Seminaariesitelmät Sessio: Väylät ja rakenteet MITÄ KERTOO MAANTEIDEN PULSSIMITTARI?...2 RASKAIDEN KAIVOSKULJETUSVAIHTOEHTOJEN VAIKUTUSTEN ARVIOINTI KAUNISVAARA - SVAPPAVAARA - TIELLÄ...9 MONIKEILAINLUOTAUKSEN JA LASERKEILAUKSEN HYÖDYT VESIRAKENTEIDEN KUNNOSSAPIDOSSA... 15 KUIVATUKSEN MERKITYS TIEN KUNNON HALLINNASSA JA VAURIOITUMISESSA... 19 TUHKASTA TUOHTA... 25 LENTOLIIKENNEALUEIDEN TALVIKUNNOSSAPITO TURVALLISESTI, TEHOKKAASTI JA YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISESTI... 29 UUDET TEKNIIKAT OSANA LÄNSIMETRON RAKENTAMISTA... 33
2 Mitä kertoo maanteiden pulssimittari? Pertti Virtala Destia Oy Maanteiden kunnon hallinta on perustunut reilun 20 vuoden ajan enimmäkseen päällysteiden pintakunnon tarkasteluun uraisuuden, epätasaisuuden ja pintavaurioiden kautta. Käytetyt mittarit ovat sinänsä hyvä ja niillä löytyvät tiestöltä sellaiset kohdat, joilla uraisuus tai epätasaisuus on liian suurta. Näitä mittareita käytetään enimmäkseen melko yleisellä tasolla. Useimmiten puhutaan huonokuntoisista satametrisistä tai niiden summasta tietyllä alueen tai tieluokan mukaisella verkolla. Ne pohjustavat ylläpitotoimintaa jälkijättöisesti siten, että niissä näkyy liikenteen tai ilmaston tielle aiheuttamat seuraukset, mutta ne eivät paljasta ajoneuvon ja tien vuorovaikutusta eivätkä sen vuorovaikutuksen keskeisiä mekanismeja ajotuntumaa, ajovakautta, ajoneuvon hallittavuutta, tierasitusta tai tien kuormituksen kestokykyä. Perinteinen huonokuntoisten jaksojen määrään perustuva tarkastelutapa on sokea sille, mitä tiellä todella tapahtuu. Tilannetta voisi verrata ihmisen terveydentilan arviointiin. Potilaalla on jokin vaiva tai tauti ja se pitäisi diagnosoida. Diagnoosin tekemiseen tarvittavat syyt eivät useinkaan näy päältä, vaan on tehtävä mittauksia ja syvempää analyysiä. EKG-tutkimuksessa ihmisen sydämen toiminnasta haetaan syitä sille, miksi henkilö on huonovointinen. EKG-mittaus tuottaa sydänkäyrän, joka näyttää maallikolle monotoniselta sik-sak-käyrältä eikä kerro juuri mitään, mutta asiantuntijoille siitä saadaan paljon tarpeellista informaatiota. Sydänkäyrässä toistuu aaltosarja, josta käytetään tunnuksia PQRST. Pulssi saadaan R- kohtien välisenä aikana ja käännetään tunnusluvuksi lyöntiä minuutissa. Sykkeeseen liittyvät epänormaaliudet (harvalyöntisyys, tiheälyöntisyys, flimmeri, kammiovärinä, katkokset jne..) näkyvät erilaisena kullekin vaivalle tyypillisenä vaihteluna ja ne ovat asiantuntijan tunnistettavissa sydänkäyrästä ja siitä tehdyissä muissa analyyseissä. PQRST-käyrää ei itsessään mitata, vaan EKG-mittauksessa mitataan jännitteitä kehon eri osissa: käsissä, jaloissa ja sydämen ympärillä. Esimerkki on tietekniikkaan nähden vähän kaukaa haettu, mutta jäljempänä selitetään sen analogisuutta ja käyttökelpoisuutta. Mittaamalla saatu tietynlainen värähtely on normaalia ja tietynlainen taas epänormaalia ja ne pitää pystyä erottamaan toisistaan. Erilaiset tien kuntoa kuvaavat mittarit ja tunnusluvut tuotetaan päällysteen pinnasta tehtyjen mittausten perusteella. Niistä saadaan tien kolmiulotteinen pintamalli ja/tai pinnasta otettu jatkuva valokuva. Tiestä mitattu tieto edustaa eräänlaista EKG-mittausta. Tiestä saadaan paljon dataa, jonka hyödyntäminen edellyttäisi analyysiä. Ihmisen EKGmittaus on hetkellinen eikä sitä yleensä varastoida minnekään. Tien vastaava mittaus on pituussuunnassa jatkuvaa, sitä toistetaan vuodesta toiseen tietyllä syklillä ja se tallennetaan tietokantoihin jatkojalostusta ja käyttöä varten. Pinnan mitattu raakatieto varastoidaan 100 mm:n välein 17 eri pituusprofiilista 3,2 m leveydeltä. Mitatuista profiileista saadaan muodostettua sekä pituussuunnan että poikkisuunnan epäsäännöllisyydet. Ajourien kohdalla on yhteensä kymmenen mittausanturia. Tien geometriatietoa (mäkisyys ja kaarteisuus) mitataan ja varastoidaan metrin välein. Näiden tietojen kautta on käytettävissä tien geometria, pinnan muoto ja nopeusrajoitus. Saatua mittaustietoa pystytään jalostamaan kytkemällä siihen liikkuvia ajoneuvoja ja tarkastelemalla ajoneuvojen ja tien välistä vuorovaikutusta. Kun tätä vuorovaikutusta seurataan pitemmällä aikavälillä, saadaan selville, mikä tietä vaivaa. Tien vaivojen ja
3 liikennettä palvelevan tilan tunnistamiseen ja havainnollistamiseen tarvitaan hiukan tavanomaista monimutkaisempaa analyysiä. Tien tule tarjota liikenteelle välityskykyä, ajomukavuutta ja turvallisuutta. Välityskyky tiivistyy tässä yhteydessä ajonopeuteen eli tien tulee olla sellainen, että liikenne voi käyttää tiettyä tien standardin ja nopeusrajoituksen mukaista vakionopeutta sääolosuhteista riippumatta. Tien tulee olla sellainen, että ajaminen on turvallista silloinkin kun liikenteessä tai säässä tapahtuu vaihteluita. Riittävä ajomukavuus on myös tärkeä asia, koska se vähentää kuljettajan rasittumista ja väsymistä sekä ajoneuvon osien ja tien rasituksia ja kulumista. Turvallisuus on pitkälti kuljettajasta riippuva asia, mutta tieltä edellytetään tiettyä homogeenisuutta niin, että turvallisuus säilyy vaikka liikenteessä on erilaisia kuljettajia, ajoneuvoja ja ajo-olosuhteita. Turvallisuus kulminoituu pitkälti siihen, että ajoneuvo on hallittavissa. Ajoneuvon pyörien on oltava kontaktissa tien pintaan. Ajoneuvoteollisuus tuottaa omalta osaltaan yhä parempia ajoneuvoja, jotka selviävät yhä huonommista tieolosuhteista ja korjaavat tai eliminoivat kuljettajan tekemiä virheitä. Kehittyneet mallit ja simulointimenetelmät ovat ahkerassa käytössä, kun ajoneuvon veto, jarrutus- ja jousitusjärjestelmiä suunnitellaan. Tienpidossa näitä menetelmiä ei kovin yleisesti käytetä, vaikka siihen on välineitä olemassa. Tässä esityksessä käsitellään tapaa, jolla vastaavia simulointitekniikoita voidaan ulottaa tienpidossa käytettäviin tarkasteluihin. Liikkeessä oleva ajoneuvo reagoi tien aiheuttamiin herätteisiin dynaamisena systeeminä, jota on mahdollista simuloida. Simuloinnissa ajoneuvosta muodostetaan malli ja se asetetaan ajamaan tietä tietyllä nopeudella. Ajoneuvomallin mukainen ajoneuvo reagoi tiehen ja saa erilaisia liiketiloja. Ajoneuvon korin liiketilat ovat herätteenä kuljettajan, matkustajien tai kuorman muodostamaan systeemiin, joka saa puolestaan liikevasteita omien dynaamisten ominaisuuksiensa kautta. Ajoneuvomalli on aina rajallinen todellisuuteen nähden. On olemassa parempia malleja ja huonompia malleja. ADAMSmalli edustaa ajoneuvomallien parhaimmistoa ja sillä pystytään simuloimaan täysperävaunullisen rekan käyttäytymistä kaikissa tarvittavissa liikedimensioissa. VEMOSIM-malli on myös melko kattava enemmänkin ajoneuvon moottorin toimintaan tarkoitettu malli, mutta taipuu kehittäjien käsissä yksittäisiin tilanteisiin tarpeiden mukaan. Tässä esitettävä malli on melko yksinkertainen. Se edustaa nelipyöräistä ajoneuvoa ja sillä pystytään (tässä vaiheessa) simuloimaan ajoneuvon pystyliikettä, heilahdusliikettä ja nyökkimisliikettä. Ajoneuvotyyppi voi olla joko henkilöauto, pakettiauto, linja-auto tai kuorma-auto. Akselimäärä on rajoitettu kahteen. Periaatteessa on sitä parempi, mitä monipuolisempi malli on käytettävissä. Kehitetty malli tuottaa ajoneuvon pystysuunnan (z) liiketilat (sijainti, nopeus ja kiihtyvyys), sivuttaisheilahdusliikkeen (roll x, kulma, kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys) sekä nyökkimisliikkeen ( pitch y nyökkimiskulma, kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys). Lisäksi malli tuottaa dynaamiset pyöräpainot, mikä mahdollistaa tiehen kohdistuvien rasitusten laskemisen. Malli on kehitetty Eetu Hurtigin diplomityön yhteydessä ja sen käyttökelpoisuutta on tarkasteltu Liikenneviraston teettämissä kahdessa eri työssä Tien pituuskaltevuuden tunnusluvun määrittäminen ja Tien sivukaltevuuspuutteiden tunnistaminen. Malli ei tuota sivuttaisliikettä (y) eikä kierähdyskulmaa (yaw), koska niiden dynaamisissa tarkasteluissa tarvittaisiin ohjauksen ja rengaspidon dynamiikka. Mallin käyttökelpoisuus liikenneturvallisuuden kannalta paranisi huomattavasti, jos siihen lisättäisiin puuttuvien liikesuuntien hallinta. Alkuvaiheen malli on yksinkertaisempi, koska sillä halutaan tarkastella koko maantieverkkoa.
4 Simuloinneissa tietä kannattaa käsitellä tieosan pituisina pätkinä. Tämä tarkastelutaso on tarkoituksenmukainen useastakin syystä. Se suuntaa tarkastelua yksittäisten satametristen sijasta siihen, miten kyseinen tieosuus palvelee liikkuvaa ajoneuvoa. Tieosa on graafisesti tarkasteltuna sopivan pituinen ja se muodostaa tieosoitejärjestelmässä hyvin määritellyn perusyksikön. Suomen maanteillä on noin 15 000 tieosaa ja niiden keskimääräinen pituus on noin 5 km. Suunnat ja kaistat tarkastellaan omina kokonaisuuksinaan, jolloin tarkasteltavien perusyksiköiden määrä on suunnilleen 35000-45000. Koska lähtötiedoksi tarvitaan vain PTM-raakadata sekä tieosalla oleva nopeusrajoitus, on simulointitarkastelut helppo integroida teiden palvelutasomittausten yhteyteen. Sivuttaisheilahdusten kardiologia Tien sivukaltevuustilaa voidaan tarkastella vertaamalla sitä tien vaakageometriaan (Kuva 3 käyrä A) ja päättelemällä, ovatko kallistukset (B) oikean suuntaisia ja suuruisia. Vasemmalle kaartuvissa kaarteissa sivukaltevuuden tulee olla (mittaustietoa tarkastellen) positiivinen ja vastaavasti oikealle kaartuvissa kaarteissa tai suorilla negatiivinen. Tien sivukaltevuusvaihtelun tulee olla riittävän pientä, jotta se ei aiheuta ajoneuvoon liian suuria sivuttaisheilahduksia (C). Pelkän heilahduskulman tarkastelu ei kuitenkaan paljasta tien ongelmakohtia, koska se vaihtelee niin vähän. Heilahduskulmanopeus (D) tai joissakin tapauksissa heilahduskulmakiihtyvyys paljastavat ongelmakohtia paremmin. Kuvaan 4 on laitettu keltaisia ja punaisia nuolia tiessä maastotarkastelussa havaittuihin sivukaltevuuden ongelmakohtiin. Ongelmakohtien sijainti ja määrä on tunnistettavissa parhaiten heilahduskulmanopeudesta (D) ja pyöräpainosiirtymän hajonnasta (F). Pyöräpainosiirtymä kuvaa sitä osuutta pyöräpainoista, joka siirtyy sivuttaisheilahduksessa puolelta toiselle. Sivuttaisheilahtelun syynä on usein reunapainuma tai korjaamatta jäänyt yksittäinen kohta, jota perinteinen IRI-tarkastelu ei tunnista. Tällaisia tien kohtia vaivaa reunapainumatauti. Pystyliikkeiden kardiologia Pystysuuntaisia liikkeitä aiheuttavat tien mäkisyys ja pinnan profiili. Mäkisyys on pitkäaaltoista ja kuuluu tien pystygeometriaan. Se vaihtelee (tieosan alkukohtaan nähden) muutamia metrejä tai kymmeniä metrejä suuntaan tai toiseen. Mäkisyyttä ei huomioida epätasaisuuteen liittyvissä tarkasteluissa, mutta se tulisi huomioida ajoneuvojen kaarrekäyttäytymistä simuloitaessa. Tien pituusprofiili on se informaatio, josta ajoneuvon pystyliikkeet lasketaan. Kuvan 4 osassa H on kummankin ajouran pituusprofiili. Profiilissa on yleensä muutaman kymmenen sentin vaihtelua ja siitä on hankala tunnistaa epätasaisia kohtia. Ajoneuvoon kohdistuvat pystysuunnan liikkeet ja liikenopeus. Simuloinnista saadaan ajoneuvon korin painopisteen mm. pystysuunnan liikeamplitudi (I) ja pystykiihtyvyys (J). Tien ongelmakohtien tunnistaminen näistä käyristä on hankalaa, mutta kun tarkastellaan niiden hajontoja (K), niin saadaan selvemmin esille, missä tien epätasaisimmat kohdat ovat. Tällaisten tien kohtien tauti on epätasaisuus. Nyökkimisliikkeen kardiologia Kuvassa 5 on esitetty tien aiheuttamia vasteita ajoneuvon nyökkimiskulmaan sekä ajoneuvon aiheuttama tierasitus. Kuvan kolme ylintä osaa kuvaavat nyökkimiskulmaa (L), kulmanopeutta (M) ja kulmanopeuden hajontaa (N). Loput osat kuvaavat tierasitusta (O) ja sen hajontaa (P). Käyrien edestakainen liike on taas hankalasti tulkittavissa, sen sijaan liikkeen hajonta tuo esille sellaiset kohdat, joilla tiessä on epäsäännönmukaisuutta. Tien tulisi olla ominaisuuksiltaan mahdollisimman homogeeninen. Hajonta kuvaa epähomogeenisuutta ja sopii siten hyvin haluttujen kohtien paikannukseen. Kun
5 nyökkimiskulmanopeuden hajonta ylittää 2 astetta/s, niin selvät tai haitalliset nyökkimiskulmakohdat saadaan tunnistettua. Vastaavasti kun tierasituksen hajonta ylittää arvon 1 (50%), niin haitalliset kohdat saadaan tunnistettua. Tällaista tietä vaivaa nyökkimistauti. Raskaat ajoneuvot nyökkivät dynaamisten ominaisuuksiensa takia noin sekunnin taajuudella, minkä kaikki raskaiden ajoneuvojen kuljettajat hyvin itsekin tunnistavat. Jos tiessä on pienikin pituussuuntainen epäsäännöllisyys, niin ajoneuvo alkaa kuormittaa sitä kohtaa enemmän kuin muita kohtia ja nyökkimistä edistävä painuminen tai muu vaurioituminen alkaa. Tauti leviää yhdestä nyökkimiskohdasta eteenpäin kumpaankin suuntaan aiheuttaen kaistoille erilaista kuormitusta ja siten sivuttaisvaihtelua, josta puolestaan aiheutuu sivuttaisheilahdustauti. Muita tarkasteluja Muita puuttumaan jääviä tarkasteluja ovat sivuttaispitoon ja kaarrekäyttäytymiseen liittyvät tarkastelut, joissa simuloitaisiin sivuttaiskitkan riittävyyttä eri tilanteissa. Sivukitkan tarveanalyysissä on hallittava myös vedon dynamiikka, koska ajoneuvo käyttää tarjolla olevaa kitkaa ensin pituussuuntaiseen vetoon (tai jarrutukseen) ja vasta toissijaisesti sivuttaispitoon. Sivuttaispito on tärkeätä erityisesti kaarteissa, joiden yhteydessä on mäkiä. Etuvetoiset ja takavetoiset ajoneuvot käyttäytyvät kaarreajossa eri tavalla ja siksi niille olisi tehtävä erilliset simuloinnit. Yhdistelmäajoneuvoille tarvitaan erillinen tarkastelu, koska malliin tulee liittää perävaunun käyttäytyminen. Raskaiden ajoneuvojen todellisen nopeuden käyttö simuloinneissa edellyttäisi myös voimansiirron ulottamista niihin. Ajoneuvon korin pysty-, sivuttais- ja nyökkimisliikkeiden aiheuttamia vaikutuksia kuljettajaan voitaisiin tutkia asettamalla ajoneuvoon kuljettajamalli, jonka vasteita tutkimalla saataisiin selville, miten tiellä ajaminen kokonaisuudessaan vaikuttaa ihmiseen ja arvioida, miten esim. työterveyteen liittyvät tärinälle asetetut rajaarvot ylittyvät.
6 Kuva 1. Ajoneuvomallilla voidaan simuloida 2-akselisten ajoneuvojen liikkeitä. Ajoneuvon painopisteeseen sijoitetaan koordinaatisto. Käytettävissä jäykkäkorinen nelipyöräinen seitsemän vapausasteen täysautomalli. Simulointi tuottaa koordinaatiston mukaisia liiketiloja: pystyliike z, heilahdusliike roll x-akselin ympäri ja nyökkimisliike pitch y-akselin ympäri. Kuva 2. Ajourien pituusprofiilit toimivat mallin herätteenä (50 m pätkä). Kummankin ajouran pituusprofiilit tuotetaan viiden anturin tuottaman informaation keskiarvona. Mittauksen askelväli on noin 1 mm ja tulos tuotetaan 100 mm keskiarvoina.
7 Kuva 3. Tien vaakageometrian ja kuorma-auton sivuttaisliikkeiden välisiä vasteita (10m arvoja). Tarkasteltu tieosa on noin 5 km pituinen ja se on ajettu vasemmalta oikealle. Maastokäynnillä on havaittu kaksi selvää ja kaksi haitallista sivukaltevuuden muuttumiskohtaa. Kuva 4. Tien pystygeometrian ja kuorma-auton pystyliikkeiden välisiä vasteita (10 m arvoja).
8 Kuva 5. Ajoneuvon nyökkimiskulmaan ja tierasitukseen liittyviä vasteita (10m arvoja). Yhteenveto ja johtopäätökset Tienpidossa ollaan edelleen hyvin niukkojen määrärahojen varassa. Tienpidon toimet on kohdistettava yhä tarkemmin. Toisaalta liikenneturvallisuutta halutaan parantaa ja sen toteuttamiseksi joudutaan etsimään kaikki mahdollisuudet. Tien ongelmakohdat tulee pystyä seulomaan aiempaa paremmin ja helpommin. Ajoneuvojen liiketilojen simuloinnit ovat yksi menetelmä tuottaa tietoa tien ongelmakohdista. Tiestötieto on jo niin kattavaa ja yksityiskohtaista, että se mahdollistaa kaikkien teiden ajoneuvosimuloinnit. Näin saataisiin selville, missä yksittäiset ajomukavuutta tai liikenneturvallisuutta heikentävät tien kohdat ovat ja pystyttäisiin kohdistamaan vähäiset korjausvarat niihin. Ajoneuvodynamiikka ja siihen tarvittavat matemaattiset laskentavälineet ovat tie- ja liikenneasiantuntijoiden ulottuvilla. Erilaisia ajoneuvomalleja on kirjallisuudessa saatavilla runsaasti. Tunnetuimmat simuloinnin apuvälineet Matlab ja Labview ovat nekin kehittyneet ja tarjoavat kaiken tarvittavan matematiikan insinöörin käyttöön. Syvääkään matematiikkaa ei tarvitse enää karttaa, koska sen käyttö on tehty niin helpoksi. Tien epätasaisuutta on aiemmin tarkasteltu ajoneuvon yhden pyörän mallilla, joka ottaa huomioon vain yhden ajouran pystysuunnan liikkeet. Pystyliikkeiden lisäksi on nyt olemassa malli, jolla saadaan tarkasteltua tien ja ajoneuvon välistä vuorovaikutusta sivuttais- ja pitkittäissuunnissa. Vaikka malli onkin suhteellisen yksinkertainen, on se kuitenkin kokonainen ajoneuvo ja sitä on helppo kehittää laajemmaksi.
9 Raskaiden kaivoskuljetusvaihtoehtojen vaikutusten arviointi Kaunisvaara - Svappavaara -tiellä Petri Varin Tomi Herronen Roadscanners Oy Johdanto Vuonna 2013 avataan Pajalan kunnassa, Pohjois-Ruotsissa Kaunisvaaran rautamalmikaivos, jonka tuotanto on noin 5 miljoonaa tonnia vuodessa. Koska rautatieyhteyttä ei ole, kaivosyhtiö Northland Resources aikoo kuljettaa rautamalmirikasteen rekoilla yleistä tieverkkoa pitkin 157 km matkan Kaunisvaarasta Svappavaaran rautatieasemalle. Käytännössä tämä tarkoittaa 60 tonnin ajoneuvoyhdistelmää muutaman minuutin välein 24h/vrk vuoden jokaisena päivänä. Svappavaarasta malmirikaste kuljetetaan edelleen rautateitse Narvikin satamaan Norjaan. Ongelmana on, että nykyinen tie on tyypillinen suhteellisen heikko, vähäliikenteinen tie, jota on vahvistettava ennen kuljetusten aloittamista. Lisäksi kaivosyhtiöllä on myös suuri taloudellinen intressi käyttää kuljetuksissa nykyistä 60 tonnin ajoneuvoyhdistelmää raskaampaa kuljetus-vaihtoehtoa. Tästä syystä Trafikverket (Ruotsin liikennehallinto) ja kaivosyhtiö päättivät yhdessä ROADEX-projektin kanssa perustaa riskianalyysihankkeen, jonka tarkoituksena oli tutkia eri rekkavaihtoehtojen vaikutuksia nykyisen tien kuntoon sekä rakenteenparantamistarvetta eri vaihtoehdoilla. Tavoitteena oli löytää eri osapuolten kannalta sekä teknisesti, taloudellisesti että ympäristönäkökohdat huomioiden mahdollisimman optimaalinen kuljetusratkaisu. Tutkimusten ja riskianalyysin toteutuksesta vastasi Roadscanners Oy. Varsinaisen yksityiskohtaisen parantamissuunnitelman tutkimustuloksia hyödyntäen tielle laatii ruotsalainen Vectura Consulting AB. Tutkimusmenetelmät Tiedonkeruu kohteella tehtiin talvella, keväällä ja kesällä 2011 käyttäen 3Dlaserkeilaustekniikkaa, maatutkaluotausta, raskasta pudotuspainolaitetta, kiihtyvyysanturimittauksia, lämpökameraa, digitaalivideota sekä näytteenottoa. Lisäksi analysoitiin vanhoja tasaisuusmittaustietoja ja haastateltiin paikallista tiemestaria. Kerättyä aineistoa eri tietokoneohjelmistojen avulla analysoimalla tielle tehtiin riskianalyysi ja -luokitus sekä laskettiin teoreettinen jäljellä oleva käyttöikä. Kun 60 tonnin rekkaan perustuva "normaali" rakenteellinen analyysi oli valmis, seuraava vaihe oli arvioida raskaampien kuljetusvaihtoehtojen vaikutusta. Alustavassa vaiheessa vertailtiin yli 30 erilaista vaihtoehtoa, joista lopulta kuusi valittiin tarkempaan analyysiin. Vaihtoehdot olivat: standardi 60 tonnin rekka, "Boliden" 72 tonnin rekka, "En Trave till" (yksi pino lisää) 90 tonnin rekka sekä "Double link" -konseptirekka 136, 145,5 ja 153 tonnin kokonaispainolla. Ajoneuvoyhdistelmien renkaina laskelmissa käytettiin paripyöriä, koska aikaisemmat kokemukset ROADEX-projektista sekä useista muista aikaisemmista analyyseista ovat osoittaneet, että vähäliikenteisillä teillä paripyörien aiheuttamat rasitukset tierakenteeseen ovat huomattavasti pienempiä kuin Super Single renkailla. Rengaspaineena lopullisessa analyysissa käytettiin normaalia (800 kpa) painetta, koska alustavien analyysien perusteella todettiin, että alennetuilla rengaspaineilla ei saavuteta lisähyötyä suhteellisen paksuiksi suunnitelluista sidotuista kerroksista johtuen. Kunkin vaihtoehdon raskaimman akseliryhmän heikkoon
10 pohjamaahan aiheuttama siirtymä laskettiin lineaari-elastiseen monikerroslaskentaan perustuvalla BISAR-ohjelmistolla. Lisäksi laskettiin peräkkäisten akselien aiheuttama kumulatiivinen pohjamaan siirtymä. Myös tien palautumisaikoja analysoitiin raskaan pudotuspainolaitteen aineiston avulla. Pohjamaan siirtymien lisäksi arvioitiin eri rekkavaihtoehtojen vaikutusta päällysteen ja päällysrakenteen yläosan kestävyyteen. Tähän käytettiin klassiseen "neljännen potenssin sääntöön" perustuvaa vertailua. Tulokset Sidottujen päällysrakennekerrosten paksuus oli koko Kaunisvaara Svappavaara tiellä melko ohut, paksuus vaihteli vain muutamista millimetreistä kahteenkymmeneen senttimetriin. Keskimääräinen paksuus oli noin 35 50 mm. Sitomattoman kantavan kerroksen paksuus vaihteli suuresti tien moninaisesta rakentamis- ja parantamishistoriasta johtuen, vaihteluväli muutamista senttimetreistä yli puoleen metriin. Tierakenteen kokonaispaksuus vaihteli myös suuresti, mutta yleisesti se oli välillä 50 80 cm. Tube Suction kokeiden perusteella tien kantavan kerroksen materiaalin laatu oli kyseenalainen. Materiaali imee itseensä liikaa vettä, ja näin ollen pysyviä muodonmuutoksia syntyy keväällä roudan sulamisaikaan. Heikko kantavan kerroksen materiaali altistaa tien Mode 1 urautumiselle. Kuvassa 1 on esitetty esimerkki maatutkapoikkileikkauksesta, jossa nähdään Mode 1 urautumista ja reunadeformaatiota. Kuva 1. Esimerkki maatutkapoikkileikkauksesta, jossa nähdään Mode 1 urautumista ja reunadeformaatiota Suurin osa pudotuspainomittausten perusteella lasketuista pohjamaan moduuliarvoista oli välillä 40 80 MPa. Kuitenkin useissa kohdissa, erityisesti turve- ja silttipohjamailla, moduulit olivat alle 20 MPa tai jopa alle 10 MPa, mitä voidaan pitää erittäin heikkona arvona. Teoreettisen jäljellä olevan käyttöiän analyysi ruotsalaisella PMS Objekt -ohjelmistolla osoitti, että 96 % tien pituudesta tulee vaurioitumaan yhden vuoden kuluessa raskaan liikenteen käynnistyttyä, mikäli mitään parantamistoimenpiteitä ei tehdä. Riskianalyysin
11 ja -luokituksen perusteella uudet rakenteet suunniteltiin PMS Objektin avulla 20 vuoden teoreettiselle kestoiälle. Ehdotettu perusparannusrakenne koostui 50 mm kulutuskerroksesta, 150 mm sidotusta kantavasta kerroksesta sekä 100-350 mm sitomattomasta kantavasta kerroksesta (kuva 2). Kaikkein heikoimpiin kohtiin ehdotettiin rakennettavaksi kokonaan uusi kolmas ajokaista raskaille ajoneuvoille (kuva 3). Nämä kaistat toimisivat samalla ohituskaistoina muulle liikenteelle. Lisäksi suositeltiin ainakin kahden "kiipeämiskaistan" rakentamista jyrkkiin ylämäkiin, geometrian parantamista yhdellä tiejaksolla sekä kaikkien liittymien uudelleensuunnittelua. Tien poikkileikkauksen analyysi osoitti myös, että nykyisen tien pientareet ovat erittäin heikkoja, mistä syystä tien leventäminen parantamisen yhteydessä olisikin kannattavaa. Kuva 2. Periaatekuva ehdotetusta perusparannusrakenteesta Kuva 3. Periaatekuva kolmannen kaistan rakenteista sekä vanhan tien parantamisesta kolmannen kaistan kohdalla 3D-laserkeilaukseen perustuvan routanousuanalyysin perusteella routaongelmat tiellä olivat odotettua vähäisempiä. Vain muutamissa kohdissa parantamistoimenpiteiden uusien rakenteiden mitoitus ei ollut riittävä routamitoituksen kannalta. Kuivatusanalyysi puolestaan osoitti, että tien kuivatus oli suhteellisen hyvässä kunnossa verrattuna muihin Pohjoismaiden alueella ROADEX-projektin puitteissa testattuihin kohteisiin. Kuivatuksen parantaminen on kuitenkin ehdottomasti edullisin keino parantaa tien kuormituskestävyyttä, minkä vuoksi koko kohteen kuivatus olisi suositeltavaa parantaa luokkaan 1 ennen kuin muita vahvistamistoimenpiteitä tehdään. Lisäksi 3D-laserkeilaus osoitti, että yksityisteiden liittymärumpujen tukkeutumisella, jäätymisellä tai jopa
12 kokonaan puuttumisella oli suuri vaikutus päätien kestävyyteen. Kuvassa 4 on esitetty esimerkki 3D-laserkeilaukseen perustuvan routanousuanalyysin tuloksista. ROUTANOUSU SUURI ROUTANOUSU Kuva 4. Esimerkki 3D-laserkeilaukseen perustuvan routanousuanalyysin tuloksista Kuljetusvaihtoehtojen analysoinnin perusteella suurin raskaampien ja pidempien ajoneuvo-yhdistelmien aiheuttama ongelma ovat heikon pohjamaan suuret pystysuuntaiset siirtymät, erityisesti keväällä roudan sulamisaikaan. Toinen ongelma ovat pitkät palautumisajat samoilla heikoilla tiejaksoilla. Laskelmat osoittivat, että raskaimpien yhdistelmien aiheuttamat pohjamaan siirtymät voivat olla jopa kaksinkertaiset verrattuna normaaliin 60 tonnin rekkaan. Nämä ongelmat kuitenkin vähenevät merkittävästi, mikäli kolmas kaista rakennetaan. Pohjamaan kestävyyden näkökulmasta standardi 60 tonnin rekka oli niukasti paras vaihtoehto, mutta 72 tonnin ja 90 tonnin vaihtoehtojen todettiin olevan lähes yhtä hyviä. Lisäksi laskelmien mukaan "normaali" 60 tonnin rekkaan perustuva parantamistoimenpiteiden mitoitus oli riittävä myös 72 tonnin ja 90 tonnin vaihtoehdoille. Raskaimmat (136 tonnia, 145,5 tonnia ja 153 tonnia) vaihtoehdot olivat pohjamaan kannalta huonompia, mutta eroa voidaan pienentää ylimääräisellä vahvistamisella. Kuvassa 5 on esitetty kumulatiivinen pohjamaan siirtymä heikolla pohjamaalla (moduuli 10 MPa) laskettuna jokaiselle rekkavaihtoehdolle. Vaaka-akselilla on etäisyys ajoneuvoyhdistelmän ensimmäisestä akselista. Ensimmäinen akseli on nollan kohdalla ja pisteet käyrällä kuvaavat seuraavien akseleiden sijaintia. Pystyakselilla on kumulatiivinen pohjamaan siirtymä yhdessä pisteessä laskettuna.
13 Kuva 5. Kumulatiivinen pohjamaan siirtymä heikolla pohjamaalla (moduuli 10 MPa) laskettuna jokaiselle rekkavaihtoehdolle Päällysteen ja päällysrakenteen yläosan suorituskyvyn arviointi "neljännen potenssin sääntöön" perustuvalla vertailulla puolestaan osoitti, että kaikki raskaammat vaihtoehdot olivat päällysteen kannalta parempia kuin standardi 60 tonnin ajoneuvoyhdistelmä. Vertailun tulokset on esitetty taulukossa 1. Viimeisessä sarakkeessa oleva luku on vertailuluku suhteessa 60 tonnin vaihtoehtoon. Esimerkiksi "Boliden" 72 tonnin rekka on tämän vertailun perusteella 27 % parempi kuin standardi 60 tonnin rekka. Paras vaihtoehto tämän vertailun perusteella on 136 tonnin Double link. Taulukko 1. Päällysteen ja päällysrakenteen yläosan suorituskyvyn arvioinnin ja vertailun tulokset Palautumisaikojen mittausten ja laskelmien perusteella heikoimmissa kohdissa toistuva kuormitus aiheuttaa huokosvedenpaineen kasvua pohjamaassa, mikä edelleen pienentää pohjamaan jäykkyyttä. Laskelmien mukaan raskaammat rekkavaihtoehdot tarvitsevat pidemmän palautumisajan, mistä syystä ajoneuvojen välimatkaa kuljetusreitillä tulisi valvoa. Toisaalta, mikäli lähes kaikki heikoimman pohjamaan jaksot korvataan hyvin suunnitelluilla ja rakennetuilla kolmansilla kaistoilla, palautumisaikojen ei pitäisi aiheuttaa ongelmia.
14 Johtopäätökset Tässä projektissa monia uusia teknologioita ja analyysimenetelmiä on käytetty ensimmäistä kertaa maailmassa, mistä hyvänä esimerkkinä voidaan mainita 3Dlaserkeilaukseen perustuva routanousun analyysi. Nämä menetelmät ovat antaneet erittäin arvokasta tietoa tiediagnostiikkaan ja rakenteenparantamisen suunnitteluun. Esimerkkitapaukset aiemmista ROADEX-projekteista ovat osoittaneet, että rakenteenparantamisen potentiaaliset kustannussäästöt voivat olla jopa miljoonia euroja. Tutkimuksen perusteella myös hiilidioksidipäästöjen alentuminen jopa 25 prosentilla on mahdollista, mikäli siirrytään käyttämään raskaampia ajoneuvoyhdistelmiä. Samoin ympäristölle aiheutuvat tärinä- ja meluhaitat vähentyvät, koska liikenteessä olevien rekkojen määrä vähenee. Lisäksi uusien teknologioiden ja analyysimenetelmien käyttö auttaa myös varmistamaan, ettei rakentamisvaiheessa tai raskaan tavaraliikenteen alettua vuonna 2013 pitäisi ilmetä ikäviä yllätyksiä. Raskaiden rekkavaihtoehtojen analyysit ja laskelmat antavat myös vahvan perustan Trafikverketille ja kaivosyhtiölle lopullisen kuljetusratkaisun valintaan. Nyt tehdystä analyysista huolimatta tien käytönaikainen rakenteellinen monitorointi olisi kuitenkin erittäin suositeltavaa. Ennakoiva kunnossapito on tärkeää, jotta mahdolliset vauriot voidaan havaita ja korjata jo ennen kuin ne aiheuttavat ongelmia. Lisäksi erityinen talvikunnossapidon suunnitelma olisi laadittava, jotta voidaan varmistaa raskaiden ajoneuvoyhdistelmien turvallinen liikennöinti myös vaativissa talviolosuhteissa.
15 Monikeilainluotauksen ja laserkeilauksen hyödyt vesirakenteiden kunnossapidossa Kari Pohjola Meritaito Oy Lähtökohdat Satamanpitäjälle on erittäin tärkeää tietää omistamansa infrastruktuurin kunto vedenpinnan yläja erityisesti vedenpinnan alapuolelta. Perinteiset kuntokartoitusmenetelmät ovat perustuneet näkö- ja videokuvaushavaintoihin. Alusten potkurivirtausten aiheuttamasta eroosiosta tai vesialueen mataloitumisesta aiheutunut toiminnan keskeytys tai vahinko tulee usein yllätyksenä. Kokonaistilanteen hahmottaminen on avaintekijä oikein kohdistettujen rakennetutkimusten ja kunnossapidon painopistealueiden valinnassa ja ennaltaehkäisevässä suunnittelussa. Uudet mahdollisuudet Tässä esityksessä kerrotaan modernien mittausteknologioiden mahdollisuuksista hankkia sekä veden päällistä, että erityisesti vedenalaista informaatiota sataman ja sen rakenteiden kunnosta sekä niistä tekijöistä jotka saattavat vaarantaa rakenteiden olemassaolon ja toimivuuden. Pahimmillaan seurauksena voi olla sataman toimintojen keskeytyminen vaurioiden takia. Esittelemme niitä mahdollisuuksia ja hyötyjä, jotka saavutetaan, kun yhdistetään modernin monikeilainluotauksen ja laserkeilauksen tarjoamat mahdollisuudet satamainfran kartoitukseen. Kuva 1. Monikeilainluotausdata kertoo satama-altaan kokonaistilanteen sekä antaa tietoa laiturin rakenteista. Monikeilainluotaukset Monikeilainluotaukset ovat korvanneet perinteisen linjaluotauksen merikartoituksen perustutkimusmenetelmänä. Yksittäisten syvyyspisteiden sijaan saadaan täysin peittävä kuvaus merenpohjasta. Meritaito Oy:n henkilöstöllä on kahdenkymmenen vuoden kokemus pohjan peittävästä kartoittamisesta. Näiden vuosien aikana laitteistojen mittauskyky ja -tarkkuus on parantunut dramaattisesti. Yhdellä luotaimen pyyhkäisyllä saadaan jopa 500 syvyyshavaintoa. Nykyään on mahdollista saada kymmeniä, jopa satoja
16 mittaushavaintoja yhdelle neliömetrin alueelle merenpohjaa. Havaintojen resoluutio on parantunut erityisesti matalissa (6-20 m) vesisyvyyksissä ja yhä pienempiä yksityiskohtia merenpohjasta saadaan kartoitettua luotettavasti. Monikeilainluotaus veneeseen asennetulla luotaimella on tehokkaimpia tapoja selvittää satama-altaan ja rakenteiden tila. Asentamalla luotain oikeaan kulmaan voidaan perinteisen pohjan syvyystietojen lisäksi saada tietoja satama- ja vesirakenteista aina vedenpintaan saakka. Nykyaikaisten 400 khz taajuudella toimivien luotainten mittausdatasta voidaan määritellä merkittävästi pienempiä kohteita kuin on ollut aiemmin mahdollista. Tämä avaa aivan uusia mahdollisuuksia kartoittaa vedenalaisten rakenteiden tilaa. Kaikilla mittauspisteillä on paikkaan sidotut koordinaatit ja tiedot voidaan viedä moderneihin suunnittelu- ja mallinnusohjelmiin. Vedenalainen 3D pistepilvi antaa mahdollisuuden tarkastella infrastruktuuria kokonaisuutena ja sitä kautta ohjata suunnittelu ja lisätutkimukset oikeisiin kohteisiin. Laserkeilaukset Laserkeilaus yhdistettynä monikeilainluotaukseen tarjoaa mahdollisuuden yhdistää vedenpäällinen ja vedenalaisen kolmiulotteinen informaatio saumattomasti. Laserkeilaus on kehittynein tapa hankkia koordinaatteihin sidottua tietoa vedenpäällisistä rakenteista. Tuloksena saadaan useita satoja mittaushavaintoja rakenteen neliömetriä kohti. Mittaamalla saatu pisteaineisto antaa millimetritarkkuutta olevan tiedon rakenteesta. Tämä mahdollistaa rakenteiden dokumentoinnin, mallintamisen ja mahdollisten muutosten havainnoinnin jatkossa. Mobiili, liikkuvasta veneestä tehty laserkeilaus mahdollistaa samanaikaisen tiedonkeruun vedenalaisen monikeilainluotauksen kanssa. Tämä on erittäin kustannustehokasta satama ja muiden vesirakenteiden kartoittamisessa. Kaikille mittauspisteillä on paikkaan sidotut koordinaatit. Nykyisin laserkeilaus toteutettuna integroidusti vedenalaisen monikeilaintutkimuksen kanssa on luonteva osa rakenteiden ylläpitäjää palvelevassa mittaushankkeessa. Parhaan tuloksen saamiseksi paikanmäärityksessä käytetään aina RTK-GPS-paikannusta. Kuva 2. Valokuva ja laserkeilattu 3D pistepilvi linjamerkistä. Perinteiset tutkimusmenetelmät Suomessa ja Euroopassa käytetään yleisesti sukellus- ja vedenalaisia videokuvaustutkimuksia vesirakenteiden kunnon kartoittamisessa. Sukellustutkimukset
17 vaativat enemmän aikaa laajamittaisesti toteutettuna ja tulokset ovat aina paikallisia. Sukeltajien ammattitaito rakenteiden tuntijoina on erityisen tärkeää luotettavan tuloksen saamiseksi. Heikko näkyvyys veden alla haittaa kuitenkin usein tulosten luotettavuutta. Mielestämme nämä tutkimukset perustelevat erinomaisesti paikkaansa täydentävinä tutkimusmenetelminä. Kun yleiskuva vedenalaisesta rakenteiden tilasta ja niihin kohdistuvista uhkista on määritelty voidaan tarkemmat tutkimukset kohdistaa sellaisille alueille joissa riskien voidaan arvioida olevan suurimpia. Kuva 3. Perinteisiä tutkimusmenetelmiä ovat sukellustutkimukset ja ROV-kuvaukset joita haittaa usein huono näkyvyys satama-altaiden samean veden takia. Uusia mahdollisuuksia tarkentavien tutkimusten tekoon Luotaustekniikkaan perustuva skannaava luotain antaa mahdollisuuden tehdä täydentäviä tutkimuksia vedenalaisissa rakenteissa. Staattisesti paikoillaan jalustalla tai muussa kiinteässä asennuksessa oleva anturi pystyy hyvään tarkkuuteen. Huono näkyvyys tai sukeltajalle ahtaat tai vaaralliset virtaus yms. olosuhteet eivät vaikuta tutkimuksen suorittamiseen. Skannaavaa luotainta käytetään nykyään mm. virtaavassa vesistössä olevien siltojen virtapilarien perustusten tarkastamiseen. Kuva 4. Yhdistetty data monikeilainluotauksesta, laserkeilauksesta ja skannaavasta sonarista.
18 Kokonaistaloudellisen kunnossapidon konsepti Kokonaistaloudellisesti erinomainen konsepti satama- ja vesirakenteiden kunnossapitoon on yhdistelmä tässä esityksessä kuvatuista tutkimusmenetelmistä. Monikeilainluotaustutkimukset antavat kustannustehokkaasti kokonaiskuvan rakenteiden kunnosta veden alla, rakenteiden lähiympäristöstä ja rakenteisiin mahdollisesti kohdistuvista uhista. Laserkeilaus samanaikaisesti tehtynä tallentaa vedenpäälliset rakenteen mallintamista ja muuta myöhempää vertailua varten. Yksityiskohtaisempaan tutkimukseen voidaan käyttää perinteisen sukellus- ja ROVtutkimuksen sijaan myös skannaavaa sonaria suunnittelun- ja korjaustoimenpiteiden vaatimusten mukaan. Monikeilainluotaus, laserkeilaus ja skannaava sonar antavat tulokset paikkaan sidottuina koordinaatteina. Tämä tieto voidaan vielä mallinnus- ja suunnitteluohjelmiin pohjaksi rakenteiden mallintamisen ja korjaussuunnittelun pohjaksi. Kuva 5. Yhdistetty monikeilainluotaus- ja laserkeilausdata laiturista havainnollistaa laiturin nykytilan ja antaa hyvän lähtökohdan tarkentavien tutkimusten ja kunnossapitotoimien suunnitteluun.
19 Kuivatuksen merkitys tien kunnon hallinnassa ja vaurioitumisessa Annele Matintupa Seppo Tuisku Roadscanners Oy Johdanto Kuivatuksen on todettu olevan yksi merkittävimmistä tien toiminnalliseen ja rakenteelliseen kuntoon vaikuttavista asioista. Se vaikuttaa muun muassa tien kantavuuteen, routivuuteen sekä urautumiseen, mutta myös liikenneturvallisuuteen. Kuivatuksen kuntoon liittyviä tutkimuksia ja erilaisia selvityksiä on tehty Suomessa jo vuodesta 2005 lähtien erityisesti Lapin tiepiirin ja myöhemmin Lapin ELY-keskuksen alueella pääasiassa ROADEX-projektien yhteydessä vuosina 2005-2012. ROADEX on EU:n rahoittama monikansallinen pohjoisen Euroopan tieyhteistyöprojekti. ROADEXprojekteissa on havaittu, että lähes poikkeuksetta tien kestoiän kannalta heikoin lenkki on kuivatus. Eri ROADEX-projektien yhteydessä kuivatusta ja sen merkitystä on tutkittu runsaasti. Kuivatuksen tutkimusmenetelmät Perinteisesti kuivatusanalyysejä ei ole tehty ja kuivatuksen kuntoa ei ole järjestelmällisesti seurattu. Sitä on seurattu vain satunnaisten, silmämääräisten havaintojen perusteella. Kuivatusta on parannettu yleensä vain päällysteiden uusimisen yhteydessä. Tämä on kuitenkin väärä lähestymistapa. Kuivatuksen pitämisellä hyvässä kunnossa voidaan lisätä päällysteen kestoikää. Nyt kuivatusta korjataan auttamatta liian myöhään. ROADEX IV-projektin yhteydessä on tutkittu ja kehitetty erilaisia menetelmiä kuivatuksen kunnon tutkimiseksi ja analysoimiseksi. Tutkittavat tieosat on videoitu tallentaen samalla GPS-koordinaatit. Kuvaamisen aikana alustavat havainnot kuivatusluokasta, tieprofiilista, laskuojista sekä muista kuivatukseen liittyvistä havainnoista on myös tallennettu. Näiden menetelmien ongelmana on kuitenkin se, että ne perustuvat subjektiiviseen visuaaliseen arvioon ja niitä on hankala käyttää esimerkiksi hoitourakoissa sakotuksen kriteereinä. Tulevaisuuden tutkimusmenetelminä voidaan pitää viime aikoina testattuja tutkimusmenetelmiä, kuten lämpökamera- ja laserskannertekniikoita sekä myös maatutkan käyttöä (Kuva 1). Laserskannertekniikan on todettu olevan hyvä apuväline tien ja ojien korkeusaseman selvittämisessä. Sen avulla pystytään selvittämään ongelmalliset kohdat, kuten puutteellinen tien poikkileikkauksen muoto, mahdolliset reunapalteet, tien leveneminen ja luiskien valuminen ojaan. Mikäli samanaikaisesti tehdään myös maatutkamittaukset, saadaan selville tierakenteen alapinnan syvyys. Vertaamalla tätä tietoa ojan pohjan syvyyteen, saadaan selville onko ojan pohja suunnitteluohjeen mukaisesti 20-30cm tierakenteen alapintaa syvemmällä. Jos tarkat laserskannermittaukset tehdään sekä keväällä roudan maksimiaikaan että kesällä kun routa on sulanut, voidaan mittaustuloksia vertailemalla selvittää kohteet, joissa esiintyy routanousua sekä määrittää myös routanousun suuruus. Nämä routanousukohteet näyttäisivät alustavien tulosten perusteella liittyvän kohteisiin, joissa kuivatus on puutteellinen. Lämpökamera on puolestaan hyvänä apuna mm. liittymärumpujen olemassaolon ja kunnon (toimii / tukossa) tarkistamisessa.
20 Kuvat 1a ja 1b. Vasemmalla: Roadscanners Oy:n mittausauto, jolla voidaan mitata maatutkalla (edessä) tierakenteiden paksuus ja laserskannerilla (takana) tien poikkileikkaus. Tuloksista saadaan mitattua mm. ojan pohjan syvyys suhteessa rakennekerrosten pohjan tasoon. Oikealla: GEOVAP Ltd:n Quantum 3D laserskanner- mittausauto maantiellä 934 maksimiroudan aikaan huhtikuussa 2011. Kuivatuksen heikoimmat lenkit Suomessa Suomessa tehdyissä kuivatusanalyyseissä havaitut heikoimmat lenkit ovat ojien pohjien tason sijainti liian ylhäällä, yksityisliittymät, reunapalteet, paanteet sekä laskuojat. Ojan pohjan taso Ohjeiden mukaan ojan pohjan syvyyden tulisi olla 20-30cm alempana kuin tierakenteen alapinnan (Kuva 2). Maatutkalla mitatusta aineistosta voidaan tulkinta tien alapinnan syvyys ja laserskannermittauksista saadaan poimittua ojien pohjien syvyydet. Vertaamalla näitä tietoja keskenään saadaan selville onko ojan pohjan syvyys riittävä. Kuva 2. Kuvassa on esitetty ojan pohjan (katkoviiva) ja rakenteen alapinnan (yhtenäinen viiva) suhteita. Tapaus A on hyväksyttävä tilanne; ojan pohja on 20-30cm alempana kuin rakenteen alapinta. Tapaus B ei ole hyväksyttävä; ojan pohja ja tierakenteen alapinta ovat samalla tasolla. Tapaus C ei ole hyväksyttävä, koska ojan pohja on korkeammalla kuin rakenteen alapinta. Ruotsissa Uumajan eteläpuolisella alueella tehdyssä kuivatusanalyysissä tarkasteltiin tilastollisesti ojan pohjan sijaintia verrattuna tierakenteen alapintaan. Suurin osa ojista ei ollut riittävän syvällä (>20cm) verrattuna tierakenteen alapintaan. Kuvassa 3 on esitetty tarkempi ura-arvojen jakautuminen tiellä 353 ojan syvyyden vaihdellessa eri tasoilla.
21 Kuva 3. Kuvassa on esitetty ura-syvyyden jakauma suhteessa ojan pohjan tasoon. Kuva osoittaa, että ura-syvyyden mediaani on 3,96 mikäli ojan pohjan taso on yli 30cm korkeammalla kuin tierakenteen alapinta (osuus 31,8% koko tiestä). Mikäli ojan pohja on yli 30cm syvemmällä kuin tierakenteen alapinta., mediaani on tällöin 2,94. Kuitenkin päällysteen uusimistarpeen laukaisevissa kriittisen 10% jaksoissa urasyvyys on noin 10-12mm, mikä on kolminkertainen verrattuna ideaalitilanteeseen. Kuvaajan arvot on laskettu tierakenteen paksuuden vaihdellessa välillä 0,6-1m ja kuivatusluokan ollessa 2 tai huonompi. Vastaavanlaisia tutkimuksia on tehty myös Suomessa. Taulukon 1 mukaan tiellä 934 tieosilla 3 ja 4 noin 40-60% ojista on riittävän syviä ja 20-30% ojien pohjista on jopa tierakenteen alapinnan yläpuolella. Kuvassa 4 on esimerkki valtatieltä 4. Esimerkki osoittaa, että kyse ei ole vain vähäliikenteisten teiden ongelmasta, vaan sitä esiintyy myös isommilla teillä. Kuvasta voidaan todeta, että mikäli ojan pohja on tierakenteen alapintaa syvemmällä, niin se aiheuttaa veden valumisen tierakenteeseen ja edelleen routanousua sekä urasyvyyden kasvua. Taulukko 1. Tien 934, tieosien 3 ja 4 ojan pohjan tason jakauma sekä oikeassa että vasemmassa ojassa. Tieosa 3 Tieosa 4 Ojan pohja vs. tierakenteen alapinta Oikea oja (%) Vasen oja (%) Oikea oja (%) Vasen oja (%) >0,3 m alempana 46,9 % 45,9 % 46,9 % 58,7 % 0-0,3 m alempana 21,1 % 29,9 % 30,6 % 23,7 % > 0 m eli korkeammalla 32,1 % 24,2 % 22,6 % 17,7 % Kuva 4. Ojan pohjan syvyys suhteessa tierakenteen alapintaan sekä sen vaikutus ura-arvoihin.
22 Yksityisliittymät Eri kuivatusanalyyseissä kuivatuksen kannalta ehkä kriittisimmäksi seikaksi on havaittu liittymärumpuihin liittyvät ongelmat; niiden huono toimivuus, tai se että niitä ei ole lainkaan. Esimerkiksi Suomessa Rovaniemen alueella maantiellä 934 tehty routanousumittaus laserskannertekniikalla antoi yllättäviä tuloksia yksityisliittymien osalta. Tulokset osoittivat selvästi, että puutteellisesti asennetut, jäätyneet tai muuten tukkiutuneet, tai täysin puuttuvat liittymien rummut aiheuttavat tiehen merkittävää routanousua ja edelleen tien vaurioitumista, joka voi näkyä pitkällä matkalla liittymän ylä- ja jopa alapuolella. Routaongelmia aiheuttavien liittymien määrä on hämmästyttävän suuri, niiden suhteellinen osuus oli 54 % tieosalla 3 ja 36 % tieosalla 4. Routaongelmien ja urautumisen välillä havaittiin myös selvä korrelaatio (Kuva 5). Kuva 5. Tien 934 tieosien 3 ja 4 routaongelmien ja urautumisen välinen korrelaatio. Tieosalla 4 pohjamaa on hiekkaisempaa ja siellä urautuminen johtui myös huonoista rakennekerroksista. Ongelmana asian parantamiseksi kuitenkin on, ettei yksityistieliittymien rumpujen kunnossapito Suomessa kuulu hoidonalueurakan normaaleihin hoitotoimenpiteisiin. Näihin vastuisiin kannattaisi tehdä muutos, koska on selkeästi osoitettu, että tukkeutuneet yksityistieliittymärummut aiheuttavat ongelmia tielle. Kuvassa 6 on esitetty esimerkki puutteellisen liittymärummun aiheuttamista ongelmista ja siitä miten vaurioita on yritetty korjata massanvaihdolla. Mutta koska vaurioiden aiheuttajaa ei ole korjattu, ongelma on heti uusiutunut. Kuva 6. Esimerkki tieltä 934, jossa tukkeutunut liittymärumpu aiheuttaa tiellä vaurioita. Korjaustoimenpiteenä on tehty massanvaihto, joka ei kuitenkaan ole auttanut, koska syynä tien vaurioitumiseen on tukkeutunut tai vallan puuttuva liittymärumpu.
23 Muut Edellä esitetyn lisäksi kuivatuksen toimivuuteen merkittävästi vaikuttavaa reunapalteet, jotka estävät veden virtaamisen pois tien pinnalta. Niiden poistamista suositellaan kaikissa tapauksissa. Muita ongelmallisia kohteita ovat kapeat ja jyrkkäluiskaiset ojat, paannejää sekä tukkeutuneet laskuojat. Hyvän kuivatuksen taloudellinen merkitys Päällysteen elinikää tarkastellaan yleensä sekä IRI- että ura-arvojen kasvunopeuden avulla. Mikäli kuivatus pidetään hyvässä kunnossa, ura-kasvu pienenee merkittävästi ja vuosittaisissa kustannuksissa voidaan saavuttaa 20-35% säästöt. Kuvassa 7 on esitetty esimerkki päällysteen käyttäytymisestä ja kuivatuksen vaikutuksesta siihen. Kun kuivatus on huonossa kunnossa, tie on sitä herkempi vaurioitumaan, mitä ohuempi päällyste on. Kuvan esimerkissä sidottujen kerrosten paksuuden ollessa 80mm ura-kasvu on noin 1,8 mm vuodessa mikäli kuivatus ei toimi. Tällöin päällysteen kestoikä on noin 10 vuotta ja aiheutuneet vuosittaiset kustannukset 5200 /km. Mikäli kuivatus pidetään hyvässä kunnossa, päällysteen ura-kasvu puolittuu ja kestoikä kaksinkertaistuu. Vuosittaisissa kustannuksissa saavutetaan noin 35 % säästöt. Kuva 7. Esimerkki kuivatuksen vaikutuksesta päällysteen kestoikään, urakasvuun ja vuosittaisiin kustannuksiin sidottujen kerrosten paksuuden vaihdellessa välillä 80-120mm. Yllä oleva päällysteen kestoiän tarkastelu on tehty urakasvun ja lineaarielastisen teorian perusteella. Todellisuudessa heikoimmassa kunnossa olevien tieosin ura-kasvunopeus voi olla jopa 3 mm tai enemmänkin ja tällöin tien urautumiseen vaikuttaa merkitsevästi tiessä tapahtuvat pysyvät muodonmuutokset. Eli todellisuudessa kuivatuksen merkitys on vieläkin suurempi kuin nämä laskelmat osoittavat. Yhteenveto ja johtopäätökset Kuivatusanalyysitutkimuksissa on todettu, että huono kuivatus aiheuttaa merkittäviä ongelmia, niin Suomessa kuin kaikissa muissakin ROADEX-projektiin osallistuneissa maissa. Kuivatuksen kunnon ylläpitäminen on osoittautunut jopa tärkeämmäksi kuin mitä aiemmin on arvioitu. Ongelmia aiheuttavat muun muassa kokonaan puuttuvat liittymärummut, tukkeutuneet, jäätyneet tai väärin asennetut puutteelliset (puuttuvat tai
24 tukkeutuneet) liittymärummut. Muita kuivatukseen vaikuttavia seikkoja ovat reunapalteet, paannejää, kapeat ja jyrkkäluiskaiset ojat sekä tukkeutuneet laskuojat. ROADEX-maissa tehtyjen kuivatusanalyysien tulosten vertailussa havaittiin, että vähiten kuivatukseen liittyviä puutteita havaittiin Islannissa. Irlannissa ja Skotlannissa suurin osa ongelmista liittyi reunapalteisiin. Ruotsin ja Norjan puutteet olivat hyvin samantyyppisiä kuin Suomessa. Norjassa tien profiili oli vuoristoista johtuen suurimmaksi osaksi sivukaltevaa, jolloin sivukaltevan maaston leikkauksen puoleinen oja on kuivatuksen kannalta usein haasteellinen. Pelkkä kuivatuksen silmämääräinen tarkastelu on osoittautunut riittämättömäksi ja siksi suositellaan, että kuivatuksen kunnon arvioinnissa käytettäisiin lisänä uusia tekniikoita kuten laserskanner-tekniikkaa, jota voi hyödyntää muun muassa ojan pohjan syvyyden poimimisessa ja reunapalteiden havaitsemisessa. Tähän tietoon on mahdollista yhdistää myös maatutkalla mitattu tierakenteen alapinnan sijainti, jolloin saadaan selville onko oja riittävän syvällä. Kuivatuksen kannalta ongelmalliset kohteet tulisi kunnostaa ja myös pitää hyvällä tasolla. Kuivatuksen kunnostamisen kustannukset ovat pienet verrattuna esimerkiksi uudelleen päällystämiskustannuksiin. Onkin suositeltavaa, että kuivatuksen pitäminen kunnossa liitettäisiin osaksi hoitourakoita. Parhain vaihtoehto olisi yhdistää hoito- ja päällystysurakat. Näin kumpikaan urakoitsija ei pääsisi pilaamaan toisen hyvää työtä eikä toisaalta viemään pisteitä kotiin toisen hyvin tehdystä työstä. Vastuuta liittymärumpujen kunnossapidosta tulisi myös laajentaa tienomistajille ja edelleen hoitourakoitsijoille. Näin varmistettaisiin niiden toimivuus ja niiden aiheuttamien vaurioiden, muun muassa routanousujen, vaikutus päätiehen minimoitaisiin. Kuivatuksen vaikutus kustannuksiin korostuu erityisesti teillä, joilla on ohut päällyste. Tällöin tie on erittäin altis vaurioitumiselle. Kuivatuksen parantamiselle pystyttäisiin pidentämään päällysteen keskimääräistä kestoikää nykyisestä 10-20 vuodesta jopa 20-40 vuoteen. Tämä olisi mahdollista, mikäli urautumisnopeus saataisiin hidastettua tasolle 0,5-1mm / vuosi. Saavutettavat säästöt olisivat Suomessa jopa 1000-1500 /km. Potentiaalisia kohteita karkeasti arvioituna voisi olla 40 000 km, jolloin saavutettavat vuosisäästöt olisivat jopa 40-60 m. Lähdeaineistoja ROADEX projektin kuivatusraportit: http://www.roadex.org/index.php/services/knowledge/publications/drainage ROADEX projektin yhteydessä tehty Drainage elearning verkko-opetusmateriaali: http://www.roadex.org/index.php/e-learning/drainage1
25 Tuhkasta tuohta Hanna Vanhanen, Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu Samuli Joensuu, Metsätalouden kehittämiskeskus Tapio Johdanto Tuhkaa voidaan käyttää korvaamaan tienrakentamisessa tarvittavia sora-, hiekka- ja kalliokivivaroja, jotka ovat Suomen eniten hyödynnettyjä uusiutumattomia luonnonvaroja. Suomessa käytetään luonnon kiviaineksia noin 90 milj. tonnia vuosittain (Sokka ym. 2006, Rintala 2002), ja tästä suurin osa infrarakentamisessa (Isomäki & Dahlbo 2007). Luonnon materiaalien saatavuuden heikentyminen ja entistä pidemmät kuljetusmatkat ovat entisestään lisänneet kiinnostusta maa-aineksia korvaavia materiaaleja, kuten teollisuuden sivuainevirtoja kohtaan. Suomessa syntyy vuosittain noin 60-70 milj. tonnia maanrakentamiseen kelpaavia jätemateriaaleja, mistä kuitenkin vain alle kolmasosa hyödynnetään (Sokka ym. 2006). Rakentamisessa suurin materiaalien käyttökohde ovat tierakenteet. Vaikka metsäteiden perusparannusten osuus vuosittain tehtävien alempiasteisten teiden rakentamisesta on vähäinen, alueellisesti metsäteiden perusparannukset voivat olla merkittäviä hankkeita sekä itse metsänhoidon ja puuhuollon että elinkeinotoiminnan näkökulmasta tarkasteltuna. Metsäteiden peruskorjaukset työllistävät yleensä paikallisia yrityksiä, joille pienetkin hankkeet ovat elintärkeitä. Voitaisiinko tuhkan maanrakennuskäyttöä lisätä? Tämä haaste on huomioitu Metsätalouden kehittämiskeskus Tapion vetämässä Tuhkatie hankkeessa, joka toteutetaan yhteistyössä Aalto-yliopiston, Tapion Tiet ja Ojat Oy:n sekä Suomen metsäkeskuksen kanssa. Hankkeessa testataan metsäteollisuuden lentotuhkan soveltuvuutta metsäautoteiden rakennusmateriaalina. Hanke on kolmivuotinen ja rahoitetaan Manner-Suomen maaseudun kehittämisohjelmasta. Hankkeen koealue sijatsee Karstulassa Keski-Suomessa. Hankkeessa on perustettu testitiepätkiä jo olemassa oleville metsäautoteille. Teiden perusparannuksen yhteydessä päällysrakenteeksi on levitetty tuhkan ja kalliomurskeen seosta erilaisia seossuhteita käyttäen. Kaikkiaan eri käsittelyitä on kuusi ja niiden toistoja kolme kappaletta. Testitiepätkien yhteenlaskettu pituus on 4,4 km. Rakenteissa tuhkaa käytetään korvaamaan murskeen sekaan laitettavaa sideainetta, ns. filleriä. Kenttäkokeiden pääpaino on tuhkamurskerakennevaihtoehtojen ympäristövaikutusten selvittämisessä sekä niiden teknisen soveltuvuuden arvioinnissa. Rakenteiden ympäristövaikutuksia seurataan testiteiden reunaan asennetuista pohjavesikaivoista otetuin pohjavesinäyttein sekä raviojista otetuin pintavesinäyttein. Tuloksia verrataan sekä valtioneuvoston asetuksessa eräiden jätteiden hyödyntämisestä maarakentamisessa (VNa 591/2006) asetettuhin raja-arvoihin että talousvedelle asetettuhin laatuvaatimuksiin (461/2000). Rakenteiden teknistä soveltuvuutta testataan eri käsittelyillä toistetuin kantavuusmittauksin sekä mahdollisia urapainumia ja kelirikkovaurioita seuraamalla sekä inventoimalla metsäteiden kunto Metsätehon laatimaa kuntoinventointia hyödyntämällä. Puu- ja turvetuhkien hyötykäytön nykytila esteitä ja ajureita Prosessiteollisuudessa, erityisesti metsä- ja energiateollisuudessa, syntyy vuosittain huomattava määrä lähtökohtaisesti jätteiksi luokiteltavia sivuainevirtoja, kuten turpeen ja puun poltossa syntyvää tuhkaa, jota voitaisiin hyötykäyttää nykyistä käytäntöä enemmän joko suoraan jätteenä tai tuhkan laadun parantamisen ja tuotteistamisen kautta tuotteina. Vuonna 2006 Suomessa syntyi noin 500 000 tonnia turpeen ja puun polton tuhkia ja