ROUDAN SYVYYDEN MÄÄRITYS

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 5 Espoo, 3.12.2001 ROUDAN SYVYYDEN MÄÄRITYS - Metyleenimittari - Lämpötilamittaukset - Laskenta pakkasmäärän perusteella Heikki Onninen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

1 Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPT-ohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen 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. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tämän Roudan syvyyden määritys menetelmäkuvauksen on laatinut Heikki Onninen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä tielaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 3 1.1 Määritelmiä... 3 1.2 Roudansyvyysmittausten tarkoitus... 3 1.3 Roudansyvyysmittausten ajoitus... 4 2 ROUDAN SYVYYDEN MITTAUS METYLEENISINIMITTARILLA... 4 2.1 Mittausten periaate... 4 2.2 Laitteet ja tarvikkeet... 6 2.3 Kalibrointi ja tarkistus... 6 2.4 Routamittarin asennus... 6 2.5 Roudan syvyyden ja sulamissyvyyden mittaus... 7 2.6 Routanousuvaaitukset... 8 2.7 Tulokset... 9 3 ROUDAN SYVYYDEN MÄÄRITYS LÄMPÖTILAMITTAUKSIN... 9 3.1 Mittausten periaate... 9 3.2 Laitteet ja tarvikkeet... 10 3.3 Kalibrointi... 10 3.4 Termoparikimpun valmistus... 10 3.5 Termoparikimpun asennus tierakenteeseen... 11 3.6 Mittauksen suoritus... 11 3.7 Roudan syvyyden määritys... 12 3.8 Tulokset... 13 4 ROUDAN SYVYYDEN ARVIOINTI LASKENNALLISESTI... 13 5 KIRJALLISUUS... 13 6 LIITTEET... 14

3 1 JOHDANTO Tierakenteen routamitoituksessa tarvitaan tieto mm. maan routimisominaisuuksista. Routimisominaisuuksia voidaan arvioida mm. roudan tunkeutumisyvyyden perusteella. Tässä menetelmäkuvauksessa selostetaan roudan syvyyden ja sulamissyvyyden mittaaminen routamittarilla (Gandahlin metyleenisiniputki) ja maan lämpötilamittausten avulla. Laskennallisesti yksittäinen mittaustulos voidaan laajentaa koskemaan mittauskohdan ympäristöä, jos tunnetaan havaintoajankohdan pakkasmäärä ja tien rakenne tarkasteltavalla tieosuudella. 1.1 Määritelmiä Roudalla tarkoitetaan maassa (maan huokosissa) olevan huokosveden jäätymisen johdosta kovettunutta (jäätynyttä) maakerrosta. Roudan syvyyttä mitattaessa maan huokosveden otaksutaan jäätyvän noin 0 C:n lämpötilassa, vaikka hienorakeisten maalajien jäätymislämpötila voi olla merkittävästi tätä alhaisempikin. Roudan syvyydellä tai routasyvyydellä tarkoitetaan roudan alapinnan etäisyyttä tien, kadun tai yleensä maan pinnasta eli routaantuneen kerroksen paksuutta. Mahdollinen maanpinnan tai tien pinnan routanousu sisältyy roudansyvyysarvoon, koska routamittari ja lämpötilanmittausjohtimet nousevat yleensä jäätyneen pintamaan mukana. Sulamissyvyydellä tarkoitetaan vastaavasti routakerroksen yläpinnan etäisyyttä maanpinnasta eli sulan kerroksen paksuutta. Mahdollinen sulamispainuma (sulamiskonsolidaatio) pienentää sulaneen kerroksen paksuutta verrattuna sen paksuuteen jäätyneessä tilassa. Routanousulla ja sulamispainumalla tarkoitetaan tienpinnan tai yleensä maanpinnan pystyliikettä routaantumisvaiheessa ja sulamisvaiheessa. Tien kohdalla routanousu aiheutuu pohjamaan routimisesta, koska rakennekerrokset ovat yleensä routimattomia. 1.2 Roudansyvyysmittausten tarkoitus Tietoa roudan syvyydestä tarvitaan mm. vanhan tierakenteen routamitoitusta tarkistettaessa. Routamitoitusmenettelyä kuvataan TPPT-raportissa "Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus, TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus" ja yksityiskohtaisemmin menetelmäkuvauksessa "Tierakenteen routamitoitus". Roudansyvyysmittauksilla seurataan roudan tunkeutumista (routarajan etenemistä) tierakenteessa ja pohjamaassa. Samalla mitataan yleensä myös tienpinnan routanousua. Routahavaintojen perusteella määritetään routimattoman tierakenteen paksuus sekä routivien maakerrosten syvyysasema ja routimiskertoimet. Routimattoman tierakenteen paksuus on periaatteessa sama kuin roudansyvyys silloin, kun tienpinnan routanousu alkaa (kts. kuva 3 jäljempänä), edellyttäen ettei tierakenteen huokosveden jäätymispaisuminen aiheuttaa tienpinnan nousua (näin tapahtuu hyvin märässä rakenteessa). Usein on tarpeen seurata myös roudan sulamista ja sulamispainumaa. Esimerkiksi kantavuusmittausten (ns. kesäkantavuus) ajoittamista varten on tarpeen tuntea sulamisen päättymisajankohta ja sen jälkeisen kuivumisjakson pituus eli sulamispehmenemisen kestoaika. Sulamiskauden pituutta voidaan arvioida myös laskennallisesti lämpöastesumman avulla (kts. menetelmäkuvaus TPPT 4 "Ilmastorasitus" ja TPPT-raportti " Tien pohja- ja päällysrakenteet -tutkimusohjelma. TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus").

4 1.3 Roudansyvyysmittausten ajoitus Mittausten ajoitus ja määrä riippuvat mittausten tarkoituksesta ja halutusta luotettavuustasosta. Havaintotalven suurinta roudan syvyyttä ja routanousua määritettäessä mittaukset ajoitetaan heti roudan sulamiskauden alkuun niin, että mittauksia haittaava lumi/jää on jo sulanut tienpinnasta. Maksimiroudan havaintojakson voidaan katsoa alkavan, kun lumi on kokonaan sulanut tien pinnalta ja kun aurausvallitkin ovat jo sulamassa. Tämän jälkeen ei roudan syvyys eikä routanousukaan yleensä enää kasva merkittävästi. Routaraja pysyy muutaman viikon ajan lähes paikallaan, kun sulaminen tapahtuu aluksi vain ylhäältä päin (kuva 3). Pienilmaston vaihtelusta johtuen routaantumisen ja sulamisen eteneminen vaihtelee samallakin tiellä. Mäenharjat ja alavat paikat tai aurinkoiset ja varjoisat paikat käyttäytyvät erilailla. Sulamisen alkamisen vaihe-ero voi olla 1-2 viikkoa mittauskohteen maantieteellisestä sijainnista riippuen. Tämä tulee ottaa huomioon mittauksia ajoitettaessa ja myös mittareiden määriä ja sijoituspaikkoja suunniteltaessa. Jos halutaan selvittää tierakenteen tai sen pohjamaan routivuuden syvyyssuuntaista vaihtelua, on roudansyvyys- ja routanousuhavaintoja tehtävä läpi talven. Riittävän usein tehtävien havaintojen avulla voidaan tarvittaessa laskea routimiskertoimet (SP) kerroksittain jokaiselle roudansyvyyden mittauksen havaintovälille. Sopiva havaintoväli on noin 1-2 viikkoa. 2 ROUDAN SYVYYDEN MITTAUS METYLEENISINIMITTARILLA 2.1 Mittausten periaate Routamittarissa (ns. Gandahlin metyleenisinimittari, kuva 1) on kaksi sisäkkäistä, läpinäkyvää, päistään suljettua akryylimuoviputkea, joista sisempi on täytetty metyleenisiniliuoksella. Liuokselle on ominaista, että se on sulana sinistä ja jäätyneenä läpinäkyvää (kuva 2). Liuos on pääosin vettä ja se jäätyy 0 C:n lämpötilassa. Jotta liuos pääsisi jäätyessään paisumaan vapaasti, on sisemmän muoviputken sisällä vielä ilmatäytteinen kumiletku. Kumiletkun päissä on muoviset kartiotulpat, jotka toimivat myös sisemmän akryylimuoviputken tulppina (venytetty ja tupattu kumiletku tiivistyy myös akryylimuoviputken tulpiksi). Mittari asennetaan maahan tehtävään esireikään. Routamittarin lämmönjohtavuuden tulee olla mahdollisimman sama kuin tutkittavan maan lämmönjohtavuus, jotta mittaria pitkin siirtyvä lämpövirta ei vaikuttaisi maan lämpötilakenttään. Tästä syystä on päädytty muovisten putkimateriaalien käyttöön. Routamittarin muoviputkien sekä niiden vesi- ja ilmatäytteen kokonaislämmönjohtavuuden otaksutaan vastaavan riittävän tarkasti maan lämmönjohtavuutta. Mittarin kannatuslevyn (U-muotoinen tai reijällinen metallilevy) tarkoituksena on pitää mittari halutussa korkeustasossa tien pintaan nähden. Se nostaa ja laskee mittarin yläosaa routanousun ja sulamispainuman mukaan. Roudan syvyys eli jäässä olevan maakerroksen paksuus havaitaan nostamalla sisempi muoviputki maasta ja lukemalla mitta-asteikolta läpinäkyvän (jäätyneen) putkenosan pituus. Sulaneen pintakerroksen paksuus saadaan vastaavasti. Silloin luetaan siniseksi muuttuneen putkenosan pituus. Maan lämpötilaa ei routamittarilla saada selville.

5 Mittarin kannatuslevy Kiinnityskierteet Routamittarin yläpää (messinkiä) Kuminen liitoskappale d = 40 mm d = 35 mm 75 mm Suljettu kumiletku Muovinen suojaputki Syvyysasteikko Muovinen mittausputki (sisällä metyleenisini-liuosta) PVC -tulppa kumiletkussa ja mittausputkessa d = 20 mm d = 30 mm d = 25 mm 500 mm Vaihtelee mittaussyv. mukaan Routamittarin PVC -kärki Kuva 1. Routamittarin periaate (ns. Gandahlin metyleenisinimittari, malli VTT). Roudan tai sulamisen syvyys tienpinnasta saadaan, kun mittarin lukemaan lisätään mittarin yläpään syvyys tienpinnasta. Yleensä seurataan myös routamittarin ja tienpinnan routanousua esimerkiksi vaaituksin. Sulamisrajan yläpuolella routamittarin neste on sulaa ja väriltään sinistä. Roudan sulaminen tapahtuu pääasiassa ylhäältäpäin. Alhaaltapäin routa sulaa merkittävästi vasta sulamisen loppuvaiheessa. Lunta Sulamisraja Routaraja Sulamisrajan ja routarajan välillä routamittarin neste on jäässä ja läpinäkyvää. Routarajan alapuolella routamittarin neste on sulaa ja väriltään sinistä. Routaraja on yleensä syvimmillään kevättalvella, kun tie on jo lumeton. Kuva 2. Roudan syvyyden ja sulamissyvyyden määrittäminen katu- tai tierakenteessa metyleenisinimittarilla.

6 2.2 Laitteet ja tarvikkeet Metyleenisinimittari koostuu kahdesta sisäkkäisestä suljetusta muoviputkesta kuvan 1 mukaisesti. Sisempi muoviputki on täytetty metyleenisiniliuoksella, jossa on 1 paino-osa metyleenisinijauhetta ja 2000 paino-osaa tislattua vettä (sekoitussuhde 1 g metyleenisinijauhetta 2 litraan tislattua vettä). Routamittarin ja sen kannatuslevyn lisäksi asennuksessa tarvitaan seuraavat tarvikkeet ja työkalut: - välineet pienen reijän tai kuopan tekemiseksi päällysteeseen - kairauskalusto reijäntekoa varten (esim. täry- tai painokairauskalusto) - vaaituskone (koska yleensä aina mitataan myös tienpinnan routanousu) - mittanauha - merkintätarvikkeet routaputken paikan sidontapisteitä varten - vaaitusnaula tai maalia routavaaitusten mittauspisteeksi mittarin viereen - kuivaa hiekkaa (# 0,5-1,2 mm) - putken yläpään suojaustarvikkeet (esim. joustavaa ja tarttuvaa päällystemassaa). 2.3 Kalibrointi ja tarkistus Routamittaria ei voi varsinaisesti kalibroida. Mittarin toiminta on kuitenkin varmistettava seuraavasti. Routamittarin sisäputki täytetään metyleenisiniliuoksella vasta muutamaa päivää ennen maahan asennusta. Liuospulloa ravistetaan huolellisesti ennen routamittarin täyttämistä. Liuoksen käyttökelpoisuus tarkistetaan jäähdyttämällä sitä pieni määrä, jolloin liuoksen pitää muuttua läpinäkyväksi. Testauksessa jäätymisen pitää tapahtua ylhäältä alaspäin. Täytetyssä mittarissa liuos haalistuu ajan myötä, kun väriaine sakkautuu putken alaosaan ja tarttuu kumiletkuun. Kauan varastoidun tai maassa olleen putken haalistunut liuos sekoitetaan uudelleen (homogenisoidaan) ravistelemalla putkea. Liuos on syytä vaihtaa ainakin osittain parin vuoden välein. Joskus pitää vaihtaa myös siniseksi värjääntynyt kumiletku, jotta lukeminen helpottuu. 2.4 Routamittarin asennus Asennusajankohta Routamittari asennetaan yleensä sulaan maahan, koska reiän teko jäätyneeseen maahan on hankalaa. Talviasennuskin on mahdollista. Asennus tehdään kuitenkin niin ajoissa, että mittari ehtii kunnolla jäätyä ennen roudan sulamisen alkua. Pakottavissa tapauksissa asennus voidaan tehdä vielä sulamiskauden alussakin, sillä routaraja ei ala heti nousta. Routa sulaa aluksi vain maanpinnasta alkaen. Tällöin routamittari on jäädytettävä ennen asennusta yöpakkasia, pakastinta tai kylmähuonetta hyväksi käyttäen. Roudansyvyys voidaan mitata sitten, kun mittarin alaosa on sulanut routarajaan asti. Mittaria luetaan useita kertoja muutaman päivän välein, jolloin nähdään missä tasossa mittarin sulaminen pysähtyy/hidastuu. Asennuspaikka Routamittari asennetaan tierakenteeseen ja pohjamaahan kairattavaan reikään, yleensä keskelle tietä tai varmuudella lumettomana pidettävälle tieosalle vähintään noin 2 m päähän lähimmästä lumivallista (ellei haluta lumen vaikuttavan mittaustuloksiin). Mittareita ei suositella asennettavaksi kaivorakenteiden tms. suojaan, sillä ne saattavat vaikuttaa roudan tunkeutumiseen ja sulamiseen. Lisäksi sulamisvesien jäätyminen kaivoihin saattaa hankaloittaa mittareiden lukemista.

7 Asennusreijän kairaus Asennusreikä ei saa olla tarpeettoman iso. Esimerkiksi normaalikärjellä varustetulla painokairalla saadaan sopivan kokoinen reikä. Reijän pitää olla vähintään noin 0,3 m mittarin pituutta syvempi. Häiriintymisherkässä maassa kaira nostetaan ylös varovasti ja turhaa pyöritystä ja nykimistä välttäen, jotta reikä pysyisi auki. Mittari asennetaan heti, kun reikä on saatu tehtyä, jotta reikään ei ehtisi valumaan maata. Routamittari asennetaan yleensä siten, että sen yläpää jää noin 2-5 cm päällysteen yläpinnan alapuolelle. Routamittari ei kestä kovaa käsittelyä. Routamittaria ei saa painaa voimakkaasti reikään, sillä routaliikkeen salliva liikuntarakenne mittarin yläpäässä voi mennä pois kohdaltaan ja sisäputkikin saattaa rikkoontua. Jos reikä ei pysy auki riittävän pitkään, on usein järkevintä kairata kokonaan uusi reikä entisen viereen. Esim. reikään valuva vesi voi sortaa etenkin hiekkaista maata reikään niin, ettei reikää enää saada pysymään auki uudelleen kairaamalla. Ympärystäyttö ja kannatinlevyn asennus Tyhjätila reijän ja mittarin välissä täytetään huolellisesti tasarakeisella kuivalla hiekalla (esimerkiksi hiekalla, jonka raekoko on # 0,5-1,2 mm). Hiekan valuttamisen aikana tai sen jälkeen mittaria ei saa nostaa yhtään, sillä se ei painu enää takaisin, kun reijän pohjalla on hiekkaa. Kun reikä on täytetty hiekalla, asennetaan U-muotoinen kannatinlevy routamittarin yläpäässä olevaan uraan sivultapäin työntäen. Mittarin kannatinlevyä varten on tehtävä kuoppa tien päällysteeseen jo ennen reijän kairausta. Sopiva kuopan syvyys on noin 5-8 cm ja kuopan koko on noin 10 cm x 20 cm. Suorakaiteen muotoinen kuoppa, jonka toiseen päähän asennusreikä on kairattu, mahdollistaa U-muotoisen kannatinlevyn asennuksen sivultapäin työntäen nostamatta mittaria. Jos kannatinlevy on reijällistä mallia, se on asennettava yhtä aikaa routamittarin kanssa, jolloin mittarin ympärystäyttö tapahtuu valuttamalla hiekkaa kannatinlevyn alitse edellä mainitun kuopan laajennuksen kautta ja on melko hankalaa saada reikä täyteen. Mittarin pään suojaus Mittarin yläpää suojataan huolellisesti pintavesien reikään valumista ja ilkivaltaa vastaan. Suojaukseen voidaan käyttää joustavaa ja tarttuvaa päällystemassaa, jolla routamittarin yläpää peitetään. Massa painellaan ja hakataan vesitiiviiksi rikkomatta kuitenkaan mittarin yläpäätä. Näin sulamisvedet eivät pääse valumaan putken viertä alas ja aiheuttamaan virhettä mittaustuloksiin. Massaa laitetaan kuitenkin vain sen verran, että mittarin kohtaan ei synny kohoumaa, johon lumiaura voisi tarttua. Korkeusaseman ja paikan mittaukset Routamittarin yläpään korkeus ennen sen peittämistä päällystemassalla ja päällysteen pinnan korkeus vaaitaan (ns. nollavaaitus), koska myös routanousua seurataan yleensä saman aikaisesti routaantumisen kanssa. Päällysteeseen vaaituskohta merkitään pysyvästi vaaitusnastalla ja/ tai maalilla, jotta routanousumittaukset tulee tehtyä aina samasta kohdasta. Asennuksen lopuksi merkitään mittarin paikka ja tehdään tarvittavat sidontamittaukset. Sidontamitoista ja -pisteistä tehdään tarkepiirustus, jotta mittari voidaan luotettavasti paikantaa myös talviolosuhteissa. 2.5 Roudan syvyyden ja sulamissyvyyden mittaus Mittausajankohtien valinta Ensimmäinen roudan syvyyden lukeminen voidaan tehdä voin viikon kuluttua asennuksesta. Lukemiskertojen määrä riippuu mittausten tarkoituksesta. Jos halutaan tietää vain talven suurin roudansyvyys, riittää kun mittari luetaan 1-3 kertaa heti sulamiskauden alussa. Suu-

8 rimman roudansyvyyden sopiva mittausajankohta on Etelä-Suomessa maalis-huhtikuussa ja Pohjois-Suomessa huhti-toukokuussa. Joskus tarvitaan tietoa roudan syvyyden ja routanousun välisestä yhteydestä koko talven ajalta (routivien kerrosten syvyysaseman määritys). Tällöin roudansyvyysmittauksia ja routanousuvaaituksia tulee tehdä vähintään kerran kuukaudessa koko talven ajan. Roudan sulamisen ja tien sulamispainuman välisen yhteyden selvittämistä varten tarvitaan tietoa sulamisen etenemisestä. Tällöin sulamissyvyyttä on yleensä seurattava vähintään kerran viikossa. Mittauksia jatketaan, kunnes routa on kokonaan sulanut. Sulamispainumaa seurataan vielä noin kuukauden ajan roudan sulamisen jälkeenkin. Mittarin lukeminen ja tulosten kirjaus Routamittaria luettaessa sen suojana ollut tiivistysmassa poistetaan väliaikaisesti. Lukemista varten sisäputki nostetaan ylös suojaputkesta ja viedään tien sivuun luettavaksi. Sisäputkessa on asteikko, josta roudan syvyys voidaan lukea. Routaraja on sinisen (sulan) ja läpinäkyvän (jäätyneen) kohdan rajakohta (kts. kuva 2). Aina rajakohta ei näy kovin selkeästi, mutta valoon nähden sopivasta suunnasta katsomalla raja yleensä löytyy. Maastossa mittarista luetut roudansyvyys- ja sulamissyvyyslukemat kirjataan sellaisenaan. Myös mahdollinen sulamissyvyys kirjataan aina muistiin. Routa sulaa yleensä tien pinnasta alkaen. Alhaaltapäin tapahtuva sulaminen on hyvin hidasta. Pinnasta tapahtuneen sulamisen syvyys voidaan lukea helpoimmin kääntämällä routamittarin sisäputki ylösalaisin (korkki alaspäin), jolloin putkessa yleensä aina oleva pieni ilmakupla nousee jäähän kiinni ja rajakohta näkyy hyvin selvästi. Routamittarista luettuun syvyyslukemaan on lisättävä päällysteen pinnan ja routamittarin yläpään välinen korkeusero (yleensä noin 2-5 cm asennussyvyydestä riippuen). Tämä korkeusero saadaan yleensä routanousuvaaituksista. Selkeyden vuoksi routasyvyyden lisäys tehdään aina vasta toimistolla. Mittarin poistaminen Roudan sulamisen jälkeen routamittari suojaputkineen otetaan ylös maasta, mikäli seurantaa ei ole tarkoitus jatkaa enää seuraavana talvena. Kahden - kolmen vuoden mittausvalmiuden ylläpitäminen on kuitenkin suositeltavaa varsinkin, jos halutaan saada mukaan erilaisten talvien routahavaintoja. Esimerkiksi leudon talven jälkeen kannattaa odottaa, olisiko seuraava talvi ankarampi. Toisaalta tarpeettoman mittarin poistaminen on suositeltavaa, sillä mittari pyrkii nousemaan routivassa maassa ja ylös noussut mittari voi vaarantaa liikennettä tai ainakin haitata tien kunnossapitoa. Mittari ei kestä voimakasta vetämistä, ellei sen yläosaa ensin paljasteta niin paljoa, että vetäminen voi tapahtua suojaputkesta eikä mittarin messinkisestä yläpäästä tai yläpään liikuntarakenteesta (paksummasta akryylimuoviputkesta). 2.6 Routanousuvaaitukset Roudan syvyyden lisäksi tarvitaan yleensä aina tieto tienpinnan routanoususta sekä routamittarin pään ja tienpinnan välisestä korkeuserosta. Routamittari saattaa joskus nousta tai laskea siten, että mittarin yläpään syvyys tienpinnasta muuttuu. Routamittarin yläpään ja päällysteeseen mittarin viereen merkityn pisteen korkeusasemaa seurataan tarkkavaaituksin (vähintään ± 5 mm tarkkuudella). Vaaitusten kiintopisteen tulee olla täysin liikkumaton (esim. kallio, painumattoman lämmitettävän rakennuksen tai sillan perusmuuri). Maakivi ei yleensä kelpaa kiintopisteeksi, sillä ko-

9 kemuksen mukaan routa voi nostaa isoakin kiveä. Routimattomalla pohjalla (esim.soraharjulla) olevaa isoa kiveä voidaan kuitenkin yleensä käyttää kiintopisteenä. 2.7 Tulokset Metyleenisinimittari hyvä ja suhteellisen luotettava tapa selvittää, onko maapohja jäässä ja kuinka syvälle se on maanpinnasta lukien jäätynyt tai sulanut. Roudan syvyyden määrittämisessä metyleenisinimittarin tarkkuus on noin ± 0.1 m. Mittaustulokset kirjataan esimerkiksi liitteen 1 mukaiselle lomakkeelle. Routamittauksista piirretään kuvan 3 mukaiset kuvaajat, joista voidaan määrittää mm. routimattoman rakenteen paksuus (= roudan syvyys routanousun alkaessa), maksimi routanousu ja roudan syvyys sekä sulamispainuman päättymisajankohta. Roudansyvyys, m Rakenteen paksuus, m Routaantumisen ja sulamisen sekä routanousun ja sulamispainuman seuranta -0.6-0.4-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Pääll. rak. alapinta Roudan syvyys 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25-0.30-0.35 Roudan syvyys 1.6-0.40 Routanousu 1.8-0.45 21.12. 4.1. 18.1. 1.2. 15.2. 1.3. 15.3. 29.3. 12.4. 26.4. 10.5. 24.5. 7.6. Päivämäärä Routanousu, m Sulamispainuma, m Kuva 3. Esimerkki routamittausten tulostuksesta. 3 ROUDAN SYVYYDEN MÄÄRITYS LÄMPÖTILAMITTAUKSIN 3.1 Mittausten periaate Roudan syvyys voidaan määrittään myös maan lämpötilamittausten avulla. Tällöin maahan tehtyyn reikään asennetaan määräsyvyyksin lämpötila-antureita. Maan lämpötilamittaukseen sopivia antureita ovat mm. termistorit, platinavastusanturit ja termoparianturit (Onninen 1990 ja esim. internet: www.omega.com). Huolellisilla mittausjärjestelyillä päästään noin 0,05...0,1 C:n kokonaistarkkuuteen. Tätä parempi tarkkuusvaatimus edellyttää koko mittausjärjestelmän (anturit, johtimet ja mittalaite) kalibrointia anturikohtaisesti eli jokaisen asennettavan anturin kalibrointia. Tässä menetelmäkuvauksessa käsitellään vain yleisesti käytössä olevia kupari-konstantaani-termopareja (T-tyyppi), joilla tehtävä lämpötilanmittaus perustuu kahta erilaista metallia olevien lankojen liitosten välille muodostuvaan sähkömotoriseen voimaan (jännitteeseen).

10 Kun vertailuliitoksen lämpötila tunnetaan, voidaan toisen liitoksen (maassa olevan pään) lämpötila määrittää sähkömotoorisen voiman avulla. Käytännössä vertailuliitos on termoparilämpömittarin sisään rakennettu piiri, jolla otetaan automaattisesti huomioon mittarin lämpötila. Mittari näyttää suoraan mittaavan liitoksen lämpötilan. Termoparilämpömittareiden antaman tuloksen tarkkuus riippuu aina jonkin verran mittarin omasta lämpötilasta. 3.2 Laitteet ja tarvikkeet Lämpötilamittauksessa tarvitaan seuraavat laitteet ja tarvikkeet: - termoparikimppu, jotka on rakennettu yksittäisistä termopareista (mittauspäät 0,1...0,5 m välein), - lämpötilan lukemalaite eli lämpömittari kyseiselle termoparityypille - reijäntekokalusto (esim. paino- tai tärykairauskalusto), - asennustanko termoparikimpun reikään painamista varten, - timanttisaha tai muu kalusto johdinuran tekemiseksi päällysteeseen, - päällystemassaa johdinuran täytteeksi, - päällystemassan tiivistyskalusto (nuija, leka tms.) ja - kuiva hiekkaa reijän täytteeksi (rakeisuus # 0,5...1,2 mm). 3.3 Kalibrointi Termoparilämpömittari kalibroidaan vähintään kerran kahdessa vuodessa mittaamalla esimerkiksi huolellisesti valmistetun jääveden lämpötilaa kalibroitavaa mittaria ja mittaustapaa käyttäen. Parhaaseen tulokseen päästään, jos tarkistusmittaus tehdään kaikilla asennettavaksi tarkoitetuilla termopareilla (koko termoparikimpulle lopullisilla johdinpituuksilla), jolloin termoparien valmistustoleranssista johtuvat virheetkin voidaan minimnoida. Anturikohtaiset poikkeamat kirjataan maastomittaustulosten nollapistekorjausta varten. Kalibroinnin yhteydessä tarkistetaan myös, onko valmistajan ilmoittama mittarin lämpötilariippuvuus edelleen oikea (reference junction compensation). Tarkistus tehdään mittaamalla jääveden lämpötilaa pitämällä mittaria eri lämpötiloissa (esim. + 5, +15 ja +25 C:ssa). Mittarin annetaan tasaantua kuhunkin lämpötilaan vähintään noin 2 tuntia. Tämän jälkeen kytketään virta päälle mittariin, odotetaan mittarin lämpenemistä valmistajan ilmoittaman ajan ja tehdään jääveden lämpötilan mittaus (5 lukemaa, joista lasketaan keskiarvo). Laitteiston mittaustarkkuuden tulee olla 0 C:ssa vähintään ± 0,1 C, jolloin roudan syvyyden määritystarkkuudeksi tulee noin ± 0,1 m, jos lämpötilagradientti maassa on 1 C/m. 3.4 Termoparikimpun valmistus Routamittauksissa käytetään yleensä T-tyypin termopareja, koska niiden - molemmat johtimet ovat ruostumattomia ja kosteutta kestäviä, - lämpötilan mittausalue ulottuu negatiiviselle puolellekin ja - ulostulojännite on suhteellisen suuri (noin -1,5...2 mv lämpötila-alueella - 40...+40 C). Aluksi varmistetaan, että kaikki käytettävät johtimet ja liittimet ovat samaa tyyppiä ja saman standardin mukaan valmistettuja. Termopareja valmistettaessa ei saa sekoittaa eri termoparityyppien materiaaleja tai osia keskenään eikä edes saman tyypin materiaaleja, jos niillä on eri valmistaja. Eri standardien mukaisista termoparien värikoodeista löytyy tietoa mm. internet sivuilla www.omega.com, joissa on paljon muutakin hyödyllistä tietoa lämpötilamittauksiin liittyen.

11 Yksittäiset termoparit valmistetaan liittämällä termoparin kupari- ja konstantaanijohtimien päät yhteen. Johtimista poistetaan ensin eristettä noin 10 mm matkalta. Sitten johtimet kierretään kevyesti toistensa ympärille ja juotetaan tinalla yhteen. Tinattu liitoskohta katkaistaan noin 5 mm pitkäksi (= anturin mittauskohta) ja eristetään teipillä, jolla estetään johtimien suora maakosketus. Yksittäisistä termopareista kootaan johdinkimppu, jossa mittauspäät (tinatut liitokset) tulevat 0,1...0,5 m välein. Lyhyen anturivälin käyttö on suositeltavaa, koska tällöin yksittäisen anturin mahdollisesti antama virheellinen tulos huomataan lämpötilakäyrän muodon perusteella. Johtimet sidotaan kimpuksi sähköteipillä tms. Tierakenteessa ylimmäksi sijoittuvan termoparin mittauspää jätetään kuitenkin vapaaksi, jotta se voidaan asentaa aivan tien pintaan erilleen johdinkimpusta. Termoparikimpun pituus ja alimpien antureiden sijainti valitaan siten, että vähintään 2-3 anturia sijoittuu tulevan/otaksutun routarajan alapuolelle. Routarajan syvyys arvioidaan ennakkoon luvun 4 mukaisesti esimerkiksi pakkasmäärällä F 5 (kerran 5 vuodessa toistuva talvi). Liitteen 1 mittauspöytäkirjassa on esimerkki suositeltavista anturisyvyyksistä. Johtimien yläpäät numeroidaan ja niihin kiinnitettään ko. termoparityypin liittimet mittausta nopeuttamaan (ei välttämätöntä). Johdinkimpun alapäähän kiinnitetään jäykästä metallilangasta taivutettu koukku, jonka avulla kimppu painetaan asennusreikään. Koukku ei saa olla sähköisessä yhteydessä termoparin mittauspäihin. 3.5 Termoparikimpun asennus tierakenteeseen Termoparikimppu asennetaan esimerkiksi täry- tai painokairalla tehtyyn reikään. Asennuksessa käytetään erityistä asennustankoa (putkea). Termoparikimpun koukku asetetaan asennustangon reikään ja johdinkimppu vedetään kireälle asennustangon rinnalle. Molemmat yhdessä painetaan kairausreikään ja pidetään oikeassa syvyydessä, kunnes ympärystäyttö estää johdinkimpun nousemisen tangon mukana. Johdinkimpun ympärille jäävä tyhjätila täytetään tasarakeisella hiekalla (rakeisuus # 0,5...1,2 mm). Johdinkimpun yläpää viedään tien luiskaan päällysteen alla tai päällysteeseen tehtävässä kapeassa urassa ja suojataan sopivalla tavalla. Yksinkertaisimmillaan kimpun pää vain sidotaan luiskaan lyötävään tankoon tulevan lumirajan yläpuolelle. Ylimmän termoparin mittauspää sijoitetaan yleensä noin 1 cm syvyyteen. Muusta kimpusta irrallinen termopari voidaan esimerkiksi liimata silikonilla päällysteeseen sahattuun uraan. Lopuksi tiivistetään päällysteen reikä päällystemassalla ja merkitään vaaituspiste asennuskohdan viereen routanousun mittausta varten. 3.6 Mittauksen suoritus Parhaimpienkin termoparilämpömittareiden antama tulos riippuu aina jonkin verran mittarin omasta lämpötilasta. Tämän vuoksi on tiedettävä mittarin lämpötila mittaushetkellä ja tehtävä siitä riippuva lämpötilakorjaus mitattuihin lämpötilalukemiin, jos mittaria ei mittaustilanteessa voida pitää mittarin kalibrointilämpötilassa noin ± 5 C:n tarkkuudella. Roudan syvyyden mittauksissa ei saa käyttää mittareita, joiden lämpötilakorjauskerrointa ei tunneta. Lämpötilakorjaus tehdään vasta toimistolla joko mittarin valmistajan ilmoittamaan korjauskertoimeen (reference junction compensation ja temperature coefficient) tai omiin kalib-

12 rointituloksiin perustuen. Maastossa kirjataan korjaamattomat lämpötilalukemat esimerkiksi liitteen 1 mukaiseen taulukkoon. Mittarin on ennen mittausten aloitusta annettava tasaantua virta päälle kytkettynä valmistajan ilmoittaman ajan. Mittarin tulee koko mittauksen ajan olla tasalämmössä (noin ± 2 C). Mittarin sijoituspaikan lämpötila mitataan ja kirjataan jokaisella mittauspaikalla. Ennen mittauksia tarkistetaan vielä, että mittari on sekä tarkoitettu mittaamaan että se on asetettu mittaamaan nimen omaan kyseisen tyypin termopareja. Termoparin mittauksessa ei saa käyttää jatkojohtoa, joka ei ole samaa materiaalia kuin termoparikin. Jatkojohtoa liitettäessä yhdistetään aina samaa materiaalia olevat johtimet toisiinsa. Liitokset tehdään kyseiselle termoparille tarkoitettuja liittimiä käyttäen. Lämpötilojen mittausta varten termoparilankojen vapaat päät liitetään lämpötilan lukemalaitteeseen (mittariin) siten, että kuparijohdin liitetään mittarin kuparijohtimeen (+ tai high) ja konstantaanijohdin mittarin konstantaanijohtimeen (- tai low). Termopariliittimiä ei periaatteessa voi kytkeä väärin päin (liittimen navat ovat eri kokoisia) ellei käytetä väkivaltaa. Maan alla olevien antureiden lisäksi mitataan irrallista termoparia käyttäen aina myös ilman lämpötila tienpinnassa. Routanousuvaaitukset tehdään kuten edellä routamittarin yhteydessä on kuvattu. 3.7 Roudan syvyyden määritys Roudan syvyys määritetään mitattua lämpötilaprofiilia hyväksi käyttäen kuvan 4 mukaisesti. Mittaustulosten avulla määritetään syvyys, jossa maan lämpötila on nolla. Se syvyys otaksutaan roudan syvyydeksi. Roudan syvyyden määritystarkkuudeksi tulee ± 0,1 m, jos lämpötilojen mittaustarkkuus on ± 0,1 C, ja lämpötilagradientti routarajalla 1 C/m. TIERAKENTEEN LÄMPÖTILOJA JA ROUDAN SYVYYKSIÄ TALVELLA 1995/96 Temperatures and frost depths under the center line of the road in winter 1995/96 NUMMI - PUSULA, Mt 280, tieosan 04, PL 100, tien keskilinja 0.0 Asfaltti 175...215 mm Asphalt 100...210 mm 74.21-0.5 Rakenteen alap. 700...705 mm Bottom of the subbase 700...705 mm 73.71 SYVYYS, Depth [ m ] -1.0-1.5-2.0-2.5 Pohjamaa silttiä, w = 23...26 p-% Roudan syvyys lämpötiloista Frost depth from temperatures Subgrade, silt, w= 23...26 % 14.2.1996 19.3.1996-1,43 m -1,69 m Roudan syvyys routaputkesta Frost depth using frost tube 73.21 72.71 72.21 71.71 KORKEUS, Elevation -3.0 71.21-3.5 70.71-16 -14-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 LÄMPÖTILA, Temperature [ C ] Kuva 4. Esimerkki roudan syvyyden määrittämisestä lämpötilahavaintojen avulla. Routarajan syvyyttä voidaan arvioida myös sovittamalla mitattuun lämpötilaprofiiliin kaksi suoraa kuvan 4 mukaisesti. Toinen suora sovitetaan sulan pohjamaan lämpötilahavaintoihin

13 ja toinen jäätyneen kerroksen lämpötilahavaintoihin siten, että suora sivuaa alinta mittauspistettä, jossa on mitattu negatiivinen lämpötila. Roudan syvyyden otaksutaan vastaavan em. suorien leikkauskohtaa. Em. suoria ei kuitenkaan pystytä aina sovittamaan mittaustuloksiin, jos ilman lämpötila on vaihdellut voimakkaasti ennen lämpötilojen mittausta. Lopullinen roudan syvyyden määritys tehdään ottamalla huomioon molemmat em. tavoilla saadut roudansyvyysarviot. Näistä valitaan määritysten keskiarvo tai luotettavammaksi arvioitava tulos. 3.8 Tulokset Lämpötilamittausten tuloksia voidaan havainnollistaa syvyyssuuntaisilla lämpötilaprofiileilla kuten kuvassa 4 tai kuvaamalla graafisesti mittauspisteiden lämpötilan ajallista muutosta. Lämpötilamittausten perusteella määritetty roudan syvyys esitetään yhdessä metyleenisiniroutamittarilla mitattujen syvyyksien kanssa, jos mittaukset on tehty samasta paikasta (kuva 3). 4 ROUDAN SYVYYDEN ARVIOINTI LASKENNALLISESTI Tierakenteen routaantumissyvyyttä (z) voidaan likimäärin arvioida kaavaa (1) käyttäen. z = k F obs (1) Kaksikerrosrakenteen (routimaton tierakenne/routiva pohjamaa) routaantumiskerroin (k) saadaan havaintoajankohdan pakkasmäärän (F obs ) ja routimattoman rakenteen paksuuden (z 0 ) avulla empiirisellä kaavalla (2). Kaava on laadittu TPPT havaintoteistä saatuihin mittaustuloksiin perustuen (Onninen 1998). 2 0.025 z z0 k = + F 0 + obs F obs 10 (2) joissa z = roudan syvyys, mm k = routaantumiskerroin, mm/(kh) 0.5 tai mm/( Ch) 0.5 z 0 = routimattoman rakenteen paksuus, mm = pakkasmäärä talven alusta tarkasteluajankohdan, Kh tai Ch F obs Talven alusta tarkasteluajankohtaan mennessä kertyneen pakkasmäärän laskentatapa (ja pakkasmääräkarttoja eri toistumistodennäköisyyksille) on esitetty Menetelmäkuvauksessa TPPT 4 "Ilmastorasitus". 5 KIRJALLISUUS http://www.omega.com/temperature/z/zsection.asp (8.11.2000) Ilmastorasitus Menetelmäkuvaus TPPT 4. VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka. 2001. Maarakenteiden laadunvalvontamenetelmät. Menetelmäkuvaukset. Moniste. Valtion teknillinen tutkimuskeskus ja SML. Espoo 1990. 55 s.

14 Onninen, H. 1998. Pohjasuhteiden ja tierakenteiden kuvaus. TPPT-työraportti nro P6. 18 s + liitteet 100 s. Onninen, H. 1990. Routamaan lämpötilamittausten kehittäminen ja vertailu. Valtion teknillinen tutkimuskeskus, geotekniikan laboratorio, julkaisematon tutkimusraportti: työnro: GEO 8201. 37 s. + liitteet 27 s. Tierakenteen routamitoitus, Menetelmäkuvaus TPPT 18. VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka. 2001. Tien pohja- ja päällysrakenteet -tutkimusohjelma. TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus. TPPT Raportti. 2001 6 LIITTEET LIITE 1. Lämpötilojen ja roudansyvyyden mittauslomake

LIITE 1 LÄMPÖTILOJEN JA ROUDAN SYVYYDEN MITTAUS Kiintopiste SULAN TILAN KORKEUDET Kaupunki / kunta Työn nimi Karttalehti Pääll. seurantapiste Kaup. osa / kylä Työnumero Y-koord. Routamittarin pää Tien / kadun nimi ja nro Piste / paalu X-koord. Pohjav. putken pää LÄMPÖTILA-ANTURIN KORJAAMATTOMAT LÄMPÖTILALUKEMAT Asemapiirros kohteesta NUMERO SYVYYS Lämpötilojen mittauksen ajankohta, esimerkiksi 15.12.00 9:30 m Tien pinta 0.0 1 0.01 2 0.20 3 0.40 4 0.60 5 0.80 6 1.00 7 1.20 8 1.40 9 1.60 10 2.00 Leikkauspiirros kohteesta 11 2.40 12 2.80 13 3.20 14 3.60 15 4.00 Mittarin ympäristön lämpöt. Roudan syvyys lämpötiloista (m). Roudan syvyys routamittarista (m) Routamittarin pään korko Päällysteen seurantapisteen korko Vesipinnan syv. tierakenteessa (m) Pohjavesipinnan syvyys (m) Lumen paksuus tien luiskassa (m) VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS Sääolosuhteet Väylät ja ympäristö Mittaaja Lämpömiehenkuja 2A Mittarin lämpötilakompensaatiokerroin Mittarin kalibrointilämpötila 02150 ESPOO LIITE 1

TPPT Nro Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus TPPT Menetelmäkuvaukset Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen 18 Tierakenteen routamitoitus 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pixelimallilla 20 Päällysrakenteen elinkaarikustannusanalyysi 21 Mitoituksen lähtötietojen hankkiminen TPPT Menetelmäkuvaukset Nro 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 Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa 9 10 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 Palvelutasomittaus (PTM) tien rakenteen parantamisen suunnittelussa