TUTKIMUSRAPORTTI, ESPOO 25 RTE443/5 S14, Koerakentamisohjelma, Tiehallinto Raudoitetun murskekerroksen pitkäaikaistoiminta Seurantatutkimus MT 5341 Leppävirralla 25 Seppo Saarelainen Pekka Halonen VTT RAKENNUS JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA
Sisällysluettelo Sisällysluettelo... 1 Lyhennelmä... 2 Abstract... 4 Alkusanat... 6 1. Raudoitteiden käyttö tien päällysrakenteessa... 7 2. Koerakenne... 7 3. Pakkasmäärä ja roudan syvyys, lämpöastesumma ja sulamissyvyys keväällä 25... 9 4. Tienpinnan kantavuusmittaukset... 1 4.1. Mittausjärjestely... 1 4.2. Majoo... 1 4.3. Urimo... 12 5. Raudoitekerroksen ja rakennekerrosten materiaalimoduulien muuttuminen sulamiskaudella... 14 5.1. Mittausaineisto... 14 5.2. Vertailu 1 (Urimo)... 14 5.3. Raudoitettu murske 1 (Urimo)... 15 6. Raudoitteen tila ja asema kesällä 25... 17 7. Urautuminen suhteessa kevätkantavuuteen... 21 8. Yhteenveto... 22 9. Johtopäätökset ja suositukset... 22 1. Viitteet... 23 1
Lyhennelmä Rakenne Paikallistiellä Mt. 5341, Leppävirran Urimossa ja Majoolla, tehtiin syksyllä 1996 koerakenteita kelirikon vaivaaman soratien vahvistamiseksi. Koerakenteissa käytettiin vahvisteina tienpintakerroksen bitumistabilointia ja tien pinnalle rakennettua raudoiteverkolla vahvistettua murskekerrosta. Rakenteiden toiminnan seurannassa vv. 1997 98 todettiin, että raudoitetun murskekerroksen aiheuttama kantavuuslisäys oli merkittävästi suurempi kuin raudoittamattoman. Raudoitetun murskekerroksen materiaalimoduulin arvioitiin olevan 3 5 MPa. Raudoitetun tien poikkikaltevuus oli pienempi kuin vertailuosuuksilla, eikä keskihalkeilua ilmennyt. Kustannukset Rakentamisen todettiin olevan teknisesti yksinkertaista. Raudoitetun murskekerroksen rakentaminen oli noin 4 % kalliimpaa (lisäkustannus noin 2,5 /m 2 ) verrattuna raudoittamattomaan murskelisäykseen 2 mm. Seurantatutkimus Tiehallinnon tutkimusohjelman S14. Vähäliikenteisten teiden taloudellinen ylläpito, koerakenteet yhteydessä todettiin tarpeelliseksi mittauksin selvittää raudoitetun murskerakenteen toimintaa yllä mainituissa kohteissa keväällä 25. Vastuullisena tutkijana toimi VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikka. Havainnot Koerakenteiden routatilan arviointi perustui tiesääaseman Leppävirta, Poijinpelto havaintoihin. Niiden perusteella määritettiin pakkasmäärän kehittyminen talvikaudella 24 25 sekä tienpinnassa vaikuttava lämpöastesumma keväällä 25. Astesummien perusteella arvioitiin roudan maksimisyvyydeksi huhtikuun alussa 25 noin 1,5 metriä. Roudan arvioitiin sulaneen kokonaan kesäkuun alussa. Raudoite ja vertailuosuuksilla Urimossa ja Majoolla tehtiin pudotuspainomittauksia Tieliikelaitoksen toimesta toukokuussa kolme kertaa ja heinäkuussa kerran. Mittausten perusteella voitiin todeta, että vertailuosuuksien kantavuudet sulamisvaiheessa vastasivat keskimäärin toisiaan, mutta raudoitetun koerakenteen sulamisajan minimikantavuus aleni selvästi rakentamisen jälkeen. Tulosten analysointi Pudotuspainokokeiden taipumasuppiloiden perusteella määritettiin tien kerrosten materiaalimoduuleja takaisinlaskentaohjelmalla STRESS. Tarkastelut tehtiin valituissa vertailu ja raudoiterakenteiden poikkileikkauksissa. Todettiin, että keväällä 25 oli raudoitetun murskekerroksen materiaalimoduulin arvo pienentynyt kolmanneksen keväällä 1997 ja 1998 mitattuihin arvoihin verrattuna. Moduulien kesäarvojen ei todettu merkittävästi muuttuneen. Raudoitteen tutkimukset Urimon ja Majoon raudoiteosuuksilla tehtiin koekuopat tien poikki raudoitteen tilan arviointia varten. Tienpinnan ja raudoitteen korkeuksien perusteella voitiin havaita, että raudoitteen päällä 2
olleen murskekerroksen paksuus oli 15 2 mm, kun sen olisi pitänyt rakentamisen jäljiltä olla 2 25 mm (murske + savisora). Ilmeisesti kulutuskerrosta ei ole lisätty kulumisen myötä riittävästi. Raudoitteen muodosta voitiin arvioida sen taipumista ja tierakenteen urautumista vv. 1997 25. Raudoitteen taipuminen oli laaja alaista, eikä pyörän jälkiä havaittu. Pystydeformaatio lienee tapahtunut syvällä pohjamaassa. Urasyvyys oli suurimmillaan noin 85 mm ja pienimmillään noin 25 mm. Verrattaessa urasyvyyksiä kantavuusmittauksiin todettiin, että suurin urasyvyys, 85 mm oli syntynyt kohtaan, jonka pienin kevätkantavuus (25) oli noin 45 MPa ja pienin urasyvyys 25 MPa kantavuudella 83 MPa.. Kahdessa muussa pisteessä urasyvyys oli noin 45 m kantavuuden ollessa 5 MPa. Todettiin, ettei urautuminen aiheuttanut ongelmia tien toiminnalle tai kunnossapidolle. Jos raudoitteen yläpuolinen kulutuskerros edelleen ohenee yli 1 mm, raudoite tulee näkyviin tien reunassa ja keskellä. Raudoite oli siitä otettujen näytteiden perusteella pinnastaan ruostunut, mutta sen lankapaksuudet olivat arviolta muuttumattomat. Raudoitteen arvioitiin olevan toimintakuntoinen ainakin 3 vuotta. Kokonaisarvio Seurantatutkimusten perusteella voitiin arvioida, että raudoitteen toiminatatapa oli ajan mittaan muuttunut, ja kantavuusvaikutus sulamisaikana oli pienempi kuin rakentamisen jälkeen. Raudoitetun rakenteen toimivuuden arvioitiin säilyvän ainakin 3 vuotta. Kustannus oli noin 3 % korkeampi kuin raudoittamattoman. Ahon (24) mukaan raudoitetun rakenteen elinkaarikustannus on pitkän käyttöiän perusteella taloudellinen ratkaisu nykymitoituksellakin. Raudoitetun rakenteen urautuminen näytti vähäiseltä. Arvioitiin, että urautuminen väheni raudoitteen alla olevan rakenteen leikkausjännityksen pienentymisen vuoksi, ei niinkään yläpuolisen kerroksen laattavaikutuksen takia. Kun raudoite esti tasonsa alapuolella vaakamuodonmuutokset, alapuoliseen rakenteeseen syntynyt leikkausjännitys oli pieni, jolloin rakenteen leveneminen estyi ja urautuminen väheni. 3
Abstract Pavement On a local road, Mt 5341 in Central Finland, Leppävirta, at Urimo and Majoo, test pavements were built to strengthen a gravel road suffering from thaw weakening. The test pavements were constructed in autumn 1996, and the pavement was improved using bitumen stabilised surface layer and a crusher run layer reinforced with a steel mesh on the top of the pavement. The behavior of the test pavements were monitored in years 1997 98, and the increase of resilient stiffness of the reinforced layer compared to that before repair was significantly higher than on the non reinforced pavement layer. The resilient modulus of the reinforced crusher run layer was estimated to be 3 5MPa. The reinforcement reduced perpendicular frost heave difference, and no longitudinal cracking of the center line was observed. Costs Construction of the reinforced layer was technically simple. Due to the high cost of the steel mesh, Reinforced crusher run layer was about 4 % more expensive than the non reinforced crusher run layer with an equal thickness of 2mm. (excess cost about 2.5 Eur/m 2 ). The follow up study In the research program S14. The economical maintenance of low volume roads. Test construction it was decided to investigate using site monitoring the function of the reinforcement pavement at sites mentioned above in the spring of 25. The responsible researcher was VTT Building and Transport. Observations The frost and thaw penetration were estimated using temperature observations in the air and pavement surface at road weather station Leppävirta, Poijinpelto. Based on the observations, the freezing index was calculated for the winter of 24 25 and thawing index at the ground surface for the spring of 25. The maximum frost penetration was estimated to be in early April 25 about 1.5 meters. Frost was estimated to have totally thawed in the beginning of June. On the stretches of reinforced pavement and reference pavement, falling weight deflection measurements were carried out during thaw, in May three times and in July once. According to monitoring, the surface modulus of reinforced and non reinforced pavements were related, and the minimum surface modulus of the reinforced pavement was significantly lowered since the construction. Back analysis of FWD results Material modulus values of different pavement layers were back estimated using backcalculation program STRESS. The studies were carried out for selected sections of reference and reinforced pavements. It was observed, that the level of material modulus of the reinforced crusher run was in the spring of 25 about 3% lower than values after construction in the springs of 1997 and 1998. The values of material modulus in summer were unchanged. 4
The state of the reinforcement Test pits were excavated across the pavement down to the reinforcement level at two locations, Urimo and Majoo, to investigate the level and form of the reinforcement, and to take samples for inspecting corrosion. The iron mesh was covered with a crusher run layer with thickness of 15 2 mm, as to after construction it was 2 25 mm. Probably this resulted from wearing of the surface, and wearing had not been compensated enough with added material. From the leveled form of the reinforcement could be interpreted permanent deflection and cumulated rutting in years 1997 25. The bending was wide and smooth, and no wheel traces were observed. The vertical deformation occurred probably deep in the subgrade. The rut depth was at the maximum about 85 mm and at the minimum about 25mm. When comparing to the minimum thaw surface moduli, it was found that the largest rut depth was found at a point, the surface modulus of which was about 45 MPa, as to the smallest rut depth, 25 mm, ws found at a site where thaw surface modulus was 83 MPa. The intermediate values, about 45 mm, occurred at sites with thaw surface moduli about 5 MPa. Rutting was did not cause any specific problems to the maintenance or traffic. If the overlay above reinforcement has been thinned more than 1mm, the iron mesh will be exposed at center line. The iron mesh was only surficially rusted, and its thread thickness was at the original level. The mesh was estimated to be functioning more than 5 years. Summarising evaluation The functioning of iron mesh was observed to have changed, and its influence on the pavement stiffness during spring thaw was less than dafter construction. The lifetime of the reinforced overlay was estimated to preserve at least 3 years. The cost was about 3 % higher than non reinforced overlay. According to Aho (24) the reinforced pavement overlay is an economical solution life cycle cost basis due to the long lifetime even applying the current design levels. The rutting of reinforced pavement seems low. The rutting may be reduced below the mesh because of reduced sear strains, and less due to the stiffness of the reinforced slab. As reinforcement prevents horizontal deformations below its level, shear strains beneath the mesh are minimal, resulting less widening of the pavement and less rutting, too. 5
Alkusanat Tämä tutkimus liittyy Tiehallinnon tutkimusohjelmaan S14. Vähäliikenteisten teiden taloudellinen ylläpito ja sen projektiin koerakenteet. Tutkimus on laadittu Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen Rakennus ja yhdyskuntatekniikan tutkimusyksikössä Tiehallinnon rahoituksella vuonna 25. Koerakenteet toteutettiin syksyllä 1996 Tielaitoksen Savo Karjalan tiepiirin aloitteesta ja toimesta. Koekohteiden tutkimukset ja suunnittelu tehtiin yhteistyössä VTT Yhdyskuntatekniikan ja Savo Karjalan tiepiirin kesken. Raportin laati VTT Yhdyskuntatekniikassa erikoistutkija Seppo Saarelainen Tässä tutkimuksessa koekohteen mittaukset teki Tieliikelaitos. Tulosten käsittely ja raportin laadinta tehtiin VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikassa. 6
1. Raudoitteiden käyttö tien päällysrakenteessa Raudoitteita on käytetty tierakenteen vahvistamiseksi ensi sijassa routivilla päällystetyillä teillä. Raudoitteen on havaittu pienentävän päällysteen epätasaisen routanousun aiheuttamia taivutusdeformaatioita ja niistä aiheutuvaa pituushalkeilua (esim. Tielaitos 13/91, Tammet & Innogeo 24, REFLEX 22). Tielaitoksen kunnossapito ohjeissa annetaan myös mahdollisuus käyttää raudoitteita soratien rakenteen parantamisessa. Todetaan, että tien päälle tehtävän murskekerroksen paksuutta voidaan pienentää, jos kerrokseen asennetaan raudoite. Mitoitusohjeita ei anneta, vaan todetaan, että " rakenteen mitoitus tulee antaa kokeneen asiantuntijan tehtäväksi", sillä mitoitustapaa ei ole ollut käytettävissä. Raudoitteen ominaisuudet poikkeavat voimakkaasti sitomattoman rakennekerroksen ominaisuuksista, jolloin tien pintaa voimakkaasti taivutettaessa (esimerkiksi silloin, kun rakenteen kantavuus on pieni) raudoite venyy eri tahtiin kuin sen viereinen maa. Raudoitteen venymä on pieni. Raudoitteen voitaneen arvioida vaikuttavan lisäävästi murskekerroksen jäykkyyteen, kun deformaatiot ovat pieniä. Jäykkyysvaikutusta parantaa raudoitteen sijoittaminen kerroksen alaosaa, jolloin raudoitetun maakerroksen oletetaan toimivan "raudoitettuna laattana". Toisaalta on koerakennetestauksissa havaittu, että raudoite pienentää voimakkaasti pinnan urautumista (Kangas, H. et al. 2, Korkiala Tanttu et al. 23). Tällöin raudoitteen ei tarvitse olla kerroksen alaosassa, van se voi olla keskeinen tai kerroksen yläosassa. 2. Koerakenne Paikallistiellä Mt. 5341, Leppävirran Urimossa ja Majoolla, tehtiin syksyllä 1996 koerakenteita kelirikon vaivaaman soratien vahvistamiseksi (kuva 1). Koerakenteissa käytettiin vahvisteina tien pintakerroksen bitumistabilointia ja tien pinnalle rakennettua, raudoiteverkolla vahvistettua murskekerrosta (kuvat 2 ja 3). Majoo tieosa 3 Urimo Tieosa 2 Kuva 1 Koekohteiden sijainti. 7
Kuva 2 Urimo. Tien pituusleikkaus ja koerakenneleikkaukset. Stabilointi 1, raudoitus 1 ja vertailu 1. Kuva 3 Majoo. Tien pituusleikkaus ja koerakenneleikkaukset. Vertailu 2 ja raudoitus 2. Soratien yläosaa lujitettiin asentamalla vanhan tien päälle teräsverkkoraudoite, jonka päälle tiivistettiin 2 mm:n murskekerros. Kulutuskerroksena käytettiin savisoraa. Rakenteella pyrittiin lujittamaa päällysrakennetta epätasaisen routanousun aiheuttamaa halkeilua ja löyhtymistä vastaan, jolloin tien pintakerros on mahdollisimman jäykkä sulamisvaiheessa pohjamaan pehmetessä. Käytetty raudoiteverkko oli tyypiltään 5/7/1/15 mm (pitkittäisteräs/poikittaisteräs/ poikittaisväli/pitkittäisväli). Raudoite elementin koko oli 25 x 65 mm 2, jolloin elementti ulottui tien poikki. Tien pituussuuntaan ei ollut limitystä. Käytetty murske oli # 35 mm. Murskekerros levitettiin kantavan kerroksen työtavan mukaisesti.. 8
Rakenteiden seurannassa vv. 1997 98 todettiin, että raudoitetun murskekerroksen aiheuttama kantavuuslisäys oli merkittävästi suurempi kuin raudoittamattoman. Raudoitetun murskekerroksen materiaalimoduulin arvioitiin olevan 3 5 MPa. Raudoitetun tien poikkikaltevuus oli pienempi kuin vertailuosuuksilla, eikä keskihalkeilua ilmennyt (Saarelainen 2). Tämän tutkimuksen tavoitteena oli mitata raudoitetun koerakenteen ja vertailurakenteiden kantavuuskehitystä Leppävirran Urimossa ja Majoolla soratien sulamisvaiheessa. Mittausten perusteella pyrittiin arvioimaan rakenteen toimintatapaa verrattuna rakentamisaikaan, määrittämään raudoitenäytteistä teräsverkon ruostumista sekä arvioimaan rakenteen urautumista raudoitteen muodon ja sijainnin perusteella.. 3. Pakkasmäärä ja roudan syvyys, lämpöastesumma ja sulamissyvyys keväällä 25 Tiesääasemahavainnot ilman ja tienpinnan lämpötiloista tehtiin tiesääasemalla "Leppävirta, Poijinpelto". Havainnoista lasketut pakkasmäärät ja lämpöastesummat laskettuna pakkaskauden alusta (noin 2.1.24) ja sulamiskauden alusta (noin 1.4.25) on esitetty kuvassa 4. Samassa kuvassa on arvioitu roudan syvyys ja sulamisen syvyys tienpinnan pakkasmäärän ja lämpöastesumman perusteella. Astesumma Ch 2 15 1 5 5 1 15 2 Leppävirta, Poijinpelto, talvi 24 25, Pakkasmäärä ja lämpöastesumma 1.11.24 1.12.24 31.12.24 3.1.25 1.3.25 31.3.25 3.4.25 3.5.25 29.6.25 Pvm 2 15 1 5 5 1 15 2 F(ilma) F(tie) Ft(ilma) Ft(tie) Roudan syv Sul syv Roudan/sulamisen syvyys mm Kuva 4 Lämpöastesumman mitattu ja sulamissyvyyden arvioitu kehitys Leppävirralla keväällä 25. F(ilma) pakkasmäärä ilmassa, F(tie) pakkasmäärä tien pinnassa, Ft(ilma) lämpöastesumma ilmassa, Ft(tie) lämpöastesumma tien pinnassa. Pakkasmäärä ja lämpöastesumma määritettiin tiesääaseman Leppävirta, Poijinpelto ilman ja tienpinnan lämpötilojen mukaan. Roudan syvyys z f arvioitiin vuorosuhteella z f = 11 F( ilma) (mm) ja sulamisen syvyys z t z t = 11 Ft( tie) (mm) 9
Vuorosuhteet vastasivat talvien 1997 ja 1998 havaintoja. Roudan ja sulamisen syvyyttä ei erikseen mitattu. 4. Tienpinnan kantavuusmittaukset 4.1. Mittausjärjestely Kantavuusmittaukset teki Tieliikelaitos KUAB pudotuspainolaitteella. Mittaukset sulamiskaudella tehtiin 6.5., 16.5. ja 3.5.25 ja kesäoloissa 17.7.25. Mittaukset sidottiin tien pituuspaalutukseen GPS mittauksilla, ja mittausväli oli keskeltä keskelle 1 metriä vuorotellen molemmilla kaistoilla. 4.2. Majoo Majoolla tehtyjä tienpinnan kantavuusmäärityksiä on esitetty kuvassa 5 ja taipumasuppilot raudoite ja vertailuosuuksilla kuvissa 6 7. Niiden mukaan tienpinnan kantavuus pääsääntöisesti aleni toukokuun alusta (sulamissyvyys noin 7 mm, pohjamaa alkoi sulaa) toukokuun lopulle (sulaminen päättyi). Leppävirta Majoo Kantavuus E2 keväällä 25 Kantavuus E2 MPa 4 Vertailu 2 Raudoitus 2 35 3 25 2 15 1 5 32 325 33 335 34 345 35 355 36 365 37 Paalu m E2 6.5.25 E2 16.5.25 E2 3.5.25 E2 17.7.25 Kuva 5 Mt5341, tieosa 3, Majoo. Kantavuus E2 6.5., 16.5, 3.5. ja 17.7.25. 1
Taipuma um 35 3 25 2 15 1 5 Leppävirta Majoo Raudoitus 2 Taipumasuppilot 3.5.25 5 1 15 Etäisyys mm 346 347 348 349 35 351 352 353 354 355 356 357 358 359 36 361 362 363 364 365 366 367 368 369 37 ka.rau2 ka. Ver2 Kuva 6 Mt5341, tieosa 3, Majoo. Raudoitus 2, taipumasuppilot 3.5.25. Leppävirta Majoo, Vertailu2 taipumasuppilot 3.5.25 16 327 Taipuma um 14 12 1 8 6 4 2 5 1 15 328 329 33 331 332 333 334 335 336 337 338 339 34 341 342 343 344 345 Etäisyys mm Kuva 7 Mt5341, tieosa 3, Majoo. Vertailu 2, taipumasuppilot 3.5.25. 11
Majoon raudoite ja vertailuosuuksien keskimääräistä kantavuuskehitystä kalenteriajassa sulamiskaudella vuosina 1997, 1998 ja 25 on esitetty kuvassa 8. Keväällä 1997 ja 1998 roudan syvyys oli noin 1,8 metriä, ja se suli havaintojen mukaan pois kesäkuun puolivälissä. Keväällä 25 roudan syvyys oli 1,5 metriä ja se suli pois kesäkuun alussa. Majoo, kevätkantavuuden kehitys 1997, 1998 ja 25 3 Kantavuus E2 MPa 25 2 15 1 5 1.touko 16.touko 31.touko 15.kesä 3.kesä 15.heinä 3.heinä 14.elo 29.elo 13.syys 28.syys 13.loka 28.loka Pvm Ver 2 96 Rau 2 96 Ver 2 97 Rau 2 97 Ver 2 98 Rau 2 98 Ver 2 5 Rau 2 5 Kuva 8 Mt5341, tieosa 3, Majoo. Raudoite ja vertailuosuuksien (Rau 2, Ver 2) keskimääräinen kantavuus E2 syksyllä 1996 sekä sulamiskausilla 1997, 1998 ja 25. 4.3. Urimo Urimossa vastaavasti on tienpinnan kantavuusmittaustuloksia esitetty kuvassa 9 ja raudoite ja vertailuosuuksien taipumasuppilot kuvissa 1 11. Urimo kevät 25 Kantavuus MPa 4, 35, Raudoite 1 Vertailu 1 3, 25, 2, 15, 1, 5,, 135 14 145 15 155 16 165 17 Paalu m 6.5.25 16.5.25 3.5.25 17.7.25 Kuva 9 Mt5341, tieosa 2, Urimo. Kantavuus E2 6.5., 16.5., 3.5.25 ja 17.7.25. 12
Leppävirta taipumasuppilot 3.5.25 4 Taipuma um 35 3 25 2 15 1 5 139 14 141 142 143 144 145 146 147 148 149 15 ka. Rau1 ka. Ver1 5 1 15 Etäisyys mm Kuva 1 Mt5341, tieosa 2, Urimo. Raudoite 1, taipumasuppilot 3.5.25. Leppävirta taipumasuppilot 3.5.25 7 Taipuma um 6 5 4 3 2 1 151 152 153 154 155 156 157 158 159 16 161 162 163 164 165 166 ka. Ver1 5 1 15 Etäisyys mm Kuva 11 Mt5341, tieosa 2, Urimo. Vertailu 1 PL 155 166, Taipumasuppilot 3.5.25. 13
Urimon raudoite ja vertailuosuuksien keskimääräistä kantavuuskehitystä kalenteriajassa sulamiskaudella vuosina 1997, 1998 ja 25 on esitetty kuvassa 12. Keväällä 1997 ja 1998 roudan syvyys oli noin 1,8 metriä, ja se suli havaintojen mukaan pois kesäkuun puolivälissä. Keväällä 25 roudan syvyys oli 1,5 metriä ja se suli pois kesäkuun alussa. Urimo 96, 97, 98, 5 Kantavuus E2 MPa 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 13.huhti 28.huhti 13.touko 28.touko 12.kesä 27.kesä 12.heinä 27.heinä 11.elo 26.elo 1.syys 25.syys Rau 1 96 Ver 1 96 Rau 1 97 Ver 1 97 Rau 1 98 Ver 1 98 Rau 1 5 Ver 1 5 Pvm Kuva 12 Mt5341, tieosa 2,Urimo. raudoite ja vertailuosuuksien (Rau 1, Ver 1) keskimääräinen kantavuus E2 syksyllä 1996 sekä sulamiskausilla 1997, 1998 ja 25. 5. Raudoitekerroksen ja rakennekerrosten materiaalimoduulien muuttuminen sulamiskaudella 5.1. Mittausaineisto Kantavuus ja routamittausten mukaan voitiin arvioida sulamisen kehittymistä keväällä 1997, 1998 ja 25. 5.2. Vertailu 1 (Urimo) Takaisinlaskenta tehtiin käyttäen ohjelmaa Stress (sisältyy APAS ohjelmistoon) soveltaen kerrosrakennetta ja paksuuksia, jotka oli kuvattu raportissa (Saarelainen 2). Eri mittausajankohtina määritettiin sulamissyvyys rakenteessa, jolloin osittain sulanut kerros määritettiin kahtena kerroksena (jäässä/sula). Laskentatuloksia on esitetty kuvassa 13. 14
Mt 5341 Urimo, Vertailu 1 Kerrosten materiaalimoduulit sulamisvaiheessa Takaisinlaskettu kimmomoduuli, MPa 4 35 3 25 2 15 1 5 1.touko 16.touko 31.touko 15.kesä 3.kesä 15.heinä Pvm Ms Sr Sa, sulanut Sa, jäässä Sa, sula Pohjamaa Kuva 13 Mt.5341 Urimo, Vertailu 1. Takaisinlaskettujen kerrosmoduulien arvoja sulamisen aikana tehdyistä pudotuspainomittauksista. (Stress ohjelma). Laskennan perusteella on ilmeistä, että vanhan soratien rakenne on pehmeä koko sulamisajan, ja että sen moduuli oli 2 5 MPa. Sulanut pohjamaan savi pehmeni niin, että sen kimmomoduuli oli 1 2 MPa. Pinnassa olleen murskekerroksen moduuli oli sulamisvaiheessa keväällä 1997 yli 3 MPa ja keväällä 25 1 14 MPa. Sulan saven (pohjamaa) ja sulaneen saven välissä olleen jäätyneen saven moduuliksi estimoitiin noin 35 MPa. 5.3. Raudoitettu murske 1 (Urimo) Takaisinlaskenta tehtiin käyttäen ohjelmaa Stress (sisältyy APAS ohjelmistoon) soveltaen kerrosrakennetta ja paksuuksia, jotka oli kuvattu raportissa (Saarelainen 1999). Eri mittausajankohtina määritettiin sulamissyvyys rakenteessa, jolloin osittain sulanut kerros määritettiin kahtena kerroksena (jäässä/sula). Laskentatuloksia on esitetty kuvassa 14. Mt 5341 Urimo, Raudoite 1. Materiaalimoduulit sulamiskaudella 45 4 35 Kimmomoduuli MPa 3 25 2 15 1 5 1.touko 16.touko 31.touko 15.kesä 3.kesä 15.heinä Pvm SaSr+RaMs Ms Sry Sra jäässä Sa, sulanut Sa, jäässä Sa, sula Kuva 14 Mt.5341 Urimo, Raudoite 1. Takaisinlaskettujen kerrosmoduulien arvoja sulamisen aikana tehdyistä pudotuspainomittauksista. (Stress ohjelma). 15
Kuvasta 14 voitiin havaita, että pinnassa olleen raudoitetun murskekerroksen moduuli oli kesätilassa keväällä ja kesällä 1997 noin 4 MPa. Keväällä 25 moduuli oli 22 3 MPa. Sulaneen saven moduuli pohjamaassa oli pienimmillään 2 MPa. Sulaneiden, sitomattomien rakennekerrosten moduulit olivat myös pieniä, noin 2 5 MPa. Jäätyneen saven moduuli oli 2 3 MPa. Tulosten perusteella voitiin arvioida, että raudoitetun murskekerroksen kimmomoduuli sulamiskaudella on heikentynyt rakentamisvuosista noin kolmanneksen. 16
6. Raudoitteen tila ja asema kesällä 25 Kesäkuun lopussa 25 tehtiin koekuoppa tien poikki raudoitteen tasoon asti Majoon raudoiteosuuden paalulla 359 (kuvat 15 17) sekä Urimon raudoiteosuuden paalulla 148 (kuvat 2 22). Tien korkeusviiva vaaittiin poikkileikkauksessa sekä mitattiin raudoitteen syvyys tien pinnasta. Esiin kaivetusta raudoitteesta otettiin näytteet noin,5 x,5 m 2 raudoitteen kunnon määritystä varten (kuvat 19 ja 24). Urasyvyys määritettiin otaksumalla, että raudoiteverkon keskilinja ja reuna olivat pysyneet lähtökorkeudessa (1996 syksy), ja kaistalla määritetty nuolipoikkeama tästä tasosta edusti liikenteen aiheuttamaa urautumista. Majoo 16 19 2 22 22 2 15 Verkon syvyys pinnasta, mm 25 17 26 45 35 26 Urasyvyyys mm Kuva 15 Majoo, Pl. 359. Raudoitteen ja tienpinnan korkeusasema, raudoitteen syvyys tien pinnasta sekä raudoitteen muodosta määritetty urasyvyys. 17
Kuva 16 Majoo. Pl 359. Yleiskuva kohteesta. Kuva 17 Majoo, Pl 359. Koekuoppa. Kantavuuden kehittymistä Majoon paalulla 359 sulamiskaudella 25 on esitetty kuvassa 18. Mittaus pisteessä 148 tehtiin menosuuntaan oikealla kaistalla, ja kantavuutta vasemmalla kaistalla voidaan arvioida paalulla 358 ja 36 tehtyjen mittausten perusteella. Kantavuus oli pienimmillään toukokuun lopussa noin 5 8 MPa. Leppävirta, Majoo Pl. 359 2 Kantavuus E2 MPa 18 16 14 12 358 1 359 8 36 6 4 2 1.5.25 11.5.25 21.5.25 31.5.25 1.6.25 2.6.25 3.6.25 1.7.25 2.7.25 Pvm Kuva 18 Kantavuuskehitys raudoitteen näytteenottopoikkileikkauksessa keväällä 25. Oikea kaista E2(359), vasen kaista E2(358, 36). 18
Kuva 19 Majoo PL. 359. Teräsverkkonäyte noin,5x,5 m 2. Kuvan 19 mukaan teräslankojen pinnassa oli ruostetta, mutta lankapaksuudet olivat edelleen 5 tai 7 mm. Urimo 12 16 13 13 14 16 13 Verkon syvyys pinnasta, mm 19 47 66 85 66 28 9 38 19 Urasyvyys mm Kuva 2 Urimo, Pl. 148. Leikkaus koekuopasta. Tienpinnan korkeuspoikkileikkaus, raudoitteen syvyys tien pinnasta sekä raudoitteen profiilista määritetty urasyvyys. 19
Kuva 21 Urimo, Pl 148. Yleiskuva ennen kaivua. Kuva 22 Urimo, Pl 148. Koekuoppa. Kantavuuden kehittymistä Urimon paalulla 148 sulamiskaudella 25 on esitetty kuvassa 23. Mittaus pisteessä 148 tehtiin menosuuntaan oikealla kaistalla, ja kantavuutta vasemmalla kaistalla voidaan arvioida paalulla 147 ja 149 tehtyjen mittausten perusteella. Kantavuus oli pienimmillään toukokuun lopussa noin 45 5 MPa. Leppävirta Urimo Pl. 148 Kantavuus E2 MPa 24, 22, 2, 18, 16, 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, 1.5.25 11.5.25 21.5.25 31.5.25 1.6.25 2.6.25 3.6.25 1.7.25 2.7.25 Pvm 147 148 149 Kuva 23 Urimo, pl. 148. Kantavuuskehitys raudoitteen näytteenottopoikkileikkauksessa keväällä 25. Oikea kaista E2(148), vasen kaista E2(147, 149). 2
Kuva 24 Urimo, PL. 148. Teräsverkkonäyte noin,5x,5 m 2. 7. Urautuminen suhteessa kevätkantavuuteen Kaistalla mitatun minimikantavuuden ja raudoitteesta määritetyn urautumisen vuorosuhdetta on esitetty kuvassa 25. Sen mukaan urasyvyys on sitä suurempi, mitä alempi oli kevätkantavuuden minimiarvo ko. kaistalla. Liikennemääristä ei ole ollut tietoa. On mahdollista, että kuormituskertaluku oikealla ja vasemmalla kaistalla on ollut erilainen. Majoo, Urimo Urasyvyys 1997 25 vs. kevätkantavuus 25 Urasyvyys mm 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 Kevätkantavuus E2, MPa Vasen Oikea Kuva 25 Raudoitteen taipuman perusteella arvioitu urasyvyys 3.6.25 Majoolla pl. 359 ja Urimossa pl. 148 verrattuna kevään 25 pienimmän mitatun kantavuuden perusteella. 21
8. Yhteenveto Todettiin, että vertailuosuuden vuoden 25 kesäkantavuus (12 14 MPa) on ollut sama kuin ennen rakentamista (12 MPa), syksyllä 1996. Raudoiteosuuden kesäkantavuus vuonna 25 (17 19 MPa) oli merkittävästi suurempi kuin ennen rakentamista, syksyllä 1996 (15 MPa). kantavuusminimi mitattiin keväällä 1997 ja 1998 kesäkuun puolivälissä, jolloin sulaminen oli päättymässä (roudan syvyys 1,8 metriä). raudoite ja vertailuosuuden kantavuusminimi mitattiin keväällä 25 toukokuun lopussa, kun sulaminen oli päättymässä (roudan syvyys noin 1,5 metriä). Vertailuosuuden keskimääräinen minimikantavuus oli 1997 noin 1 MPa, 1998 noin 8 MPa ja 25 noin 7 MPa. Raudoiteosuuden keskimääräinen minimikantavuus oli 1997 noin 13 MPa, 1998 noin 1 MPa ja 25 noin 7 MPa. Raudoiteosuuden minimikantavuus aleni verrattuna vertailuosuuden minimikantavuuteen 1997 25. Raudoiterakenteen ekvivalenttimoduuli (kimmomoduuli) oli keväällä 25 alempi kuin vuosina 1997 ja 1998 sulamiskaudella. Keväällä 25 sulamisen päättyessä moduuli oli noin 3 MPa, kun keväällä 1997 sulamisen päättyessä se oli noin 4 MPa. Vaikka kesäkantavuuksien ero raudoite ja vertailuosuuksien välillä on pysynyt, niin kelirikossa olleen rakenteen kantavuudessa ero ei näkynyt keväällä 25. Kevätkantavuuden alenemaan vaikutti myös raudoitetun murskekerroksen oheneminen. Raudoite oli Urimossa keskimäärin 14 mm:n ja Majoossa noin 19 mm:n syvyydessä tien pinnasta (suunnitelman mukainen syvyys oli 2 25 mm). Urasyvyys (raudoitteen nuolipoikkeama alaspäin raudoitteen keskilinjan ja reunan välisestä tasosta) oli Urimossa oikealla kaistalla noin 4 mm ja vasemmalla kaistalla noin 85 mm. Majoossa oli urautuminen paalutuksen kasvusuuntaan oikealla kaistalla noin 4 mm ja vasemmalla kaistalla noin 25 mm. Koekuoppatutkimuksen mukaan raudoitteen langat olivat ruostekerroksen peitossa, mutta langan korroosio oli vähäistä. Raudoitteen painohäviötä ei tässä vaiheessa määritetty. 9. Johtopäätökset ja suositukset 1. Pudotuspainomittaus osoittautui sopivaksi myös soratien kantavuuden mittaamiseen. 2. Minimikantavuus saavutettiin keskimäärin silloin, kun sulaminen oli päättymässä. Näin ollen kevätpehmenemiskauden päättyminen riippui roudan syvyydestä. 3. Kesäolosuhteissa raudoitteen jäykistysvaikutus näytti säilyneen rakentamisvaiheen tasolla. 4. Sulamisvaiheessa raudoitetun rakenteen kantavuus läheni vertailurakenteen kantavuutta. Raudoitteen toiminta pehmenneessä rakenteessa oli heikentynyt. Raudoitteen lujitusvaikutusta sitomattomassa murskekerroksessa sulamisaikana voitaisiin ehkä parantaa kasvattamalla murskeen raekokoa, pienentämällä verkon silmäkokoa tai stabiloimalla murske. 5. Raudoitettujen poikkileikkausten urasyvyys kasvoi minimikantavuuden pienetessä. Keskimääräinen urautumisnopeus oli ajalla 1997 25 kantavuustasolla 4 MPa noin 11 mm/a (85 mm), kantavuustasolla 5 MPa noin 6 mm/a (45 mm) ja kantavuustasolla 8 MPa noin 3 mm/a (25 mm). Liikennekuormituksesta ei ollut mitattua tietoa. 22
6. Todettiin, että murske ja savisorakerroksen paksuus raudoitteen päällä oli koekuopissa noin 14 19 mm, kun se oli suunnitelmissa noin 2 mm. Murskeen lisäys kunnossapidossa olisi tarpeen siksi, ettei raudoite pinnan kulumisen myötä tule tien pintaan. 7. Raudoitetun rakenteen ja vertailurakenteen kantavuus oli sama keväällä ja raudoitetun rakenteen kantavuus oli korkeampi kuin vertailurakenteen kesällä. Tämä viittasi siihen, että kesällä, kun rakenteet olivat jäykkiä, raudoitettu murske toimi jäykistettynä laattana. 8. Keväällä teräsverkko toimi leikkausraudoitteena, jolloin kantavuuslisä oli vähäinen. Mitattu urautuminen oli raudoitetulla osuudella kevätkantavuuteen (min 45 MPa) suhteessa pieni (max. 85 mm 8 vuodessa). Vertailuosuuksien urautumista ei mitattu. 9. Teräsraudoitteita voitiin tämän perusteella suositella käytettäväksi soratierakenteissa niiden kelirikkovaurioiden ja urautumisen vähentämiseksi. Raudoitteen päälle tulisi rakentaa vähintään 2 mm:n murskekerros, jonka paksuutta olisi ylläpidettävä kunnossapitomurskeella. Korjausrakenteen mitoitus näytti edellyttävän kehittämistä ja täsmentämistä. Kehittäminen edellyttäisi näiltä osin mm. hyvin dokumentoitujen koerakenteiden tekemistä, joissa mitoitusta voidaan todentaa. 1. Raudoitteen ruostuminen oli vähäistä. Raudoitteen toimintaiäksi arvioitiin ainakin 3 vuotta. 1. Viitteet Kangas, H., Onninen, H. & Saarelainen, S. Testing of a pavement on thawing, frost susceptible subgrade with the heavy vehicle simulator. Finnra Reports 31/2. Korkiala Tanttu L., Laaksonen R. & Törnqvist J. Reinforcement of the edge of a steep sloped pavement. HVS Nordic Heavy Vehicle Simulator test structures.helsinki 23. Finnish Road Administration. Finnra Reports 38/23. 46 p. + app. 24 p. REFLEX. Reinforcement of flexible road structures with steel fabrics to prolong service life. REFLEX Report T9:2. Final report. Guidelines. VTI, Sweden 22. 171 s. Saarelainen S. 1999. Kelirikkoisen soratien kantavuuden parantaminen. Bitumistabilointi ja raudoitettu murske. Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 6/99. Tiehallinto ja Savo Karjalan tiepiiri. 98 s. STRESS.Takaisinlaskentaohjelma Stress. Sisältyy APAS ohjelmistoon. Teräsverkkojen asentaminen, Käytännön ohjeita, Tielaitoksen sisäisiä julkaisuja 13/1991. Oulu 1991. Oulun tuotantotekninen kehitysyksikkö. Teräsverkkojen käyttö lujitteina tie ja katurakenteissa. Tammet & Innogeo Oy. 1999. 23