskertalukua verrataan alussa laskettuun mitoitusjakson aikana syntyvään kuormituskertalukuun. Mikäli sallittu kuormituskertaluku alittaa mitoitusjakson arvioidun kuormituskertaluvun tulee rakennetta vahvistaa. Vastaavasti mikäli sallittu kuormituskertaluku ylittää mitoitusjakson arvioidun kuormituskertaluvun, voidaan rakennekerrospaksuuksia ohentaa edellyttäen ettei minimipaksuuksia aliteta. Tällä tavoin iteroimalla saavutetaan laskennasta lopuksi rakenne, jossa sallittu ja arvioitu kuormituskertaluku kohtaavat. Edellä kuvatut mitoitusprosessin periaatteet on havainnollistettu kuvassa 4.

14 14 Päällyste : h, E, ν Sitomattomat kerrokset : h, E,ν Pohjamaa : E, ν LASKENTA : MONIKERROSOHJELMA JÄNNITYKSET SITOMATTOMISSA KERROKSISSA MUODONMUUTOKSET PÄÄLLYSTEESSÄ MUODONMUUTOS PÄÄLLYSTEEN KRITEERI KUORMITUSKERTALUKU Kuva 4. Päällysteen kuormituskestävyyden mitoitusprosessi. TPPT- suunnittelujärjestelmän mitoitusmenettelyssä oletetaan materiaalit lineaarisesti kimmoisiksi. Käytännössä rakenteissa tapahtuu niiden käyttöaikana plastisia ja viskooseja muodonmuutoksia, joita kimmoinen malli ei huomioi. Rakenteen mitoitus kattaa ajan tien rakentamisesta vaurioitumisen alkamiseen. Vaurioituminen alkaa sellaisella ajanhetkellä, jolloin vauriomäärä on niin pieni, että rakenteen voidaan vielä katsoa toimivan lineaaris-elastisesti. Tätä suuremmilla vauriomäärillä, jolloin päällysteen voidaan katsoa olevan jo vaurioitunut, päällyste käyttäytyy eri tavalla kuin ennen vaurioitumista. Vaurioituminen aiheuttaa rakenteeseen epäjatkuvuuskohtia, ja materiaalit eivät enää käyttäydy kimmoisesti. Lisäksi rakennekerrokset löyhtyvät, jolloin niiden jäykkyys pienenee. TPPT:n suunnittelujärjestelmässä kuormituskestävyysmitoitus tehdään ensimmäisen toimenpiteen mitoitusjaksolle eli ensivaurion syntyyn asti. 2.2 Toiminnallisten kerrosten mitoitusparametrit ja jännitystila rakennekerroksissa Mitoitusparametrit ja niihin vaikuttavat tärkeimmät tekijät TPPT:n suunnittelujärjestelmän mukaisessa mitoitusmenettelyssä tierakenne jaetaan kerroksiin: päällyste, kantava kerros, jakava kerros, suodatinkerros ja pohjamaa. Päällysrakenne mitoitetaan analyyttiseen kuormituskestävyysmitoitukseen perustuen. Analyyttisen kuormituskestävyysmitoituksen materiaalikohtaiset lähtötiedot ovat jäykkyysmoduuli, E ja Poissonin luku, ν.

15 15 Sitomattomien materiaalien osalta kulloinkin kyseessä olevan materiaalin jäykkyys ja käyttäytymismalli jännityksen suhteen tierakenteessa määräytyy siis täysin kahden edellä jäykkyysmoduulin kaavassa esiintyvän parametrin K 1 ja K 2 perusteella. Mitoituksen edustavuus riippuu siis suoraan siitä, kuinka hyvin nämä parametrit kuvaavat kussakin rakennekerroksessa käytettävää materiaalia, sen laatua, tiiviystilaa ja vesipitoisuutta rakenteessa. Materiaalin edustavuuden suhteen ongelma ei poikkea muista vastaavan tyyppisistä näytteen edustavuuteen liittyvistä ongelmista: laboratoriossa saadut tulokset edustavat vain tutkittua näytettä. Siitä, että tutkittu näyte edustaa mahdollisimman hyvin mahdollisesti hyvinkin suurta rakenteissa käytettävää massamäärää, on varmistuttava muilla keinoilla. Esimerkiksi murskattavan kiviaineksen osalta on tehtävä jo murskattavasta kalliosta kiviaineksen laatua ja koostumusta koskevia selvityksiä ja lopulta murskaustuotteen ajallinen homogeenisuus on varmistettava kokein. Jos tutkittua näytettä voidaan pitää edustavana, kaikki muut tutkitun materiaalin laatua (maksimi raekoko, rakeisuus käyrän muoto, hienoainespitoisuus jne.) ja tilaa (tiiviystila, vesipitoisuus) kuvaavat tekijät jännitystilaa lukuun ottamatta sisältyvät siis edellä olevan kaavan parametreihin K 1 ja K 2. Edellä esitettyyn moduulin jännitystilariippuvuutta esittävään kaavaan materiaalien parametrit on siten määritettävä sellaisessa tiiviystilassa ja vesipitoisuudessa, jotka vastaavat rakenteessa toteutuvia olosuhteita. Kääntäen tämä tarkoittaa sitä, että suunnitellun vasteen aikaansaamiseksi materiaalikerrokset on myös rakennettava siihen tiiviystilaan, jossa näytteiden ominaisuudet on määritetty. Koska tiiviystila on kuitenkin yksi merkittävimmistä sitomattomien karkearakeisten materiaalien käyttäytymiseen vaikuttavista tekijöistä, moduulin jännitystilariippuvuudelle on kehitetty ja määritetty malleja, joissa myös tiiviystilan vaikutus moduuliin voidaan huomioida. Näitä malleja on tarkasteltu jäljempänä luvussa 3.3. Rakennekerroksissa vaikuttava kosteustila on käytännössä jossain määrin vaikeammin hallittavissa kuin materiaalin tiiviystila. Eri materiaalikerrosten vesipitoisuudet rakenteessa riippuvat suuresti sekä itse materiaalista että rakenteen muista kerroksista, rakenteen ympäristöstä ja rakenteen sijoittumisesta ympäristöön. Ilman mitään kuivatuksellisia toimenpiteitä materiaalien vesipitoisuudet rakenteissa saattavat muodostua hyvinkin suuriksi ja vesipitoisuuksien vaihtelut rakenteissa mitoituksen ja käytön kannalta hallitsemattomiksi. Monipuolisia ja tehokkaita kuivatusjärjestelyitä hyväksikäyttäen rakenteiden kosteuskäyttäytyminen voidaan kuitenkin hallita ja tämän pohjalta määrittää eri materiaalien tyypilliset vesipitoisuudet tyypillisissä rakenteissa. Näitä eri materiaaleille esitettyjä vesipitoisuuksia voidaan käyttää hyväksi moduulin määrityksessä käytettävän materiaalin vesipitoisuuden valinnassa. Sitomattomien materiaalien vesipitoisuuksien arvoja eri lailla kuivatetuissa rakenteissa on tarkasteltu lähemmin hieman jäljempänä luvussa 2.3. Taulukossa 1 esitettyjen parametrien K 1 ja K 2 perusteella voidaan havaita, etteivät esimerkiksi kantavalle ja jakavalle kerrokselle esitettyjen parametrien arvot poikkea kovin suuresti toisistaan. Jakavan kerroksen moduuliluku on jopa kantavan kerroksen materiaalin moduulilukua suurempi jännityseksponenttien ollessa samaa suuruusluokkaa. Alhaisilla pääjännityssumman arvoilla jakavan kerroksen moduulille saadaan suurempia arvoja kuin kantavan kerroksen moduulille aina noin pääjännityssummaan θ = 15 kpa saakka, jonka jälkeen kantavan kerroksen moduuli alkaa olla lievästi jakavan kerroksen moduulia suurempi.

16 16 Koska kantavassa kerroksessa tarvitaan ja käytetään yleensä parempaa ja jäykempää materiaalia kuin alempana olevissa kerroksissa, on selvää, että materiaalin jäykkyyteen ja kerroksessa vaikuttavan moduulin arvoon vaikuttaa merkittävästi eri rakennekerroksissa vaikuttava jännitystila. TPPT:n mitoitusjärjestelmässä sitomattomien kerrosten palautuvien muodonmuutosten laskennassa huomioidaan jäykkyysmoduulin jännitystilariippuvuus, joka on tärkein sitomattoman karkearakeisen materiaalin muodonmuutoskäyttäytymiseen vaikuttava tekijä /8/. Pääsääntöisesti sitomattoman karkearakeisen materiaalin palautuvan muodonmuutoksen kuvaamiseen käytetyn moduulin arvo kasvaa jännitystilan mukana. Rakenteessa tietyssä pisteessä vaikuttava jännitys puolestaan riippuu kuormituksen suuruudesta ja rakenteen muista kerroksista ja niiden ominaisuuksista. Tyyppirakenteissa esiintyviä jännitystiloja ja niiden perusteella määräytyviä tyyppimateriaalien moduuleja on käsitelty luvussa 2.2. Kun rakenteessa käytettävien materiaalien muodonmuutosominaisuudet on määritetty laboratoriokokeissa jännitystilariippuvina rakenteessa vallitsevat tiiviystila ja kosteusolosuhteet huomioiden, on suuri osa näiden tekijöiden vaikutuksesta jo automaattisesti huomioitu saaduissa tuloksissa. Osa näistä muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttavista tekijöistä pysyy myös periaatteessa suhteellisen muuttumattomina sen jälkeen, kun materiaali on tiivistetty rakenteeseen. Tämä edellyttää kuitenkin sitä, että on käytetty riittävän hyvälaatuista materiaalia ja että materiaali on oikeassa paikassa kunnollisessa rakenteessa. Tiiviys- ja kosteustilan ohella karkearakeisten sitomattomien materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttavat rakeisuusmuuttujat (raekokojakautuma, maksimiraekoko, hienoainespitoisuus) ja rakeiden fysikaaliset ominaisuudet (raemuoto ja rakeiden pintakarkeus, rakeiden pintakitka, rakeiden lujuus ja pysyvyys). Eri tekijöiden vaikutus materiaalin muodonmuutosominaisuuksiin sinällään saattaa kuitenkin olla suuri ja niiden vaikutuksen suunnasta ja suuruusluokasta on syytä olla tietoinen materiaaleja valittaessa. Näiden eri tekijöiden vaikutusta on materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin on käsitelty lähemmin luvussa Jännitystila rakennekerroksissa TPPT:n suunnittelujärjestelmän mukaisessa mitoituksessa pyritään käyttämään mahdollisimman tarkoin materiaali- ja kohdekohtaisesti määritettyjä parametreja. Pääsääntöisesti parametrien tulisi pohjautua käytettäville materiaaleille laboratoriossa suoritettuihin määrityksiin. Yleensä, etenkään pienemmissä kohteissa, materiaalikohtaisia parametreja ei kuitenkaan välttämättä tunneta. Tällöin on päällysrakenteen alustavassa mitoituksessa esitetty käytettäväksi materiaaleille tiettyjä tyyppiarvoja. Nämä tyyppiarvot pohjautuvat TPPT:ssä suoritettuun materiaalitutkimukseen ja ne on määritetty materiaaleille rakenteissa vaikuttavia tyypillisiä tiiviys- ja kosteusolosuhteita edustavassa tilassa. Jos jännitystila rakenteessa kuormituksen yhteydessä pysyy riittävän vakiona, voidaan tyyppiarvot luonnollisesti muuttaa suoraan rakennekerroksissa mitoituksessa käytettäviksi moduulin vakioarvoiksi. Viitteessä /2/ on selvitetty näitä tyyppimateriaaleja käyttäen tyypillisissä Suomessa käytettävissä rakenneratkaisuissa rakennekerroksissa vaikuttavia teoreettisia jännitystiloja ja jäykkyysmoduuleita. Laskelmat on tehty kimmoteoriaan pohjatuvalla Kenlayer -ohjelmalla, jossa sitomattomien materiaalien moduulit voidaan kuvata pääjännityssumman funktiona.

17 17 Tyyppimateriaaleina ovat olleet /2/ kantavan kerroksen lievästi lajittunut kalliomurske (KAMU2; esitetyt tunnukset viittaavat viitteessä /1/ käytettyihin merkintöihin, jossa ko. laboratoriokokeiden tulokset on esitetty), jakavan kerroksen suhteistunut luonnon sora (JASR3) ja suodatinkerroksen karkea hiekka (SUHK). Näiden kerrosten materiaalien materiaaliparametrien arvot on esitetty aikaisemmin luvun taulukossa 1. Tehdyissä tarkasteluissa tyyppimateriaalien on katsottu vastaavan materiaaleja, joilla on hyvät muodonmuutosominaisuudet (tielaitoksen rakeisuuskäyrään perustuvan arviointimenettelyn mukaan kantavan ja jakavan kerroksen materiaalien E-moduulit ovat tällöin 28 MPa ja suodatinkerroksen materiaalin 1 MPa). Teoreettisia laskelmia on tehty myös ns. heikoilla materiaaleilla, joilla parametrin K 1 -arvoiksi on valittu 75 % tyyppimateriaalien K 1 -arvoista (ks. luku 4). Tarkasteluissa on vaihdeltu hyvien ja ns. heikkojen materiaalien ominaisuuksien ohella AB-päällysteisillä rakenteilla päällysteen paksuutta (4, 8, 12, 16 mm) ja moduulia (2, 35, 5, 75 MPa), suodatinkerroksen paksuutta (16, 36, 56 mm) ja alusrakenteen moduulia (1, 2, 4, 6, 8 MPa). Sekä kantavan kerroksen että jakavan kerroksen paksuus on tarkasteluissa ollut sama 2 mm ja se on ollut vakio muiden tekijöiden vaihdellessa. Tarkastelut on suoritettu sekä yksittäispyöräkuormitukselle (pintapaine 77 kpa; kuormituspinnan säde r=.15 m) että paripyöräkuormitukselle (pintapaine 77 kpa; r=.16 m, pyörien keskipisteiden väli.35 m). Kerrosten edustaviksi moduuleiksi on valittu kerroksen korkeuden keskikohdalle yksittäispyörän symmetria-akselilla ja paripyöräkuormituksen symmetriatasolla pyöräkuormista ja geostaattisesta jännityksestä lasketun pääjännityssumman mukaan iteroidut jäykkyysmoduulin arvot (ohjelma asettaa osakerroksessa vaakasuoran jännityksen arvoksi, jos vaakasuora jännitys geostaattinen jännitys mukaan luettuna on vetoa). Alusrakenteen yläpinnan jäykkyysmoduuleina ja päällysteen jäykkyysmoduuleina on käytetty vakioarvoja. Rakennekerrosten Poissonin lukuna on käytetty arvoa.35. Maapohjalla on käytetty Poissonin luvun arvoa.35 maapohjan ollessa kitkamaata ja arvoa.45 maapohjan ollessa koheesiomaata. Tarkastelujen mukaan pääjännitysten summat yksittäispyöräkuormituksen tapauksessa vaihtelevat kantavassa kerroksessa välillä kpa, jolloin jäykkyysmoduuli vaihtelee välillä MPa. Jakavassa kerroksessa arvot ovat vastaavasti pääjännityksen osalta kpa ja moduulin osalta MPa. Paripyöräkuormituksen tapauksessa pääjännitysten summat vaihtelevat kantavassa kerroksessa välillä kpa, jolloin jäykkyysmoduuli vaihtelee välillä MPa. Jakavassa kerroksessa arvot ovat vastaavasti pääjännityksen summan osalta kpa ja moduulin osalta MPa. Suodatinkerroksessa pääjännitysten summat ovat yksittäispyöräkuorman tapauksessa kpa ja jäykkyysmoduulit MPa. Paripyöräkuorman tapauksessa pääjännitykset ovat vastaavasti kpa ja jäykkyysmoduulit MPa. Pääjännityssummat ja jäykkyysmoduulit varsinkin pienimmillä päällystepaksuuksilla ovat paripyöräkuormituksessa pienempiä kuin yksittäispyöräkuormituksessa. Suuremmilla päällystepaksuuksilla erot kuitenkin pienenevät. Suodatinkerroksessa jäykkyysmoduulit ovat lähes yhtä suuret kummallakin kuormitustavalla. Jäykkyysmoduulin vaihteluvälin on myös todettu olevan niin pieni, ettei se juu-

18 18 rikaan vaikuta kantavan kerroksen tai alusrakenteen jännitystilaan, jäykkyysmoduuleihin tai kyseessä olevien kerrosten toimintaan. Tästä johtuen käytännössä voidaan suodatinkerroksessa käyttää jäykkyysmoduulille vakioarvoa tierakenteesta riippumatta /2/. Sen sijaan kantavan ja jakavan kerroksen osalta pääjännitysten summat ja jäykkyysmoduulien vaihteluvälit tyyppimateriaaleilla ovat niin suuria, ettei niille voida tarkastelujen perusteella käyttää vakioarvoja kummassakaan kerroksessa /2/. Tärkein kantavan ja jakavan kerroksen jännitystiloihin ja jäykkyysmoduulin vaikuttava tekijä on päällysteen paksuus. Mikäli päällystepaksuuden sallitaan vaihtelevan vain pienissä rajoissa (esim mm), pienenevät pääjännityssumman ( kpa yksittäispyöräk. / kpa paripyöräk.) ja jäykkyysmoduulin ( MPa / MPa) vaihteluvälit jo merkittävästi jakavassa kerroksessa. Kantavassa kerroksessa vaihtelut jäävät tällöinkin melko suuriksi (θ = kpa; M r = MPa yksittäispyöräk. ja θ = kpa; M r = MPa paripyöräk.). Tyyppimateriaalien materiaaliparametrien mukaiset moduulin riippuvuussuhteet pääjännityssummasta on esitetty kuvissa 5 ja 6. Kuvissa on myös esitetty tyyppirakenteiden pääjännitysten vaihteluvälit (AB-päällysteen paksuus vaihtelee välillä mm) yksittäispyöräkuormituksessa ja paripyöräkuormituksessa. 5 Kantava 45 Jäännösmoduuli, MPa Pääjännitysten summa, kpa Jakava Suodatinkerros Kantavan pääjännityssumman vaihteluväli kpa Jakavan pääjännityssumman vaihteluväli kpa Suodatinkerr. pääjännityssumman vaihteluväli 25 5 kpa Kuva 5. Tyyppimateriaalien jäykkyysmoduulit rakennekerroksissa vallitsevan kokonaisjännitystason (θ =σ 1 + σ 2 + σ 3 ) suhteen sekä pääjännitysten vaihtelualueet yksittäispyöräkuormituksessa tyyppirakenteilla (jakavan alueella moduulin arvoa on nostettu kuvassa 1 MPa ylemmäs havaittavuuden parantamiseksi) /2/.

19 19 5 Kantava 45 Jäännösmoduuli, MPa Pääjännitysten summa, kpa Jakava Suodatinkerros Kantavan pääjännityssumman vaihteluväli kpa Jakavan pääjännityssumman vaihteluväli kpa Suodatinkerr. pääjännityssumman vaihteluväli kpa Kuva 6. Tyyppimateriaalien jäykkyysmoduulit rakennekerroksissa vallitsevan kokonaisjännitystason (θ =σ 1 + σ 2 + σ 3 ) suhteen sekä pääjännitysten vaihtelualueet paripyöräkuormituksessa tyyppirakenteilla (jakavan alueella moduulin arvoa on nostettu kuvassa 1 MPa ylemmäs havaittavuuden parantamiseksi) /2/. 2.3 Ympäristöolosuhteet ja -rasitukset Tiehen syntyy epätasaisuutta ja tierakenne vaurioituu painumien ja liikennerasitusten ohella myös ilmastorasitusten vaikutuksesta. Suomessa merkittävimmät ilmastorasitukset ovat tierakenteiden ja pohjamaan routaantuminen / routiminen sekä sadanta. Molemmat tekijät aiheuttavat rakenteeseen kosteusvaihteluita, joilla on merkittävä vaikutus materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin. Myös rakenteissa tapahtuva toistuva jäätyminen ja sulaminen vaikuttavat sekä rakeisten että sidottujen materiaalien käyttäytymiseen Rakenteen ja pohjamaan kosteusvaihtelut Vaikutus sitomattomien kerrosten kuormituskestävyyteen Veden kulkeutumista ja liikkumista tierakenteessa aiheuttavat mm. puutteellinen pintakuivatus (riittämätön vietto, pinnan urautuminen, päällysteen halkeilu, päällystämättömän pientareen kautta tierakenteeseen tapahtuva imeytyminen), pohjaveden kulkeutuminen ja virtaukset, veden kapillaarinen nousu huokoisissa materiaaleissa sekä vesihöyryn kulkeutuminen ja tiivistyminen rakenteessa. Veden pääsyä tierakenteeseen ei voida kokonaan estää. Toisaalta se ei ole tarpeenkaan, kun kysymyksessä on routimaton materiaali, sillä kuormituskestävyyden kannalta vähän kostea rakennemateriaali on yleensä parempi kuin täysin kuiva materiaali. Suuri vesipitoisuus kuitenkin pienentää maamateriaalien moduuleja. Moduulin pieneneminen voi olla jopa % luokkaa. Vesipitoisuuden materiaalikohtaisia vaikutuksia on tarkasteltu lähemmin luvussa 2. Näin merkittävää moduulin pienenemistä ei voida sallia mitoituslähtökohtana, koska se johtaa epätaloudellisiin rakenteisiin. Tämän joh-

20 2 dosta moduulin aleneminen on rajoitettava tierakenteissa halutulle tasolle riittävän tehokkailla kuivatusrakenteilla. Hyväksyttävänä voitaneen pitää noin 1 % moduulin alenemista. Tämän suuruinen aleneminen otetaan huomioon jo moduulin mitoitusarvoa määritettäessä. Kuivatuksella voidaan vaikuttaa myös sitomattomien kerrosten ja pohjamaan Poissonin lukuun, joka riippuu mm. kyllästysasteesta. Yleensä mitoituksessa käytetään kuitenkin materiaalikohtaisia Poissonin luvun vakioarvoja (taulukkoarvoja). Vesipitoisuuden vaikutusta sitomattomien materiaalien kuormituskestävyyteen ei toistaiseksi tunneta niin hyvin, että voitaisiin arvioida kuivatuksen vaikutusta niiden väsymissuoriin (väsymissuora määrää ko. materiaalille sallittavan palautuvan eli kimmoisen muodonmuutoksen pyöräkuorman vaikutuksesta). Merkittävämmin sitomattomien materiaalin vesipitoisuus vaikuttaa tien kestävyyteen roudan sulamispehmenemisen aikoihin. TPPT-suunnittelujärjestelmässä on kuivatuksen suunnittelua silmälläpitäen esitetty eri rakennekerrosten ja alusrakenteen normaalit vesipitoisuudet eli arvot, joita ei oikein kuivatettuna ylitetä epäedullisissakaan olosuhteissa. Näitä vesipitoisuuden raja-arvoja soveltaen määritetään tierakenteen mitoitusparametrien laskenta-arvot normaalitapauksia varten. Nämä tien rakennemateriaalien ja pohjamaan ohjeelliset vesipitoisuuden raja-arvot (paino-%) on esitetty taulukossa 2. Näitä arvoja voidaan käyttää myös laboratoriokokeiden ohjeellisina tavoitevesipitoisuuksina materiaalien ominaisuuksia määritettäessä. Ellei taulukon 2 vesipitoisuuksiin arvioida jossakin kohteessa päästävän (arvot ylittyvät), on rakenteen kuormituskestävyys- ja routamitoitus tehtävä sillä vesipitoisuudella, jonka kohteessa arvioidaan toteutuvan. Tämän takia vesipitoisuuden vaikutus mitoituksessa käytettäviin parametreihin on tunnettava ainakin likimääräisesti tai parametrit on määritettävä laboratoriossa rakenteessa toteutuvan vesipitoisuuden tasoa vastaavalla tasolla. Tierakenteen ja pohjamaan/alusrakenteen pitkäaikaista tasapainovesipitoisuutta voidaan arvioida esimerkiksi suunnittelujärjestelmässä esitettyjen materiaalien vedenpidätyskäyrien avulla. Toisena mahdollisuutena on käyttää tavoitevesipitoisuuksien saavuttamiseksi suunnittelujärjestelmässä esitettyjä kuivatustoimenpiteitä. Kuormituskestävyyden kannalta kuivatus on riittävä, kun tierakenteen yläosa noin 1 m syvyyteen on kuivatettu. Olemassa olevissa rakenteissa havaittuja kantavan kerroksen materiaalien vesipitoisuuksia on esitetty kuvassa 7. Havainnot ovat Oulun alueelta, jossa on selvitetty näytteitä ottamalla hyvin ja huonosti toimineiden teiden kantavien kerrosten materiaaleja. Avattujen kohteiden kantavien kerrosten vesipitoisuudet vaihtelivat välillä paino- %. Eurooppalaisissa raporteissa on tierakenteen tasapainokosteutena, jos muuta ei ole tiedetty, käytetty arvoa w opt 2% -yksikköä. Veden vaikutusta voidaan sopivissa olosuhteissa vähentää teknisin vaihtoehdoin. Esimerkiksi Irlannissa tien pintaus (tyypillisesti AB kerros) viedään ojiin asti, jolloin vesi ei pääse imeytymään pintauksen päältä pientareen sisään.

21 21 Taulukko 2. Tien sitomattomien rakennemateriaalien ja pohjamaan/alusrakenteen vesipitoisuuden raja-arvot (paino-%), joita ei saa ylittää, ellei rakenteen mitoitusta tarkisteta vastaavasti (suunnittelujärjestelmässä esitettyjä alustavia arvioita). Vesipitoisuuden raja-arvo, paino-% Hyvin kuivatettu rakenne (alapinnan etäisyys kuivatustasosta tai pvp:stä yli 1,5 m) Normaalisti kuivatettu rakenne (alapinnan etäisyys kuivatustasosta tai pvp:stä,8-1,5 m) Huonosti kuivatettu rakenne (alapinnan etäisyys kuivatustasosta tai pvp:stä alle,8 m) Kantava, murske (tai sora) Jakava, murske tai sora Suodatin/eristys, hiekka tai sora Penger, karkearakeinen maa Penger, Hk- tai Sr- moreeni Penger, silttimoreeni Penger, hienorakeinen maa Pohjamaa, karkearakeinen maa Pohjamaa, Hk- tai Sr- moreeni Pohjamaa, silttimoreeni 1) Pohjamaa, hienorakeinen 1) 3 35 yli 4 1) Vesipitoisuus ei riipu kuivatuksesta vaan vedenpidätyskyvystä. Mean grain size,d5 /M oisture C ontent (F innr A) Moisture content ( y = -.22x Mean grain size,d5 (m m ) Kuva 7. Kantavan kerroksen materiaalin vesipitoisuus keskirakeisuuden mukaan järjestettynä (Tielaitoksen selvitys Oulun alueella).

22 Vaikutus pohjamaan urautumiseen roudan sulamiskautena Pohjamaan urautumistarkasteluissa arvioidaan ilmasto- ja liikennekuormitusten aiheuttamia pysyviä eli plastisia muodonmuutoksia tierakenteessa ja etenkin pohjamaassa. Urautuminen tapahtunee pääasiassa sulamiskaudella. Sulavan maan vesipitoisuus riippuu routanousun suuruudesta (jään määrästä). Vaarallisin tilanne on silloin, kun pohjamaa on yläosastaan sulanut ja jäästä vapautuneen sulamisveden kyllästämä. Suurimmillaan huokosveden ylipaine kyllästetyssä kerroksessa saattaa etenkin liikennekuormituksesta aiheutuvan jännityslisäyksen johdosta nousta valitsevan jännitystilan suuruiseksi, minkä johdosta tehokas jännitys pienenee ja materiaalin kyky vastustaa muodonmuutoksia on tällöin hyvin alhainen. Sulamisveden purkautumiseen kuluva aika (sulamispehmenemiskauden pituus) riippuu mm. routanousun suuruudesta, routineen kerroksen paksuudesta ja vedenläpäisevyydestä sekä kuivatuksen tehokkuudesta. Jos roudan sulaessa vapautuva vesi johdetaan tehokkaasti pois, vähenee sekä sulamispehmenemisen määrä että sen kestoaika. Pohjamaan urautumistarkastelujen periaatteet on esitetty suunnittelujärjestelmässä. Sulavan pohjamaan kantavuuden heikentyminen vaikuttaa myös yläpuolella olevien rakennekerrosten käyttäytymiseen, vaikka yläpuoliset kerrokset olisivatkin hyvälaatuisia ja normaaleissa vesipitoisuuksissaan, koska pohjamaan ja rakennekerrosten väliset jäykkyyssuhteet muuttuvat. Vetoa kestämättömästä materiaalista olevan kerroksen jäykkyysmoduuli riippuu myös alapuolella olevan kerroksen jäykkyydestä. Lujuuttaan menettäneen pohjamaan päällä oleva rakennekerros ei tällöin välttämättä pysty vastaanottamaan liikenteen kuormitusvaikutusta, mikä johtaa palautumattomien muodonmuutosten syntymiseen siinä /8/ Muut rasitukset Lämpötila Lämpötilalla sinällään on suuri vaikutus tierakenteen kantavuuteen ja käyttäytymiseen kokonaisuutena. Tierakenteiden kantavuus lienee suurimmillaan talvella, kun rakennekerrokset ovat jäässä ja mahdollisesti vielä pohjamaakin on yläosastaan jäätynyt, jäätyneen veden lujittaessa materiaaleja. Tierakenteen kantavuus laskee yleensä alimmilleen keväällä sulamisaikana ja kohoaa tästä vähitellen normaaliin "kesäarvoonsa". Lämpötilan vaihtelulla ei kuitenkaan sinällään ilmeisesti ole juurikaan vaikutusta karkearakeisten materiaalien muodonmuutoskäyttäytymiseen /11/. Kantavuus- ja käyttäytymismuutokset johtuvat pikemmin lämpötilamuutosten aiheuttamista kosteusolosuhteiden muutoksista eri vaiheissaan sulavassa rakenteessa, johon kosteutta saattaa tulla vielä rakenteen ulkopuoleltakin. Päällysrakennekerroksissa tästä kostumisesta aiheutuva jäykkyyden aleneminen voi olla % luokkaa. Routaantuminen / routiminen, toistuva jäätyminen ja sulaminen Pohjamaassa tapahtuvat epätasaiset routanousut (tai painuma) saattavat myös aiheuttaa ylempänä oleviin kerroksiin muodonmuutoksia, joiden johdosta kerrokset löyhtyvät. Tierakenteen hallitusta (sallittavasta) taipumisesta (painuma ja routanousu) aiheutuva sitomattomien kerrosten löyhtyminen on otettava tarvittaessa huomioon parametrien mitoitusarvoja määritettäessä. Painuma ja routanousu rajoittuvat jo kuitenkin muiden kriteerien perusteella yleensä sellaiselle tasolle, ettei löyhtyminen heikennä merkittävästi

23 23 rakennetta. Normaalikäytännön mukaisia sitomattomia (routimattomia) materiaaleja ja rakenteita käytettäessä rakennekerrosten materiaalien routimisesta tai routaantumisesta ei pitäisi aiheutua rakennekerrosten merkittävää löyhtymistä. Yhtenä sitomattomien materiaalien käyttäytymiseen vaikuttavana tekijänä on toistuva jäätyminen ja sulaminen. Materiaaleja rapauttamalla ilmiö saattaa aiheuttaa raekokojakautuman muuttumista ja hienoaines- sekä savilajitepitoisuuden kasvua. Molemmat vaikuttavat materiaalien jäykkyyttä eli moduulia alentavasti. 3 TPPT:SSÄ MÄÄRITETYT MATERIAALIEN OMINAISUUDET 3.1 Tutkimusten tausta-aineisto Jo ennen TPPT:n alkua TTKK:lla (Tampereen teknillinen korkakoulu) oli suoritettu sitomattomien kerrosten kiviainesten muodonmuutosominaisuuksien selvittämiseen liittyviä kirjallisuusselvityksiä /8/ ja esiselvitysvaiheen kuormituskokeita /9/. Selvitykset olivat tarkoitetut palvelemaan analyyttisten mitoitusmenetelmien kehittämistä ja sitomattomien kerrosten kiviainekselle asetettavien laatuvaatimusten tarkistamista. Kirjallisuusselvitykseen /8/ on kerätty kirjallisuudessa esitetyistä tutkimuksista karkearakeisilla materiaaleilla suoritettujen koesarjojen keskeisimmät tulokset ja pyritty e- sittämään ne keskenään mahdollisimman yhteismitallisina. Kirjallisuusselvityksessä referoiduissa kahdessa laajassa tutkimuksessa tutkittujen materiaalien osalta on esitetty K-θ -mallin mukaiset parametrit K 1 ja K 2 ja näiden pohjalta on materiaaleille laskettu jäykkyysmoduulien arvot muutamilla eri pääjännityssumman arvoilla. Kirjallisuusselvityksessä on esitetty tutkimustuloksia sekä palautuvien että palautumattomien muodonmuutosominaisuuksien osalta. Ensimmäisenä referoidun tutkimuksen (Marylandin yliopisto, USA; yhteensä 271 kokeen tulokset) mukaisessa aineistossa on aineisto jaoteltu materiaalityypeittäin ja kullekin materiaalityypille (6 kappaletta) on esitetty parametrien K 1 ja K 2 keskiarvot ja vaihteluvälit. Tutkimuksen materiaalityypit ovat painottuneet murskattuun kiviainekseen (115 koetta) ja hiekkakiviaines-seokseen, soramurskeeseen (78 koetta). Koetuloksia on esitetty myös, tosin vähäisempiin koemääriin perustuen, silttiselle hiekalle, hiekkaiselle soralle, kalkkikivelle ja kuonalle. Toisen referoidun tutkimuksen aineistossa (Delftin yliopisto, Hollanti) on tutkittu paikallisten sitomattomien kerrosten materiaalivaatimusten ohjealueen (rakeisuus...4 mm) ylä- ja alarajan mukaisia materiaaleja sekä hiekkoja. Murskattujen ja luonnonmateriaalien ohella mukana on ollut myös suuri määrä erityyppisiä uusiomateriaaleja. Kaikkiaan K 1 ja K 2 parametrien (ylä- ja alarajan materiaaleilla) arvot on esitetty neljälle mursketyypille, kuudelle hiekkamateriaalille, kahdelle tiilimurskeelle, yhdelle betonimurskeelle, tiili-betonimurskeelle ja klinkkerimurskeelle sekä yksittäiset arvot vielä seitsemälle materiaalille, joista suuri osa on erityyppisiä kaupallisia tiili-betonimurskeita. Palautumattoman muodonmuutoskäyttäytymisen osalta tuloksia on esitetty muutamalle materiaalille (1 rakeista karkearakeista materiaalia / rakeisuusyhdistelmää ja 3 hiekkaa).

24 24 Kirjallisuustutkimuksessa esitetyt tulokset ovat hyödyllisiä suuruusluokkakäsityksen muodostamiseksi eri materiaalien moduulien tasoista, vaikka esimerkiksi tiiviys- ja kosteustilojen vaikutukset tuloksia keskiarvoistettaessa jonkin verran hämärtynevätkin. Etenkin monien uusiomateriaalien osalta tarkempaa tietoa ei kuitenkaan liene saatavissa. Esiselvitysvaiheessa /9/ kuormituskokeita tehtiin kolmelle erityyppiselle kiviaineksella. Näistä yksi edusti kalliosta murskaamalla valmistettua materiaalia, yksi soramursketta ja yksi luonnonsoramateriaalia. Kullakin kiviaineksella kuormituskokeet tehtiin suhteistuneella kantavan kerroksen ohjealueen mukaisessa raekokojakautumassa olevalle sekä rakeisuuskäyrältään "roikkuvaksi" lajittuneelle materiaalille, joiden kaikkien maksimiraekoko oli 55 mm. Tutkittujen näytteiden vesipitoisuutta vaihdeltiin täysin kuivan, kostean ja kokonaan veden kyllästämän tilan välillä. Kaikkiaan esiselvitysvaiheessa testattiin 33 näytettä, näytemäärien painottuessa kalliomurskeeseen (21 näytettä; suhteistuneella 12, lajittuneella 9). Luonnonsorilla ja soramurskeilla tutkittiin kummallakin 6 näytettä (yksi / lajittuneisuus / vesipitoisuus). Materiaalien käyttäytymistä koskevana päätuloksena todettiin kaikilla tutkituilla materiaaleilla palautuvaa muodonmuutosta kuvaavan moduulin riippuvan voimakkaasti jännitystilasta. Suhteistuneilla murskatuilla kiviaineksilla korkeimmat jäykkyysmoduulin arvot saatiin osittain veden kyllästämille näytteille ja lajittuneilla kiviaineksilla puolestaan täysin kuiville materiaaleille. Luonnon soranäytteiden jäykkyysmoduulit olivat pääsääntöisesti jonkin verran vastaavia sora- ja kalliomurskenäytteitä alhaisemmat. Staattisista kolmiakselikokeista määritettyjen sekanttimoduulien perusteella muodonmuutoskäyttäytyminen oli yhdenmukainen dynaamisissa kuormituskokeissa todettujen riippuvuuksien kanssa, mutta moduulien arvot olivat pääsääntöisesti dynaamisista kokeista saatuja arvoja alhaisemmat /9/. TPPT:n materiaalitutkimuksissa /1/ suoritettiin edellä mainitun esiselvitysvaiheen kuormituskokeita täydentäviä kolmiakselikoesarjoja. Viitteessä /1/ esitetyistä 28 isomittakaavaisesta kokeesta 11 tehtiin viidestä eri havaintotiekohteesta otetuille kantavan kerroksen murskeille ja 15 kiviaineksille, joiden rakeisuusjakautumat oli rakennettu tielaitoksen suunnitteluohjeissa annettujen sitomattomien kerrosten materiaalien ohjealueita vastaaviksi. Lopuilla kokeilla selvitettiin näytekoon vaikutusta tuloksiin. Havaintoteiden kantavan kerroksen murskeet (mukana yksi kappalekuonamursketta sisältänyt materiaali) pyrittiin testaamaan mahdollisimman tarkoin "luonnollisissa" vesipitoisuuksissaan ja tiheyksissään, kuitenkin siten, että yli 32 mm:n rakeet oli poistettu näytteistä. Myös muut materiaalit testattiin pääsääntöisesti käyttötilan vesipitoisuuksissa ja tiiviyksissä. Muut täydentävissä koesarjoissa testatut materiaalit olivat hiekka (yksi suodatin kerroksen ja yksi jakavan kerroksen hiekka), luonnon sora (neljä jakavan kerroksen soraa) ja kalliomurske (kaksi kantavan kerroksen kalliomursketta). Eräs tutkimuksen tärkeimpiä tuloksia oli, että rakeisuusohjealueiden mukaisiksi suhteutetuilla materiaaleilla rakeisuusjakautumaan perustuva jäykkyysmoduulin arviointimenettely antoi laboratoriomittausten kanssa yhdensuuntaisia tuloksia. Jäykkyysmoduulien vastaavuus edellyttää kuitenkin myös erilaisiin materiaaleihin tyypillisessä suomalaisessa tierakenteessa liikennekuormitustilanteessa kohdistuvan jännitystilan huomioonottamista. Jäykkyysmoduulia ei siten voida arvioida pelkästään rakeisuuteen perustuen, mikäli tietyntyyppisen materiaalin paikka tierakenteessa muuttuu tai rakenne muuten olennaisesti poikkeaa tavanomaisesta perinteisestä rakenteesta. Havaintoteiden näyte-

25 25 materiaaleilla keskeisimmäksi jäykkyysmoduulien eroja selittäväksi tekijäksi todettiin kiviaineksen tiiviystila /1/. Tutkimusvälineenä on kaikissa edellä käsitellyissä tutkimuksissa käytetty Tampereen teknillisen korkeakoulun geotekniikan laitoksen dynaamista kolmiakselikoelaitteistoa, joka mahdollistaa halkaisijaltaan 3 mm:n ja korkeudeltaan 6 mm:n näytteiden koestamisen. Kiviainesten palautuvan muodonmuutoksen määrityksessä on koesarjoissa käytetty etupäässä amerikkalaisen SHRP-tutkimusohjelman mukaista kuormitustapasuositusta (etenkin esiselvitysvaiheen kokeet), mutta myös CEN:n ja NGI:n ohjeiden mukaisia kuormitustapoja. Täydentävissä koesarjoissa käytettyjen näytteiden halkaisija oli pääosin 2 mm. Monille näytteille on tehty myös palautumattomia muodonmuutoskäyttäytymistä testaavia koesarjoja ja staattisia kolmiakselikokeita. TPPT:n materiaalitutkimusten päätavoitteena on ollut selvittää karkearakeisten materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin keskeisemmin vaikuttavat muuttujat ja niiden merkitys sekä kehittää menettely, jonka avulla erilaisten kiviainesten jäykkyysmoduulit pystyttäisiin määrittämään käytännön tarpeisiin riittävällä tarkkuudella niiden laatua ja fysikaalista tilaa kuvaavien, helposti mitattavissa olevien suureiden perusteella. Luvussa 2.2 on käsitelty muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä näiden tutkimusten pohjalta. On hyvä muistaa, että eri tekijöiden (muuttujien) vaikutukset materiaalin moduuliin eivät ole toisistaan riippumattomia - materiaalien käyttäytymistä ei siten tässä raportissa myöhemmin esitetyn perusteella tule arvioida pelkästään esimerkiksi vesipitoisuuden muutosten perusteella. Vesipitoisuuden muutoksella voi eri tyyppisillä materiaaleilla olla esimerkiksi hienoaineksen määrästä johtuen erilainen vaikutus. Luvussa 2.3 on käsitelty materiaaleille tutkimuksissa määritettyjä parametreja ja koetulosaineiston pohjalta muodostettua kiviainesten jäykkyysmoduulin arviointimenettelyä. Arviointimenettelyn kehityksessä tausta-aineiston on muodostanut yli 13 kolmiakselikokeen tulokset. Tutkimusten pääpaino on ollut kalliomurskeissa, joilla tehtyjä kokeita on ollut n. 8 % kuormituskokeiden kokonaismäärästä /11/. 3.2 Muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttavat tekijät Rakeisuusmuuttujat (raekokojakautuma, maksimiraekoko, hienoaineksen määrä) Rakeisuusmuuttujien, kuten rakeisuuskäyrän muodon huomattavat vaikutukset materiaalin moduuliin käyvät ilmi jo tielaitoksen rakeisuuskäyriin pohjautuvassa moduulien arviointimenettelyssä. Eri tekijöiden vaikutukset materiaalin jäykkyyteen eivät kuitenkaan välttämättä kaikki ole aivan niin yksiselitteisiä kuin tämän tielaitoksen arviointimenettelyn perusteella voisi olettaa. Eri tekijöiden vaikutukset ovat moninaisessa keskinäisessä riippuvuussuhteessa toistensa kanssa. Eri tekijöiden vaikutusten "suuret linjat" ovat usein saman tyyppisiä eri tyyppisilläkin materiaaleilla, esimerkiksi kyllästyneessä tilassa moduuli on yleensä pienempi kuin kuivassa tilassa. Erot ja vaikutukset rakeisuusmuuttujiltaan erilaisten materiaalityyppien käyttäytymisessä näiden ääriarvojen väliin jäävässä, käytännön rakenteissa vaikuttavissa vesipitoisuuksissa, voivat kuitenkin olla eri hyvinkin suuria. Erot eivät välttämättä aina kaikilta osiltaan ole edes saman suuntaisia, muidenkin tekijöiden (rakeiden ominaisuudet, tiiviystila, jne.) vielä vaikuttaessa materiaalin käyttäytymiseen. Tämä johdosta jonkin tietyn tekijän vaikutuksia on yleensä tarkasteltava materiaalikohtaisesti muita tekijöitä tarvittaessa varioiden. Raekokojakautuma

26 26 Rakeisuuskäyrän muoto määrää pitkälti sen, minkä kokoisten rakeiden muodostaman raerungon kautta kuormitus maamateriaalissa välittyy. Rakeisuuskäyrältään optimaalisesti ns. Fullerin käyrän mukaan kulkevissa materiaaleissa kaikki raekoot osallistuvat parhaiten kuormituksen jakamiseen. Mikäli materiaalissa on enemmän karkeita rakeita eli rakeisuuskäyrä on roikkuva, karkeampi kiviaines toimii kantavana rakenteena, mutta hienoaines saattaa olla hyvin löyhänä karkeampien rakeiden välissä. Tästä syystä myös materiaalin tiheys jää yleensä alhaisemmaksi kuin mihin rakeisuusjakautumaltaan suhteistuneempi materiaali pystyttäisiin samalla työmäärällä tiivistämään. Vaikka rakeisuuskäyrältään roikkuvaksi lajittuneen kiviaineksen raerungon voisi olettaa harvempien raekontaktiensa vuoksi olevan jäykempi kuin vastaavan tiheyden omaava suhteistunut materiaali, saavuttaa suhteistunut materiaali samalla tiivistystyömäärällä selvästi korkeamman tiheyden ja olettavasti näin saavuttavan myös suuremman jäykkyyden. Tähän suuntaan olevia havaintoja on tehty myös kalliomurskeiden koekuormituksissa /11/. Tässäkin on muistettava tiheyden ohella mm. vesipitoisuuden ja muiden tekijöiden, esim. kivilajin, vaikutus. Kirjallisuustutkimuksessa /8/ referoiduissa tutkimuksissa kuivalla dolomiittikalkkikivellä paras kyky vastustaa palautuvia muodonmuutoksia saavutettiin lajittuneimman rakeisuuden omaavilla näytteillä. Samalla tiivistystyöllä saavutetusta suuremmasta tiheydestä huolimatta hienomman aineksen lisääminen karkearakeisen kiviaineksen huokostilan täytteeksi ei kuitenkaan parantanut palautuvan muodonmuutoksen moduulia, vaan alensi sitä. Saman suuntaiseen tulokseen päädyttiin myös esiselvitysvaiheen /9/ kuivan murskatun kiviaineksen kuormituskokeissa. Osittain veden kyllästämillä materiaaleilla tilanne on kuitenkin toinen mm. näennäisestä koheesiosta riippuen. Mikäli rakeisuuskäyrän muoto rakeisuuspohjalla suorenee pakkautumisen kannalta optimaaliseen käyrämuotoon nähden keskikarkeiden lajitteiden ollessa yliedustettuina (ns. hiekkapatti), moduuli alenee, koska tasarakeinen materiaali ei suuremmissa huokosissa tiivisty yhtä hyvin kuin kauttaaltaan suhteistunut materiaali. Äärimmillään karkeimmat rakeet saattavat irrota toisistaan kokonaan /11/. Maksimiraekoko Kirjallisuustutkimuksen /8/ mukaan materiaalin maksimiraekoko vaikuttaa erittäin merkittävästi materiaalin jäykkyysmoduulin palautuvan muodonmuutoskäyttäytymisen osalta. Maksimiraekoon pienentyminen alentaa jäykkyysmoduulin arvoa. Esim. dolomiittikalkilla palautuva leikkausmuodonmuutos 5 kpa:n sellipaineella on kasvanut suhteellisen maksimiraekoon puolittuessa arvosta ~.3 % arvoon ~.5 % ja maksimiraekoon edelleen puoliintuessa arvoon ~.7 % kun deviatorinen jännitys on ollut...1 kpa. Suuremmalla deviatorisella jännitysvälillä (...2 kpa) palautuva leikkausmuodonmuutos on vastaavasti kasvanut arvosta ~.6 % arvoihin ~1.6 % ja ~2.5 % /8/. Maksimiraekoon vaikutus moduuliin tulee huomioida erityisesti laboratoriossa suoritettavissa moduulimäärityksissä. Materiaalin rakeisuutta skaalaamalla (muuttamalla maksimiraekokoa, mutta pitämällä raekäyrän muoto entisellään) ei hyvin karkearakeisen materiaalin moduulia siten voida tarkasti määrittää. Testaus tulisi kuitenkin tehdä aina rakeisuudeltaan mahdollisimman lähellä todellista materiaalia olevilla näytteillä /8/. Suomessa maksimiraekoon vaikutusta on selvitetty dynaamisella kolmiakselikokeella ja syklisellä levykuormituskokeella. Kolmiakselikokeissa näytteiden rakeisuuksien erot olivat niin vähäisiä, ettei selkeitä riippuvuuksia saatu esille. Sensijaan syklisissä levy-

27 27 kuormituskokeissa raekoon kasvaminen 2 mm:stä 55 mm:iin on suurentanut levykuormituskokeen moduulin jopa nelinkertaiseksi /8/. Karkearakeisemman materiaalin paremmat muodonmuutosominaisuudet johtuvat ilmeisimmin muodonmuutosten keskittymisestä harvalukuisempiin raekontakteihin ja niiden läheisyyteen toisin kuin hienorakeisemmassa materiaalissa /11/. Hienoainespitoisuus Kirjallisuustutkimuksen /8/ mukaan hienoainespitoisuuden (lajite < #.74 mm) vaikutus kiviaineksen moduuliin ei ole yksikäsitteinen. Mikäli materiaalissa on hienoainesta kohtuullisen vähän, pääsevät materiaalin karkeammat rakeet edelleen toistensa kanssa suoraan kosketukseen, ja kuorma välittyy edelleen niiden muodostaman raerungon kautta. Hienoainesmäärän kasvaessa kaikki hienorakeisempi materiaali ei enää välttämättä mahdu karkeampien rakeiden välisiin tyhjätiloihin, minkä seurauksena karkeammat rakeet saattavat menettää suoran kosketuksen toisiinsa /11/. Hienoainespitoisuus saattaa vaikuttaa materiaalin tyypistä riippuen moduulin laskentakaavan kertoimien K 1 ja K 2 arvoihion. Murskatuilla kiviaineksilla hienoainesmäärän vaikutus näihin kertoimiin on vaihteleva ja vähäinen. Soramurskeella moduuliluku saavuttaa maksimiarvonsa n. 1 % hienoainespitoisuudella, minkä jälkeen se pienenee hienoainespitoisuuden kasvaessa, jolloin muodonmuutoskäyttäytymisen jännitystilariippuvuus siis voimistuu. Kirjallisuustutkimuksen johtopäätöksenä on esitetty hiekan ja soramateriaalien olevan herkempiä hienoainespitoisuuden vaihteluille kuin vastaavan raekoostumuksen omaavien murskattujen ja kulmikkaista rakeista koostuvien materiaalien. Yleisesti ottaen hienoainesmäärän kasvun otaksutaan alentavan jäykkyysmoduulia. Materiaalitutkimusten koekuormituksissa lajittuneella Sievin kalliomurskeella n. 1 % hienoainesmäärä aiheutti suuruusluokaltaan 15 % alentumisen moduuliin /11/. Hienoaineksen määrän ohella myös hienoaineksen laatu vaikuttaa materiaalin muodonmuutoskäyttäytymiseen. Mitä aktiivisemmin ja runsaammin hienoaines sitoo vettä itseensä, sitä suuremmaksi kasvaa riski moduulin alentumiseen sekä veden toimiessa suoranaisesti liukastusaineena rakeiden pinnalla että huokosveden ylipaineen kehittymismahdollisuuden myötä /11/. Kirjallisuustutkimuksen /8/ mukaan myös pelkästään savipitoisuuden (lajite < #.2 mm) kasvulla näyttäisi olevan jäykkyysmoduulia alentava vaikutus, joskin sen merkitys näyttäisi olevan sidoksissa myös materiaalin vesipitoisuuteen. Esimerkiksi savipitoisuuden kasvu.4 %:sta hieman yli 2 %:iin näyttäisi alentavan moduulin suuruutta % (kyllästynyt / w=4.5 %). Pienillä vesipitoisuuksilla (w=2. %) ja savipitoisuuksilla ( %) moduulin arvo saattaa tosin hieman kasvaakin. Vaikutuksen on arveltu olevan riippuvainen myös savilajitteen mineralogisesta koostumuksesta /8/. Karkearakeisen materiaalin moduulin alentumisesta sekä myös materiaalin vedenläpäisevyyden alentumisesta johtuen on kirjallisuustutkimuksessa esitetty savipitoisuuden suositeltavaksi enimmäismääräksi %. Jäykkyysmoduulin arviointimenettelyssä eri rakeisuusmuuttujat tulevat huomioiduksi jäljempänä esitettyjen riippuvuussuhteiden (kaavat 5-7) kertoimissa a 1 ja a 2. Rakeisuusmuuttujien vahvaa osuutta moduulin määräytymisessä kuvaa se, että pääosalla materiaalitutkimusten tausta-aineistona olevista kiviaineksista näille parametreille näyttäisi olevan mahdollista saada hyvä estimaatti pelkästään rakeisuuskäyrän muotoon perustu-

28 28 van tarkastelun avulla /11/. Kuvassa 8 on esitetty parametrin a 1 vaihtelu rakeisuuskäyrästä laskettavan tunnusluvun d ekv funktiona. Tämä tunnusluku lasketaan kaavalla (3). d d = + d d9 (3) Parametrin a 1 arvot asettuvat erilaisilla luonnonkiviaineksilla sekä tietyillä kalliomurskeilla melko suoraviivaisesti rakeisuutta kuvaavan tunnusluvun mukaan. Poikkeamat yleislinjasta muodostavat runsaasti hienoainesta sisältänyt Sievin kalliomurske (CRF) ja Nurmon kalliomurske. Nurmon kalliomurskeen osalta selittäväksi tekijäksi on esitetty kiviaineksen heikkoa rakennetta /11/. Kuva 8. Materiaaliparametrin a 1 vaihtelu tunnusluvun d ekv funktiona /11/ Kosteustila Kosteustilan vaikutus karkearakeisten materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin on selvä. Vaikutuksen suuruus ja suunta riippuvat kuitenkin sekä materiaalityypistä että kosteuden määrästä. Osittain kyllästyneillä suhteistuneilla materiaaleilla kosteus kasvattaa palautuvien muodonmuutosominaisuuksien muodonmuutosmoduulia. Tämä aiheutuu osittain veden kyllästämissä huokosissa vaikuttavasta pintajännityksestä (näennäisestä koheesiosta), joka painaa maarakeita toisiaan vasten. Tämän vaikutuksen suuruus riippuu maamateriaalin keskimääräisestä rae/huokoskoosta ja veden määrästä sekä kiviaineksen pintaominaisuuksien ja veden välisestä vuorovaikutuksesta. Runsaasti hienoainesta sisältävillä ja tiiviisti pakkautuvilla materiaaleilla vaikutus on suurempi. Näennäisestä koheesiosta aiheutuvaksi on tulkittu myös alhaisilla vesipitoisuuksilla karkearakeisella kalliomurskeella (...4 mm) havaittu melko suuret moduulin erot; vesipitoisuuden kasvu eräällä kalliomurskeella.7 %:sta 1.8 %:iin aiheutti moduulin alentumisen noin puoleen jakavassa ja kantavassa kerroksessa tyypillisesti esiintyvällä pääjännitysten summan alueella /8/. Kuten edellä esitetystä on havaittavissa, on vesipitoisuuden vaikutus materiaalin palautuvaan jäykkyysmoduulin edullinen vain suhteellisen alhaisilla vesipitoisuuden / kylläs-

29 29 tysasteen arvoilla. Kyllästysasteen kasvaessa yhä suurempi osa huokosista täyttyy vedellä. Näennäisen koheesion vaikutus lakkaa kokonaan, kun materiaali on veden kyllästämää. Suuremmilla vesipitoisuuksilla (S r = %) useita rakeisia materiaalityyppejä sisältävässä koeaineistossa sekä parametrin K 1 että moduulin on havaittu alentuvan kyllästysasteen kasvaessa. Parametrin K 2 arvoon kyllästysasteella ei ollut havaittavissa yksikäsitteistä vaikutusta. Materiaalin ollessa lopulta kokonaan kyllästynyttä, heikkenee sen kyky tehokkaiden jännitysten periaatteiden mukaisesti vastustaa sekä palautuvia että palautumattomia muodonmuutoksia oleellisesti. Palautumattomien muodonmuutosten osalta kriittisenä kyllästysasteen rajana pidetään sorilla ja murskeilla % rajaa, jonka jälkeen riski palautumattomille muodonmuutoksille kasvaa voimakkaasti. Kirjallisuusselvityksen /8/ yhteenvetona on todettu, että materiaalin kosteuspitoisuuden vaihtelun vaikutuksen on todettu olevan suurin pyöristyneillä murskaantumattomilla rakeilla, mutta vähäisempi murskatulla kiviaineksella. Käytetyllä tiivistystyöllä tai materiaalin raekokojakautumalla ei sen sijaan todettu olevan selvää vaikutusta muodonmuutosominaisuuksien kosteusherkkyyteen. Esiselvitysvaiheen kuormituskokeissa /9/ palautuvan muodonmuutoksen moduuli suhteistuneella kalliomurskeella kasvoi selvästi näytteen kosteuspitoisuuden kasvaessa täysin kuivasta tilasta noin 3 % kyllästysasteeseen (w ~ 3%). Täysin veden kyllästämillä näytteillä moduuliarvot kuitenkin pienenivät jälleen ja vastasivat suunnilleen vajaan 2 %:n kyllästysasteessa (w ~ 1.9 %) tutkituille näytteille määritettyjä arvoja. Kosteustilan vaikutus koemateriaalin käyttäytymiseen on esitetty kuvassa 9. Lajittuneella kalliomurskeella saadut tulokset poikkesivat merkittävästi suhteistuneella kalliomurskeella saaduista tuloksista. Suurimmat jäykkyysmoduulin arvot saatiin kuivilla näytteillä ja alhaisimmat kosteana kuormitetuilla näytteillä. Täysin kyllästyneenä saadut moduulin arvot olivat vain hieman suurempia kuin kosteana tutkituilla näytteillä (kuva 9). Suhteistunut ja lajittunut kalliomurske Jäänösmoduuli, MPa Pääjännitysten summa, kpa CRWD Suht., kuiva CRWML Suht., w 1.9 % CRWMH Suht., w 3. % CRWS Suht., kylläst. CRPD Laj., kuiva CRPM Laj. w 1.4 % CRPS Laj., kylläst. Kuva 9. Vesipitoisuuden vaikutus suhteistuneen ja lajittuneen kalliomurskeen jäykkyysmoduuliin. Esiselvitysvaiheen kuormituskokeiden tulokset K-θ - mallilla pääjännitysvä-

30 3 lille kpa piirrettynä ko. viitteessä esitettyjä mallin parametreja, näytetunnuksia ja -tietoja käyttäen /9/. Suhteistuneessaa soramurskeessa vesipitoisuuden vaihtelulla puolestaan oli melko vähäinen vaikutus moduuliin. Lajittuneessa soramurskeessa vesipitoisuuden kasvu sen sijaan näytti alentavan moduulia lähes kautta linjan pääjännityksen summasta riippumatta (kuva 1). Soramurskenäytteet 7 Jäänösmoduuli, MPa CGWD1 Suht., kuiva CGWM1 Suht. w 3 % CGPS1 Suht., kylläst. CGPD1 Laj., kuiva CGPM1 Laj. w 2 % CGPS1 Laj., kylläst Pääjännitysten summa, kpa Kuva 1. Vesipitoisuuden vaikutus suhteistuneen ja lajittuneen soramurskeen jäykkyysmoduuliin. Esiselvitysvaiheen kuormituskokeiden tulokset K-θ - mallilla pääjännitysvälille kpa piirrettynä ko. viitteessä esitettyjä mallin parametreja, näytetunnuksia ja -tietoja käyttäen /9/. Kalliomurskeella kosteustilan vaikutus riippui siis selvästi näytteen raekokojakautumasta. Suhteistuneella materiaalilla moduuli kasvoi aluksi vesipitoisuuden kasvaessa. Lajittuneella materiaalilla vaikutus oli päinvastainen, mutta erot eri kosteuspitoisuuksien välillä eivät olleet kuitenkaan kovin merkittäviä. Soramurskeissa suhteistuneilla materiaaleilla erot olivat pienet ja lajittuneella materiaalilla suuremmat /9/. Suhteistuneen luonnonsoran ja lajittuneen luonnonsoran koeohjelmassa oli vain yksi koe kullakin, joten yleistäviä johtopäätöksiä ei näiden osalta voi tehdä. Vesipitoisuuden kasvaessa moduulit näyttivät kuitenkin pikemminkin kasvaneen kuin alentuneen, suhteistuneella luonnon soralla ja lajittuneella luonnon soralla myös alhaisilla pääjännityssummilla enemmän. Suuremmilla pääjännityssumman arvoilla moduuli vaikuttaa pysyvän lähes vakiona tai jopa alentuvan (kuva 11).

31 31 Luonnonsoranäytteet 7 Jäänösmoduuli, MPa NGWD2 Suht., kuiva NGWM2 Suht. w 2.7 % NGWS1 Suht., kylläst. NGPD2 Laj., kuiva NGPM2 Laj. w 1.9 % NGPS1 Laj., kylläst Pääjännitysten summa, kpa Kuva 11. Vesipitoisuuden vaikutus suhteistuneen ja lajittuneen soramurskeen jäykkyysmoduuliin. Esiselvitysvaiheen kuormituskokeiden tulokset K-θ - mallilla pääjännitysvälille kpa piirrettynä ko. viitteessä esitettyjä mallin parametreja, näytetunnuksia ja -tietoja käyttäen /9/. Edellä esitettyjen havaintojen perusteella vesipitoisuuden vaihtelu ääriarvojensa välillä (kuiva, kyllästynyt) saattaa vaikuttaa materiaalin moduuliin jopa lähes puolella. Vaikutuksen suuruus ja suuntakin vaihtelevat kuitenkin materiaalista ja rakeisuusjakautumasta riippuen. Pienimmillään vesipitoisuuden vaihtelut näyttäisivät olevan suhteistuneella soramurskeella. Lajittuneella soramurskeella vaihtelut olivat puolestaan suuret ja vesipitoisuuden kasvattaminen alensi moduulin tasoa n. 4 %. Lajittuneella kalliomurskeella vesipitoisuuden kasvu kuivasta kosteaan ja kyllästyneeseen tilaan alensi moduulia noin neljänneksen ja suhteistuneella kalliomurskeella vesipitoisuuden nousu puolestaan nosti moduulin arvoa n. kolmanneksen (w ~ 2 % tai kyllästynyt) tai hieman enemmänkin (w ~ 3 %). Rakeisuusjakautuman vaikutukset moduuliin näyttäisivät kuitenkin pienentyvän merkittävästi, kun vesipitoisuus lähenee käytännön rakenteissa vaikuttavia vesipitoisuuksia. Täysin kuivien materiaalien ja toisaalta täysin kyllästyneiden materiaalien esiintyminen tierakenteissa on harvinaista, eikä tilannetta, jossa ylemmät rakennekerrokset ovat kyllästyneet, saisi päästä syntymään lainkaan. Täysin veden kyllästämässä materiaalissa huokosveden ylipaineen u (= funktio materiaalista, rakenteesta, veden pinnan tasosta, kuormituksesta) vaikutus voidaan ottaa huomioon pienentämällä pääjännitysten summaa arvolla θ=3 * u /11/ Tiiviystila Materiaalin tiiviystila on yksi tärkeimpiä karkearakeisen materiaalin moduuliin vaikuttavista tekijöistä. Esimerkiksi täydentävässä koevaiheessa tutkittujen havaintoteiden kantavan kerroksen näytemateriaalien moduulien tasot olivat suurimmilla tilavuuspainoilla lähes kaksinkertaisia alhaisemman tilavuuspainon omaavilla näytteillä saavutettuihin moduulin tasoihin nähden. Havaintoteiden materiaalien moduulit on esitetty kuvassa 12. Kuvasta voidaan selvästi havaita arvojen asettuvan kuivairtotiheyksien mukai-

32 32 seen järjestykseen, vaikka suhteet eivät lähtöaineistosta johtuen täysin selkeät olekaan /11/. Vesipitoisuuksiltaan ja rakeisuuksiltaan materiaalit poikkesivat melko vähän toisistaan. Havaintoteiden materiaalien rakeisuudet on esitetty liitteessä 1. Havaintoteiden materiaalit 8 7 Jäännosmoduuli, MPa SHRP114 n 15.3 w 3. rd 2.26 SHRP612 n 19. w 2.2 rd 2.16 SHRP113 n 2.5 w 2. rd 2.1 SHRP1113 n 22. w 1.9 rd 2.8 SHPR1142 n 23.2 w 3. rd Pääjännityssumma, kpa Kuva 12. Havaintotiemateriaaleille määritetyt jäykkyysmoduulit; selitteissä näytetunnuksen ohella näytteen huokoisuus n, %, vesipitoisuus w, % ja kuivairtotiheys ρd, t/m 3 /11/. Vielä selvemmin tiiviystilan vaikutus on havaittavissa kuvasta 13, jossa on esitetty tiiviystilan vaikutus suhteistuneen kalliomurskeen jäykkyysmoduuliin. Tässäkin samalle materiaalille löyhässä ja tiiviissä tilassa mitattujen moduuliarvojen ero on suuruusluokaltaan jopa kaksinkertainen /11/.

33 33 Kuva 13. Tiiviystilan vaikutus suhteistuneen kalliomurskeen jäykkyysmoduuliin /11/. Koska tiiviystilan vaikutus moduuliin on näin merkittävä, on sen huomioinnin mahdollisuus sisällytetty myös kehitettyyn moduulin arviointimenettelyyn. Näytteen tiiviystilaa kuvaamaan esim. Proctor -kokeeseen perustuvan tiiviysasteen tai muiden vertailutiiviysarvojen sijaan on valittu materiaalin huokoisuus. Huokoisuuden avulla voidaan suoraan kuvata tarkasteltavaan materiaalin sisältyvän kiintoaineksen suhteellista tilavuusosuutta, johon verrannolliseksi partikkelisysteemin makroskooppinen jäykkyys on arvioitu. Samalla tiiviystilan kuvaamisessa on päästy selkeästi mitattavissa olevaan ja fysikaaliselta merkitykseltään yksikäsitteiseen suureeseen monia epävarmuustekijöitä sisältävien vertailutiiviysarvojen asemesta /12/. TPPP:n tutkimuksissa tiiviystilan vaikutuksen selvittämisen tausta-aineistona ja arviointimallin kehittämisen pohjana oli Sievin rakeisuudeltaan...55 mm olevat suhteistuneet ja lajittuneet kalliomurskeet. Suhteistunutta materiaalia testattiin viidessä eri tiiviydessä. Materiaali oli osittain kyllästettyä (Sr %) ja yhdessä tiiviysasteessa täysin kuivaa ja toisessa lähes kokonaan veden kyllästämää. Lajittuneena materiaalia testattiin neljässä eri kyllästysasteessa (Sr %) sekä myös kuivana ja kyllästettynä. Eri tiiviystiloissa osittain kyllästyneelle ja lähes täysin kyllästyneelle suhteistuneelle Sievin kalliomurskeelle koetulosten perusteella lasketut moduulin arvot sekä näihin havaintoihin sijoitetut regressiosuorat kiintoaineksen tilavuusosuuden (1-n) funktiona on esitetty kuvassa 14. Täysin kuivan materiaalin koetuloksia ei näytteen lajittumisesta ja siitä johtuvista tulosten poikkeamista johtuen ole sisällytetty kuvaan /12/. Kuvassa 15 on esitetty vastaavat tarkastelun tulokset lajittuneelle Sievin kalliomurskeelle. Kuvista voidaan havaita, että tiiviystilan vaikutus moduulin arvoon on molemmilla materiaaleilla selvä. Yksittäisten näytesarjojen poikkeamat yleislinjasta ovat lajittuneella materiaa-

34 34 lilla jonkin verran suuremmat, pääasiassa näytemateriaalin karkeammasta rakeisuudesta johtuen /11/. Tiiviys- ja jännitystilan huomioivat mallit on esitetty jäljempänä luvussa 2.3. Kuva 14. Osittain kyllästyneen ja lähes kyllästyneen suhteistuneen Sievin kalliomurskeen moduulit eri tiiviystiloissa /12/. Kuva 15. Lajittuneen Sievin kalliomurskeen moduulit eri tiiviystiloissa /12/. Suhteistuneelle kalliomurskeelle (rakeisuus T5) määritetyt maksimihuokoisuuden arvot ovat n max =.4263 ja lajittuneelle (rakeisuus T6) n max =.432 /12/.

35 Rakeiden fysikaaliset ominaisuudet ja kiviaineksen mineraloginen koostumus Raemuoto ja pinnan karkeus Raemuotoa kuvataan yleensä ns. muotoarvon avulla. Materiaalin muodonmuutoskäyttäytymisen kannalta raemuodolla on merkitystä erityisesti pysyviin muodonmuutosominaisuuksiin erimuotoisten rakeiden toisistaan poikkeavan tiivistettävyyden kautta. Rakeiden puikkoisuus ja liuskeisuus voivat myös kasvattaa rakeiden murtumisesta johtuvaa materiaalin palautumatonta muodonmuutosta erityisesti silloin, kun epäedulliseen raemuotoon yhdistyy alhainen kiviaineksen lujuus /8/. Rakeiden murtopintaisuudella on myös todettu olevan merkittävä vaikutus palautumattomiin muodonmuutoksiin. Rakeiden pinnan karkeuden kasvaessa kasvaa myös materiaalin kyky vastustaa palautumattomia muodonmuutoksia /8/. Raemuodon ja rakeiden pinnan karkeuden vaikutusta muodonmuutoskäyttäytymiseen ei kuitenkaan ole juurikaan tutkittu. Käytännössä hyväksyttävinä pidetyillä materiaaleilla sen vaikutuksen on arveltu olevan niin vähäinen, että sen erottaminen muiden tekijöiden vaikutuksesta on vaikeaa. Huomattavasti merkittävämmin raemuoto vaikuttaa ilmeisesti epäsuorasti materiaalin tiiviystilan kautta, koska raemuodolla on yleensä todettu olevan selvä vaikutus kiviaineksen tiivistyvyyteen /11/. Rakeiden pintakitka Rakeiden pinnan mikrokarkeutta kuvaavalla pintakitkakulmalla näyttäisi olevan jonkin suuruinen vaikutuys myös materiaalin palautuvaa muodonmuutosta kuvaavan moduuliin. Lähinnä rakeiden mineralogiasta riippuva pintakitkakulma ei välttämättä kuitenkaan korreloi silmämääräisesti havaittavissa olevan rakeiden pinnan karkeuden kanssa /8/. Raepintojen mikro- tai makrotason karkeuden vaikutusta materiaalin jäykkyysmoduuliin ei ole juurikaan tutkittu /11/. Rakeiden lujuus ja kiviaineksen kimmo-ominaisuudet Karkearakeisten materiaalien rakeiden lujuus riippuu ensisijassa rakeissa olevan kiviaineksen lujuudesta. Jääkauden aikana syntyneistä muodostumista peräisin olevat karkearakeiset materiaalit ovat yleensä lujia ja hyvin kulutusta kestäviä luonnollisesta valikoitumisesta johtuen. Kalliomurskepartikkelien lujuus sen sijaan riippuu kallion kivilajeista ja mahdollisesti tuotantotekniikasta /8/. Suurin merkitys kiviaineksen lujuudella ja kulutuskestävyydellä on palautumattomiin muodonmuutoksiin. Heikot kivipartikkelit saattavat rikkoutua jopa kokonaan voimakkaissa kuormitusiskuissa, josta aiheutuva rakeiden uudelleen järjestyminen aikaansaa palautumattomia muodonmuutoksia. Murskatuilla kiviaineksilla terävissä särmissä saattaa tapahtua vähittäistä murenemista myös pienemmistä, mutta toistuvista kuormituksista johtuen /8/. Mikäli raerunkoon kehittyvien palautuvien muodonmuutosten voidaan otaksua merkittävältä osin koostuvan rakeiden kontaktipintojen läheisyydessä tapahtuvista kiviaineksen kimmoisista muodonmuutoksista, riippuu raerungon makroskooppinen jäykkyyskin kiinteän kiviaineksen kimmo-ominaisuuksista. Tutkimuksia kiviainesmateriaalin kim-

36 36 mo-ominaisuuksien ja näistä materiaaleista koostuvien todellisten partikkelisysteemien jäykkyyksien välisistä todetuista riippuvuuksista ei kuitenkaan liene julkaistu /11/. Mineraloginen koostumus Kiviaineksen mineraloginen koostumus ja rakeiden rakenne sekä jakautuma vaikuttavat monella tavalla karkearakeisten materiaalien muodonmuutosominaisuuksiin. Käytännössä käyttäytymistä säätelee eri tekijöiden yhteisvaikutus, joka riippuu sekä ympäristöolosuhteista että itse kiviaineksen ominaisuuksista. Kiviaineksen osalta sekä materiaalin palautuvaan että palautumattomaan muodonmuutokseen vaikuttava tekijä on kiven mineraloginen koostumus ja rakenne /8/. Mineralogia vaikuttaa palautumattomaan muodonmuutoskäyttäytymiseen jo kuivallakin materiaalilla rakeiden pintakitkan kautta. Kostealla materiaalilla kehittyvän näennäisen koheesion määrää puolestaan raekokojakautuman ohella ilmeisesti kiviaineksessa olevan hienoaineksen laatu, joka puolestaan suurelta osin riippuu kiven mineralogisesta koostumuksesta /8/. Kiviaineksen mineralogisesta koostumuksesta ja kiven rakenteesta riippuvia materiaalin ominaisuuksia ovat muun muassa pinnankarkeus, raemuoto ja kiviaineksen lujuus. Kiven koostumus ja rakenne määräävät myös pitkälti kiviaineksen kyvyn vastustaa kuormituksesta aiheutuvaa mekaanista hienonemista ja ympäristöolosuhteista aiheutuvaa kemiallista ja fysikaalista rapautumista. Kiven rakenteesta riippuu myös se, miten altista kiviaines on erityisesti kalliosta murskaamalla valmistetun materiaalin eri käsittelyvaiheissa tapahtuvalle heikkenemiselle /8/. Fysikaalisten ominaisuuksien ja mineralogian huomiointi moduulin arviointimallissa Kun karkearakeisen materiaalin jäykkyysmoduulin arviointiin käytetään jäljempänä esitettyä arviointimenettelyä, jossa moduuli on esitetty huokoisuuden funktiona, tulee raemuodon vaikutus automaattisesti otettua huomioon materiaalille kokeellisesti määritettävän maksimihuokoisuusarvon avulla. Maksimihuokoisuutta suuremmissa tiiviyksissä moduulin kasvunopeus oletetaan raemuodosta riippumattomaksi. Raemuodon huomioivissa arviointimenettelyn parametreissa a 1 ja a 2 (kaavat 5-7) erot jopa luonnon kiviainesten ja kalliomurskeiden välillä ovat olleet yllättävän pienet /11/. Koska koetulosaineisto on sisältänyt vain vähäisen määrän koostumukseltaan erilaisia kiviaineksia, eikä niidenkään kimmo-ominaisuuksia ole tutkittu, ei kiviaineksen kimmoominaisuuksien nimenomaiselle huomioonottamiselle arviointimallissa ole ollut edellytyksiä. Sama koskee myös kiviainespartikkelien pintaominaisuuksia. Tämän johdosta ainakin suuremmissa hankkeissa erityisesti koostumukseltaan poikkeuksellisten kiviainesten jäykkyysmoduulit on syytä määrittää kokeellisesti ottopaikkakohtaisesti /11/. Käytännössä kantavassa kerroksessa käytettävälle kiviainekselle asetetut laatuvaatimukset rajannevat jo suurimman osan heikkolaatuisimmasta kiviaineksesta pois kantavasta kerroksesta.

37 Riippuvuudet ja vuorosuhteet Kiviainesten moduuli TPPT:ssä suoritettujen tutkimusten yhteydessä karkearakeisen kiviaineksen muodonmuutosominaisuuksiin merkittävimmin vaikuttavaksi tekijöiksi on todettu materiaalissa vaikuttava jännitystila sekä materiaalin tiiviys /11/, /12/. Moduulin riippuvuutta jännitystilasta on aikaisemmin kuvattu yleisesti tässäkin raportissa K-θ -mallin kaavalla M r = K1 θ θ K 2 (2 bis) missä, M r = jäykkyysmoduuli, kpa θ = pääjännitysten summa, kpa (=σ 1 +σ 2 +σ 3 ) θ = vertailujännitys, 1 kpa K 1, K 2 = materiaaliparametrit TPPT:ssä suoritettujen kokeellisten tutkimustulosten jatkokäsittelyssä viitteissä /11/, /12/ esitetyt materiaaliparametrit (k 1, k 2 ) on määritetty moduulin jännitystilariippuvuuden suhteen vertailujännitystilan osalta aikaisemmasta hieman eroavaan muotoon M r = k1θ θ θ k 2 (4) missä θ = vertailujännitys, 1 kpa k 1, k 2 = materiaaliparametrit. Tätäkin mallia käytettäessä materiaalissa vaikuttava jännitystila tulee huomioon otetuksi pääjännitysten summan avulla. Muut materiaalin käyttäytymiseen vaikuttavat tekijät sisältyvät kertoimena olevaan vakiotermiin k 1 ja jännitysepälineaarisuutta kuvaavaan jännityseksponenttiin k 2. Koetulosten jatkokäsittelyssä /11/, /12/ muodonmuutosominaisuuksien kuvaamiseen on kehitetty menettely, jossa jännitys- ja tiiviystilan vaikutukset huomioonottavalle arviointimallille on esitetty yleinen muoto M r = a 1 (n n)θ θ θ b 1 (5)

38 38 missä n = materiaalin huokoisuus a 1 = materiaalin laadusta riippuva kerroin n = moduuliarvoa M r = vastaava teoreettinen huokoisuuden maksimiarvo b 1 = jännityseksponentti, jolle on esitetty vakioarvo.5 Kun edellä esitettyyn kaavaan on sijoitettu teoreettisen huokoisuuden tilalle kokeellisesti määritettävä maksimihuokoisuuden arvo n max ja jännityseksponentille vakioarvo b 1 =.5 on saatu kaava muotoon: M r = a 1 (n max n)θ θ θ.5 (6) Esitetyn menettelytavan etuna on, että materiaalin jäykkyysmoduulin arviointiin riittää nyt missä tahansa tiiviys- ja jännitystilassa yhden, riittävän laajan jännitysalueen kattavan kokeen suorittaminen. Tämän yhden kokeen tulosten perusteella ratkaistaan materiaalin rakeisuudesta, maksimiraekoosta, laadusta ja muistakin tekijöistä riippuva parametri a 1, jonka jälkeen jäykkyysmoduuli muissa jännitys- ja tiiviystiloissa voidaan määrittää ko. materiaalille /12/. Itse kuormituskoe on suositeltu suoritettavaksi CENstandardin kuormitusmenettelyyn perustuvana, koska SHPR-protokollan mukaisen kokeen kapeammasta deviatorisen jännityksen alueesta johtuen SHRP-kokeella saattavat moduulit saattavat jonkin verran yliarvioida todellista kuormitustilannetta /12/. Kaavassa (6) tarvittavan maksimihuokoisuuden arvon kokeellista määrittämistä on käsitelty viitteissä /11/ ja /12/. Kalliom urske Jäännösm oduuli, M P Pääjännityssum m a, kpa CRSI_T5 n 19.1 w. CRSI_T5 n 29.8 w 2.2 CRSI_T5 n 26.7 w 2.4 CRSI_T5 n 23.4 w 1.9 CRSI_T5 n 21.2 w 3. CRSI_T5 n 17.7 w 2.4 CRSI_T5 n 21.5 w 9.9 CRSI_T5 n 19.1 w. CRSI_T5 n 29.8 w 2.2 CRSI_T5 n 26.7 w 2.4 CRSI_T5 n 23.4 w 1.9 CRSI_T5 n 21.2 w 3. CRSI_T5 n 17.7 w 2.4 CRSI_T5 n 21.5 w 9.9 Kuva 16. Suhteistuneen kalliomurskeen (rakeisuus T5) jäykkyysmoduulit pääjännityssumman funktiona (K-θ mallin kaava 2 yhtenäinen viiva; tiiviystilan huomioiva lineaarinen kaava 4 katkoviiva, näytteen nimen perässä huokoisuus n %:ina ja vesipitoisuus w %:ina, parametrit /12/).

39 39 Samalle aineistoille määritettyinä kaavojen (4) ja (6) mukaisten moduulien arvot eivät käytännössä esiintyvillä jännitysalueilla juurikaan poikkea toisistaan. Viitteessä /12/ esitettyjen parametrien mukaan kaavoilla (4) ja (6) piirretyt riippuvuudet on esitetty kalliomurskeilla kuvissa 16 ja 17 ja kuvassa 18 täydentävän tutkimuksen havaintotiemateriaaleilla. Materiaalien rakeisuuskäyrät on esitetty liitteessä 1. Kalliomurske Jäännösmoduuli, MPa Pääjännityssumma, kpa CRSI_T6 n 21.8 w. CRSI_T6 n 32. w 1.7 CRSI_T6 n 25.1 w 1.4 CRSI_T6 n 23.8 w 1.8 CRSI_T6 n 21.9 w 1.6 CRSI_T6 n 26.9 w 13.3 CRSI_T6 n 21.8 w. CRSI_T6 n 32. w 1.7 CRSI_T6 n 25.1 w 1.4 CRSI_T6 n 23.8 w 1.8 CRSI_T6 n 21.9 w 1.6 CRSI_T6 n 26.9 w 13.3 Kuva 17. Lajittuneen kalliomurskeen (rakeisuus T6) jäykkyysmoduulit pääjännityssumman funktiona (K-θ mallin kaava 1 yhtenäinen viiva; tiiviystilan huomioiva lineaarinen kaava 4 katkoviiva, näytteen nimen perässä huokoisuus n %:ina ja vesipitoisuus w %:ina; parametrit /12/). Havaintoteiden materiaalit 8 Jäännosmoduuli, MPa Pääjännityssumma. kpa SHRP113 n 2.5 w 2. rd 2.1 SHRP1113 n 22. w 1.9 rd 2.8 SHRP114 n 15.3 w 3. rd 2.26 SHPR1142 n 23.2 w 3. rd 2.8 SHRP612 n 19. w 2.2 rd 2.16 SHRP113 n 2.5 w 2. rd 2.1 SHRP1113 n 22. w 1.9 rd 2.8 SHRP114 n 15.3 w 3. rd 2.26 SHPR1142 n 23.2 w 3. rd 2.8 SHRP612 n 19. w 2.2 rd 2.16 Kuva 18. Havaintoteiden materiaalien jäykkyysmoduulit pääjännityssumman funktiona piirrettynä (K-θ mallin kaava 2 yhtenäinen viiva; tiiviystilan huomioiva lineaarinen kaava 4 katkoviiva, näytteen nimen perässä huokoisuus n %:ina ja vesipitoisuus w %:ina ja kuivatilavuuspaino rd t/m 3 ; parametrit /12/ ja /11/ ).

40 4 Moduuleille on määritetty myös vastaava (tiheyden suhteen) eksponenttimallinen riippuvuusmalli sekä pääjännityksen summan ja deviatorisen jännityksen huomioivat lineaariset ja eksponenttimalliset mallit /11/ ja /12/. Eksponenttimallinen kaava on M r = a 2 (e 2(n max n) -1)θ θ θ.5 (7) Myös deviatorisen jännityksen huomioivat kaavat ovat M r = b (n 1 max n)θ θ θ.7 q θ.2 (8) M r = b 2 (e 2(n max n) -1)θ θ θ.7 q θ.2 (9) Myös näille viimemainituille malleille (kaavat 8 ja 9) on määritetty sovitusparametrit (a 2, b 1, b 2 ) viitteessä /12/. Ne on esitetty myös liitteessä 1. Eksponenttimalli huomioi jännitystilaa reuna-alueilla (pienillä tai suurilla pääjännityssumman arvoilla) hieman lineaarista mallia paremmin. Käytännössä erot ovat melko pienet ja lineaarista mallia on suositeltu yksinkertaisuutensa takia /12/. Deviatorisen jännityksen huomioivia riippuvuuksia voidaan käyttää, mikäli koe on suoritettu riittävän laajalla deviatorisen jännityksen alueella. Kaikkien edellä käsiteltyjen mallien parametrien numeroarvot luonnonsoranäytteiden, soramurskenäytteiden (osalla vain K-θ -mallin parametrit), kalliomurskenäytteiden sekä havaintotiemateriaalien osalta on esitetty liitteessä 1. Liitteessä 1 on esitetty K-θ -mallin parametreihin perustuen myös näiden materiaalien jäykkyysmoduulien kuvaajat pääjännityksen funktiona Poissonin luku Toinen TPPT:n suunnittelujärjestelmän mukaisessa mitoitusmenettelyssä tarvittava parametri on Poissonin luku. Suunnittelujärjestelmässä tälle on esitetty käytettäväksi lähinnä taulukkoarvoja, vaikka periaatteessa suunnittelujärjestelmässä pyritään käyttämään materiaalikohtaisesti määritettyjä parametreja. Useimmiten Poissonin luvun arvona käytetään karkearakeisilla materiaaleilla vakioarvoa ν =.35. Vakioarvon käytön mahdollistaa useimmissa tapauksissa myös se, ettei sen vaikutus käytännössä mitoituksen kriittisimpiin jännityksiin ole kovin suuri /12/. Suurimpana syynä taulukko- tai vakioarvojen käytölle on mm. se, ettei Poissonin luvun määrittäminen karkearakeisille materiaaleille ole yksinkertaista ja yksiselitteistä. Poissonin luku kuvaa materiaalin palautuvien säteensuuntaisen ja aksiaalisten muodonmuutosten suhdetta. Kolmiakselikokeissa hyvin karkearakeisilla materiaaleilla näytteessä tapahtuvat muodonmuutokset ovat kuitenkin hyvin pieniä. Näytteen pinnalta tapahtuva muodonmuutoksen mittaus on altis mittauspisteiden lähellä tapahtuville yksittäistenkin rakeiden siirtymille, minkä johdosta tuloksiin syntyy hajontaa. Poissonin luvulle saatava arvo riippuu myös määritysmenetelmästä ja sen reunaehdoista.

41 41 Sekä kirjallisuudessa esitettyjen että tehtyjen tutkimusten kuormituskoesarjoissa saatujen tulosten perusteella Poissonin luvun on yleisesti todettu riippuvan materiaaliin kohdistuvasta jännitystilasta ja dynaamisessa kolmiakselikokeessa erityisesti aksiaalisen kuormituspulssin ja sellipaineen suhteesta. Jännityssuhteen kasvaessa Poissonin luvun arvo kasvaa /11/. Kuvassa 19 /11/ on esitetty TPPT:n materiaalitutkimusten täydentävän koevaiheen yhteydessä tielaitoksen suunnitteluohjeen mukaisiin rakeisuusohjealueisiin sovitetuille näytemateriaaleille yksittäisten mittaushavaintojen perusteella määritetyt approksimaatiosuorat. Kokeet on suoritettu SHRP P46 protokollan mukaan. Tulosten mukaan Poissonin luku kasvaa aksiaalisen kuormituspulssin ja sellipaineen kasvun myötä, mutta kasvu on sitä lievempää mitä karkearakeisemmasta näytemateriaalista on kyse. Poissonin luvun absoluuttiset arvot sen sijaan näyttäisivät olevan sitä suurempia, mitä hienorakeisempaa materiaali on. Approksimaatiosuorien epäsäännöllisen käyttäytymisen on arveltu liittyvän säteittäisen muodonmuutoksen mittauksen epätarkkuuksiin, eikä se näin välttämättä kuvaa materiaalien välisiä todellisia käyttäytymiseroja. Kuvassa 2 on esitetty suhteistuneelle ja lajittuneelle kalliomurskeelle koesarjoissa saatu löyhimmässä ja tiiveimmässä tilassa kuormitettujen näytteiden Poissonin lukujen vaihtelualue. Tiiviissä tilassa Poissonin luvut ovat selvästi pienempiä kuin löyhässä tilassa. Vastaavalle lajittuneelle kalliomurskeelle määritetyt Poissonin luvun arvot olivat absoluuttisilta arvoiltaan jonkin verran pienemmät kuin suhteistuneella kalliomurskeella. Tulosten vaihtelualueen koko oli myös jonkin verran pienempi, mitä kuitenkin selittänee ainakin osittain suhteistuneen materiaalin suurempi tiiviystilojen vaihtelualue /11/. Muilla materiaalitutkimuksessa käytetyillä näytemateriaaleilla saadut tulokset ovat pääsääntöisesti noudattaneet edellä kuvattua materiaalien käyttäytymistä /11/. Kuva 19. Tielaitoksen suunnitteluohjeen mukaisiin ohjealueisiin sovitetuille näytemateriaaleille määritetyt Poissonin luvun arvot /11/. Edellä todettiin Poissonin luvun arvon kasvavan jännityssuhteen kasvaessa. SHRP P46 - protokollan mukaisissa kuormituskokeissa kuormituspulssien ja sellipaineen suhde vaihtelee suurin piirtein välillä CEN:in testimenetelmän mukaisissa kokeissa suhteen vaihtelualue on puolestaan 2...7, mutta Poissonin luvun arvo näyttää edelleen kasvavan jännityssuhteen kasvaessa laajemmallakin jännitysalueella, tosin hieman loi-

42 42 vemmin kuin suppeammalla SHPR:n mukaisella jännitysalueella. Eri menetelmillä päällekkäin osuvilla jännitysalueilla Poissonin luvulle voidaan saada hieman toisistaan poikkeavia arvoja. Kuvassa 21 /12/ on esitetty eräillä kalliomurskeilla eri menetelmillä määritetyt Poissonin luvut. Suurimmat vaihtelut eri menetelmien välillä ovat materiaalilla rakeisuudeltaan karkealla sepelillä (CRHR_N3). Selityksenä tämän materiaalin epäjohdonmukaiselle käyttäytymiselle on esitetty edellä mainittuja mittausteknisiä ongelmia. Kuva 2. Suhteistuneelle (CRSI_T5) ja lajittuneelle (CRSI_T6) kalliomurskemateriaaleille löyhässä ja tiiviissä tilassa määritetyt Poissonin luvun arvot /12/. Kuva 21. Eräiden kalliomurskeiden Poissonin luvut eri määritysmenetelmien mukaisilla jännitysalueilla /12/.

43 43 TPPT:n materiaalitutkimuksiin perustuen /12/ karkearakeisten materiaalien Poissonin luvulle on suositeltu käytettäväksi arvoa ν = niissä tapauksissa, joissa vakioarvoa voidaan käyttää eli ainakin kaikkein tavanomaisimmille rakenteille. Sellaisille rakenteille, jotka eivät ole tavanomaisia, esitettyjä Poissonin luvun arvoja voidaan korjata ottamalla huomioon kulloisessakin tilanteessa vallitseva pysty- ja vaakajännitysten suhde /12/. Käytetty mittaustekniikka sekä kokeessa käytetty jännityspolku vaikuttavat saatavan Poissonin luvun arvoon. Teoreettisella tarkastelulla on osoitettu, että Poissonin luku voi rakeisella materiaalilla vaihdella välillä 1.5 /6/. Kun Poissonin luvun arvo on >.5 ja muodonmuutos on palautuvaa, niin silloin puhutaan elastisesta dilataatiosta /7/ TPPT:n ulkopuolella tehdyt tai käynnissä olevat tutkimukset (Courage, COST) Samanaikaisesti TPPT:n kanssa on ollut käynnissä ainakin seuraavat sitomattomia tierakennusmateriaaleja sivuavat osin eurooppalaiset ja osin kotimaiset tutkimushankkeet: - Cost 337 "Unbound Granular Materials for Road Pavements" /3/, - Courage "Construction with Unbound Road Aggregates in Europe" /4/, - Tiehallinnon kantavan kerroksen tutkimushanke Oulun alueella, - TTKK:n tutkimus aiheesta Kantavan kerroksen murskeen imupaine- ja muodonmuutosominaisuudet, - Sintef:in tutkimus "Permanente deformasjoner i granulaere lag i dekkekonstruksjoner". Myös Ruotsissa on tehty pohjamaan pysyviin muodonmuutoksiin liittyvää tutkimusta, jossa on tehty koetiekone- ja kolmiakselikokeita. Näistä eurooppalaiset tutkimushankkeet (Cost 337 ja Courage) ovat jo loppuneet ja niiden raportit ovat painossa. Tutkimusten tulokset ovat saatavissa lähinnä luonnosversiovaiheen raporteista. Sintef:in hankkeen raportti valmistui vuoden 2 keväällä. Kotimaisten tutkimushankkeiden tilasta ja raportointivaiheesta ei ole tarkkaa tietoa. Ranskassa ja Espanjassa on jatkuvasti käynnissä päällysterakenteiden koeratakokeita, joista saa tarkempaa tietoa ko. maiden tutkimusorganisaatioiden edustajilta. Cost 337 on lähinnä "kirjoituspöytätyönä" tehty yhteenveto tierakenteen toiminnallisista vaatimuksista, sitomattomien luonnonkiviainesten ja uusiotuotteiden käytettävyydestä tierakenteessa, tuotantotekniikoista, testausmenetelmistä, materiaalien mallinnuksesta, mallien toiminnan verifioimisesta, teknisistä toteutusohjeista sekä jatkotutkimustarpeista. Courage -projekti sisältää kokeellista maasto- ja laboratoriotutkimusta seuraavilta osaalueilta: kosteuden vaihtelu tierakenteessa ja sitomattomien materiaalien indeksi- ja kolmiakselikokeita. Lisäksi on tehty materiaalien ja koeratakokeiden tulosten mallinnusta. Kantavan kerroksen materiaalien tutkimushankkeesta Oulun alueella ei ole tätä raporttia laadittaessa ollut vielä käytettävissä raporttia. TTKK:n tutkimus on raportoitu Tiehallinnon julkaisusarjassa /17/.

44 44 Sintef:in tutkimuksessa kehiteltiin laboratoriokoetekniikkaa ja materiaalimalleja tiemateriaalien pysyvien muodonmuutosten mallintamiseksi kuormitustason ja kuormituskertojen mukaan. Myös TTKK teki tutkimusta samaan KPG projektiin. Ruotsissa tehdyssä pohjamaan pysyviin muodonmuutoksiin liittyvässä tutkimuksessa tutkittiin silttiä, silttistä hiekkaa, tasarakeista hiekkaa sekä savimoreenia. Tutkimustuloksia oli koottu sekä CRELLin että VTI:n HVS -kokeista sekä KTH:llä tehdyistä kolmiakselikokeista. 3.5 Muiden tutkimusten tulokset Sitomattomien tienrakennusmateriaalien mekaanista käyttäytymistä on 199 -luvun lopulla tutkittu ainakin kahdessa EU:n rahoittamassa hankkeessa: EU -projektissa Courage "Construction with Unbound Road Aggregates in Europe" ja COST-hankkeessa Cost 337 "Unbound Granular Materials for Road Pavements". Cost 337:n raportissa todetaan: Sitomattomille materiaaleille asetettavat vaatimukset tulisi määrittää käyttäen perustavaa laatua olevaa tietämystä geoteknisten periaatteiden mukaisesta materiaalin käyttäytymisestä ja kuorman vaikutuksesta rakenteen vasteeseen. Analyyttinen suunnittelukäytäntö tuottaa sopivan ympäristön kyseisten periaatteiden hyödyntämiseen. Cost 337:n toteutuksen aikana havaittiin, että yleisimmät tunnetut konstitutiiviset mallit eivät täysin pystyneet selittämään rakenteen palautuvia muodonmuutoksia. Projektin ohessa kehitettiin uusi malli ( Anisotropic Boyce ), joka osoittautui tarkoitukseen hyvin soveltuvaksi. Uusien mallien soveltamiseen tarvitaan aina elementtimenetelmään perustuvat ohjelmat. Materiaalin pysyvä muodonmuutos käyttäytymisen muuttaminen konstitutiivisiksi yhtälöiksi tai analyyttisiksi laskentamenetelmiksi todettiin paljon vaikeammaksi, eikä mitään erityistä edistymistä tapahtunut projektin aikana. Cost 337:n raportissa esitetään erilaisia päättelypuu-rakenteita, joita voidaan käyttää valittaessa materiaaleja tiettyyn rakennekerrokseen tai rakennekerrossovellutusta tunnetulle materiaalille. Seuraavassa on lyhyesti esitetty eräitä eri ulkomaisissa projekteissa esille tulleita asioita. Palautuva muodonmuutos Palautuviin muodonmuutoksiin, eli elastiseen käyttäytymiseen vaikuttavat seuraavat tekijät: - jännitystaso, -historia - tiheys - kosteuspitoisuus - rakeisuus ja kiviainestyyppi Edellä mainittujen tekijöiden vaikutus on kiistämätön. Vaikutuksen suuruus vaihtelee materiaalien (kivilajin), olosuhteiden ja käytettyjen koemenetelmien mukaan.

45 45 Kuva 22. Kosteuspitoisuuden vaikutus materiaalin jäykkyysmoduuliin /1/ Kuvassa 22 on esitetty Australiassa /1/ määritetty jäykkyysmoduulin muutos kosteustilan mukaan. Muutos on määritetty kolmella eri jännitystasolla. Kuvassa 23 on esitetty kantavan kerroksen jäykkyyden kosteudesta aiheutuvan vaihtelun vaikutus ohuen sidotun kerroksen elinikään. Kosteuspitoisuuden nousu suhteellisesta arvosta 6 % (Proctor optimista w opt ) arvoon 8 % pudottaa sidotun päällysteen elinikää merkittävästi. Kuva 23. Kosteuspitoisuuden vaikutus sidotun päällysteen elinikään. Esimerkki /1/.

46 46 Kuvassa 24 on kuvattu kantavan kerroksen materiaalin suhteellisen tiheyden vaikutusta sidotun päällysteen elinikään. Kuvaan on piirretty päällysteen eliniän väheneminen kantavan kerroksen paksuuden ja alentuneen suhteellisen tiheyden mukaan. Kuva 24. Kantavan kerroksen suhteellisen tiheyden vaikutus päällysteen eliniän lyhenemiseen /1/. Kuvassa 25 on esitetty jäykkyysmoduulin (mitattu tai mallista takaisinlaskettu arvo) arvon muuttuminen, kun materiaalin vesipitoisuus muuttuu suhteessa (RMC = relative moisture content) materiaalin vesipitoisuuden Proctor -optimi -arvoon. Kuvassa merkintä Elastic tarkoittaa mitattua käyttäytymistä ja merkintä Boyce tarkoittaa Boycen mallilla takaisinpäin laskettua käyttäytymistä.

47 47 CHARACTERISTIC RESILIENT MODULUS, Ec (MPa) RESILIENT MODULUS (Linear Elastic, Isotropic) RESULTS Control Grading Elastic Gneiss Boyce Gneiss Elastic Granite Boyce Granite Elastic Limestone Boyce Limestone Elastic RCC&A Boyce RCC&A RELATIVE MOISTURE CONTENT (% of OMC) Kuva 25. Karakteristinen jäykkyysmoduuli suhteellisen kosteustilan funktiona. 'Characteristic' Resilient Modulus vs RMC, DDR=97%, Control Grading (Courage raporttiluonnos, kuva 6.21, 1999). Palautuvan muodonmuutoksen mallinnus Muodonmuutosten laskenta kuormitetussa (tie-)rakenteessa voidaan tehdä elastiseen puoliavaruuteen, elastiseen monikerros malliin tai epälineaariseen monikerros -malliin perustuen. Elastiseen puoliavaruus oletukseen pohjautuva laskentamenettely tarvitsee yhden tai kaksi jäykkyyden (E) arvoa sekä yhden tai kaksi Poissonin luvun (υ) arvoa. Kahdet parametrit tarvitaan epähomogeenisissa eli eri suuntiin erilaisissa materiaaleissa. Elastisessa monikerros -mallissa kullekin (rakenne-)kerrokselle ja pohjamaalle annetaan yksi tai kaksi paria vakioituja lähtöparametreja (E, υ). Epälineaarisessa monikerros - mallissa annetaan mallista riippuen yleensä jännitystilasta riippuva epälineaarinen jäykkyystermi (E = f(σ p,σ d )). Tässäkin mallissa Poissonin luku (υ) on yleensä vakio. Kehittyneemmissä epälineaarisissa malleissa myös Poissonin luku (υ) muuttuu vastaavien jännitystilasuureiden funktiona. Suomessa ollaan ottamassa käyttöön analyyttistä, epälineaarista monikerros -mallia, jonka parametrit määritetään taulukoista tai tarvittaessa kokeellisesti esim. dynaamisella kolmiakselikokeella. Taulukoissa parametrit annetaan materiaalityypeittäin ja niiden arvoja voi skaalata jännitystilan mukaan. Tämän menettelytavan heikkous on siinä, että mallin parametrit (jäykkyysmoduuli ja poisson luku) ovat vakioita koko kerroksessa ja kaikilla kuorman tasoilla. Vaikka jäykkyyttä voidaan eräissä monikerros -ohjelmissa muuttaa vallitsevan jännityksen mukaan, niin niissäkään ei leikkausjännityksen osuutta voida kunnolla ottaa huomioon, saatikka sitten Poissonin luvun muuttumista jännitys- ja muodonmuutostilan mukaan. Euroopassa on kehitetty malleja, joilla voidaan paremmin mallintaa jännitystilan, erityisesti leikkausjännityksen vaikutus jäykkyyteen ja siten palautuviin muodonmuutoksiin. Näissä malleissa Poissonin luku ei ole vakio kuormituksen vaihdellessa. Yksi malliperhe on Ranskassa kehitetty Boycen malli, josta löytyy malli isotrooppiselle ja ei-isotrooppiselle materiaalille (Courage raportti). Mallia on käytetty, kehitetty ja verifioitu Ranskassa jo vuosien ajan. Mallia varten on varhaisemmassa eurooppalaisessa Science

48 48 projektissa kehitetty koetekniikka, joka pohjautuu vahvasti muuttuvasellipainekokeisiin (CEN standardi -draft, method A). Tällä koetekniikalla voidaan materiaalin palautuvaa muodonmuutosvastetta mitata varsin erilaisilla jännityspoluilla. Näin saadaan mallin vaatimat parametrit (isotrooppinen tapaus 4 parametria, ei-isotooppinen tapaus 4+1 parametria). Kuvassa 26 on esitetty yhden muuttuvasellipaine-koesarjan palautuvien muodonmuutosten mittaustulokset. Koesarjassa on aina useita kokeita, jotka on tehty eri jännityspolkuja noudattaen. Tässä tapauksessa jännityspolkuja on kuusi. Jännityspolku, jossa q/p = 3, vastaa tavanomaista vakiosellipainekoetta. Jännityspolku q/p = vastaa isotrooppista konsolidaatiokoetta. Malleja verifioitaessa on havaittu, että yksinkertaisempi epälineaarinen malli, ns. K-θ malli ja kehittyneempi ns. Boycen malli tuottavat käytännössä varsin samanlaisen leikkausmuodonmuutosvasteen. Yksinkertainen malli ei kuitenkaan pysty mallintamaan tilavuudenmuutoksia oikein. Toisaalta verifioinneissa on myöskin huomattu, että tarkka vasteen mallintaminen edellyttää sidotulle kerrokselle termo-visko-elastisen mallin käyttöä ja muille kerroksille, myös pohjamaalle, Boycen mallin käyttöä. Pohjamaan ominaisuuksista riippuen voi tulla kyseeseen myös visko-elastinen malli. Boycen mallin vaatimien parametrien määritystekniikka muuttuvasellipaine -kokeessa on kohtalaisen "hienostunut", erityisesti muodonmuutosvasteen mittauksen osalta. Tämän seikan kiertämiseksi on kehitelty menettelyjä, joilla voitaisiin kohtuullisella tarkkuudella määrittää tarvittavat parametrit isotrooppiselle materiaalille käyttäen ns. tavanomaista dynaamista kolmiakselikoetta, jossa on kokeen aikana vakiona pysyvä sellipaine. Toinen Boycen mallin käyttötapa on tavanomaisen epälineaarisen elastisen monikerros -mallin käyttö parametreilla, jotka lasketaan rakennekerroksille Boycen mallilla käyttäen lähtötietoina rakenne- ja kuormitustietoja. Tuloksena saadaan kerroksen ekvivalentti jäykkyysmoduuli ja Poissonin luku. Menetelmä toimii parhaiten, jos jokainen rakennekerros jaetaan alikerroksiin, esim. n. 5-1 cm kerroksiin, joille kaikille lasketaan omat parametrit. Menettely on iteratiivinen, mutta se ei juuri hidasta laskentaa, koska laskentakierrosten määrä on pieni ja iterointi voidaan automatisoida. Menetelmä ei sovi rakenteille, joissa Poissonin luku saa arvoja, jotka ovat joko < tai >.5. Tämä siksi, että laskentaohjelmat yleensä kaatuvat, jos Poissonin luku ei ole alueella > ja <.5.

49 49 Volumetric resilient strains Resilient shear strains 3, q/p = q/p =.5 q/p = 1 14, q/p = 2.5 q/p = 2 12, 25, q/p = 1.5 1, q/p = 1.5 2, 8, v (1-4 ) 15, q/p = 2 q (1-4 ) 6, 4, q/p = 1 1, 2,, q/p =.5 5, q/p = 2.5-2, q/p =, P (kpa) -4, P (kpa) Kuva 26. Example of Resilient Behaviour Variation of ε v and Ε q (Actual Measured Test Data) with Mean Stress p and Stress Ratio q/p (Courage raporttiluonnos, kuva 5.1, 1999). Jännityspolun suunta q/p on merkitty kuvaan. Jännityspolku q/p= vastaa isotrooppista konsolidaatiokoetta. Pysyvä muodonmuutos Pysyviin muodonmuutoksiin vaikuttavat seuraavat tekijät (Cost 337 /5/): - jännitystaso - pääjännitysten kiertyminen - kuormitussyklien määrä - kosteuspitoisuus - jännityshistoria - tiheys - rakeisuus ja kiviainestyyppi - lämpötila Jännitystaso Pysyvät muodonmuutokset kasvavat jännitystilan kasvaessa ollen suoraan, joskaan ei lineaarisesti, verrannollisia leikkausjännityksen kasvuun ja kääntäen verrannollisia vallitsevaan jännitykseen. Kokemuksen mukaan kullekin materiaalille on löydettävissä jokin rajajännitys, minkä jälkeen plastisia muodonmuutoksia alkaa tapahtua merkittävämmin. Raja-arvo on materiaalin mineralogisten ominaisuuksien, materiaalin kovuuden, pakkaustavan sekä kosteuden funktio. Jännitystasoon vaikuttaa myös rakenteen muoto ja tarkastelupaikan sijainti rakenteessa. Esimerkiksi tierakenteen reunalla jännitysjakauma muuttuu, mikä johtaa erilaiseen pysyvien muodonmuutosten kertymään.

50 5 Kuvassa 27 on havainnollistettu yhdellä näytteellä eri jännitystasoilla (mobilisoituneella leikkauslujuudella/kitkakulmalla) tehdyllä kokeella sitä, miten jännitystaso vaikuttaa pysyvien muodonmuutosten kehittymiseen. Kuvaan 28 on merkitty sitomattoman materiaalin muodonmuutosvyöhykkeet. Kuva on jaettu elastiseen, kvasielastiseen ja elastoplastiseen vyöhykkeeseen Permanent deviatoric strain (/) Number of load cycles Sm = Kuva 27. Kumuloitunut pysyvä muodonmuutos mobilisoituneen leikkausjännityksen ja kuormituskertojen funktiona /6/. τ Failure zone Static failure line Failure line for cyclic loading Elasto-plastic zone Limit for stabilization Quasi-elastic zone a φ ρ stabil ρ elastic Elastic zone Limit for elastic behaviour σ Kuva 28. Materiaalin käyttäytymisen jakaminen eri vyöhykkeisiin (elastinen, kvasielastinen ja elastoplastinen)jännitystilan funktiona. Sitomaton materiaali, syklinen kuormitus /6/.

51 51 Pääjännitysten kiertyminen Pääjännitysten kiertyminen aiheuttaa plastisten muodonmuutosten lisääntymistä. Ilmiötä ei kuitenkaan ole täydellisesti selitetty. Kokeellisesti on todettu, että pääjännitysten kierto lisää muodonmuutoksia merkittävästi. Nykyinen käytettävissä oleva laboratoriokoetekniikka ei kuitenkaan pysty käsittelemään karkeampia tien jakavan tai kantavan kerroksen materiaaleja. Kuormitussyklien määrä Plastinen muodonmuutos kasvaa pienen lisäyksen (inkrementin) verran kunkin toistokuormituksen johdosta. Kertymistavasta on vallalla erilaisia käsityksiä. Eräiden tutkijoiden mukaan pysyvät muodonmuutokset kasvavat jatkuvasti samalla vauhdilla, eräät toiset katsovat pysyvien muodonmuutosten lisäyksen vähenevän syklien määrän kasvaessa, eli pysyvien muodonmuutosten saavuttavan jonkin laskennallisen ylärajan. Uusimpien käsitysten mukaan plastisten muodonmuutosten pysähtyminen on mahdollista vain pienillä, aiemmin mainitun rajajännityksen alittavilla jännitystasoilla. Rajajännityksen ylittävillä jännityksen arvoilla plastisten muodonmuutosten määrä kasvaa joko tasaisesti tai kiihtyen, jolloin päädytään materiaalin vaurioitumiseen ja sen kaikkien ominaisuuksien huomattavaan muuttumiseen. Kosteuspitoisuus Vesi on ehkä tärkein yksittäinen pysyvien muodonmuutosten suuruuteen vaikuttava tekijä. Vesi vaikuttaa materiaalissa ainakin kahdella tavalla. Kyllästynyt pienen vedenläpäisevyyden omaava kerros kehittää kuormitettuna huokospainetta, joka johtaa vallitsevan jännityksen pienenemiseen ja siten jäykkyyden putoamiseen ja muodonmuutosten syntyyn. Toisaalta vesi vaikuttaa materiaalin pintaominaisuuksiin sekä materiaali-vesiilma seoksen imupaineominaisuuksiin, jolloin materiaalin käyttäytyminen voi muuttua varsin paljon pienenkin vesipitoisuuden muutoksen johdosta. Kokeellisesti on osoitettu pysyvien muodonmuutosten kasvavan huomattavasti, kun pohjavedenpintaa on muutettu ylöspäin koetiekokeissa tai laboratoriomittakaavan kuormituskokeissa. Jännityshistoria Materiaalin plastinen (ja myös elastinen) muodonmuutoskäyttäytyminen mielivaltaisella hetkellä on suoraan verrannollinen materiaalin senhetkiseen jännityspolkuhistoriaan. On osoitettu, että jos materiaalia kuormitetaan pienillä kuormituslisäyksillä, niin kokonaismuodonmuutos on pienempi kuin kerralla samaan loppujännitystilaan kuormitettaessa. Tiheys Tiheys, tiiveysasteena mitattuna, on tärkeä pysyviin muodonmuutoksiin vaikuttava tekijä. Tiheämpään materiaaliin kehittyy vähemmän pysyviä muodonmuutoksia. Vaikutus on sitä selvempi mitä kulmikkaamman raemuodon materiaali omaa. Pyöristyneitä rakeita sisältävällä materiaalilla tiheyden vaikutus on vähäisempää, koska materiaalin alkutiivistyminen samalla työmäärällä on isompi.

52 52 Rakeisuus ja kiviainestyyppi Pysyviä muodonmuutoksia voidaan pienentää muuttamalla rakeisuutta siten, että samalla tiivistystyöllä saavutetaan suurempi kuivatilavuuspaino. Materiaalin raemuoto vaikuttaa siten, että saman tiheyden omaavilla materiaaleilla pienemmät muodonmuutokset syntyvät materiaaliin, jonka rakeet ovat kulmikkaita. Tämän katsotaan johtuvan siitä, että kulmikkaiden rakeiden välillä on isompi leikkauskapasiteetti rakeiden lukkiutumistaipumuksen johdosta. Tämän johdosta myös murskattua lajitetta sisältäviin materiaaleihin (esim. soramurskeet) kehittyy vähemmän pysyviä muodonmuutoksia samassa tilassa ja samoilla kuormilla. Maksimiraekoon vaikutuksesta ei saatu selvää käsitystä haastattelututkimuksessa. Lämpötila Talviolosuhteet vaikuttavat pysyviin muodonmuutoksiin roudan aiheuttaman kevätkantavuuden alentuman takia. Tällöin syntyy merkittävimmät pysyvät muodonmuutokset rakenteissa, joissa vesi vaikuttaa joko kantavuutta alentaen tai mineralogisella tasolla rakeiden pintaominaisuuksia muuttamalla. Pysyvän muodonmuutoksen mallinnus Pysyvien muodonmuutosten arvioimiseksi tai mallintamiseksi on kehitetty lukuisia yhtälöitä, joiden muuttujina on varsin erilaisia ominaisuuksia. Kattavan luettelon malleista on esittänyt Lekarp /14/ ja ehkä tuoreimman mallin Odermatt /15/. Pysyvien muodonmuutosten määritys ja vertailu on Cost 337 ja Courage -projekteissa osoittautunut vaikeaksi, koska kaikki laboratoriot käyttävät erilaista näytteen valmistustekniikkaa. Tämän johdosta projekteissa ei lähdetty pysyvien muodonmuutosten mallintamiseen. 4 PARAMETRIEN MÄÄRITYS TPPT:N MITOITUSJÄRJESTELMÄN TARPEISIIN 4.1 Parametrien määritysperusteet TPPT:ssä TPPT-suunnittelujärjestelmässä esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. Suunnittelujärjestelmälle on olennaista, että mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreillä. Rakenteissa käytettävien rakennemateriaalien osalta pyritään mahdollisimman pitkälle käyttämään materiaaleille määritettyjä parametreja myös parannettavien tierakenteiden tapauksessa. On muistettava, että sitomattomien materiaalien jäykkyys riippuu jännitystilasta myös vanhan rakenteessa samalla tavoin kuin uudessa suunniteltavassa rakenteessa ja että parannus- ja korjaustoimenpiteillä voidaan vaikuttaa rakennekerroksissa vaikuttavaan jännitystilaan ja näin myös materiaalin jäykkyyteen. Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Parametrien taulukkoarvoja, jotka ovat aina keskimääräisiä, voidaan käyt-

53 53 tää alustavassa suunnittelussa ja mitoituksessa, jos paikkakohtaisia parametrejä ei jostain syystä ole vielä käytettävissä. Taulukossa 3 on esitetty TPPT:n suunnittelujärjestelmän mukaiset rakenteen kuormituskestävyysmitoituksessa pohjamaan ja sitomattomien kerrosten tarvittavat muodonmuutosparametrit ja niiden arviointi- ja määritysmenetelmät laboratoriossa ja kentällä sekä uuden tien rakenteiden suunnittelua varten että parannettaville rakenteille. TPPT:ssä on tuotettu suunnittelujärjestelmän kannalta tarvittavia menetelmäkuvauksia (luettelo taulukon 3 yhteydessä). Vanhoilla teillä rakennekerrosten paksuuksissa, ja osin tästä sekä materiaalien laatuvaihteluista johtuen, materiaalien muodonmuutosominaisuuksissa saattaa esiintyä huomattavaa vaihtelua. Taulukossa 4 on esitetty vanhoilla rakenteilla eri materiaaleilla takaisinlaskennassa käytettävien moduulien lähtöarvojen suuruusluokkia, joita voidaan käyttää myös takaisinlaskennan tuloksena saatujen moduuliarvojen realistisuuden arviointiin. Kuten edellä on esitetty, maalajiin ja rakeisuuteen pohjautuvia arvioita voidaan tyypillisissä rakenteissa käyttää kohtuullisella tarkkuudella pohjamaan ja vielä suodatinkerroksen moduulien arviointiin. Sen sijaan vahvistettuja sitomattomien kerrosten jäykkyysmoduulien jännitys- ja kosteustiloja huomioivia taulukkoarvoja ei vielä ole käytettävissä. Näiden osalta taulukkoarvoilla tarkoitetaan siis esimerkiksi jo aikaisemmin eri rakennekerrosten tyyppimateriaaleille esitettyjä parametrien arvoja tai muita TPPT:n materiaalitutkimusten yhteydessä määritettyjä parametreja.

54 54 Taulukko 3. Rakenteen muodonmuutosparametrien arviointi- ja määritysmenetelmät laboratoriossa ja kentällä uuden tien rakenteilla ja parannettavilla rakenteilla. Parametri Määritys- tai arviointitapa Menetelmä pohjamaan moduuli, E PM Laboratoriossa 3-akselikoe taulukkoarvo rakeisuuden perusteella Kentällä CPTU-kairaus FWD + takaisinlaskenta TPPT 11 TPPT 1 ja 2 Sitomattomien kerrosten moduuli, E SIT sidottujen kerrosten moduuli, E SID Poissonin luku, ν I sidotun kerroksen väsymisominaisuudet Laboratoriossa 3-akselikoe taulukkoarvo rakeisuuden perusteella Kentällä CPTU-kairaus FWD + takaisinlaskenta Laboratoriossa Epäsuora vetokoe (ITT) taulukko Kentällä FWD + takaisinlaskenta Taulukko asfaltin väsytyslaite (AVL) taulukko TPPT 11 TPPT 1 ja 2 PANK 42 4 TPPT 1 ja 2 PANK 42 6 Kuormituskertaluku, KKL muut ennuste: kaava 3.3 TPPT 3 Liikenteen kasvukerroin Mitoitusjakso liikenne-ennuste valitaan / optimoidaan Rakennekerrospaksuudet h i Maatutka TPPT 13 TPPT Nro Menetelmäkuvaukset 1 Pudotuspainolaitemittaus (PPL-mittaus) 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta 3 Liikennerasituksen laskeminen 4 Ilmastorasitus. Pakkasmäärän ja sulamiskauden pituuden määritys 5 Roudan syvyyden määritys 6 Routanousukoe. Routimiskertoimen (SP) kokeellinen määritys 7 Routimiskertoimen määritys 8 Lämmönjohtavuuden määrittäminen 9 Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa 1 Radiometrinen reikämittaus 11 CPTU - kairaus 12 Läpäisevän kerroksen määrittäminen painumalaskennan tarpeisiin 13 Tien rakennekerrostutkimukset 14 Routanousun ja painuman mittaus 15 Tien vauriokartoitus ja vaurioiden kuvaus 16 PTM -mittausten suoritus ja tulosten hyödyntäminen TPPT-suunnittelujärjestelmässä

55 55 Taulukko 4. Rakennekerrosten tyypillisiä moduuliarvoja /19/. Materiaali Moduuli [MN/m 2 ] AB-päällyste 2..7 PAB-päällyste Bitumistabilointi (BEST, VBST) 3..2 Bitumi-sementti komposiitti 2..1 Sementtistabilointi 1..8 Kantava kerros (murske) 2..7 Kantava kerros (sora) Jakava kerros (murske) 1..3 Jakava kerros (sora) 5..2 Jakava kerros (hiekka) Pohjamaa (koheesiomaa) 5..1 Pohjamaa (kitkamaa) 2..2 Kallio* 3..5 * kalliolle annettu arvoalue johtuu laskentamenettelystä, käytännössä moduuli on huomattavasti isompi Jäljempänä on tarkasteltu sitomattomien materiaalien muodonmuutosominaisuuksien määrittämiseen liittyviä määritysmenetelmiä lähemmin ja osin edellä olevaa taulukkoa laajemmin. Cost 337:n raportissa /3/ on esitetty kaaviot, joiden avulla sitomattomien materiaalien soveltuvuus tiettyyn tarkoitukseen voidaan todeta, tai etsiä sitomattomalle materiaalille (uusiotuotteelle) soveltuva käyttösovellutus. 4.2 Laboratoriokokeet Cost 337:n raportissa /3/ on kattava esitys tierakennusmateriaaleihin liittyvistä laboratorio- ja maastomittausmenetelmistä. Laboratoriokokeet on jaettu rae- ja materiaaliominaisuuksien määritysmenetelmiin. Luokittelukokeet / Indeksikokeet - ICT -laite (Intensive Compaction Tester), käyttö materiaalien luokittelussa tiivistyvyyden ja pysyvien muodonmuutosten tutkimiseksi. - Kolmiakselikoe -laite, käyttö materiaalien luokittelussa sekä palautuvien ja pysyvien muodonmuutosten määrittämisessä. - TKT -laite, käyttö pysyvien muodonmuutosten määrittämisessä, materiaalien luokittelussa, mitoitusmenetelmien tarkistamisessa. Mitoitusjäykkyyden määrityskokeet Dynaaminen kolmiakselikoe Dynaaminen (tai syklinen) kolmiakselikoe soveltuu käytettävissä olevista menetelmistä parhaiten, kuitenkin tietyin varauksin, tierakenteen eri kerrosten materiaalien jäykkyysominaisuuksien määrittämiseen. Dynaamisella kolmiakselikokeella voidaan halutussa

56 56 jännitys-, tiiveys- ja kosteustilassa määrittää materiaalin jäykkyysmoduuli ja Poissonin luku. Moduulien määrittämiseen on olemassa useampia menettelytapoja. Näistä ehkä yleisimmin Suomessa käytetty on SHRP P46 protokolla (Resilient modulus of unbound granular base/subbase materials and subgrage soils). Muita käytettyjä menetelmiä ovat CEN standardiluonnoksen mukainen menettely ja Norjassa kehitetty menettely. Menetelmät poikkeavat periaatteessa toisistaan lähinnä kuormitustavan ja kokeissa käytettyjen jännitystilojen osalta. Kaikissa on tavoitteena mitata tunnetun jännityslisäyksen aiheuttama vaste ja käyttää mitattua vastetta jäykkyysmoduulin määrittämiseen. CEN standardiehdotuksessa (pren Unbound and hydraulically bound mixtures Part 7: Cyclic load triaxial test for unbound mixtures) kuvataan kaksi periaatteeltaan erilaista menettelyä, joista toisessa (method A) myös sellipaine muuttuu aksiaalisen jännityksen muuttuessa. Toisessa (method B) sellipaine on vakio ja vain aksiaalinen jännitys muuttuu. CEN -menettely soveltuu parhaiten kantavan kerroksen materiaalien testaukseen, koska jännitystasot kokeessa ovat varsin korkeat. Muut jäykkyyden määritykseen käytettävissä olevat koetyypit ovat Hollow cylinder -laitteisto Resonant column -laitteisto Bender element -laitteisto CBR-koe Staattinen kolmiaksiaalikoe Hollow cylinder, Resonant Column ja Bender Element laitteistot soveltuvat laitteistojen tyypillisen näytekoon johdosta lähinnä hienorakeisten pohjamaiden tai enintään rakeisuudeltaan suodatinhiekkaa vastaavien materiaalien jäykkyysominaisuuksien määrittämiseen. CBR koetta käytetään edelleen laajasti ulkomailla (Eurooppa, USA) jäykkyysmoduulin likiarvon määrittämiseen ja myös materiaalien luokitteluun. Suomessa menetelmä ei ole juurikaan käytössä lukuun ottamatta hienompien materiaalien kevätkantavuus ominaisuuksien määritystä. Staattinen kolmiakselikoe soveltuu oikein käytettynä ja instrumentoituna jäykkyysmoduulin likiarvon määritykseen. Mitään teknistä etua sen käyttö ei tuo, mutta laiteinvestointina staattinen kolmiakselikoe on selvästi edullisempi kuin pneumaattinen tai hydraulinen dynaaminen laite. Laboratoriomittakaavan koetiekone Laboratoriomittakaavan koetiekoneesta on esimerkkinä (Suomessa Oulun yliopiston) TKT koelaite, jossa voidaan kuormittaa mallimittakaavassa todellisen rakenteen kopiota. Vastaavia, vähän isompia laitteita on muissakin Euroopan tutkimuslaitoksista. Näitä laitteita voidaan käyttää erilaisten ilmiöiden tutkimiseen, esim. pysyvien muodonmuutosten kertymiseen erilaisilla materiaaleilla eri lähtötiheydessä tai vesipitoisuudessa.

57 57 Kuvassa 3 on esitetty dynaamisella kolmiakselikokeella ja TKT laitteella Gourage projektia varten tetyjen kokeiden tuloksia vesipitoisuuden vaikutuksesta pysyviin muodonmuutoksiin /4/. PERMANENT STRAIN RATE PARAMETER dε p /dn x 1-5 (%/cycle) PERMANENT STRAIN RATE RESULTS Gneiss, Control Grading Granite, Control Grading Limestone, Control Grading UK RCC&A Supply Grading Gneiss, WT test Granite, WT test Limestone, WT test LOW STRAIN SUSCEPTIBILITY FAILED HIGH STRAIN SUSCEPTIBILITY RELATIVE MOISTURE CONTENT (% of OMC) measured at 3 cycles Kuva 29. Kuva pysyvien muodonmuutosten ja suhteellisen vesipitoisuuden vuorosuhteesta (OMC = optimum moisture content). Courage raportti 21 /4/. 4.3 In-situ kokeet Pudotuspainolaitekoe FWD (Falling Weight Deflection) -laite soveltuu tietyin rajoituksin tien pinnan pystysuoran muodonmuutoksen määritykseen sekä tien rakennekerrosten jäykkyyksien määrittämiseen takaisinlaskentamenettelyllä. Edellytyksenä on kuitenkin, että rakennekerrosten paksuudet ovat selvillä (TPPT Menetelmäkuvaukset 1 ja 2). Muut in-situ kokeet Levykuormituskoe Benkelman palkki Taipumamittaus laserkameroilla Aaltoliikkeen etenemiseen perustuvat menetelmät SASW (Spectral Analysis of Surface Waves)- menetelmää onulkomailla käytetty kantavan ja jakavan kerroksen jäykkyyden sekä kerrosrajojen likimääräiseen määrittämiseen. Menetelmä toimii seismisellä muodonmuutosalueella. Valmiita laite- ja ohjelma kokonaisuuksia on saatavissa kaupallisesti. Menetelmän erottelukyvystä, tarkkuudesta ja toistettavuudesta ei ole laajempaa kokemusta Suomessa. 4.4 Koetiekonekokeet ja koetiet Koetiekoneita ja koeteitä käytetään todellisen mittakaavan malli-, soveltuvuus- ja verifiointikokeina. Kokeet tehdään lähinnä seuraavien määritysten takia: rakenteen tai osa-

58 58 kerroksen pysyvät muodonmuutosominaisuudet, rakenteen tai sidotun pinnan vauriomekanismit, uusien tuotteiden soveltuvuus- ja tuotekehityskokeet, materiaalien pitkäaikaistoimivuus, mitoitusmenetelmien verifiointi. Liikennekuormituksen aiheuttamia tien vaurioitumismekanismeja tutkittaessa voidaan käyttää seuraavia lähestymistapoja: - teoreettiset laskelmat - laboratoriokokeet - koerakenne - tierakenteen vastemittaukset yhdestä kuormituksesta - koetiekonetestit - koetiet - havaintokoetiet - rakennekoetiet Teoreettisilla laskelmilla voidaan määrittää liikennekuormituksen aiheuttama vaste tierakenteen eri kerroksissa ja näistä arvioida tierakenteen kestoikä, kun hallitaan tien vaurioitumismekanismit. Nykyisillä laskentamenetelmillä laskelmia pystytään tekemään runsaasti kohtuullisessa ajassa. Laboratoriokokeilla voidaan tehdä nopeasti ja edullisesti ns. indeksitestejä, joilla eri materiaalit voidaan "asettaa järjestykseen" ja arvioida niiden käyttökelpoisuutta kuhunkin tarkoitukseen. Koerakenteen tekeminen on testi siitä, onnistuuko rakentaminen. Valitettavan usein kohteen riittävän pitkä ja yksityiskohtainen jatkoseuranta jää tekemättä. Tällöin kokeista saatavat johtopäätökset eivät välttämättä ole oikeita rakenteen piutkäaikaisen käyttäytymisen arvioimiseksi. Tierakenteen vastemittauksilla tutkitaan periaatteessa yhden kuormituksen aiheuttamia jännityksiä ja muodonmuutoksia tierakenteeseen. Näiden mittausten tuloksilla pystytään arvioimaan tierakenteen käyttäytymistä ja kestoikää, jos vaurioitumisprosessi tunnetaan. Koetiekoneella pystytään tekemään nopeasti hallituissa ja mahdollisesti säädeltävissä olevissa olosuhteissa kuormitustesti. Koeteillä saadaan selville luonnollisen vaurioitumisen mekanismi, mutta se saattaa kestää kymmeniä vuosia. Ainakin uudet materiaalit ja tierakenteen rakenneratkaisut on pystyttävä testaamaan nopeammin. Tavoitteet Tierakenteiden kestoikää tutkitaan ns. koetiekoneella, jolla liikennekuormitusta simuloiden rasitetaan tierakenteita täysmittakaavaisesti niin kauan, että ne särkyvät. Koetiekoneella voidaan säädettävissä olosuhteissa ja tunnetuilla kuormituksilla hallitusti rikkoa tierakenne nopeasti. Näiden tutkimusten keskeisinä tavoitteina ovat: - uusien tierakenteiden kehittäminen - uusien tierakennusmateriaalien soveltuvuuden selvittäminen - ajoneuvomääräysten vaikutusten selvittäminen - tierakenteiden toiminnan ja vauriomekanismien selvittäminen - tierakenteiden kelpoisuuden testaaminen

59 59 Koetiekoneella saadaan selville liikennekuorman vaikutus hyvinkin luotettavasti, mutta koska se on nopeutettu koe, ilmastotekijöiden vaikutus pitää arvioida pääasiassa muulla tavoin. Lopputuloksena saadaan selville eri rakenneratkaisujen vaurioitumismekanismi ja tutkitttujen vaihtoehtoisten rakenteiden keskinäinen järjestys kestävyyden suhteen. Kuva 3. HVS-NORDIC-koetiekone. Toteutustavaltaan nämä todellisen rakenteen kuormituslaitteet tai -menetelmät poikkeavat toisistaan melkoisesti. Osa laitteista on itsestään liikkuvia tai ainakin liikuteltavia, kuten Suomen (Tiehallinto, VTT) ja Ruotsin (Vägvärket, VTI) yhteinen HVS laite (kuva 3). Osa kuormituslaitteista liikkuu kiinteätä ympyrän tai lähes ympyrän muotoista rataa pitkin kuormittaen rakennetta. Esimerkkejä tällaisista radoista Euroopassa ovat ainakin LCPC:n (Ranska, kuva 32) ja CEDEX:n (Espanja) koeratalaitteet. Koetiet taasen ovat osa väliaikaista tai lopullista rakennetta ja niihin kohdistuva ilmasto- ja liikennerasitus on todellinen. Edustavin esimerkki koetiestä on MnDOT:in koetie Minnesotassa Yhdysvalloissa.

60 6 Kuva 31. Kuva LCPC:n päällysterakenteiden testausalueesta. View of the LCPC Pavement Testing Facility (Courage raporttiluonnos, 1999 /3/) Eri tyyppien edut ja rajoitukset Koetiekone (hallitut olosuhteet / rajalliset pyörän nopeudet). Koeratalaitteistot (monipuoliset rakenteet, todellinen tuotantotekniikka / rakenne ja instrumentointi kallista kokeen koosta johtuen). Koetiet (todellinen kuormitus: liikenne ja ilmasto / instrumentointi, hinta ja tulkinnan vaikeus).