Tutkimusraportti TPPT 23 13.12.2001 POHJAMAAN URAUTUMISEN JA SULAMISEN ARVIOINTI KEVÄTKANTAVUUSVAIHEESSA Seppo Saarelainen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka 1(21)
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 raportin Pohjamaan urautumisen ja sulamisen arviointi kevätkantavuusvaiheessa on laatinut erikoistutkija Seppo Saarelainen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Raportissa esitetty menettelytapa urautumisen arviomiseksi on vielä kehittelyn alaisena ja se kaipaa myös verifiointia käytännön havainnoilla. Tästä syystä tämä raportti ei ole vielä kentällä yleiseen käyttöön soveltuva menetelmäkuvaus. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne 2(21)
Sisällysluettelo 1 JOHDANTO...4 2 POHJAMAAN URAUTUMISEN ARVIOINTI KEVÄTKANTAVUUSKAUDELLA.. 6 3 KEVÄTKANTAVUUSKEHITYKSEN ARVIOINTI SULAMISKEHITYKSEN JA POHJAMAAN KANTAVUUSLUOKAN PERUSTEELLA...7 4 URAUTUMINEN VS. SULAMISSYVYYS, LASKENTAESIMERKKI...9 5 TIENPINNAN LÄMPÖASTESUMMAN ARVIOINTI SULAMISKAUDELLA... 13 5.1 Ilman lämpöastesumman kertymän arviointi...13 5.2 Pinnalle tulevan säteilyn vaikutuksen huomioonottaminen...15 5.3 Tienpinnan lämpöastesumman kertymä...16 6 SULAMISKAUDEN PITUUDEN ARVIOINTI JA MÄÄRITYS...17 6.1 Sulamissyvyyden arviointi...17 6.2 Sulamisen päättymisen arviointi...18 3(21)
1 Johdanto TPPT-suunnittelujärjestelmä sisältää ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tien painuma voidaan laskea ja tierakenne (tien rakennekerrokset) voidaan routakestävyyden ja kuormituskestävyyden kannalta kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa (TPPT Raportti " Tien pohja- ja päällysrakenteet -tutkimusohjelma TPPTsuunnittelujärjestelmän kuvaus". Suunnittelujärjestelmän mukainen tierakenteiden mitoituksen periaatekaavio on esitetty kuvassa 1. Tielinjan painuvien kohtien tunnistaminen Painumalaskelmat Tien pohjarakenteet Pohjanvahvistukset Routimisominaisuudet tielinjalla Routamitoitus Rakenteet Vaikuttavatko routarakenneratkaisut tien painumiseen? Ei Kyllä Mitoitus liikennekuormitukselle Rakenteet Vaikuttavatko rakenteet tien routakäyttäytymiseen tai painumiseen? Kyllä Ei Tarkastellaan pohjamaan ja rakennekerrosten urautumisriski Tapahtuuko haitallista urautumista? Kyllä Ei Elinkaarikustannustarkastelu Kuva 1 Tierakenteiden mitoituksen periaatekaavio. Tiehen syntyy epätasaisuutta ja tierakenne vaurioituu liikenne- ja ilmastorasitusten sekä painumien vaikutuksesta. Mm. tien alustavaa tasausviivaa ja luonnontilaista maanpintaa lähtötietona käyttäen lasketaan rakenteesta maapohjaan kohdistuva lisäkuormitus ja sen aiheuttamat painumat (Menetelmäkuvaus TPPT 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pixelimallilla). Sellaisille kohdille, joissa painumat / painumaerot tulevat tarkasteluaikana ylittämään kriteerit, valitaan ja mitoitetaan pohjanvahvistusra- 4(21)
kenteet (kuva 1). Painuman laskennan perusteella määritetty pohjarakennustapa määrittelee tierakenteen kokonaispaksuuden eli tierakenteen painon maksimin. Pohjanvahvistusrakenteet saattavat muuttaa (parantaa) luonnontilaisen pohjamaan routimisominaisuuksia tai muita routamitoitukseen vaikuttavia asioita. Painumamitoituksen tuottamat homogeeniset osuudet, pohjamaan ominaisuudet sekä suunnitellut pohjarakenneratkaisut toimivat lähtötietona routanousumitoitukselle (kuva 1). Tielinja jaetaan pituussuunnassa homogeenisiin osuuksiin, joille routamitoitus tehdään (Menetelmäkuvaus TPPT 18 Tierakenteen routamitoitus). Routamitoitus määrää rakenteen kokonaispaksuuden alarajan. Routamitoituksen jälkeen tarkistetaan, onko rakenteen painumakäyttäytyminen muuttunut ja tarvittaessa mitoitetaan rakenteet uudelleen painumalle. Painuman laskenta ja routamitoitus tuottavat kullekin homogeeniselle osuudelle rakenteen, joka mitoitetaan kuormituskestävyydelle rakenteeseen tarkastelujakson aikana kohdistuvan liikennerasituksen perusteella (Menetelmäkuvaus TPPT 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen). Kumulatiivinen kuormituskertaluku määrittää kriittisille päällysteen muodonmuutoksille tai taipumaerotukselle (SCI300) suurimman sallitun arvon ja siten päällysrakenteen yläosan rakennekerrospaksuudet. Kuormituskestävyysmitoituksen jälkeen tarkistetaan, ovatko rakenteen painuma- ja routakäyttäytyminen muuttuneet ja tarvittaessa mitoitetaan rakenteet uudelleen painumalle ja / tai roudalle (kuva 1). Rakenteiden kestävyys roudan sulamisvaiheelle (kevätkantavuus) tarkastellaan viimeiseksi. Tällöin määritetään liikennekuormituksen aiheuttamat muodonmuutokset pohjamaan pinnassa (pohjamaan urautusmisriskin arviointi). Tarkastelu on tarpeen tehdä ainakin voimakkaasti routivalla tai muuten pehmeällä pohjamaalla silloin, kun rakenteen jäykkyys on pieni (esimerkiksi routaeristetyt tai/ja routanousua kestäviksi vahvistetut rakenteet, joissa lujite on vain rakenteen yläosassa). Lopuksi tulee jälleen tarkistaa, ovatko rakenteen painuma- ja routakäyttäytyminen tai kuormituskestävyys muuttuneet. Tarvittaessa päällysrakenne mitoitetaan uudelleen liikennekuormitukselle. Tässä raportissa on kuvattu menettelytapa pohjamaan urautumisen arvioimiseksi ja pohjamaan sulamisvaiheen määrittämiseksi kevätkantavuusvaiheessa, jolloin pohjamaan sulaminen aiheuttaa kantavuuden heikkenemistä. Urautumisriski paksupäällysteisillä teillä, joille TPPT-suunnittelujärjestelmän kuormituskestävyysmitoitusmenettely on ensisijaisesti laadittu, on vähäisempi kuin kevytpäällysteisillä teillä. Esitetty menettelytapa urautumisen arvioimiseksi on likimääräsimenettely ja se on kehitetty TPPTohjelmassa suoritettujen HVS-kokeiden tulosten perusteella (Kangas & al. 2000). Menettelytapa on kehittelyn alaisena ja sen luotettavuus kaipaa verifiointia käytännön havainnoilla. Tässä raportissa on ensin kuvattu urautumisen määrittämistä ja kevätkantavuuden arviointia. Urautumisen ja sulamissyvyyden laskemisesta on esitetty esimerkki. Näiden jälkeen on kuvattu sulamisyyvyyden arvionnissa tarvittavien lähtötietojen määrittämistä: tienpinnan lämpöastesummaa ja sulamiskauden pituutta. Yksityiskohtaisemmin tässä raportissa esitettyjä asioita on käsitelty mm. raportissa: Saarelainen, S. Maapohjan kantavuus sulamisvaiheessa. TPPT Työraportti nro RA 13. 2000. 5(21)
2 Pohjamaan urautumisen arviointi kevätkantavuuskaudella Pohjamaan urautumisen arvioinnissa kuormituskestävyyden mitoitusta varten tarvitaan tietoa pohjamaan sulamisen kestosta ja ajoittumisesta sekä kantavuuskehityksestä. Tien sulamisen päättyminen tulee määrittää ottaen huomioon paikalliset tienpinnan lämpötilaolot ja menneen talven pakkasmäärä (roudan syvyys) (luku 6.5). Samalla tulee määrittää pohjamaan kantavuus sulamiskaudella (luku 3.3). Sulamisen alku, sulamissyvyyden paikallinen kehitys ja sulamisen päättyminen määritetään tien pinnan lämpöastesumman perusteella ottaen huomioon paikallinen, talven pakkasmäärää vastaava roudan syvyys (luku 5). Kevätkantavuutena käytetään joko pohjamaan kevätkantavuusluokituksen mukaista kantavuutta (taulukkoarvo: Teiden suunnittelu. Tien rakenteet, kansio 4B, TIEL:n julkaisuja 1984) tai paikallista, mittausten perusteella arvioitua kevätkantavuutta. Urautumisen arviointi Alusrakenteen pystymuodonmuutos lasketaan standardipyöräkuormalla käyttäen päällysrakenteen kerrosten paksuuksia, niiden alennettuja materiaalimoduuleita (90 % kesäarvosta) ja alusrakenteen kevätkantavuutta. Urautuminen tien suunnitteluiällä arvioidaan vuosittaisen urautumisen ja käyttövuosien tulona. Sulaneen alusrakenteen pystymuodonmuutoksen kasvua ajourien kohdalla kelirikkokautena arvioidaan urautumismallilla (1). Urautumismalli on empiirinen ja perustuu sulavan alusrakenteen HVS-testaustuloksiin (Kangas et al. 2000). 1,27 10 ε 5 4,06 u = N (1) missä u on uran syvyyden kasvu kelirikkokautena, mm/a N kuormituskertaluku kelirikkoaikana, 1/a ε alusrakenteen pinnan pystymuodonmuutos Rakennekerroksissa tapahtuva pysyvä muodonmuutos arvioidaan vastaavasti määrittämällä rakennekerroksen kokonaismuodonmuutos pehmeimmässä tilassa (esimerkiksi kantavan kerroksen ollessa veden kyllästämä sen sulaessa). Rakennemateriaalien urautumismalleja ei ole toistaiseksi saatavilla. Soveltaminen Esitetty menettely on tarkoitettu ensisijaisesti urautumisen arviointia varten. Menettelyllä saadaan arvio pohjamaan urautumisen kasvusta vuositasolla ja kestoiän aikana. Urautumisen ohella menettelyä voidaan soveltuvin osin käyttää mm. - epästabiilin kauden rajaamiseen korjausten toteuttamista varten, - sulamispainumamittausten suunnitteluun ja - kevätkantavuusmittausten suunnitteluun ja tulosten analysointiin. 6(21)
3 Kevätkantavuuskehityksen arviointi sulamiskehityksen ja pohjamaan kantavuusluokan perusteella Pohjamaan kevätkantavuutta tarvitaan määritettäessä rakenteen ja pohjamaan deformaatioita rakenteen kuormituskestävyysmitoituksen yhteydessä. Tässä tarkastellaan kevätkantavuuskauden mitoitusarvon arviointia ja kevätkantavuuden määrittämistä kenttämittausten (esim. menetelmäkuvaus TPPT 1 Pudotuspainolaitemittaus (PPLmittaus)) perusteella. Kevätkantavuutta tarvitaan arvioitaessa pohjamaan urautumista tai rakenteen kestoikää kuormituskestävyysmitoituksen yhteydessä. Edelleen tietoa voidaan käyttää hyväksi kevätkantavuusmittausten tuloksia arvioitaessa (Menetelmäkuvaus TPPT 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta). Menettelytapa Kevätkantavuuden arvioinnin pohjana on tien alusrakenteen kevätkantavuusluokitus (Teiden suunnittelu. Tien rakenteet, kansio 4B, TIEL:n julkaisuja 1984). Kevätkantavuuden otaksutaan olevan kantavuuden minimiarvo sulamiskaudella. Se on myös sulaneen kerroksen materiaalimoduulin likiarvo. Pohjamaan pinnan kevätkantavuuskehitystä arvioidaan sulamisen edetessä niin, että alla on jäätynyt kerros (E = noin 100 MPa), alusrakenteen pinnassa sulanut kerros, jonka moduuli vastaa maalajin kevätkantavuutta ja päällä rakennekerrokset, joiden moduulit vastaavat materiaalien sulamisvaiheen kantavuusarvoa (noin 0,9 x E). Näillä kerrosmoduuleilla voidaan laskea tienpinnan kantavuusmoduuli. Näitä arvoja käyttäen voidaan myös arvioida pohjamaan, rakennekerrosten ja päällysteen kokonaisdeformaatioita. Kantavuuden kehittyminen sulamisaikana Pohjamaan kantavuus on yleensä alimmillaan sulamisen päättyessä. Rakenteen kantavuus voidaan tällöin mitata ja takaisinlaskennalla voidaan määrittää pohjamaan kantavuusmoduuli (Menetelmäkuvaus TPPT 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta). Jos PPL:n mittustieto puuttuu, niin pohjamaan kantavuuden likiarvona voidaan käyttää kantavuusluokan mukaista arvoa. Jos kantavuus mitataan silloin, kun routinut alusrakenne on osittain sulanut, niin takaisinlaskennalla määritetyn pohjamaan materiaalimoduulin arvon perusteella lasketaan pohjamaan minimikantavuus. Sulaneen kerroksen paksuudeksi oletetaan routineen kerroksen koko paksuus. Päällysrakenteen sulaessa tien kantavuutta pienentää päällysrakennekerrosten pehmeneminen, joka kuitenkin hyvin rakennetuilla teillä on vähäistä (moduuli 80-90 % kesäajan arvoista). Jäätyneen alustan kantavuus on suuri. Kantavuus alenee voimakkaasti, kun sulaminen etenee pohjamaahan. Kantavuus alenee edelleen, kunnes routa on sulanut kokonaan. Tämän jälkeen sulanut pohjamaa tiivistyy ja lujittuu kesäarvoon 0,5-2 kuukaudessa. Sulamissyvyyden kehittymistä voidaan laskennallisesti arvioida lämpöastesumman kehittymisen suhteen myös itse tierakenteessa, kun tunnetaan rakennepaksuudet ja kerrosten lämpötekniset ominaisuudet (luku 6). Kantavuuden hetkellistä arvoa voidaan arvioida, kun tunnetaan päällysrakennekerrosten paksuudet ja niiden sulamisvaiheen moduulit sekä sulaneen pohjamaan paksuus ja moduuli. Pinnan kantavuuteen vaikuttaa myös jäätyneen pohjamaan sekä jäätyneen kerroksen alaisen, sulan pohjamaan kantavuus. 7(21)
Kevätkantavuuden tarkistus Kevätkantavuuden saatu arvo on mahdollista tarkistaa mittaamalla pinnan kantavuutta sulamisvaiheessa pudotuspainolaitteella. 8(21)
4 Urautuminen vs. sulamissyvyys, laskentaesimerkki Esimerkkikohteena on Tattaran paikallistie, josta on tehty kantavuusmittauksia sulamisaikana useina vuosina v. 1988 lähtien (Nakkilan (Tattaran Pt 12895) koetien routaja kantavuustutkimukset. TPPT Työraportit Nrot E17 joulukuu 1998, RA15 tammikuu 2000, RA17 joulukuu 2000). Tarkastelussa käytetään keskimääräisen talven ja kesän ilmastotietoja Tattaraan sovellettuna: - talven pakkasmäärä 17 000 Kh - Ilman lämpöastesumma 53 000 Kh Roudan syvyys ja sulamisen syvyys Keskimääräinen roudan syvyys pakkasmäärän perusteella arvioituna on noin 1300 mm. Sulamisen syvyys arvioidaan ilman lämpöastesumman kehityksen ja säteilyn lämpövaikutuksen perusteella (taulukko 1). Taulukko 1. Tienpinnan lämpöastesumman kertymä ja sulamissyvyyden kehittyminen kuukausittain. Kuukausi Ilman lämpöastesumman lisäys, Kh/kk Ilman ja asfaltin lämpötilaero, C Säteilyn vaikutus, Kh/kk Tienpinnan lämpöastesumma, Kh Sulamissyvyys kuun lopussa, m maaliskuu 0 3 2 232 2 232 0,5 huhtikuu 2 000 5 3 600 7 832 0,9 toukokuu 6 000 7 5 208 19 040 1,4 kesäkuu 9 000 8 5 760 33 800 1,8 heinäkuu 13 000 8 5 952 57 252 2,4 elokuu 12 000 4 2 976 67 728 2,6 Taulukon 1 mukaan sulaminen alkaa keskimäärin maaliskuussa ja päättyy toukokuun lopulla. Sulamissyvyyden kehittyminen on esitetty graafisesti kuvassa 2. Sulamissyvyys kuukauden lopussa normaalikeväänä, Tattara Kuukausi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0-0,5 Sulamissyvyys, m -1-1,5-2 -2,5-3 Kuva 2. Sulamissyvyyden kehittyminen normaalikeväänä Tattarassa. 9(21)
Kantavuuskehitys sulamisaikana Tattarassa päällysrakenteen paksuus oli suhteellisen pieni. Seuraavassa käytetään päällysrakenteen paksuutena 0,5 m ja sen alla otaksutaan olevan routivan saven. Tien pinnan kantavuus on laskettu seuraavissa tilanteissa (I-IV): I päällysrakenne sulanut, alusrakenne jäässä 0,8 m, alla sula savi (tilanne Tattarassa 1.4.) II päällysrakenne ja 0,25 m alusrakennetta sulanut 0,25 m, alusrakenne jäässä 0,55 m, alla sula savi (tilanne Tattarassa 15.4.) III päällysrakenne ja 0,5 m alusrakennetta sulanut, alusrakenne jäässä vielä 0,3 m, alla sula savi (tilanne Tattarassa 10.5.) IV päällysrakenne ja alusrakenne sulanut (0,8 m), alla sula savi (tilanne Tattarassa 20.5) Tierakenteen ominaisuudet: Päällyste Ös E=500 MPa Murske E=200 MPa Sulanut savi E=10 MPa Jäätynyt savi E=100 MPa Sula savi E=50 MPa Kantavuudet eri vaiheissa laskettiin Odemarkin kaavalla. Pinnan kantavuuskehitys on esitetty kuvassa 3. Päällysrakennemateriaalin kimmomoduulin otaksutaan pysyvän kesätilanteen mukaisena (alenema voi olla 10-20 % sulamisvaiheessa). Kantavuuden kehittyminen kalenteriajassa on esitetty kuvassa 4. Esimerkki Kantavuus vs. sulamissyvyys 350 300 Tienpinnan kantavuus, MPa 250 200 150 100 50 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Sulamissyvyys, m Kuva 3. Kantavuuden aleneminen sulamisen edetessä (päällysrakenne 0,5 m, sulaneen saven kantavuus 10 MPa, alla olevan sulan saven kantavuus 40 MPa). 10(21)
Kantavuus kalenteriajassa Tienpinnan kantavuus, MPa 350 300 250 200 150 100 50 0 8-helmi 10-maalis 9-huhti 9-touko 8-kesä 8-heinä 7-elo Aika Kuva 4. Kantavuuden muuttuminen kalenteriajassa. Jäännösmuodonmuutokset ja urautuminen Urautumisen arvioimiseksi laskettiin ensin rakennekerrosten jäännösmuodonmuutokset ja sitten soveltamalla urautumismallia kerroksen pysyvä muodonmuutos, joka vastaa 10 000 kuormituskertaa. Jännitykset eri maakerroksissa laskettiin määrittämällä ekvivalenttikerrospaksuudet Odemarkin kaavalla (2). h* E i = hi 0,9 3 (2) Ea h* ekvivalenttikerroksen paksuus, m h i todellisen kerroksen i paksuus, m E i kerroksen i kimmomoduuli, MPa vertailukerroksen (tässä sulanut savi) kimmomoduuli, MPa E a Ekvivalenttisyvyys tien pinnasta saatiin Boussinesq'in teorian mukaan pyöräkuorman (50 kn, kuormituspinta φ 300 mm) alla kaavalla (3). 3 / 2 1 σ z = p 1 (3) 2 1+ ( a / z) σ z Pystyjännitys syvyydellä z, kpa p kosketuspaine tien pinnalla, kpa a kosketuspinnan säde, m z ekvivalenttisyvyys, m Laskettu jännitys kerroksessa i jaettiin kerroksen i kimmomoduulilla, jolloin saatiin ko. kerroksessa syntynyt jäännösmuodonmuutos. Urautuminen laskettiin soveltaen sulavalle rakenteelle määritettyä urautumismallia (4) (= kaava 1) (Kangas et al. 2000). 11(21)
5 4,06 u = N 1,27 10 ε (4) u N ε pysyvä painuma alusrakenteen pinnassa kuormituskertaluku pystymuodonmuutos alusrakenteen pinnassa Pysyvä muodonmuutos laskettiin alusrakenteessa sen pinnan muodonmuutoksen perusteella. Pinnan pystysiirtymä on sama kuin urasyvyys. Sulamiskauden urautuminen laskettuna tällä tavalla eri tilanteille (I-IV) kuormituskertaluvulla 10 000 aks/a on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Arvio urautumisesta Tattaran rakenteella yhden kelirikkokauden aikana. Jakso E 2 (Odemark) E 2 (malli) Pysyvä painuma 10 000 aks Jakson pituus vk Urasyv/ jakso I 160 238 2,8 mm 1 0,05 mm II 86 107 49 mm 2 1,9 mm III 73 78 59 mm 3 3,4 mm IV 67 62 63 mm 2 2,4 mm yht 7,75 mm Jos urasyvyys lasketaan jakson IV arvoilla, saadaan tulokseksi noin 9,7 mm. Tämän mukaan urautumisen ennalta-arviointi voidaan kohtuullisen luotettavasti tehdä heikoimman tilanteen mukaan, joka on voimassa koko kelirikkoajan. Näin saatu tulos on varmalla puolella. 12(21)
5 Tienpinnan lämpöastesumman arviointi sulamiskaudella Tienpinnan lämpöastesumman avulla on mahdollista paikallisesti arvioida tierakenteen sulamista keväällä. Tienpinnan lämpöastesumma lasketaan lisäämällä ilman lämpöastesummaan tienpinnalle kohdistuvan säteilyn aiheuttama lämpövaikutus Ilman lämpöastesumma on suhteellisen vakaa, paikallinen arvo. Se voidaan määrittää seudulliseksi lähtötiedoksi, jota käytetään toistuvasti tai se voidaan määrittää suunnittelu- tai mittaustilanteessa hetkellisesti. 5.1 Ilman lämpöastesumman kertymän arviointi Ilman lämpöastesumma kohteessa määritetään lähimmän ilmastoaseman tietojen ja säteilyvaikutuksen perusteella (kuva 5). Jos halutaan käyttää muuta kuin keskimääräisesti toistuvaa arvoa, voidaan lämpöastesumma arvioida kuvasta 6. Ilman lämpöastesumman kertymä määritetään ilman lämpöastesumman perusteella kuvasta 6. Kuukausittaiseen lämpöastekertymään lisätään säteilyn lämpövaikutuksesta asfaltin pinnassa syntyvän lämpenemisen vaikutus, joka on kuukausittainen lämpötilaero x kuukauden tuntien määrä (huhti- ja kesäkuussa 720 h, touko-, heinä- ja elokuussa 744 h jne.) kaavalla (5). Kuukausittainen lämpötilaero saadaan kuvasta 8. T kk) = Σ( T t ) (5) te ( kk kk missä T te (kk) on T kk t kk tienpinnan lämpöastesumman lisäys säteilystä johtuen, Kh tienpinnan ja ilman lämpötilaero kuukausittain, K kuukauden tuntien lukumäärä, h Tienpinnan lämpöastesumma lasketaan kaavalla (6). T asf ( kk) = T ( kk) + T ( kk) (6) ilma te T asf on T ilma (kk) T te (kk) tienpinnan lämpöastesumma kuukauden lopussa ilman lämpöastesumma kuukauden lopussa säteilystä johtuva astesumman lisäys kuukauden lopussa 13(21)
T2 31 Nuorgam 30 000 Kh Ivalo Kilpisjärvi 25 35 30 000 Kh Muonio 32 35 000 Kh Sodankylä 35 000 Kh 36 Salla Apukka 40 000 Kh Portimojärvi39 36 42 Kuusamo Kemi 37 Pudasjärvi 43 40 000 Kh 45 000 Kh Oulu 43Suomussalmi 47 41 Kajaani 45 Vieremä 45 000 Kh Kruunupyy 45 Lieksa 48 50 000 Kh 47 Vaasa Alajärvi Vesanto Kuopio Joensuu 50 44,5 47 51 Jyväskylä Varkaus 49 50 000 Kh Kihniö 48,5 49,5 Punkaharju Leivonmäki 48 49 52,5 Pori Pälkäne Lappeenranta 54 53,5 Lahti Jokioinen 53,5 55 000 Kh Turku 53 52 55 000 Kh Vantaa 57 Rankki 56 56 Kuva 5. Ilman keskimääräinen lämpöastesumma kesäkaudella vv. 1961-90. Lämpöastesumman toistuvuus vv. 1961-90 Lämpöastesumma eri toistuvuuksilla, 1000 Kh 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Lämpöastesumman mediaani, 1000 Kh Mediaani Max 1/10a Max 1/50a Min 1/10a Min 1/50a Kuva 6. Ilman lämpöastesumman toistuvuus sääaseman lämpöastesumman mediaanin suhteen (Ilmatieteen laitoksen tilastot). 14(21)
Ilman lämpöastesumman kuukausittainen kertymä Suomessa Kuukausittainen lämpöastesumman kertymä, Kh 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 syys 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 Kesän lämpöastesumma, Kh elo heinä kesä touko huhti Kuva 7. Ilman lämpöastesumman kuukausittainen kertymä koko kesän lämpöastesumman suhteen. Lämpötilaero, C 20 15 10 5 0 0 TamHel MaaHuh Tou Kes Hei Elo Syy Lok Mar Jou Kuukausi Lämpötilaero, E(Sodankylä) E(Jyväskylä) E(Jokioinen) E(Helsinki-Vantaa) 200 150 100 50 Kuukausittainen globaalisäteily E, kwh/kk.m2 Kuva 8. Vaakatasolle tulevan kokonaissäteilyn kuukausiarvo eri havaintopaikoilla sekä tienpinnan ja ilman kuukausittainen lämpötilaero eri kuukausina. 5.2 Pinnalle tulevan säteilyn vaikutuksen huomioon ottaminen Tien pinnan lämpöastesumma arvioidaan ottamalla huomioon ilman lämpötilakehitys sekä pinnalle tulevasta säteilystä aiheutuva lämpeneminen. Tienpinnalle tulevan säteilyn (hajasäteily, auringon säteily) vaikutus on havaintojen mukaan likimäärin vakio koko maassa. Lämmitysvaikutus otetaan huomioon pinnan ja ilman lämpötilaerona, joka kuukausittain on taulukon 3 mukainen. 15(21)
Taulukko 3. Kuukausittainen ilman ja tienpinnan lämpötilaero sekä vastaava lämpöastesumman lisäys. Kuukausi Ilman ja tienpinnan lämpötilaero, ºC Lämpöastesumman lisäys, Kh Tammi 0 0 Helmi 0 0 Maalis 3 2232 Huhti 5 3600 Touko 7 5208 Kesä 8 5760 Heinä 8 5952 Elo 4 5952 Syys 2 1440 Loka 1 744 Marras 0 0 Joulu 0 0 5.3 Tienpinnan lämpöastesumman kertymä Ensin määritetään kohteessa kuukausittain ilman lämpöastesumma. Tähän lisätään lämpövaikutuksesta aiheutuva kuukausittainen lisä (taulukko 1). Senjälkeen lasketaan kuukausittainen tienpinnan lämpöastesumman kertymä sulamiskauden alusta lukien. 16(21)
6 Sulamiskauden pituuden arviointi ja määritys Sulamiskauden keston avulla on mahdollista paikallisesti arvioida tierakenteen alentuneen kevätkantavuuden kestoa (kelirikkokautta). Sulamiskauden pituutta tarvitaan arvioitaessa pohjamaan urautumista tai rakenteen kestoikää kuormituskestävyysmitoituksen yhteydessä. Edelleen tietoa voidaan käyttää hyväksi kevätkantavuusmittausten tuloksia arvioitaessa. 6.1 Sulamissyvyyden arviointi Sulamissyvyyttä voidaan arvioida likimäärin kaavalla (7). z ( kk) = k T ( kk) (7) t t asf missä z t (kk) on sulamissyvyys kuukauden lopussa, mm k t kerroin, (10-12 mm / Kh ) (vrt. kuva 9) T asf (kk) tienpinnan lämpöastesumma kuukauden lopussa, Kh Kuvassa 9 on esitetty 1 metrin paksuisen, routivalla silttimaalla olevan päällysrakenteen sulamista, kun routanoususuhde on 0, 0.1 tai 0.2. Pohjamaan routimiskerroin on tällöin vastaavasti noin 0, 3.5 tai 8.5 mm 2 /Kh. Sulam issyvyys-läm pöastesum m a 0 0 100 200 300 Sulamissyvyys mm -500-1000 -1500-2000 -2500 zt(ef=0,0) zt(ef=0,1) zt(ef=0,2) Lämpöastesumman neliöjuuri Kuva 9. Sulamissyvyyden kehittyminen tienpinnan lämpöastesumman neliöjuuren suhteen, kun pohjamaan routanoususuhde on 0, 0.1 ja 0.2. Päällysrakenteen paksuus on tässä esimerkissä 1 metri. Sulamissyvyyttä voidaan arvioida myös kerrosmallilla käyttäen sulaneiden maakerrosten lämpöteknisiä ominaisuuksia (lämmönjohtavuus, sulamisvastus). Sulamissyvyyden kehittyminen sulamisaikana arvioidaan kaavalla (7). Havaintojen mukaan sulamissyvyyden etenemisen vaihtelu eri vuosina on vähäistä. Poikkeamat keskimääräisestä käyrästä ovat 100-150 mm. 17(21)
Sulamissyvyyttä voidaan laskennallisesti arvioida lämpöastesumman kehittymisen suhteen myös rakenteessa, kun tunnetaan rakennepaksuudet ja kerrosten lämpötekniset ominaisuudet. Sulamisarvio on mahdollista tarkistaa mittaamalla sulamissyvyyttä esimerkiksi metyleenisiniputkella tehdyillä mittauksilla (Menetelmäkuvaus TPPT 5 Roudan syvyyden määritys). Sulamissyvyystietoa tarvitaan mm. - kantavuusmittausten tulkinnassa - rakentamisen suunnittelussa (mm. päällystettä ei tulisi tehdä painuvalle alustalle) - kevätkantavuusmitoituksessa (sulamisajan arviointi) 6.2 Sulamisen päättymisen arviointi Sulaminen päättyy, kun sulamisraja tavoittaa menneen talven roudan syvyyden. Roudan syvyyttä voidaan arvioida esim. kaavalla (5), kun lämpöastesumma korvataan menneen talven pakkasmäärällä. Likimäärin sulaminen päättyy, kun tienpinnan lämpöastesumman kertymä on sama kuin menneen talven pakkasmäärä. Menneen talven roudan maksimisyvyyttä paikalla voidaan arvioida lähimmän ilmastoaseman pakkasmäärän (kuva 10) avulla. Pakkasmäärän vaihtelua eri toistuvuuksilla mediaanin suhteen on esitetty kuvassa 11. Roudan maksimisyvyyttä routivalla pohjamaalla olevassa tierakenteessa voidaan likimäärin arvioida kaavalla (8). F2 Nuorgam 40000 h C Kilpisjärvi Ivalo Muonio 45000 h C 45000 h C Sodankylä 45000 h C 40000 h C Apukka Salla Portimojärvi 35000 h C Kuusamo Kemi Pudasjärvi 40000 h C 30000 h C Oulu Suomussalmi Kajaani 35000 h C 25000 h C Vieremä Kruunupyy Lieksa 30000 h C 20000 h C Vaasa Alajärvi Vesanto Kuopio Joensuu Kihniö Jyväskylä Varkaus 25000 h C Leivonmäki Punkaharju 15000 h C Pori Pälkäne Lappeenranta Jokioinen Lahti 20000 h C Turku Vantaa Rankki 15000 h C Kuva 10. Pakkasmäärän mediaani Suomessa ilmastokaudella 1961-90 (Ilmatieteen laitoksen havainnot, Kivikoski 1993). z f = k F (8) 18(21)
missä z f on roudan syvyys, mm k kerroin, 10-12 mm / Kh F pakkasmäärä, Kh Pakkasmäärä, Kh 70000 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 Keskimääräinen pakkasmäärä Kh F20 F10 F2 F-10 F-20 Kuva 11. Pakkasmäärä eri toistuvuuksilla mediaanin suhteen eri havaintopaikoilla Suomessa ilmastokaudella 1961-90. Roudan syvyys määritetään esimerkiksi keskimääräisen talven ja kerran 10 vuodessa toistuvan ankaran talven mukaisesti. Sulaminen päättyy, kun sulamissyvyys on sama kuin suurin roudan syvyys (esimerkiksi keskimäärin ja kerran 10 vuodessa). Taulukossa 4 on esitetty esimerkkinä sulamisyvyyden kehittyminen kuukausittain Kuopion ilmastotiedoilla. Todetaan, että jos roudan syvyys on keskimääräisen talven jälkeen 1600 mm, niin taulukon sarakkeen "sulamissyvyys" mukaan arvioiden (interpoloiden) routa on kokonaan sulanut juhannuksen alusviikolla (noin 20.6.). Sulamispainuma jatkunee sulamisen päätyttyä 2-3 viikkoa, joten sulan tilan korkeusvaaitus routivalla alusrakenteella voidaan luotettavasti tehdä vasta heinäkuun puolivälissä. Kevätkantavuusmittaus on tehtävissä kesäkuun loppuun saakka. Taulukko 4. Esimerkki: Kuopio (F 2 = 25 000 Kh, T 2 = 51 000 Kh) Kuukausi Ilman ja tien- Ilman lämpö- Lämpöaste- Tienpinnan Sulamis- 19(21)
pinnan lämpötilaero, ºC astesumman kertymä, Kh summan lisäys, lämpöastesumman syvyys mm Kh Σ kertymä, Kh Tammi 0 0 0 0 0 0 Helmi 0 0 0 0 0 0 Maalis 3 0 2232 2232 2232 470 Huhti 5 1000 3600 5832 6832 830 Touko 7 7000 5208 11040 18040 1340 Kesä 8 16000 5760 16800 32800 1810 Heinä 8 29000 5952 22572 78560 2800 Elo 4 40000 2976 25548 Syys 2 1440 26988 Loka 1 Marras 0 Joulu 0 Kirjallisuus Kangas, H., Onninen, H., Saarelainen, S. Testing a pavement on thaving frostsusceptible subgrade with the heavy vehicle simulator (HVS). Finnra Reports 31/2000 (myös TPPT Report RA12. 2000) Kivikoski, H. Ilmastotilastot 1961-90. Pakkasmäärät, lämpöastesummat, lumen syvyydet. VTT Yhdyskuntatekniikka (sisäinen moniste). 1993 Saarelainen, S. Maapohjan kantavuus sulamisvaiheessa. TPPT Työraportti nro RA 13. 2000. Teiden suunnittelu. Tien rakenteet, kansio 4B, TIEL:n julkaisuja 1984. 20(21)
Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus TPPT Menetelmäkuvaukset TPPT Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus Nro 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 Lisätietoja TPPT-ohjelmasta www.tiehallinto.fi/tppt/ 21(21)