TEKNILLINEN KORKEAKOULU Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena Diplomityö Marko Kelho 20.2.2008 Teknillisen korkeakoulun rakennus- ja ympäristötekniikan koulutusohjelmassa professori Terhi Pellisen valvonnassa tehty diplomityö
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta TIIVISTELMÄ Tekijä: Marko Kelho Diplomityö: Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena Päivämäärä: 20.2.2008 Sivumäärä: 115 + 75 Professuuri: Tietekniikka Koodi: Yhd-10 Valvoja: Professori Terhi Pellinen, Teknillinen korkeakoulu Ohjaaja: Diplomi-insinööri Tuovi Päiviö-Leppänen, Tiehallinto Avainsanat: Roudan seuranta-asema, kelirikko, painorajoitus Diplomityön tavoitteena oli tutkia roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa ja arvioida tiedon käytettävyyttä painorajoitussuunnittelun tukena. Lisäksi tutkittiin, miten aseman sijainti vaikuttaa mittaustuloksiin ja näkyykö toteutunut kelirikko asemien tuottamassa tiedossa. Tutkimusaineistona olivat kelirikko- ja painorajoitustilastot sekä roudan seurantaasemien vuosina 2001 2007 tuottama tieto. Asemat mittaavat tierakenteesta lämpötilaa sekä tierakenteen vesipitoisuutta kuvaavia sähköisiä ominaisuuksia eli dielektrisyyttä ja sähkönjohtavuutta. Mittaustietoa analysoitiin ja kuvattiin graafisesti sekä verrattiin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Lisäksi diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. Sähköiset ominaisuudet kuvaavat lämpötilaa tarkemmin tierakenteen routaantumista ja roudan sulamista. Kuitenkin sähköisten ominaisuuksien arvot ovat lämpötilaa enemmän paikallisia ja riippuvat aseman sijainnista. Sähköisten ominaisuuksien perusteella ei siten voida välttämättä päätellä roudan sulamisen alueellista etenemistä. Sitä vastoin tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila on sidoksissa ilman lämpötilaan ja asemien tuottamaa tietoa voidaan luotettavammin yleistää säähavaintojen ja ilman lämpötilan kuin sähköisten ominaisuuksien muutosten perusteella. Inventoidun runkokelirikon vuosittainen vaihtelu ei näkynyt kaikkien asemien tuottamassa tiedossa; joillain asemilla, kuten Kuorevedellä, muutokset olivat kuitenkin selvästi havaittavissa. Niinä syksyinä, joiden jälkeisinä keväinä kelirikkoa havaittiin enemmän kuin muulloin tutkimusaikana, tierakenteen jäätyminen eteni muita syksyjä hitaammin. Päätelmien tekemistä vaikeuttavat monet syyt: kelirikon vuosittainen vaihtelu ja esiintyminen olivat vähäisiä; lisäksi kelirikon tarkastelu tiepiireittäin kuvaa vain likimääräisesti aseman edustaman alueen kelirikkoa. Haastattelututkimuksen mukaan roudan seuranta-asemien suurin hyöty liittyy tällä hetkellä painorajoitusten poistamisen ajankohtaan, jota on voitu aikaistaa jopa muutamalla viikolla, kun aseman tuottama tieto on osoittanut tierakenteen kuivuneen riittävästi. Tiepiireillä ei kuitenkaan ole resursseja mittaustiedon analysointiin, joten tarvitaan valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. Kevätkelirikon seurannan lisäksi asemien tuottamaa tietoa voitaisiin hyödyntää nykyistä enemmän myös syys- ja talvikelirikon seurannassa sekä kelirikkokorjausten ajankohtaa määritettäessä. Tietoa pystyttäisiin käyttämään myös lähtötietona kelirikkoa tai tierakenteen routaa ennustavissa malleissa. Ennuste tierakenteen kosteudesta ja roudasta esitettäisiin teemakarttojen avulla Internetissä. Tiedon käytettävyyttä lisäävät mittauksen jatkuvuus ja aseman sijainnin pysyvyys sekä tiedon vuosittainen vertailu. Mittaustavan yhtenäistäminen helpottaisi asemien tuottaman tiedon vertailtavuutta. Asemat tulisi sijoittaa tiepiirien rajoista riippumattomien kelirikkoalueiden mukaisesti ja asemien lukumäärän tulisi olla nykyistä selkeämmin suhteessa kelirikon esiintymiseen.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE Faculty of Engineering and Architecture MASTER THESIS Author: Marko Kelho The use of frost monitoring stations for imposing truck weight Master Thesis: restrictions Date: 20.2.2008 Number of Pages: 115 + 75 Professorship: Highway Engineering Code: Yhd-10 Supervisor: Professor Terhi Pellinen, Helsinki University of Technology Instructor: M.Sc. Tuovi Päiviö-Leppänen, Finnish Road Administration Keywords: Frost monitoring station, thaw weakening, weight restriction The aim of the study was to investigate monitoring data produced by frost monitoring stations located at different parts in Finland. Furthermore, it was studied whether the collected data could be utilized more effectively for imposing truck weight restrictions. The study material included records of visual inspection of thaw weakening, records of imposed truck weight restrictions, and the monitoring data produced by the stations during years 2001 2007. The collected data included temperature measurements and measurements of electrical properties of soil such as dielectric values and electrical conductivity. These electrical properties are used to determine water content in soil and pavement structure. The data were studied by graphical inspection, analysing variables and comparing data to the field observations. In addition, road district engineers and experts on thaw weakening were interviewed. The freeze and thaw of road structure is better captured by the electrical properties of soil compared to the measurements of temperature gradient. However, the electrical properties are to some extent affected by the pavement structure and location of ground water table; therefore, the electrical properties are more local than global and cannot be used easily for forecasting. As the pavement surface temperature is affected by the ambient air temperature, it is easier to use weather forecasts and local air temperature information in addition to pavement temperature gradient to predict the progression of freeze and thaw around the monitoring stations. There were some discrepancies between field observations of thaw weakening and monitoring data, although at some stations measurements matched very well. In addition, measurements at some stations suggest that the decreased rate of frost penetration in the pavement layers indicates increased thaw weakening in the spring. There are, however, several reasons for the lack of clear tends when comparing monitoring data and filed observations; visual inspections of thaw weakening are dependent of the observer; in road district, the amount of thaw weakening in a specific location was assessed using the total amount of thaw weakening in the road district; and the overall amount of thaw weakening and its yearly variation was very small during the years the monitoring data were collected. The frost monitoring data could be used more effectively for mitigating fall and winter freeze-thaw cycles, planning of frost repairs could be enhanced by better timing, and the data could also be used to develop freeze-thaw prediction models. Furthermore, the forecasts of presence of water and frost in the pavement structure could be placed in the Internet by the help of various theme maps. Other important things to consider are the continuity of obtaining monitoring data and the steadiness of monitoring locations. Also, standardization of data analysis methods could enhance interpretation of the data and stations should be located according to the severity of freeze-thaw observations, which may be independent of the location of road district boarders. When purchasing new stations, they should be placed to the areas of observed and potential severe freeze-thaw activity.
ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tiehallinnon asiantuntijapalvelujen tilauksesta. Työn valvojana toimi Teknillisen korkeakoulun tietekniikan professori Terhi Pellinen ja työn ohjaaja oli diplomi-insinööri Tuovi Päiviö-Leppänen Tiehallinnon asiantuntijapalveluista. Työn ohjausryhmään kuuluivat lisäksi dosentti Jarkko Valtonen Teknillisestä korkeakoulusta sekä diplomi-insinööri Tuomas Toivonen Tiehallinnon asiantuntijapalveluista. Kiitän diplomityön ohjausryhmää työn valvomisesta ja ohjaamisesta. Kiitän myös Tiehallinnon asiantuntijapalveluja, Pirjo Ekmania, Esko Hätälää, Ulf Lindströmiä, Tuula Rytilää ja Ulla Purasta. Kiitokset haastatteluista tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöille ja asiantuntijoille sekä Jouko Beltille (Oulun yliopisto), Timo Saarenkedolle ja Tapio Inkeröiselle (Roadscanners Oy) ja Sami Ylöselle (FinMeas Oy). Espoossa 20.2.2008 Marko Kelho
KÄYTETYT LYHENTEET AB ABK BCI Hk KaM KVL PETA PTM PTM ikä Sa SCI Si sihk SiMr SMA SOP Sr SrM SrMr T&M-Sora TDR Tv Asfalttibetoni Kantavan kerroksen asfalttibetoni Base Curvature Index. Tien päällysrakenteen alaosan kantavuutta kuvaava arvo ( m), joka määritetään pudotuspainolaitteella. Hiekka Kalliomurske Vuoden keskimääräinen vuorokausiliikenne (ajoneuvoa/vuorokausi). PTM-mittauksessa tien poikittaista epätasaisuutta kuvaava tunnusluku. Liikenteen seassa tapahtuva tien kunnon mittaus, jossa lasermittaustekniikalla mitataan useita eri tunnuslukuja, kuten poikittainen epätasaisuus ja harjanne. PTM-mittausvuoden ja päällystystoimenpiteen vuoden erotus. Savi Surface Curvature Index. Tien päällysrakenteen pintaosan kantavuutta kuvaava arvo ( m), joka määritetään pudostuspainolaitteella. Siltti Silttinen hiekka Silttinen moreeni Kivimastiksiasfaltti Soratien pintaus. Soratien kulutuskerrokseen bitumisella sideaineella liimattu ohut murskekerros. Sora Soramurske Soramoreeni Tiehallinnon sorateiden kunnossapidon hallintajärjestelmä. Time Domain Reflectometer. Sähköisiä impulsseja lähettävä tutka. Turve
SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ 2 ABSTRACT 3 ALKUSANAT 4 KÄYTETYT LYHENTEET 5 1 JOHDANTO 10 2 ROUDAN VAIKUTUKSET TIESTÖLLÄ 11 2.1 Yleistä 11 2.2 Routa ja routiminen 16 2.2.1 Routimisen edellytykset ja maalajien routivuus 16 2.2.2 Roudan syvyys 18 2.2.3 Roudan sulaminen 18 2.3 Kelirikko 19 2.3.1 Kelirikkotyypit 19 2.3.2 Kelirikon syntyyn vaikuttavat tekijät 21 2.3.3 Kelirikkokorjaukset ja niiden kannattavuus 24 2.4 Painorajoitukset 25 2.4.1 Yleistä 25 2.4.2 Tiehallinnon painorajoitusmenettely 26 2.5 Kelirikosta ja painorajoituksista tiedottaminen liikennemerkeillä 34 2.6 Minnesotan painorajoitusmenettely 36 3 KELIRIKKO JA PAINORAJOITUKSET SUOMEN TIESTÖLLÄ 38 3.1 Tiestön luokittelu, tieverkon pituus ja liikennemäärät 38 3.2 Kelirikko Suomen tiestöllä 39 3.3 Painorajoitukset Suomen tiestöllä 40 3.4 Painorajoitusten pituus ja määrä kelirikkoon verrattuina 41 4 KELIRIKON SEURANTA 42 4.1 Kelirikon seurannassa tarkkailtavat muuttujat 42 vi
4.2 Kelirikon seuranta sähköisten ominaisuuksien avulla 43 4.2.1 Dielektrisyys kelirikon seurannassa 43 4.2.2 Sähkönjohtavuus kelirikon seurannassa 48 4.3 Lämpötilan seuranta-asemat 52 4.3.1 Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat 52 4.3.2 Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat 52 4.4 Percoasemat 53 5 TUTKIMUSAINEISTO JA -MENETELMÄT 57 5.1 Yleistä 57 5.2 Kelirikko- ja painorajoitustilastot 57 5.3 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto 58 5.3.1 Yleistä 58 5.3.2 Lämpötilan seuranta-asemat 59 5.3.3 Percoasemat 60 5.4 Haastattelut 63 6 TUTKIMUSTULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU 64 6.1 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiilien avulla tarkasteltuna 64 6.2 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin 68 6.2.1 Kelirikko ja painorajoitukset tiepiireissä 68 6.2.2 Lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin 69 6.2.3 Percoasemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin 70 6.2.4 Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien tuottama tieto verrattuna asemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 inventoituun kelirikkoon 73 6.3 Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon yleistettävyys 77 6.3.1 Alle 200 km etäisyydellä toisistaan sijainneiden roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon vertailu 77 6.3.2 Percoaseman sijainnin muutoksen vaikutukset aseman tuottamaan tietoon 82 6.3.3 Tierakenteen ja sään vaikutukset roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon 83 6.4 Tiepiirien kokemuksia roudan seuranta-asemista ja painorajoitussuunnittelusta 86 6.4.1 Yleistä 86 6.4.2 Haastattelut 87 6.5 Tutkimusaineiston ja -menetelmien luotettavuuden arviointi 94 6.5.1 Kelirikko- ja painorajoitustilastot ja niiden vertaaminen roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon 94 6.5.2 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto 95 vii
6.6 Pohdintaa 97 6.6.1 Tierakenteen roudan seuranta sähköisiä ominaisuuksia mittaamalla 97 6.6.2 Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon monipuolinen käyttö 99 7 YHTEENVETO 102 LÄHDELUETTELO 108 LIITTEET 116 Liite 1. Tiepiirit, inventoitu runkokelirikko ja painorajoitukset vuosina 2003 2006 (kartta) 116 Liite 2. Inventoitu runkokelirikko vuosina 2000 2006 117 Liite 3. Maanteiden painorajoitukset vuosina 2000 2006 118 Liite 4. Kelirikon ja painorajoitusten suhteellinen pituus vuosina 2002 2006 119 Liite 5. Kelirikon ja painorajoitusten määrä vuosina 2002 2006 121 Liite 6. Kelirikko Kuoreveden Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 2006 124 Liite 7. Kelirikko Javaruksen Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 2006 126 Liite 8. Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit 128 Liite 9. Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit 131 Liite 10. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 134 Liite 11. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 138 Liite 12. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit ajan funktiona 142 Liite 13. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit lämpötilan funktiona 146 Liite 14. Percoasemien lämpötilaprofiilit 150 Liite 15. Percoasemien dielektrisyysprofiilit 157 Liite 16. Percoasemien sähkönjohtavuusprofiilit 161 Liite 17. Percoasemien mittaama dielektrisyys ajan funktiona (viivadiagrammit) 168 Liite 18. Percoasemien mittaama sähkönjohtavuus ajan funktiona (viivadiagrammit) 175 Liite 19. Muita Percoasemien tuottamasta tiedosta piirrettyjä diagrammeja 182 Liite 20. Lämpötilan seuranta-asemien sijainti (kartta) 183 Liite 21. Percoasemien sijainti (kartta) 184 viii
Liite 22. Tierakenne Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemilla 185 Liite 23. Tierakenne Percoasemilla 186 Liite 24. Kuvia tierakenteista Percoasemilla 188 Liite 25. Kuvia lämpötilan seuranta-asemilta 189 Liite 26. Kuvia Percoasemilta 190 ix
1 Johdanto 1 JOHDANTO Kelirikkoa esiintyy erityisesti vähäliikenteisillä rakentamattomilla sorateillä. Niiden kautta kuitenkin kulkee paljon metsä- ja rakennusteollisuuden kuljetuksia. Kuljetusten lisäksi kelirikko ja painorajoitukset haittaavat myös maaseudun pienyrittäjien toimintaa sekä liikkumisen tasa-arvon toteutumista. Vaikka inventoidun kelirikon pituus on lyhentynyt viime vuosina, ei kelirikosta ja painorajoituksista aiheutuva haitta ole vähentynyt. Kelirikkoa hallitaan tienpitäjän toimesta kelirikon seurannalla ja kelirikkokorjauksilla sekä vaikuttamalla liikennekuormitukseen painorajoituksilla ja yhteistyöllä tienkäyttäjien kanssa. Tierakenteen routaantumista sekä roudan syvyyttä ja sulamista on tiepiireissä aikaisemmin arvioitu mittaamalla tierakenteen lämpötilaa routamittareilla. Viime vuosina tiepiireihin on perustettu mittausantureilla ja ohjauskeskuksella varustettuja tierakenteen lämpötilaa ja kosteutta mittaavia roudan seuranta-asemia. Asemien tuottamaa tietoa on käytetty painorajoitussuunnittelun tukena sekä roudan sulamisesta tiedotettaessa. Asemia on kuitenkin hyvin vähän suhteessa Suomen pintaalaan ja tiestön pituuteen. Tähän mennessä asemien tuottaman tiedon analysointia ei ole systemaattisesti tehty. Diplomityön tavoitteena oli tutkia roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa ja arvioida tiedon yleistettävyyttä. Lisäksi tutkittiin, miten aseman sijainti vaikuttaa mittaustuloksiin ja näkyykö toteutunut kelirikko asemien tuottamassa tiedossa. Tutkimuksessa etsittiin vastausta kysymykseen, miten asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä monipuolisemmin painorajoitussuunnittelun tukena sekä tarkasteltiin vaihtoehtoa käyttää pelkkää lämpötilatietoa roudan seurantaan ja painorajoitusten asettamiseen. Tutkimusaineistona olivat kelirikko- ja painorajoitustilastot sekä roudan seurantaasemien vuosina 2001 2007 tuottama tieto. Asemien tuottamaa tietoa verrattiin inventoituihin kelirikkoihin, sillä ne kuvaavat kelirikko-ongelmaa painorajoituksia paremmin, sillä painorajoituksiin vaikuttavat kelirikon lisäksi tiepiirien painorajoituskäytännöt. Yksityisteiden kelirikkoa ja vuotta 2000 aikaisempia kelirikkoja painorajoitustilastoja ei tutkittu. Roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa tarkasteltiin kuvaamalla mitattuja muuttujia graafisesti, laskemalla muun muassa keskiarvoja valituista muuttujista ja vertaamalla asemien mittaustietoa kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Asemien tuottamaa tietoa käsiteltiin Excel-ohjelmistolla ja kelirikkotilastojen tutkimisessa käytettiin myös T&M-Sora- ja ArcGIS-ohjelmistoja. Lisäksi diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. 10
2 ROUDAN VAIKUTUKSET TIESTÖLLÄ 2.1 Yleistä 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tierakenne Tierakenne koostuu alus- ja päällysrakenteesta (Taulukko 1). Alusrakenteeseen kuuluvat pohjamaa, pengertäyte, pohjavahvistukset sekä leikkaus- ja pengerluiskat. Päällysrakenne koostuu useasta kerroksesta, joista osa on sitomattomia ja osa voi olla sidottuja. Päällysrakenne antaa tasaisen alustan liikennettä varten sekä ottaa vastaan liikennekuorman ja jakaa sen alusrakenteelle. (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982) (Tielaitos, 1991) (Tiehallinto, 2004a) Taulukko 1. Tierakenne. (Hartikainen & Jämsä, 1986) (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982) (Tiehallinto, 2004a) (Tielaitos, 1991) Päällysrakenne Alusrakenne Päällystetty tie Päällystekerrokset Sitomattomat kerrokset Kulutuskerros Muodostaa tasaisen ja kulutusta kestävän alustan liikenteelle sekä riittävän kitkan renkaan kanssa Ehkäisee veden tunkeutumista alempiin kerroksiin Bitumilla sidotut kerrokset (taipuisa rakenne) Kantavan kerroksen sidottu yläosa Käytetään, kun tarvitaan suurta kantavuutta Saa olla liikenteessä 1-3 vuotta ennen kulutuskerroksen rakentamista Murske Soratie Kulutuskerros Muodostaa tasaisen ja kulutusta kestävän alustan liikenteelle sekä riittävän kitkan renkaan kanssa Ehkäisee veden tunkeutumista alempiin kerroksiin Murske Sidekerros Sorateillä ei ole kantavaa kerrosta, mutta kulutuskerroksen alapuolella voi olla sidekerros Parantaa kantavuutta ja sitoo kosteutta Kulutuskerrosta karkeampi murske Kantavan kerroksen sitomaton alaosa Lisää tien kantavuutta Muodostaa pohjan päällystekerroksille Murske Jakava kerros Jakaa kuorman alemmille kerroksille ja lisää kantavuutta Kuivattaa tierakennetta ja katkaisee veden kapillaarisen nousun Luonnon kiveä tai mursketta Suodatinkerros Estää päällys- ja alusrakenteen sekoittumista Ehkäisee veden kapillaarista nousua ja routimista Suodatin hiekka, sora tai murske; tarvittaessa käytetään suodatinkangasta Pohjamaa tai pengertäyte Ehkäisee epätasaisia painumia ja routanousuja Vaikuttaa tien kantavuuteen ja kestävyyteen Pengertäyte ei saa sisältää savea, kiviä eikä lohkareita 11
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tiet jaetaan kulutuskerroksen perusteella kestopäällyste-, kevyt päällyste- sekä sorateihin. Sorateiden tierakenne on hyvin vaihteleva. Suomessa se koostuu yleensä kulutus- ja sidekerroksesta sekä jakavasta kerroksesta ja suodatinkerroksesta. Kulutuskerros on tärkein soratien kuntoon sekä ajettavuuteen vaikuttava rakenneosa. Osa sorateistä on rakentamattomia teitä eli niillä ei ole kulutuskerroksen lisäksi muita rakennekerroksia. Rakentamattomat tiet on tehty kasaamalla tieuralle tien reunoilta ja ojista kaivumaata ja vain ylin kerros on rakennettu routimattomasta materiaalista. (Lappalainen, Eerola & Patrikainen, 1985) (Nyman, 1997) (Saarelainen & Törnqvist, 2004) (Tielaitos, 1995) Tien kantavuus Merkittävin tien päällysrakenteeseen kohdistuva kuorma on liikennekuorma, joka on luonteeltaan dynaamista kuormitusta. Alusrakennetta kuormittavat lisäksi yläpuoliset kerrokset. Kuormitus aiheuttaa tierakenteessa muodonmuutoksen, joka koostuu kimmoisesta eli palautuvasta sekä plastisesta eli pysyvästä osasta. Muodonmuutoksia tapahtuu sekä päällys-, että alusrakenteessa. Tien kantavuudella tarkoitetaan tierakenteen kuormituskestävyyttä eli kykyä kestää kuormitusta ilman, että rakenteeseen syntyy murtumia tai pysyviä muodonmuutoksia. Kantavuus ilmaistaan yhdellä koko tien rakennetta kuvaavalla kimmokertoimella (Kaava 1) (Belt, Ehrola & Piippo, 1986) (Järvinen, 1991) (Parantainen, 1982): = (1) jossa E on kimmokerroin (kn/m 2 ) jännitys (kn/m 2 ) suhteellinen muodonmuutos Maarakenteiden kantavuus määräytyy pääasiassa maan leikkauslujuuden perusteella (Kaava 2) (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): = + (2) jossa τ f on leikkauslujuus (kn/m 2 ) c tehokas koheesio (kn/m 2 ), kitkamaalajeilla c = 0 σ tehokas normaalijännitys eli raepaine (kn/m 2 ) tehokas kitkakulma ( ), koheesiomaalajeilla = 0 12
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Tehokas normaalijännitys saadaan kokonaisjännityksen ja huokosveden paineen erotuksena (Kaava 3) (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): = (3) jossa σ on tehokas normaalijännitys (kn/m 2 ) σ kokonaisjännitys (kn/m 2 ) u w huokosveden paine (kn/m 2 ) Vesipitoisuus vaikuttaa tien sitomattomien rakennekerrosten ja pohjamaan kantavuuteen. Huokosveden paineen kasvu pienentää maan tehokasta normaalijännitystä ja siten myös leikkauslujuutta. Hyvin vettä läpäisevillä maalajeilla ei yleensä synny leikkauslujuutta alentavaa huokosveden painetta. Jos vesipitoisuus kasvaa suuremmaksi kuin 80 % ja tiehen kohdistuu kuormitusta, niin leikkauslujuus pienenee merkittävästi. (Ehrola, 1996) (Suhonen, 2005) Hienorakeisten maalajien leikkauslujuus puolestaan riippuu hyvin voimakkaasti vesipitoisuudesta ja hienorakeisilla maalajeilla kantavuus laskee jyrkästi maaperän vesipitoisuuden kasvaessa. Keväällä tierakenteen vesipitoisuuksissa on suuria eroja pienelläkin alueella. Kantavuus saattaa vaihdella huomattavan paljon lyhyelläkin tieosuudella kevään aikana. (Ehrola, 1996) (Jämsä, 1985) (Järvinen, 1991) (Pihlamäki, 1987) (Suhonen, 2005) Ympäristötekijöillä on suuri vaikutus tierakenteen kantavuuteen ja kestävyyteen. Tärkeimmät niistä määräytyvät tien alusrakenteen, pohjaveden pinnan ja ilmaston perusteella. Tien jäätyessä sen kantavuus kasvaa moninkertaiseksi, mutta keväällä roudan sulaessa kantavuus saattaa olla vain puolet syksyn kantavuudesta. (Ehrola, 1991) (Huhtala M., 1979) (Huhtala R., 1985) (Järvinen, 1991) Veden esiintyminen maaperässä Maaperä on kallioperän päällä olevaa irrallista orgaanisten ja ei-orgaanisten ainesten muodostamaa materiaalia. Sen aineksena on maa eli maa-aines, joka on rakennustekniikassa yleinen ainekäsite. Maa-aines koostuu maalajeista, joiden muodostuminen on eräs geologisen kehityksen vaihe kallioperän kiertokulussa. Kallioperä koostuu mineraaliseoksista eli kivilajeista. (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) Luonnonkosteassa maaperässä on maa-aineksen lisäksi vettä ja ilmaa. Vesi on maarakeiden välisessä huokostilassa sekä kalliota halkovissa raoissa. Veteen vaikuttaa fysikaalisia voimia, kuten painovoima, pintajännitys ja sähköstaattiset voimat. Näiden voimien vaikutuksesta vesi voi esiintyä (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982): 13
2 Roudan vaikutukset tiestöllä vapaana eli gravitaatiovetenä, kapillaari- eli viskoosivetenä ja adsorptio- eli vaippavetenä. Gravitaatiovesi liikkuu huokosissa painovoiman vaikutuksesta. Kapillaarivesi on maarakeiden väliin kapillaaristen voimien, kuten pintajännityksen vaikutuksesta kiinnittynyttä vettä. Kapillaarivesi esiintyy kahdessa kerroksessa siten, että ulompi kerros pysyy kiinni pintajännityksen ja kolloidisten voimien avulla ja sisempänä vaikuttavat ainoastaan kolloidiset voimat. Adsorptiovesi on maahiukkasten ja vesimolekyylien välisten sähköstaattisten voimien maarakeiden pinnalle sitomaa vettä. Hydroskooppinen vesi on ilman vesihöyrystä maarakeiden pinnoille ohuiksi kalvoiksi tiivistynyttä adsorptiovettä. Pohjavesi on hienorakeisissa maaperässä lähinnä adsorptiovettä, mutta karkearakeisessa maaperässä gravitaatiovettä. Pohjavesivyöhyke päättyy vettä läpäisemättömään maa- ja kalliokerrokseen. Maaperän huokostila ja kallioraot voivat olla osittain tai kokonaan veden täyttämiä. Kyllästysasteen, veden paineen, liikkuvuuden ja sitoutuneisuuden mukaan maaperä jaetaan neljään vesivyöhykkeeseen (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Saarenketo, 1998) (Suhonen, 2005): Juurivyöhyke, Vajovesivyöhyke (alaspäin liikkuva gravitaatiovesi), Kapillaarivyöhyke ja Pohjavesivyöhyke. Veden kapillaarinen nousukorkeus Nesteellä on taipumus tunkeutua ohuisiin huokosiin nesteen ja sitä ympäröivän seinämän aiheuttaman vetovoiman sekä nesteen pintajännityksen vaikutuksesta. Kapillaarinen nousukorkeus voidaan laskea yhtälöstä (Kaava 4) (Syed, Scullion & Randolph, 1999): h = 2 (4) jossa h on kapillaarinen nousukorkeus (m) pintajännitys (N/m) veden ja pinnan kosketuskulma ( ) r kapillaariputken läpimitta (m) w nesteen tiheys (kg/m 3 ) g maan vetovoiman kiihtyvyys (m/s 2 ) 14
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Maaperässä pohjavesi pyrkii nousemaan veden pintajännityksen, maa-aineksen ja vesimolekyylien välisen vetovoiman vaikutuksesta maahuokosiin pohjaveden pinnan yläpuolelle. Kohoaminen jatkuu, kunnes vesimassaan kohdistuva painovoima ja kapillaarivoimat ovat tasapainossa. Maaperässä kapillaarinen nousukorkeus on siten pohjaveden pinnan ja kohonneen vedenpinnan välinen etäisyys. Jos yhtälöön (Kaava 4) sijoitetaan veden tiheys (1 000 kg/m 3 ) ja maan vetovoiman kiihtyvyys (9,81 m/s 2 ) sekä maa-aineksen ja veden välinen pintajännitys (0,073 N/m) ja kosketuskulma ( 1 ), niin yhtälö saadaan muotoon (Kaava 5) (Suhonen, 2005) (Syed, Scullion & Randolph, 1999): 1,5 10 5 h (5) jossa r on kapillaariputken läpimitta (m) Maaperässä veden kapillaarinen nousukorkeus on siis kääntäen verrannollinen kapillaariputken sisäläpimittaan. Maan kapillaariputkiston keskimääräinen halkaisija on puolestaan verrannollinen maan raekokoon, joten veden kapillaarinen nousukorkeus on kääntäen verrannollinen maalajin raekokoon. Kapillaarisuuden riippuvuutta maalajin raekoosta ja tiiveydestä kuvataan malleilla, joissa on mukana maalajikohtaisia kokeellisia kertoimia. (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Suhonen, 2005) (Syed, Scullion & Randolph, 1999) Veden jäätyminen maaperässä Maassa oleva vesi ei välttämättä jäädy, vaikka sen lämpötila laskisi nollan alapuolelle. Tämä johtuu muun muassa jäätymisvyöhykkeeseen kohdistuvista puristuksista ja kuormituksista ja veden sisältämistä epäpuhtauksista. Maa-aineksen jäätymislämpötilaa alentavat huokosveden sisältämät suolat ja kolloidit. Veden jäätymiseen vaikuttavat maaperän rakenneosien suhteet sekä vedenläpäisevyys. Maaveden jäätyminen saattaa kestää jopa kuukausia, vaikka maan lämpötila olisi nollaa alhaisempi. Talvikuukausinakin maavesi on pääasiassa sulaa ja vesi liikkuu maaperässä. (Belt, 2007) (Hänninen, Venäläinen & Sutinen, 2005) (Roadscanners Oy, 2001) (Ryynänen, 2000) (Saarelainen, 1990) 15
2.2 Routa ja routiminen Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena 2.2.1 Routimisen edellytykset ja maalajien routivuus 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Routa Roudaksi kutsutaan maakerrosta, joka on kovettunut maakerroksessa olevan veden jäätymisen johdosta. Roudan syntymiseen vaikuttavat ilman lämpötila, maan vesipitoisuus, rakeisuus, maakerrokseen kohdistuva kuormitus sekä routaantumisnopeus. Roudan paksuutta nimitetään roudan syvyydeksi ja sen alapintaa routarajaksi. Jos roudan muodostumisen eli routaantumisen yhteydessä maaperän vesipitoisuus ja tilavuus kasvavat ja syntyy pinnan kohoilua eli routanousua, tapahtumaa sanotaan routimiseksi. Routiminen johtuu veden kapillaarisesta noususta kerrosroudan jäämuodostumiin. Kaikki maalajit ovat routaantuvia, mutta routimista tapahtuu vain routivissa maalajeissa. (Hartikainen, 2000) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Järvinen, 1991) (Suhonen, 2005) (Parantainen, 1982) (Tielaitos, 1991) Routaa esiintyy pinta-, onkalo- ja kerrosroutana sekä massiivisena routana. Pintarouta muodostuu pystysuorista jääneulasista, joiden yläpäässä on ohut maakerros. Onkalorouta syntyy maan pintakerroksen onkaloiden seinämiin jäätyneestä vedestä. Kerrosroudassa vuorottelevat vaakasuorat jääkerrokset sekä -linssit sulan tai massiivisesti routaantuneen maakerroksen kanssa. Kerrosroudan yhteydessä tapahtuu aina routanousua ja sitä muodostavia maalajeja sanotaankin routiviksi. Routivia maalajeja on 70 80 % Suomen maaperästä. Massiivista routaa muodostavia maalajeja sanotaan routimattomiksi, sillä niiden tilavuudessa ei tapahdu muutoksia routaantumisen yhteydessä. (Ehrola, 1973) (Huhtala M., 1991) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) 16
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Routiminen Maarakeisiin sitoutuneella vedellä on maakerroksessa vallitsevan paineen vuoksi vapaata vettä alhaisempi jäätymispiste, joten lämpötilan laskiessa ensimmäiseksi maaperässä jäätyy vapaa vesi. Lämpötilan laskiessa myös sitoutuneen veden molekyylit liittyvät jääkiteeseen. Maarakeisiin sitoutuneeseen vesivaippaan syntyy molekyylivajaus, jonka vaippa pyrkii täyttämään imemällä sulina olevista huokosista vesimolekyylejä poistuneiden tilalle. Huokoset täyttyvät pohjavedestä niihin syntyneen alipaineen ja kapillaarivoimien vaikutuksesta. Jääkide kasvaa, kunnes veden saanti katkeaa. Kiteistä kasvaa jääkerroksia ja -linssejä. Veden jäätymisen aiheuttama tilavuuden kasvu tapahtuu suurimmaksi osaksi ylöspäin, jossa vastustava voima on yleensä pienin. Routimisen aiheuttama maakerroksen tilavuuden kasvu on 5 20 %. Routivan maakerroksen syntyyn vaikuttavat maan rakeisuus, lämmönjohtavuus ja vesipitoisuus, pohjaveden sijainti, routaantumisnopeus sekä routivan kohdan kuormitus. Mitä suurempi on routaantumisnopeus, sitä vähemmän ja ohuempia jääkerroksia ehtii muodostua. Jos routaraja pysyy kauan paikallaan, esimerkiksi leudon talven vuoksi, niin syntyy paksu jääkerros. (Ehrola, 1996) (Ehrola, 1973) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Hartikainen, 2000) (Suhonen, 2005) Routimisen edellytyksenä ovat seuraavat tekijät (Anderson, 1989) (Roadscanners Oy, 2001): 1. routimisherkän maalajin esiintyminen, 2. maalämpötila < 0 C ja 3. veden saatavuus. Maalajien routivuuteen vaikuttaa eniten maalajin vedenläpäisevyys ja kapillaarisuus, siis maalajin raekoko. Routivilla maalajeilla kapillaarinen nousukorkeus on yli metrin ja erittäin routivilla yli kaksi metriä. Murskeiden ja sorien routivuutta ei voida luotettavasti määrittää kapillaarisen nousukorkeuden avulla. Savella on suuri kapillaarisuus, mutta sen vedenläpäisevyys on heikko; hiekka on hyvin vettä läpäisevää, mutta sillä on pieni kapillaarisuus. Routimattomia ovat hiekka ja sitä karkeammat maalajit. Voimakkaimmin routivia ovat siltti, silttimoreeni sekä laiha savi. Tierakenteen routimiseen vaikuttavat pohjamaan routivuusominaisuudet, päällysrakenteen paksuus ja veden saatavuus. Tierakenteen routiminen tarkoittaa sitä, että rakenne vaurioituu joko routanousun tai roudan sulamisen vaikutuksesta. (Hartikainen, 2000) (Järvinen, 1991) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Parantainen, 1982) (Suhonen, 2005) (Tielaitos, 1993; Tielaitos, 1991) 17
2 Roudan vaikutukset tiestöllä 2.2.2 Roudan syvyys Roudan syvyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat lämpötilan alhaisuus, pakkasen kestoaika, maaperän rakeisuus, lämmönjohtokyky ja vesipitoisuus sekä kasvi- ja lumipeite. Määräävimmät näistä ovat lämpötilan alhaisuus ja pakkasen kesto. Roudan syvyyttä voidaankin arvioida pakkasmäärän avulla (Kaava 6). Roudan syvyys lisääntyy niin kauan kuin pakkassumma kasvaa eli usein huhtikuulle saakka. (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) = (6) jossa z f on roudan syvyys (m) C kerroin (0,0090 0,0115) F pakkasmäärä (h C) 2.2.3 Roudan sulaminen Roudan sulaminen alkaa pääasiassa maan pinnalta ja aukeilta paikoilta ulkoilman lämpenemisen johdosta. Maan ja ulkoilman väliseen lämpötasapainoon vaikuttavat pinnan ja ilman välisen lämpötilaeron lisäksi maassa vaikuttavat lämpötilavirtaukset ja maan lämmönjohtavuus. Sulaminen tapahtuu yhtä aikaa roudan ylä- ja alapuolelta ja sulamisrintamat kohtaavat sulamisen päätyttyä. Sulamisesta 70 80 % tapahtuu ylhäältä päin. Kerrosroudan sulaessa pinnan alapuolella oleva vettä läpäisemätön kerros estää veden poistumisen alaspäin ja sulanut kerros muuttuu ylikosteaksi. Tapahtumaa kutsutaan routapehmenemiseksi. Jos sulaneeseen kerrokseen kohdistuu esimerkiksi liikenteen aiheuttamaa kuormitusta ja tärinää, niin maakerros vetelöityy. Ilmiö esiintyy erityisesti keväisin vanhoilla sorateillä ja siitä käytetään nimitystä kelirikko. Tierakenteessa routa sulaa nopeimmin tien reunassa ja ylhäältä päin. Kelirikon aikana tien kantavuus tilapäisesti heikkenee. (Ehrola, 1996) (Jääskeläinen, Rantamäki & Tammirinne, 1982) (Palolahti, Slunga, Saarelainen & Orama, 1993) (Ryynänen, 2000) (Suhonen, 2005) 18
2.3 Kelirikko 2.3.1 Kelirikkotyypit Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Pintakelirikko Keväisin esiintyvässä pintakelirikossa tien pintaosa sulaa 10 15 cm syvyyteen ja sulamisesta vapautunut vesi pehmentää tien pinnan. Pintakelirikon vaikeus riippuu sulamisen aikaisesta säästä, liikennekuormituksesta, kulutuskerroksen rakeisuudesta ja hienoainespitoisuudesta sekä tierakenteen routaantumisnopeudesta ja vesipitoisuudesta routaantumisen aikana. Kulutuskerroksen korkeaan hienoainespitoisuuteen liittyvä kelirikko on yleensä aina pintakelirikkoa. Pintakelirikkovaiheelle on tyypillistä tien ylimpien kerrosten suuri sähkönjohtavuus. Vaihe kestää yleensä yhdestä kahteen viikkoon, jona aikana ei yleensä tarvita painorajoituksia. Sateet ja sulamisvedet vaikeuttavat pintakelirikkoa. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Saarenketo & Aho, 2005a) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) (Tiehallinto, 2007a) Runkokelirikko Tierakenteen roudan sulamisen edetessä syvemmällä rakenteeseen voi seurata runkokelirikko. Silloin tien pinta on mahdollisesti jo kuivunut ja kovettunut, mutta tien runko on pehmeä. Jäälinsseistä sulanut vesi ei pääse poistumaan tien sivuille tai alaspäin, sillä vielä jäässä olevat huonosti vettä läpäisevät kerrokset estävät veden poistumisen. Liikenteen kuormituksen seurauksena huokosveden paine kasvaa ja se pienentää maarakeiden välistä tehokasta jännitystä ja tierakenteen kantavuutta. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) (Tiehallinto, 2007a) Syyskelirikko Roudan sulamisen lisäksi kelirikon syntyyn vaikuttavat runsaat sateet. Sateisiin liittyvä kelirikko esiintyy pääasiassa syksyllä, minkä vuoksi siitä käytetään nimitystä syyskelirikko. Syyskelirikko on pääosin pintakelirikkoa. Leutoina talvina voi esiintyä syyskelirikon kaltaista talvikelirikkoa. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) (Tiehallinto, 2007a) (Strandvall, 2006) (Suhonen, 2005) 19
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkovaiheet Kelirikkotyyppien lisäksi vuoden aikana esiintyvää kelirikkoa voidaan tarkastella prosessina, jossa on viisi vaihetta (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a): 1. Syksyn jäätymis-sulamispehmeneminen 2. Pintakelirikko 3. Rakennekelirikko 4. Pohjamaan kelirikko 5. Syyskelirikko. Jäätymis-sulamisvaihe esiintyy myöhään syksyllä. Jäätymis-sulamissyklin aikana tien ylimmät kerrokset jäätyvät muutamiksi päiviksi, mutta sulavat lämpötilan noustessa. Jäätymis-sulamissyklien seurauksena vettä imeytyy pohjamaasta tien päällysrakenteen ylimpiin kerroksiin. Kulutuskerros saattaa vettyä ja muuttua plastiseksi. Syksyn jäätymis-sulamissyklit vaikuttavat kevään kelirikko-ongelmien vaikeuteen varsinkin, jos niiden yhteydessä muodostuu tierakenteeseen kerrosroutaa. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) Rakennekelirikkovaiheessa sulamisrintama etenee tien pinnasta 15 20 cm syvyyteen, mutta pohjamaa on edelleen routainen. Jos tierakenne routii ja on huonolaatuista materiaalia, niin kohonnut vesipitoisuus yhdessä liikennekuormituksen kanssa heikentää tien kantavuutta. Erityisesti SOP teillä kelirikosta aiheutuvat vauriot liittyvät pinta- ja rakennekelirikkoon. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) Pohjamaan kelirikkovaihe alkaa, kun sulamisrintama saavuttaa pohjamaan yläpinnan. Silloin esiintyvien kelirikkovaurioiden vakavuus riippuu pohjamaan routivuudesta sekä tien rakennekerrosten paksuudesta ja jäykkyydestä. Pohjamaan kelirikon aikana tien kuntoon vaikuttavat tietä käyttävän raskaan liikenteen kuormitus ja liikennöintitaajuus. Tien kantavuus on heikoimmillaan, kun routa on kokonaan sulanut. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) 20
2 Roudan vaikutukset tiestöllä 2.3.2 Kelirikon syntyyn vaikuttavat tekijät Kelirikon syntymisen edellytykset Roudan sulamisesta johtuvan kelirikon syntymisen edellytykset ovat tierakenteessa olevan routivan maa-aineksen jäätyminen, sulamisen aikana vapautuvan veden jääminen tierakenteeseen ja samaan aikaan tapahtuva kuormitus (Kuva 1). (Aho, 2004) (Aho Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) Routivan maa-aineksen lämpötila laskee ja routarajalla on riiitävästi vettä saatavissa Roudan sulaessa vapautuva vesi jää tierakenteeseen Tietä kuormitetaan roudan sulamisen aikana Kuva 1. Kelirikon syntymisen edellytykset. (Launonen & Turunen, 1995) Kelirikon syntyyn vaikuttavista tekijöistä tärkeimmät ovat liikenne- ja ympäristökuormitus sekä kohteen olosuhdetekijät (Taulukko 2). Kelirikkoa esiintyy eniten rakentamattomilla sorateillä, mutta myös rakennetuilla sorateillä sekä sirotepinta- ja öljysorateillä. (Aho, 2004) (Aho Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Launonen & Turunen, 1995) Taulukko 2. Kelirikon syntymiseen vaikuttavat tekijät. (Aho, 2004) (Aho, Saarenketo& Kolisoja, 2005) Olosuhdetekijät Ympäristökuormitus Liikennekuormitus Kuivatusolosuhteet Tien ja ympäristön topografia Kuivatusrakenteet Tierakenne Rakennekerrosten laatu, paksuus ja sekoittuneisuus Pohjamaa Maalaji ja sen routivuus Sää ja hydrologiset tekijät Lämpötila Pohjaveden pinnan korkeus Sadanta Routa Raskas liikenne Ajoitus Määrä Akselikuorma Rengaspaine Palautumisaika Sään vaikutus kelirikon vaikeuteen Kelirikon vaikeuteen vaikuttavat syksyn sademäärä, alkutalven lämpötila (routaantumisaika), talven pakkasmäärä sekä sulamiskauden lämpötila (sulamisaika), sademäärä ja yöpakkaset (Taulukko 3). Sateinen syksy lisää tierakenteen ja pohjamaan kosteutta. Leutona alkutalvena maahan sitoutuu enemmän vettä kuin kylmänä. Jos tierakenne routaantuu nopeasti, niin routaraja estää veden kulkeutumista ja rakenteeseen syntyy vain ohuita jääkerroksia. Jos lämpötila vaihtelee syksyllä paljon ja routaantuminen on hidasta, niin tierakenteeseen muodostuu paksu jääkerros. Usein vaikea kelirikko ilmenee leudon talven jälkeen. (Belt, Lämsä, Ehrola, Ernvall & Seppälä, 1999) (Hartikainen, 2000) (Suhonen, 2005) 21
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Sulamiskauden korkea lämpötila nopeuttaa roudan sulamista ja kelirikon poistumista, mutta jos routa sulaa nopeasti, niin vettä vapautuu enemmän kuin tierakenteesta pystyy poistumaan ja rakenteeseen voi kerääntyä paljon kosteutta. Sateet nopeuttavat roudan sulamista, mutta lisäävät kosteuden määrää rakenteessa. Yöpakkaset lieventävät kelirikkoa, sillä kun pintaosan lämpötila laskee, nousee kosteus sulaneesta kerroksesta lähelle tien pintaa. Pakkasyön jälkeen päivä on usein aurinkoinen, joilloin kosteuden haihtuminen tien pinnan kautta on voimakasta. Varjoisat tien kohdat sulavat yleensä muita kohtia hitaammin. Niissä kohteissa kelirikko ilmenee myöhemmin ja kestää pidempään kuin muualla. (Belt, Lämsä, Ehrola, Ernvall & Seppälä, 1999) (Launonen & Turunen, 1995) (Pirinen, 2007) (Saarenketo, 2007) (Suhonen, 2005) Taulukko 3. Sääolosuhteiden vaikutus kelirikon vaikeuteen. Sääolosuhde Sateinen syksy Leuto alkutalvi ja lämpötilan vaihtelu Nopeasti etenevä lämmin sulamiskausi Sateinen kevät Pakkasyö ja sitä seuraava aurinkoinen päivä sulamiskautena Vaikutus tierakenteen routaantumiseen ja roudan sulamiseen Tierakenteeseen kertyy paljon kosteutta. Hidas rountaantuminen aiheuttaa paksun jääkerroksen. Tierakenteen routa sulaa nopeammin kuin tie ehtii kuivua. Nopeuttaa roudan sulamista, mutta lisää kosteutta tierakenteessa ja hidastaa kosteuden poistumista. Nostaa kosteutta tierakenteesta kohti tien pintaa ja jos seuraava päivä on aurinkoinen, niin kosteus haihtuu. Vaikustus kelirikkoon Lisää vaikean kelirikon mahdollisuutta. Yleensä pahentaa kelirikkoa. Vähentää kelirikkoa ja kelirikkoajan kestoa. Liikennekuormituksen vaikutus kelirikkoon Raskaan liikenteen aiheuttamaan liikennekuormitukseen vaikuttavat metsäyhtiöiden kuljetusreitit, suuret rakennushankkeet sekä raskaiden ajoneuvojen nopeudet. Alhainen ajonopeus (< 40 km/h) lisää liikennekuormituksen vaikutusta. Kuormitus voi olla myös toispuoleista, sillä raskas liikenne saattaa käyttää vain tien toista puolta. Liikenteen käyttämän puolen kantavuus paranee roudan sulamisen jälkeen kevyesti kuormitettua puolta huomattavasti hitaammin. (Kurkela, 2007) (Pirinen, 2007) (Saarenketo, 2007) Pohjamaan ja tien topografian vaikutus kelirikkovaurioihin Kallio ja moreeni Rinnekohteissa kallio saattaa padota roudan kanssa virtaavaa pohjavettä tien alle, joka jäätyessään muodostaa tierakenteeseen routaa (Kuva 2A). Sivukaltevissa rinteissä, joissa pohjaveden pinta on lähellä tien pintaa, kelirikko esiintyy yläpuolisen rinteen puolella (Kuva 2B). Rinteen kautta tierakenteeseen virtaava pohjavesi muodostaa jäätyessään jäälinssejä, jotka aiheuttavat routimista tien ylärinteen puoleisella reunalla. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) 22
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Alavassa maastossa kelirikko esiintyy koko tien poikkileikkauksen alalla. Moreenikumpareen alueella kelirikko sijaitsee kohdassa, jossa tie siirtyy penkereeltä kumpareelle. Jos kyseiset kohteet routivat, pehmenee tie koko poikkileikkauksen alalta. Kelirikko liittyy koveralla pystygeometriaosuudella sijaitsevaan paksuun kulutuskerrokseen, joka on syntynyt tiehöylän vuosien aikana siirtämästä materiaalista. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) A B Kuva 2. Kelirikkovaurion syntyminen sivukaltevassa rinteessä, kun pohjamaa on kallio (2A) tai moreeni (2B). (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) Savi- ja silttipohjamaat sekä turvemaat Notkelmassa tai tasaisella alueella sijaitsevien tien kohtien kelirikko liittyy usein rakennekerrosten epähomogeenisuuteen. Routiminen aiheuttaa halkeamia tien reunoilla ja ohuiden rakennekerrosten tapauksessa myös keskellä tietä. Silloin esiintyy routasilmäkkeitä, joissa pohjamaa pursuaa liikennekuormituksen vaikutuksesta pintaan tien reunoilta ja keskeltä (Kuva 3A). Savi- ja silttimailla esiintyvään kelirikkoon liittyy usein tien poikkileikkauksen leventymistä. Sivukaltevissa rinteissä routiminen ja kelirikko ovat ajoradalla yläpuolisen rinteen puolella. Turvepohjamailla vauriot ovat yleensä kohdissa, joissa pohjamaa vaihtuu mineraalimaasta turpeeksi. Turvemailla sijaitsevilla kelirikkokohteilla on heikot reunat (Kuva 3B). (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Saarenketo & Aho, 2005a) A B Kuva 3. Savi- ja silttipohjamailla esiintyy routasilmäkkeitä tien keskellä (3A). Kelirikkokohteiden reunat ovat heikot, jos pohjamaa on turve, savi tai siltti (3B; poikkileikkaus). Lähteestä mukailtu. (Saarenketo & Aho, 2005a) 23
2 Roudan vaikutukset tiestöllä 2.3.3 Kelirikkokorjaukset ja niiden kannattavuus Kelirikko on painorajoituksia suurempi haitta ja kustannusten aiheuttaja, sillä se aiheuttaa lisäkustannuksia ja haittaa myös sellaisille yrityksille ja yksityishenkilöille, joiden toimintaa painorajoitukset eivät suoraan vaikeuta. Kustannuksia syntyy muun muassa aika- ja polttoainekustannuksista sekä ajoneuvon nopeammasta kulumisesta. Kelirikkoon varautumisesta seuraa myös lisäkustannuksia. Hoitokustannukset ovat kelirikkoteillä muita teitä korkeammat. Suurin osa (60 80 %) tievaurioista syntyy kelirikkoaikana. (Saarenketo, 2007) (Strandvall, 2006) Kelirikko aiheuttaa metsäteollisuudelle lisäkustannuksia estäessään puun korjuuta ja kuljetuksia jopa 100 M vuosittain. Niitä syntyy muun muassa kuljetuskaluston ylikapasiteetista keväällä, kun talven kausihuippua varten varatulle kalustolle ei löydy käyttöä kelirikkoaikana. Kelirikon aikainen puunsaanti turvataan kasvattamalla varastoja. Siitä seuraa lisäkustannuksia raaka-aineen laadun heikkenemisen ja varastoihin sitoutuneen pääoman takia. Varastoinnin aiheuttamiksi kustannuksiksi on arvioitu noin 40 M /vuosi. Metsäteho Oy:n, Tiehallinnon ja Destian selvityksessä arvioitiin kelirikkokorjausten kannattavuutta Kainuun, Koillismaan, Savo-Karjalan, Keski-Suomen, Hämeen ja Kaakkois-Suomen alueilla. Näiden alueiden yleisten teiden kelirikkokorjauksiin laskettiin tarvittavan 44 M ; tällä investoinnilla saataisiin yhdessä vuodessa puunhankinnassa noin 40 M kustannussäästö. (Metsäteollisuus, 2006) (Väkevä, 2007) Painorajoituksia noudattaa vain osa kuljetuksista ja jos painorajoitus ei muutenkaan suojaa tietä kelirikolta, niin kelirikkokorjaus täytyy tehdä joka tapauksessa tehdä elintärkeiden kuljetusten turvaamiseksi. Kelirikkokorjaukset täytyy tehdä riittävän pitkällä matkalla. Kelirikkokorjauksilla ei saavuteta yleensä tavoiteltua hyötyä, jos samalla ei paranneta kuivatusta. Korjausten yhteydessä täytyy aina varmistaa kuivatusjärjestelmän toimivuus. Kuivatuksen parantaminen on yleensä tehokkain menetelmä kelirikkotilanteen helpottamiseksi. (Aho, Saarenketo & Kolisoja, 2005) (Strandvall, 2006) (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) (Tiehallinto, 2006a) 24
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Runkokelirikon lisäksi pintakelirikko kasvattaa tien hoidon ja käyttäjien kustannuksia. Syyskelirikon kesto on pidentynyt leutojen talvien vuoksi ja nykyisin Etelä-Suomessa on myös talvikelirikkoa. Pintakelirikon aikainen tien käyttö ei vahingoita tietä, sillä pintakelirikon aikana tien kantavuus voi olla jopa parempi kuin kesällä. Pintakelirikko heikentää kuitenkin ajomukavuutta, pidentää matka-aikoja, likaa ajoneuvoja ja puutavaran kuljetuksia. Eniten pintakelirikon kestoon ja vaikeuteen vaikuttaa kevään sää, mutta myös hoitotoimenpiteissä käytetyn murskeen laatu ja hienoainespitoisuus. Pintakelirikkokorjaukset tulee suorittaa tarpeeksi pitkällä osuudella ja aloittaa riittävän ajoissa. Tärkeimmät toimenpiteet ovat tien kuivatuksesta huolehtiminen, lanaus sekä kelirikkomurskeiden käyttö. (Niittyvuori, 2007) (Suhonen, 2005) 2.4 Painorajoitukset 2.4.1 Yleistä Sääolosuhteiden lisäksi kelirikon syntyyn ja vaikeuteen vaikuttaa sulamiskautena tapahtuva liikennekuormitus. Kuormitukseen voidaan vaikuttaa tienpitäjän toimesta yhteistyöllä (tiedotus, yhteydenpito ja tien käytöstä sopiminen kelirikkoaikana) tienkäyttäjien kanssa sekä painorajoitusten avulla. Painorajoitusten tarkoituksena on ehkäistä kelirikkoa, turvata elintärkeät kuljetukset minimitasolla ja vähentää kunnossapidon kohtuutonta lisääntymistä. Liikennekelpoisuus minimitasolla tarkoittaa, että jokaiseen talouteen voidaan kulkea vähintään henkilöautolla ja että elintärkeät kuljetukset on mahdollista suorittaa. Runkokelirikon lisäksi painorajoituksia voidaan asettaa tarvittaessa myös vaikean pintakelirikon vuoksi. (Tiehallinto, 2007a) (Suhonen, 2005) Elintärkeitä kuljetuksia ovat muun muassa (Tiehallinto, 2007a): hälytysajoneuvo tienpitoajoneuvo linja-auto reittiliikenteessä työmatkaliikenne energia- ja jätehuollon sekä kaupan ja maatalouden välttämättömät kuljetukset Painorajoitus tarkoittaa suurinta maantiellä sallittua ajoneuvon massaa tai ajoneuvoluokkaa. Painorajoituksia käytetään maanteiden lisäksi muun muassa lautoilla ja huonokuntoisilla silloilla. Painorajoitussuunnittelussa ennakoidaan tulevaa kelirikkoa ja sen aiheuttamia painorajoituksia. (Päiviö-Leppänen, 2007) 25
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkoon liittyvässä painorajoituksessa on kaksi painorajoitusluokkaa (Tiehallinto, 2007a): 1. Suurin sallittu ajoneuvoyhdistelmän massa on 12 tonnia 2. Liikenne sallittu vain henkilöautoille, joiden suurin sallittu massa on 4 tonnia. Näistä yleisempi on 12 tonnin rajoitus, jota voidaan kiristää, jos 1 2 vaurioluokan kelirikon pituus on yli 2 km/tieosa. Painorajoitus asetetaan yleensä liittymien väliin, mutta jos rajoitusta tarvitseva osuus on pitkän liittymävälin keskellä tai toisessa päässä, niin rajoitus voidaan asettaa vain sitä vaativalle osuudelle. Painorajoituksia asetetaan sorateille, soratien pintauksille sekä päällystetyistä teistä lähinnä öljysorapäällysteille ja asfalttipäällysteille, joissa sideaineena on käytetty pehmeää bitumia. (Tiehallinto, 2007a) Painorajoitukset eivät koske edellä mainittuja elintärkeitä kuljetuksia. Muihin kuljetuksiin tiepiiri voi myöntää kertaluontoisen poikkeusluvan. Kuljetuksia, joilta vaaditaan poikkeuslupa, ovat muun muassa metsä- ja rakennusteollisuuden kuljetukset. (Tiehallinto, 2007a) 2.4.2 Tiehallinnon painorajoitusmenettely Painorajoitusmenettelyn vaiheet Tiehallinto määrittää syksyllä tieosien kelirikkoluokat kelirikkoalttiuden ja liikenteellisen merkittävyyden perusteella. Sorateiden kelirikkoalttius arvioidaan aiempien vuosien vaurioiden perusteella. Päällystettyjen teiden kelirikkoalttius perustuu tien poikittaisen epätasaisuuden arvoihin. Tiepiirit antavat marraskuussa ennakkotiedotteen seuraavan kevään kelirikoista (Kuva 4). Tiedotuksen tarkoituksena on parantaa kuljetusten tarvitsijoiden ja suorittajien valmiuksia varautua tulevan kevään kelirikkoon. Maaliskuun aikana lähetetään kelirikkotiedote, kun kelirikon vaikeusennuste on valmistunut ja tiepiirit ovat laatineet painorajoitusennusteen. Tiedotteeseen sisältyvät myös tiedot painorajoitusyhdyshenkilöistä ja poikkeuslupamenettelyistä. (Belt, 2007) (Lämsä & Belt, 2007) (Päiviö-Leppänen, 2007) (Tiehallinto, 2007a) 26
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkoluokkien määrääminen Kelirikon ennakkotiedotus Painorajoitusennuste (helmikuu) Painorajoitusennuste Kelirikkotiedote iikk i d Painorajoitusten asettamien, muuttaminen ja poistaminen Tiedotus Internetissä Kelirikkoinventoinnit Kelirikon ennakointi (marraskuu) Painorajoitukset (maalis kesäkuu) Kuva 4. Painorajoitusmenettelyn vaiheita. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikkoalttius toimii lähtökohtana painorajoitusennusteen laadinnassa. Kelirikon ennustemallissa Suomi on jaettu maantieteellisiin alueisiin. Malli ennustaa alkutalven ilmastotekijöiden perusteella runkokelirikon suhteellisen pituuden eri hoitourakkaalueilla. Kelirikon vaikeutta arvioidaan toteutuneen kelirikon suhteellisen pituuden avulla. Painorajoitusuhanalaiset eli todennäköisesti painorajoitettavat tiet määritetään tien kelirikkoalttiuden, -luokan sekä kelirikon vaikeusennusteen perusteella (Kuva 5). (Belt, 2007) (Lämsä & Belt, 2007) (Päiviö-Leppänen, 2007) (Tiehallinto, 2007a) Painorajoituksen asettamisesta päättää tiepiiri ottamalla huomioon painorajoitusennusteen, paikalliset olosuhteet ja hoitourakoitsijan näkemyksen. Tiepiiri seuraa kelirikon kehitystä ja muuttaa painorajoituksia kelirikon kehityksen ja liikennekuormituksen mukaan. Painorajoitus voidaan poistaa, kun roudan sulaminen on edennyt yli 80 cm ja tien pintaosassa on kuiva kantava kerros. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikkoalttius Tien liikenteellinen merkitys Kelirikkoluokka Kelirikon vaikeusennuste Painorajoitusennuste Kuva 5. Painorajoitusennusteen vaihteet. (Tiehallinto, 2007a) 27
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Runkokelirikkoluokka ja kelirikon inventointi Painorajoitusennusteen laatiminen alkaa keväisin tehtävästä runkokelirikon inventoinnista. Runkokelirikko inventoidaan joka kevät koko soratieverkolla. Inventoinnin suorittaa Tiehallinnon tilaama inventoija, joka arvioi myös tarvittavat korjaustoimenpiteet. Havaittu runkokelirikko luokitellaan viiteen luokkaan runkokelirikon vakavuuden mukaan (Kuva 6) (Tiehallinto, 2007a): 0. Tieosalla ei ole lainkaan runkokelirikkovaurioita. 1. Tieosalla on vakava vaurio (kunto erittäin huono). 2. Liikennettä tuntuvasti haittaava vaurio (kunto huono) 3. Tieosalla on lievä vaurio (tyydyttävä kunto). 4. Tieosan kunto on hyvä. luokka 1 luokka 2 luokka 3 Pintakelirikko Kuva 6. Runkokelirikon vaurioluokat 1, 2 ja 3 sekä pintakelirikko. (Tielaitos, 1996) Sorateiden kelirikkoalttius Soratien kelirikkoalttius määritetään tarkastelemalla liikennettä haittaavan kelirikon pituutta sekä kelirikon kokonaispituutta. Jos liikennettä haittaavien osuuksien pituus on alle 150 m tai kelirikon yhteispituus alle 450 m, niin tieosa kuuluu kelirikkoluokkaan A eikä painorajoituksia tarvita. Kelirikon toistuvuus kuvaa tieosan herkkyyttä runkokelirikolle. Toistuvuutta arvioidaan vaurioiden esiintymistiheyden mukaan (Tiehallinto, 2007a): harvoin: 1 kerta/vuosi usein: 2 3 kertaa/vuosi säännöllisesti: 4 5 kertaa/5 vuotta 28
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Päällystettyjen teiden kelirikkoalttius Päällystetyillä teillä kelirikkoalttiuden määrittäminen perustuu päällystettyjen teiden palvelutaso mittauksiin eli PTM-mittauksiin. PTM-mittaus on liikenteen seassa tapahtuva tien kunnon mittaus, jossa lasermittaustekniikalla mitataan useita eri tunnuslukuja kuten urat, epätasaisuus, sivukaltevuus, poikittainen epätasaisuus ja harjanne. Kelirikkoalttiuden kriteerinä käytetään ajourien välisen harjanteen korkeutta (Kuva 7A), jos PTM-mittaukset on tehty vuoden 2002 jälkeen, muuten käytetään poikittaisen epätasaisuuden arvoa eli PETA-arvoa (perustasosta poikkeavien lukemien itseisarvojen keskiarvo, Kuva 7B). (Tiehallinto, 2007a) A B Kuva 7. Ajourien välinen harjanne (7A) sekä poikittainen epätasaisuus (7B). Lähteestä mukailtu. (Tiehallinto, 2007a) Päällystettyjen teiden kelirikkoalttiuden määrittämisen vaiheita ovat: Tarkistetaan, että PTM-mittausvuoden ja viimeisimmän päällystetoimenpiteen vuoden erotus eli PTM ikä on yli 3 vuotta sekä tarkasteltavan tieosan pituus on vähintään 500 m. Lasketaan tieosalle PTM-mittauskriteeriä vastaava raja-arvo (Kaava 7) (Tiehallinto, 2007a): - = (7) 60 100 ä + 20, h 2002 (h ) 24 100 ä + 16, h 2002 ä ( ) Jaetaan tarkasteltava tieosa 100 m osuuksiin ja määritetään jokaisen osuuden kriteerin arvo sekä verrataan tieosan 100 m osuuksien kriteerien arvoja tieosan raja-arvoon ja lasketaan raja-arvon ylittävien osuuksien lukumäärä. Jos raja-arvon ylittävien osuuksien lukumäärä on vähemmän kuin viisi, niin tieosan kelirikkoluokka on A eikä tieosalle aseteta painorajoitusta, muuten tieosan kelirikkoluokka määräytyy liikenteellisen merkittävyyden mukaan (taulukossa 4 esitetyllä tavalla). Kuvaukset PTM-mittauksista sekä harjanteen ja PETA-arvojen määrittämisestä löytyvät muun muassa tiehallinnon julkaisuista Palvelutasomittausten uusien tunnuslukujen käyttöönotto ja hyödyntäminen. (Tiehallinto, 2005a) 29
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kelirikkoluokka Tiet jaetaan kelirikkoherkkyyden mukaan neljään kelirikko- eli painorajoitusluokkaan: A. Kelirikkoa esiintyy niin vähän ja harvoin, ettei tieosalla ole painorajoitusuhkaa. B. Painorajoitusuhka on vain keväinä, jolloin kelirikon ennustetaan olevan erityisen vaikea. C. Painorajoitusuhka on usein eli keväinä jolloin kelirikon ennustetaan olevan vaikea tai keskivaikea. D. Painorajoitusuhka on joka kevät. Luokka kuvaa tien kelirikkouhan suuruutta. Kelirikkouhanalaisia teitä ovat luokkiin B, C ja D kuuluvat tiet. Luokkaan A ei aseteta painorajoituksia. Päällystetyillä teillä käytetään vain luokkia A, B ja D. Kelirikkoluokka määräytyy taulukossa 4 esitetyllä tavalla. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikon vaikeusennuste Runkokelirikon ennustemallilla (Kaava 8) ennustetaan tulevan kevään kelirikon vaikeutta. Ennusteessa Suomi on jaettu 14 osa-alueeseen (Kuva 8). Osa-alueille on määritetty kelirikon vaikeutta vastaavat luokkarajat (0 20 % helppo, 20 80 % keskivaikea ja 80 100 % vaikea) suhteellisten runkokelirikkopituuksien perusteella. (Tiehallinto, 2007a) Kuva 8. Kelirikon vaikeusennusteessa Suomi on jaettu 14 osa-alueeseen. (Tiehallinto, 2007a) 30
2 Roudan vaikutukset tiestöllä jossa = [0,274 ( ) 0,3048 + 0,2725 ( ) 3,4455 + 5,6440 10 8 2,8702 0,0360 0,3101 + 0,0221] 1 0,4202 2 = 78,5 % RKL on suhteellinen kelirikkopituus (%) RKM suhteellisen kelirikkopituuden mediaani kuudelta viimeiseltä vuodelta (%) RA s routaantumisaika (d) PVP pakkasmäärää 2 500 Ch vastaavan ajankohdan pohjaveden korkeuden poikkeama pohjaveden korkeuden mediaanista vuosilta 1984 2003 (m) RA t aika pakkaskauden alusta tammikuun loppuun (d) PS t tammikuun lopun pakkassumma ( Ch) (8) Painorajoitusennuste Painorajoitusennuste eli kevään todennäköisesti painorajoitettavat tiet määritetään kelirikkoalttiuden, kelirikkoluokan ja kelirikon vaikeusennusteen perusteella. Tiepiiri tiedottaa painorajoitusennusteesta kelirikkotiedotteessa maaliskuussa. Taulukossa 4 on esitetty yhteenveto kelirikkoluokan ja painorajoitustarpeen määräytymisestä. (Tiehallinto, 2007a) Taulukko 4. Kelirikkoluokan ja painorajoitustarpeen määräytyminen. (Tiehallinto, 2007a) Kelirikkoalttius Peruskriteeri Toistuvuus Vaurioluokkien 1 ja 2 vaurioiden yhteispituus yli 150 m/tieosa Harvoin Usein Säännöllisesti Soratie Kaikkien vaurioluokkien vaurioiden yhteispituus yli 450 m/tieosa Harvoin Usein Säännöllisesti Päällyste Raja-arvon ylittäviä harjanne- tai PETA-jaksoja yli 500 m/tieosa Kelirikkoluokka KVL 200 A B C A B B A KVL 200 B C D B C D Kelirikon vaikeusennuste Helppo Vaikea Helppo Keskivaikea Keskivaikea Vaikea Helppo tai keskivaikea Vaikea Painorajoitustarve ja kelirikkoluokka KVL 200 KVL 200 ei (A) ei (B) ei (B) ei (C) ei (C) kyllä (D) ei (A) ei (A) kyllä (B) kyllä (B) kyllä (C) ei (B) kyllä (B) kyllä (D) 31
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Painorajoitusten asettaminen ja poistaminen Tiepiiri päättää painorajoitusten asettamisesta teille painorajoitusennusteen, hoitourakoitsijoiden arvioiden ja paikallisten olojen (liikennekuormitus, roudan sulaminen, sää) perusteella (Kuva 9 ja Taulukko 5). Hoitourakoitsija tarkastaa urakkaalueeseen kuuluvat tiet, raportoi kelirikkotilanteesta tiemestarille tai tiepiirin nimeämälle painorajoitusyhdyshenkilölle ja tekee tarvittaessa ehdotuksen painorajoituksen asettamisesta. Äkillisessä tilanteessa hoitourakoitsija voi asettaa painorajoituksen painorajoitusennusteessa mainitulle tielle. (Tiehallinto, 2007a) Painoajoitukset aloitetaan painorajoitusennusteessa mainituilla sekä kelirikkoisilla teillä, kun roudan sulaminen on edennyt 15 cm syvyyteen. Ajoitusta voidaan siirtää sorateiden osalta hoitourakoitsijan arvion ja sääennusteen perusteella. Päällystetyillä teillä rajoitukset asetetaan sorateitä aikaisemmin. Tien vaurioitumisriski on suurin, kun päällysteen ja vielä jäässä olevan kerroksen välissä on sulanut kerros. Roudan sulamista arvioidaan ilman lämpötilan ja roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon perusteella sekä paikallisilla havainnoilla. (Päiviö-Leppänen, 2007) (Tiehallinto, 2007a) Painorajoitusennustete Paikalliset olosuhteetet Hoitourakoitsijan arvio Painorajoitukset Liikennekuormitus Roudan sulaminen Kevään sää Kuva 9. Painorajoitusten asettamiseen vaikuttavat painorajoitusennuste, hoitourakoitsijan arvio sekä paikalliset olosuhteet. (Tiehallinto, 2007a) Liikenteellisesti merkittävillä teillä rajoitusten aloittaminen pyritään siirtämään mahdollisimman myöhään. Raskaita kuljetuksia vältetään kelirikkouhanalaisilla teillä kelirikkoaikana. Ennusteessa mainitut tiet voidaan jättää rajoittamatta, jos niihin ei kohdistu elintärkeän raskaan liikenteen lisäksi muuta raskasta liikennettä. Rajoituksia voidaan asettaa tarvittaessa myös teille, joilla ei ole ennusteen mukaan painorajoitustarvetta, jos niihin kohdistuu normaalia suurempi liikennepaine eli tarve käyttää tietä kelirikkokautena elintärkeiden raskaiden kuljetusten lisäksi muihin raskaisiin kuljetuksiin. (Tiehallinto, 2007a) Painorajoitusten aloittamista voidaan lykätä tai niistä voidaan luopua, jos kevät on vähäsateinen, aurinkoinen ja tuulinen. Jos sääolot ovat normaalia vaikeammat, voi olla tarpeen rajoittaa liikennettä myös ennusteessa mainitsemattomilla teillä. (Tiehallinto, 2007a) 32
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Painorajoitusten asettamisen jälkeen hoitourakoitsija seuraa kelirikon kehittymistä ja toimittaa tiepiirille kerran viikossa arvion niistä tieosista, joilta painorajoitus voidaan poistaa. Tiepiiri muuttaa painorajoituksia runkokelirikon kehityksen mukaan. Rajoitukset voidaan tilapäisesti poistaa eli huputtaa, jos kesken sulamiskauden pakkasjakso on jäykistänyt tien raskasta liikennettä kestäväksi. Painorajoitukset poistetaan, kun roudan sulaminen on edennyt 0,8 1 m syvyydelle ja tien pinnassa on kuiva kantava kerros. Sulamista arvioidaan ilman lämpötilan ja roudan seurantaasemien tuottamien tietojen avulla sekä tutkimalla tarvittaessa rakennetta. (Tiehallinto, 2007a) Taulukko 5. Yhteenveto painorajoitusten asettamisesta. Kevään sää Liikennekuormitus Ennusteen mukaan painorajoitustarve Asetetaan painorajoitus Normaali Normaali Poikkeuksellisen huono Normaalia suurempi Voidaan siirtää myöhemmäksi Poikkeuksellisen hyvä (*) Normaalia suurempi (*) Ei aseteta painorajoitusta Poikkeuksellisen hyvä Normaalia vähäisempi Normaali Normaali Kyllä Ei Kyllä Kyllä Ei (*) tarvitaan hoitourakoitsijan näkemys kelirikosta Roudan syvyys painorajoitusten aikana Kelirikkoinventointien sekä painorajoitusten asettamisen ja poistamisen ajankohtaa verrattiin Percoasemilla mitatun tierakenteen lämpötilan ja Ilmatieteen laitoksen ilman lämpötilatietojen perusteella arvioituun sorateiden roudan syvyyteen. Sorateiden painorajoitukset asetetaan pääosin silloin, kun roudan sulaminen on edennyt 0,2 0,5 m syvyyteen ja päällystetyillä teillä 0,25 0,35 m syvyyteen. Painorajoitukset poistetaan yleensä, kun tierakenne on sulanut yli metrin. Päällystetyillä teillä poistamisen ajankohta vaihtelee sorateitä enemmän. Kelirikkoinventoinnit painottuvat ajankohtaan, jolloin rakenteen sulaminen on edennyt 0,8 m syvyyteen saakka, vaikka tierakenteen toiminnan kannalta kriittisin vaihe voi olla silloin jo ohitettu. (Belt, 2007) (Lämsä & Belt, 2007) (Tiehallinto, 2007a) 33
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Haittaindeksi Liikennemäärän ja kelirikon pituuden avulla lasketaan vaurioluokan 1 3 kohteista haittaindeksi (Kaava 9). Tiehallinnon keskushallinto asettaa tiepiireille tavoitteet haittaindeksin vähenemälle. Indeksiä käytetään apuna korjaustoimenpiteiden suunnittelussa. (Tiehallinto, 2007a; Tiehallinto, 2006b) jossa = ( 65 100 + 35 100 ) i=1 HI on tien haittaindeksi n tien runkokelirikkoinen tieosa A n tieosan n vaurioluokan 1 3 kohteiden yhteenlaskettu pituus (m) B n tieosan n pituus (m) KVL pp,n tieosan n pituudella painotettu tien keskimääräinen vuorokausiliikenne (ajon/vrk) HI tien haittaindeksi (9) 2.5 Kelirikosta ja painorajoituksista tiedottaminen liikennemerkeillä Soratien pinta- ja runkokelirikosta varoitetaan liikennemerkillä Muu vaara (Kuva 10) varustettuna lisäkilvillä Vaikutusalueen pituus ja Kelirikko. Merkin asettamisesta päättää tiemestari, mutta äkillisessä tilanteessa hoitourakoitsija voi myös asettaa merkin. Poikkeuksellisesta epätasaisuudesta varoitetaan merkillä Epätasainen tie. Päällystetyillä teillä kelirikon purkaumakohdasta varoitetaan merkillä Epätasainen tie ja jos purkaumasta irtoaa kiviainesta, käytetään merkkiyhdistelmää, jossa on mukana merkki irtokiviä. Jos kohtia on tiellä yhtenäisesti, niin merkki sijoitetaan tien alkuun ja varustetaan lisäkilvellä Vaikutusalueen pituus ja Päällystevaurioita. (Tiehallinto, 2007a) Painorajoitus osoitetaan merkillä Ajoneuvoyhdistelmän suurin sallittu massa (Kuva 10). Merkki koskee sekä ajoneuvoa että ajoneuvoyhdistelmää. Merkin käytöstä päättää tiepiiri. Se pystytetään kelirikosta varoittavan merkin jälkeen 20 50 m päähän (Kuva 11). Jos tiellä esiintyy paljon läpiajo- tai raskasta liikennettä, niin harkitaan merkin käyttämistä ennakkomerkkinä. Jos osuus alkaa liittymästä, niin merkki sijoitetaan ennen liittymää varustettuna lisäkilvellä Kohde risteävällä tiellä ja tien alussa ilmoitetaan kuinka pitkän matkan päästä painorajoitus alkaa. (Tiehallinto, 2007a) 34
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Kuva 10. Painorajoituksen ja kelirikon osoittamisessa käytettäviä liikennemerkkejä ovat muu vaara, epätasainen tie, irtokiviä, lisäkilpi sekä ajoneuvoyhdistelmän suurin sallittu massa. (Tiehallinto, 2007b) Kuva 11. Painorajoitusmerkki sijoitetaan 20 50 metrin etäisyydelle kelirikkovaroituksesta. (Kelho, 2007) 35
2.6 Minnesotan painorajoitusmenettely 2 Roudan vaikutukset tiestöllä Vähäliikenteisten teiden taloudellinen ylläpito -tutkimusohjelmassa selvitettiin Minnesotan painorajoituskäytäntöä ja sen soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin. Minnesotan osavaltiossa painorajoituksenalaisia päällystettyjä teitä on 62 000 km. Painorajoituksia käytetään teillä, joita ei ole suunniteltu kestämään yli 10 tonnin akselikuormaa keväällä. Painoajoitusten asettamisen ajankohta määritetään arvioimalla roudan sulamista lämpöastesumman avulla. Malli sopii Suomen oloihin, jos Minnesotan ja Suomen sijaintien ero otetaan huomioon. Roudan sulaminen alkaa Minnesotassa aiemmin ja etenee nopeammin kuin Suomessa. (Ryynänen, Belt & Ehrola, 2003) (Saarelainen & Törnqvist, 2004) (Van Deusen, Schrader, Bullock & Worel, 1998) Painorajoitus asetetaan, kun lämpöastesumman kumulatiivinen kertymä CTI on 14 Cd (Kaava 10) (Stehr, 2003): jossa = ( 1 2 ) (10) =1 CTI on kumulatiivinen lämpösumma ( Cd) i 1., 2., n. vuorokausi DTI vuorokauden lämpösumma ( Cd) DFI vuorokauden pakkassumma ( Cd) Vuorokauden lämpösumma DTI määritetään vähentämällä vuorokauden pienimmän T min ja suurimman T max mitatun lämpötilan keskiarvosta auringonpaistekulman mukaan määräytyvä vertailulämpötila T ref (Kaava 11) (Stehr, 2003). = jossa 1 2 ( + ), 1 2 ( + ) >0 0, T ref on auringonpaistekulman perusteella määrätty vertailulämpötila ( C), joka on kesä-tammikuussa 0 C ja muuttuu helmi-huhtikuussa päivämäärän mukaan. (11) 36
2 Roudan vaikutukset tiestöllä Vuorokauden pakkassumma lasketaan niin ikään pienimmän ja suurimman lämpötilan sekä vertailulämpötilan avulla (Kaava 12) (Stehr, 2003): = 0 1 2 ( ), 1 2 ( + ) <0 0, (12) Painorajoituksen kestoa arvioidaan pakkasmäärän ja mitatun roudan syvyyden avulla (Kaava 13). Rajoitusten kestoa arvioiva malli ei ole suoraan siirrettävissä Suomeen Minnesotan erilaisten sulamisolojen takia. (Saarelainen & Törnqvist, 2004) (Van Deusen, Schrader, Bullock & Worel, 1998) jossa = 0,15 + 0,01 +19,1 12090 D t F z f on painorajoitusaika (d) talven pakkasmäärä (Kh) roudan syvyys (m) (13) Painorajoituksen kesto on päällystetyillä teillä vähintään neljä ja soratiellä kahdeksan viikkoa. Rajoitukset poistetaan yleensä viimeistään kahdeksan viikon kuluttua asettamisesta, mutta niitä voidaan jatkaa, jos olot ovat poikkeuksellisen huonot. Minnesotan osavaltio on jaettu viiteen ilmastovyöhykkeeseen; poistamisen ajankohta määritetään regressioanalyysillä pudotuspainolaitemittausten taipumaparametrien, kevään lämpösumman, syksyn ja kevään sadesumman sekä edeltävän talven pakkasmäärän perusteella kullekin alueelle erikseen. Menettelyä voidaan soveltaa Suomessakin seuraamalla pudotuspainolaitteella taipumaparametrien palautumista. (Embacher, 2002) (Ryynänen, Belt & Ehrola, 2003) (Stehr, 2003) 37
3 Kelirikko ja painorajoitukset Suomen tiestöllä 3 KELIRIKKO JA PAINORAJOITUKSET SUOMEN TIESTÖLLÄ 3.1 Tiestön luokittelu, tieverkon pituus ja liikennemäärät Tiestön luokittelussa (Kuva 12) käytetään yleisimmin jakoa hallinnollisiin ja toiminnallisiin luokkiin. Hallinnollisessa luokittelussa tiestö jaetaan tienpitäjän ja tienpidon kustannusten vastuutahon perusteella maanteihin (aikaisemmin yleiset tiet), katuihin ja yksityisteihin. Toiminnallisen luokittelun lähtökohtana on tien liikenteellinen merkitys; tiestö jaetaan liikenteellisen merkityksen mukaan valtateihin, kantateihin, seututeihin ja yhdysteihin. Pientiestöön kuuluu vähäliikenteinen osa yhdysteistä sekä yleisimmin kaikki yksityistiet. (Tiehallinto, 2007c; Tiehallinto, 2005b) (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) Hallinnollinen jako Toiminnallinen jako Päällysrakenteen mukaan luokittelu Muita luokitteluja Maantiet Valtatiet Päällystetyt tiet Liikenteellisesti merkittävät tiet Kadut Kantatiet Soratiet Vähäliikenteiset tiet Yksityistiet Seututiet Rakentamattomat tiet Alempiasteiset tiet Yhdystiet Pientiestö Kuva 12. Tiestön luokittelu. Koko tieverkon pituus vuonna 2007 oli 454 000 km, joista maanteitä oli 78 000 km, katuja 26 000 km, yksityisteitä 350 000 km. Maanteiden varsilla olevia kevyen liikenteen väyliä oli 5 000 km. Koko tieverkon liikennesuorite oli vuonna 2006 yhteensä 52 mrd. autokm, josta maanteiden osuus oli 35 mrd. autokm, katujen ja yksityisteiden osuus yhteensä 17 mrd. autokm. Päällystettyjä maanteitä on yhteensä 51 000 km. Pääteiden liikennesuoritteen osuus on yli 63 %, mutta vain 17 % maanteiden pituudesta. Suurin osa (yli 90 %) liikenteestä liikkuu päällystetyillä teillä. Vähäliikenteisiä maanteitä (KVL 200 ajon/vrk) on 35 000 km ja erittäin vähäliikenteisiä (KVL 50 ajon/vrk) 6 000 km. Vaikka vähäliikenteisten teiden osuus yleisten teiden liikennesuoritteesta on vain 4 %, niiden osuus hoidon ja ylläpidon rahoituksesta on yli kymmenesosa. Erittäin vähäliikenteisten teiden määrä on kaksinkertaistunut Pohjois- ja Itä-Suomessa kymmenen vuoden aikana. (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) (Tiehallinto, 2007c) 38
3 Kelirikko ja painorajoitukset Suomen tiestöllä Osa tiestöstä muodostaa alemman tieverkon, johon kuuluvia teitä kutsutaan alempiasteiseksi teiksi. Alempiasteisten teiden liikennesuorite on alle 10 % Suomen koko tieverkon liikennesuoritteesta; silti kuljetussuoritteen osuus on yli 30 %. Alemmalla tieverkolla on erityisen suuri merkitys metsäteollisuuden ja maatalouden kuljetuksille. Alempiasteisilla yhdys- ja yksityisteillä esiintyy kuljetuskustannuksia lisääviä tekijöitä. Niitä ovat muun muassa liukkaus talvella, huono tien geometria, riittämätön turvallisuus, huonokuntoinen päällyste, pinnan uraisuus ja epätasaisuus sekä kelirikko ja huono kantavuus sekä lisäksi huonokuntoiset sillat. Kelirikko haittaa metsäteollisuuden ja maatalouden kuljetuksia erityisesti Savossa, Karjalassa, Keski- Suomessa ja Hämeessä. Haitta ilmenee pitkinä kuljetusmatkoina ja kuljetuksia rajoittavina painorajoituksina. Lyhytkin heikkokuntoinen osa tietä voi katkaista kuljetusreitin laajalta alueelta. (Metsäteollisuus, 2006) (Saarelainen & Törnqvist, 2004) (Perälä & Valkeisenmäki, 2002) 3.2 Kelirikko Suomen tiestöllä Kelirikko rajoittaa alempiasteisten teiden käyttöä kaikkein eniten. Lähes kaikki kelirikkoiset maantiet ovat vähäliikenteisiä yhdysteitä. Kelirikkoisia tieosia on eniten teillä, joiden KVL on 50 100 ajon/vrk. ja suurin haittaindeksi kohdistuu teihin, joiden KVL on 50 300 ajon/vrk. Kelirikon kokonaispituus on selvästi vähentynyt viime vuosina, mutta haittaindeksi ja kelirikkokohteiden määrä ovat pysyneet lähes ennallaan (Kuvat 13A ja 13B sekä Liite 5). Tieosittain tarkasteltuna kelirikko haittaa liikennöintiä yli 60 % soratieverkosta ja runkokelirikkoisten tieosien kokonaispituus on ollut jo pitkään 16 000 km. Kelirikkoisimmat tiepiirit ovat Savo-Karjala, Keski-Suomi, Häme ja Vaasa. Niissä tiepiireissä haittaindeksikin on suurin. Vaikka kelirikkokohteiden pituus onkin lyhentynyt, eivät niiden lukumäärä ja aiheuttama haitta ole merkittävästi vähentyneet. Kelirikon pituuden lyhentyminen saattaa johtua lisääntyneistä kelirikkokorjauksista, kuivasta säästä kelirikon sulamisaikana tai kelirikkoinventoinnin muuttumisesta aikaisempaa tarkemmaksi. (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) (Tiehallinto, 2006a) A B Kuva 13. Inventoidun runkokelirikon pituus (13A) sekä haittaindeksi (13B) viisivuotisjaksoilla 1996 2006. (Tiehallinto, 2006a) 39
3 Kelirikko ja painorajoitukset Suomen tiestöllä 3.3 Painorajoitukset Suomen tiestöllä Kelirikon johdosta painorajoitettujen teiden pituus on ollut viime vuosina yhteensä noin 1 000 km, kun aikaisempien vuosina painorajoituksia on asetettu 3 000 5 000 km/vuosi (Kuva 14). Painorajoitettujen kohteiden määrä ei ole kuitenkaan vähentynyt yhtä paljon (Liite 5). Painorajoitusten pituutta ovat vähentäneet lisääntyneet kelirikkokorjaukset sekä yhteistyö kuljetusteollisuuden kanssa. Kelirikkoalttiita teitä ei ole painorajoitettu, jos raskaat kuljetukset on siirretty pois kelirikkokaudelta. Kevään suotuisat säät ovat niin ikään lieventäneet kelirikkoa ja vähentäneet painorajoitustarvetta. Sorateiden keskimääräiset painorajoitustarpeet kelirikkoluokkien mukaan olivat vuonna 2006 (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006): A. Ei painorajoitustarvetta: 22 000 km, B. Painorajoitustarve vaikeina kelirikkokeväinä: 5 500 km, C. Painorajoitustarve tavanomaisina kelirikkokeväinä: 1 500 km ja D. Painorajoitustarve helppoina kelirikkokeväinä: 300 km. Kuva 14. Painorajoitusten pituus vuosina 1987 2005. (Perälä, Valkeisenmäki, Weckström & Penttinen, 2006) 40
3 Kelirikko ja painorajoitukset Suomen tiestöllä 3.4 Painorajoitusten pituus ja määrä kelirikkoon verrattuina Vaikka inventoidun runkokelirikon ja painorajoitusten pituudet (Kuva 15) ovatkin lähes yhtä suuret, kelirikkokohteita on 100 200 kertaa enemmän kuin painorajoitettuja tieosia (Liite 5). Painorajoitukset asetetaan esiintyvää kelirikkoa huomattavasti pidemmälle matkalle, esimerkiksi liittymien välille. Havaittuja kelirikkokohteita voi olla useita painorajoitetulla osuudella, mutta myös painorajoituksen ulkopuolella. Painorajoituksia ja inventoitua runkokelirikkoa verrattaessa täytyy ottaa huomioon, että painorajoituksia asetetaan myös päällystetyille teille. 4 % Kelirikko ja painorajoitukset Suomessa vuosina 2000-2006 3 % 2 % 1 % 0 % 3,8 % 3,9 % 3,7 % 3,4 % 1,6 % 1,5 % 0,9 % 0,9 % 1,0 % 2,2 % Painorajoitus 1,3 % Kelirikko 3,4 % Painorajoitus 1,0 % Kelirikko 1,8 % Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Kuva 15. Painorajoitusten ja kelirikon suhteellinen pituus vuosina 2000 2006. (Laskentamenetelmä: Luku 5.2) 41
4 KELIRIKON SEURANTA 4 Kelirikon seuranta 4.1 Kelirikon seurannassa tarkkailtavat muuttujat Kelirikon seurannassa tarkkailtavat muuttujat voidaan jakaa kolmeen ryhmään, jotka ovat tierakenteen ja pohjamaan ominaisuudet, meteorologiset tekijät sekä raskaan liikenteen kuormitus (Kuva 16). Muuttujista tärkeimmät ovat tierakenteen ja pohjamaan kosteus sekä kosteustilan muutokset sekä syksyllä esiintyvien sulamisjäätymissyklien lukumäärä. Tierakenteen routaantumista ja roudan sulamista voidaan arvioida mittaamalla tierakenteen lämpötilaa ja sähköisten ominaisuuksien arvoja. Toteutuneen kelirikon toteamisen tärkein menetelmä on kelirikon visuaalinen havainnointi mallikuviin vertaamalla. (Saarenketo & Aho, 2005b) Meteorologiset tekijät Ilman lämpötila Maaperän lämpötila Jäätymis-sulamissyklityklit Sadanta Haihdunta Raskaan liikenteen kuormitus Raskaan liikenteen määrä Raskaan liikenteen akselipaino Palautumisaika Tierakenteen ja pohjamaan ominaisuudet Tierakenteen ja pohjamaan kosteus Pohjamaan jäykkyys ja muut ominaisuudet Kuva 16. Kelirikon seurannassa tarkkailtavat muuttujat. (Saarenketo & Aho, 2005b) Meteorologisia tekijöitä seurataan mittaamalla tierakenteen ja ilman lämpötilaa, routaantumiseen kuluvaa aikaa sekä seuraamalla syksyn jäätymis-sulamissyklejä. Raskaan liikenteen vaikutusta kelirikkoon voidaan arvioida raskaan liikenteen liikennöintitiheyden (palautusmisaika) sekä akselipainojen avulla. Palautumisaika tarkoittaa raskaan ajoneuvon tierakenteeseen aiheuttaman kimmoisen muodonmuutoksen palautumiseen kuluvaa aikaa. (Saarenketo & Aho, 2005b) Tierakenteen ja pohjamaan routivuus-, lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksia kuvaavat parhaiten maa-aineksen vesipitoisuus sekä vapaan veden määrä. Niitä voidaan arvioida sähköisten ominaisuuksien eli dielektrisyyden ja sähkönjohtavuuden avulla. Sähköisten ominaisuuksien arvoihin vaikuttavat maaperän vesi- ja suolapitoisuus, tiiviys ja mineralogia. Sähköisten ominaisuuksien arvoja voidaan mitata tierakenteeseen asennetuilla mittausantureilla sekä TDR-tutkalla (Time Domain Reflectometer). TDR-mittaus soveltuu erityisesti päällystettyjen teiden kelirikon seurantaan. Suomessa Geologian Tutkimuskeskus on kehittänyt TRD-tekniikkaan perustuvia mittausasemia. (Ryynänen & Belt, 2005) (Saarenketo, 1998) (Saarenketo & Aho, 2005b) (Suhonen, 2005) 42
4.2 Kelirikon seuranta sähköisten ominaisuuksien avulla 4.2.1 Dielektrisyys kelirikon seurannassa 4 Kelirikon seuranta Dielektrisyyden määritelmä Kun materiaali joutuu sähkökenttään, pyrkii sähkökenttä erottamaan hiukkasten erimerkkiset varaukset toisistaan muodostamalla dipoleita (Kuva 17). Dipoli on kahden toisiaan lähellä olevan ja toisiinsa sidotun erimerkkisen varauksen muodostama systeemi. Ulkoinen sähkökenttä pyrkii kääntämään dipolit ulkoisen sähkökentän suuntaisiksi eli aine polaroituu. Polaroituneen aineen pinnoille indusoituu positiivista ja negatiivista pintavarausta (kappaleen vastapuolelle), jotka synnyttävät kappaleen sisälle ulkoiselle kentälle vastakkaisen indusoidun sähkökentän. Isotrooppisen materiaalin dipolit kääntyvät ulkoisen sähkökentän suuntaisiksi ja luovat ulkoiselle kentälle vastakkaissuuntaisen sähkökentän. Anisotrooppisen aineen sisäisen sähkökentän suunta voi poiketa ulkoisen sähkökentän suunnasta. Kullakin materiaalilla on sille ominainen dielektrisyysvakio. (Guru & Hizirogly, 2004) (Tampereen teknillinen yliopisto, 2006) (Korhonen & Vihinen, 1985) (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio, 1999) (Piiparinen, 2007) Kuva 17. Dielektrinen materiaali polaroituu ulkoisessa sähkökentässä (lähteestä mukailtu). (Piiparinen, 2007) Polaroitumisen ja ulkoisen sähkökentän välinen riippuvuus ilmaistaan sähköisen suskeptiivisuuden avulla, joka määräytyy väliaineen mikroskooppisesta rakenteesta. Yleisesti suskeptiivisuus on sähkökentän funktio, mutta isotrooppisissa lineaarisissa väliaineissa se on kuitenkin vakio ja vallitsevat yhtälöt (Kaava 14) (Good, 1999) (Koskinen & Viljanen, 2002): 43
4 Kelirikon seuranta = 0 ja = 0 + 0 = (1+ ) 0 = 1+ 0 (14) jossa P on sähköinen polarisoituma (C/m 2 ): = 0 ( ) (15) missä p on dipolimomentti (Cm) pisteessä p ja V tilavuusalkio (m 3 ) χ e väliaineen suskeptiivisuus E sähkökentän voimakkuus (V/m) D sähkövuontiheys (C/m 2 ) ε 0 tyhjiön sähkövakio 8,85 10 12 C 2 /Nm 2 Väliaineen ja tyhjiön permittiivisyyden suhdetta ε r kutsutaan suhteelliseksi permittiivisyydeksi eli aineen dielektrisyysvakioksi (Kaava 16): =1+χ e = ε ε o (16) jossa ε r on dielektrisyysvakio ε väliaineen permittiivisyys (Nm 2 /C 2 ) Jos dielektrinen materiaali asetetaan homogeeniseen sähkökenttään tasokondensaattorin levyjen väliin, on dielektrisyys alkuperäisen (E) ja materiaalin vaikutuksesta pienentyneen (E e ) sähkökentän voimakkuuksien suhde (Kaava 17): = (17) jossa E on alkuperäisen sähkökentän voimakkuus (V/m) E e dielektrisen väliaineen vaikutuksesta pienentyneen sähkökentän voimakkuus (V/m) 44
4 Kelirikon seuranta Dielektrisyysarvo kuvaa aineen kykyä polaroitua ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Ulkoisen kentän vaikutuksen loputtua aineen alkutila palautuu, mutta ellei alkutila palaudu täysin, on polaroituminen osittain häviöllistä. Sellaisissa tapauksissa dielektrisyysarvoa voidaan tarkastella kompleksisena suureena, jossa reaaliarvo kuvaa palautuvaa polarisaatiota ja imaginääriosa tapahtuvia häviöitä. (Olhoeft & Gapron, 1994) (Roadscanners Oy, 2001) (Tiehallinto, 2004b). Dielektrisyys saa arvoja 1 (Ohanian, 1989) (Piiparinen, 2007): 1 tyhjiölle, 1,00055 ilmalle, 2 10 tyypillisille kiinteille eristemateriaaleille, 80 tislatulle vedelle ja johteille ( E e = 0). Maa-aineksen ja tierakenteen dielektrisyys Aineyhdistelmien dielektrisyyteen vaikuttavat yksittäisten komponenttien dielektrisyys, tilavuussuhteet, geometria ja elektrokemialliset vuorovaikutukset. Maaperä koostuu kiviaineksesta ( r 5 7), vedestä ( r 80 82) ja ilmasta ( r 1). Jäätyvän veden dielektrisyys laskee ja jään dielektrisyys on noin 3,5 3,8. Maa-aineksen dielektrisyys määräytyy pääasiassa vapaan veden määrästä. Vesipitoisuuden kasvu, kuten myös korkea hienoainespitoisuus ( 15 %) yhdessä korkean kloridipitoisuuden ( 400 mg/kg) kanssa nostavat dielektrisyyttä voimakkaasti. (Hänninen & Sutinen, 1994) (Hänninen, Venäläinen & Sutinen, 2005) (Kerkelä, 1992) (Suhonen, 2005) (Tiehallinto, 2004b) Tiemateriaalien tai pohjamaan dielektrisyyteen vaikuttaa muun muassa se, miten voimakkaasti vesimolekyylit ovat sitoutuneet mineraalirakeiden ympärille (Kuvat 18). Kaikkein tiukimmin sitoutuneiden vesimolekyylien dielektrisyys on lähellä jään dielektrisyyttä. Kuivien maa- ja kivilajien mineraaliaineksen dielektrisyys vaihtelee normaalisti välillä 3 6. Tiemateriaalissa dielektrisyys kuvaa vapaan veden määrää eli sitä kuinka suuri osa materiaalissa olevista huokosista on kyllästynyt vapaalla vedellä. Siksi myös tiiviysaste vaikuttaa dielektrisyyteen (Kuva 19). (Campbell, 1990) (Dobson, El-Rayes, Hallikainen & Ulaby, 1985) (Roadscanners Oy, 2001) (Saarenketo, 1998) 45
4 Kelirikon seuranta Kuvat 18. Vesimolekyylien järjestyminen mineraalirakeiden ympärillä: lähimpänä mineraalirakeita sijaitsee noin 0,002 μm tiukasti sitoutunut adsorptiovesikerros. Adsoprtioveden ulkopuolella, etenkin rakeiden kontaktialueella, sijaitsee löyhästi sitoutunutta viskoosivettä. Lähteestä mukailtu. (Saarenketo, 1998) Kuva 19. Tiiviystilan vaikutus kaoliniitin dielektrisyysarvoon (tiivistämätön materiaali: loose, painelemalla tiivistetty materiaali: pressed ja lähes maksimitiiviyteen tiivistetty materiaali: compacted). (Saarenketo, 1998) Dielektrisyys tierakenteen routaantuessa ja roudan sulaessa Tierakenteen jäätyessä korkea dielektrisyys liittyy routanousua aiheuttavan kerrosroudan muodostumiseen. Roudan muodostuminen tapahtuu, kun tierakenteen lämpötila on välillä 2 o C. Tämän lämpötilan alapuolella materiaalissa on enää vähän jäätymätöntä vettä. Pohjamaan jäätyminen ei enää lisää routanousua. Keväällä roudan sulaessa kantavan kerroksen yläosan dielektrisyys laskee iltapäivisin, mutta nousee jälleen yöllä, kun kosteuden haihtuminen tien pinnan kautta vähenee. Roudan sulamisen jälkeen korkeat dielektrisyysarvot laskevat aluksi jyrkästi. Arvojen muutosnopeuteen vaikuttavat alueen sadanta ja haihdunta sekä tien painuminen. Roudan sulaessa tie painuu ensin reunoilta, mutta tien keskiosa painuu laattamaisesti koko sulamiskauden. Painumisen yhteydessä huokosvettä poistuu tierakenteesta, mikä näkyy dielektrisyysarvojen laskuna. (Campbell, 1990) (Dobson, El-Rayes, Hallikainen & Ulaby, 1985) (Roadscanners Oy, 2001) 46
4 Kelirikon seuranta Tierakenteessa olevan vapaan veden määrää voidaan arvioida raja-arvojen avulla (Taulukko 6). Raja-arvot riippuvat tien kerroksen syvyydestä ja materiaalista. Turve- ja savimaalajeilla arvot ovat muita maalajeja suurempia. (Inkeröinen, 2007) (Saarenketo, 2008; Saarenketo, 2000; Saarenketo, 1996) (Saarenketo & Aho, 2005b) (Suhonen, 2005) Taulukko 6. Dielektrisyyden raja-arvoja. (Inkeröinen, 2007) (Saarenketo, 2008; Saarenketo, 2000; Saarenketo, 1996) (Suhonen, 2005) Raja-arvo Merkitys Sula sitomaton murske: huonosti tiivistetyn tien kerroksen dielektrisyys on 5 alle 5. Soratien kulutuskerroksen dielektrisyyden ollessa alle 8, on kulutuskerros altis 8 kulumiselle ja pölyämiselle. Tierakenne voi routia, jos rakenteen jäätyessä sen dielektrisyys on yli 9 ja 9 10 vettä on riittävästi saatavissa (varoitusarvo). Ruotivilla moreeneilla varoitusarvo on yleensä yli 9 ja routimattomilla alle 9. 11,5 11,6 Maa-aineksen huokosissa imuvoima muuttuu poistovoimaksi. Soratien kulutuskerroksen optimaalinen dielektrisyys arvo on välillä 8 16; tätä suuremmilla arvoilla kulutuskerros sitoo liian paljon vettä ja on altis 16 pintakelirikolle. Kantavan kerroksen hälytysraja sorateillä sekä päällystetyillä teillä, joissa on ohut päällyste 20 Hälytysraja 0,3 0,6 m syvyydessä. 22 24 Hälytysraja 0,6 1,0 m syvyydessä. Maa-aineksen kaikki huokoset ovat täynnä vettä 28 Turvemailla dielektrisyys voi olla yli 28. Dielektrisyys tien kuormituksen aikana Koskenkylän Percoaseman avulla seurattiin tierakenteen jäätymistä ja sulamista vuosina 1999-2001. Pudotuspainolaitteella mitatut maksimitaipumat ja SCI-arvot olivat suurimmillaan jakavan kerroksen korkean dielektrisyysarvon eli tierakenteen sulamisen aikana. BCI-arvot nousivat roudan sulamiseen, kesäkuun alkuun saakka. Pyöräkuorman alla alhaisen dielektrisyysarvon materiaali käyttäytyi elastisesti. Dielektrisyys kasvoi kuorman alla, mutta palautui kuormituksen poistuttua. Korkean dielektrisyyden materiaaleilla käyttäytyminen oli viskoelastista; materiaali ei ehtinyt palautua ennen seuraavaa kuormitusta ja dielektrisyysarvo kasvoi kuormitusten lisääntyessä. (Roadscanners Oy, 2001) 47
4 Kelirikon seuranta 4.2.2 Sähkönjohtavuus kelirikon seurannassa Sähkönjohtavuuden määritelmä Vakiolämpötilassa johtimen päiden välinen jännite on suoraan verrannollinen johtimessa kulkevaan virtaan. Johtimen resistanssi kuitenkin riippuu johtimen materiaalista ja suurenee lämpötilan kasvaessa. Ohmin toisen lain mukaan resistanssi on verrannollinen johtimen poikkileikkauksen pinta-alaan; tästä seuraa verrannollisuus (Kaava 18) (Korhonen & Vihinen, 1985) (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio, 1999): ~ ~ ~ (18) jossa R on resistanssi (Ω) l johtimen pituus(m) U johtimen päiden välinen potentiaali ero eli jännite (V) I sähkövirta (A) A johtimen poikkileikkauksen pinta-ala (m 2 ) J virrantiheys (A/m 2 ): = (19) missä I on sähkövirta (A) kohtisuoraan pinta-ala yksikköä A (m 2 ) kohden positiivisen virran suuntaan E sähkökentän voimakkuus (V/m): = 0 (20) missä q on sähkökenttään tuotu koevaraus (C) ja F voima (N), joka kohdistuu koevaraukseen Ohmin toinen laki voidaan yleistää mielivaltaiseen jatkuvaan aineeseen, jolla on jokaisessa pisteessä tietty resistiivisyys ja konduktiivisuus eli sähkönjohtavuus. Sellaisen aineen jokaisessa pisteessä pätee (Kaava 21) (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio, 1999): = = = 1 (21) jossa γ on resistiivisyys (Ωm) konduktiivisuus eli sähkönjohtavuus (1/Ωm = S/m) 48
4 Kelirikon seuranta Sähkönjohtavuus voidaan määritellä myös tarkastelemalla elektronien liikettä tai aineen elektronikonsentraatiota. Sähkönjohtavuus kuvaa vapaiden varausten liikkumista väliaineessa, kun ulkoinen sähkökenttä siirtää varauksia paikasta toiseen. Mitä enemmän materiaalissa on vapaita varauksia, ioneja ja elektroneja, sitä suurempi on materiaalin sähkönjohtavuus. Elektronien liikkeeseen vaikuttavat aineen epäpuhtaudet sekä elektronien törmäykset. (Korhonen & Vihinen, 1985) (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio, 1999) (Rantala, 2000) (Rayner-Canham & Overton, 2006) (Tiehallinto, 2004b) Sähkönjohtavuuden perusteella aineet jakautuvat johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin. Matalissa lämpötiloissa eristeistä tulee puolijohteita, mutta tietyt aineet pysyvät eristeinä lähes kaikissa lämpötiloissa. Johteita ja puolijohteita erottaa resistiivisyyden erilainen riippuvuus lämpötilasta. Maaperässä on sekä johteita, että puolijohteita. Johteita ovat metallit, kuten kulta, hopea ja kupari ja puolijohteita muun muassa eräät malmimineraalit. Useimmat mineraalit, kuten kvartsi, erilaiset kiilteet ja maasälvät ovat kuivina eristeitä, joissa sähkön kulku tapahtuu ainoastaan kidehilassa esiintyvien epäpuhtauksien välityksellä. Mineraalien joutuessa kosketuksiin veden kanssa syntyy elektrolyyttejä ja sähkönjohtavuus kasvaa. Sähkönjohtavuuteen vaikuttavat sähkökentän voimakkuus, lämpötila, ionikonsentraatio sekä ionien koko. Geologisten materiaalien sähkönjohtavuusarvojen vaihteluväli on noin 10 15 10 8 S/m. (Eloranta, 2007) (Kurki-Suonio & Kurki-Suonio, 1999) (Peltoniemi, 1988) (Roadscanners Oy, 2001) (Saarenketo, 2008) Eräiden materiaalien sähkönjohtavuuden arvoja (Eloranta, 2007) (Ohanian, 1989) (Peltoniemi, 1988) (Rayner-Canham & Overton, 2006): Kupari: Hopea: Kulta: Sinkkivälke: Kvartsi: Merivesi: Pohjavesi: Juomavesi: Jää: Ilma: 3 80 10 6 S/m 62,5 10 6 S/m 50 10 6 S/m 10 4 10 4 S/m 10 14 10 10 S/m 0,1 10 S/m 0,01 0,1 S/m 0,005 S/m 0,001 S/m 0 S/m 49
4 Kelirikon seuranta Maaperän ja maalajien sähkönjohtavuuteen vaikuttavat vesipitoisuus, maalajin raekoko, rakeiden muoto, epäpuhtaudet ja elektronisten johteiden pitoisuudet. Suomen maa- ja kallioperän maa- ja kivilajeille voidaan esittää seuraavia likimääräisiä sähkönjohtavuusarvoja (Taulukko 7) (Peltoniemi, 1988): Taulukko 7. Maa- ja kivilajien sähköjohtavuusarvoja Suomessa. (Peltoniemi, 1988) Maa-aines Sähkönjohtavuus Kuiva (10-3 S/m) Veden kyllästämä (10-3 S/m) Graniitti 0,006 0,02 0,06 0,2 Sora ja karkea hiekka 0,05 0,1 0,5 1 Hiekka 0,1 0,2 1 2 Moreeni 0,2 0,5 2 5 Rapakallio 0,3 1,0 3 10 Turve 0,3 1,0 3 10 Siltti 0,5 1,2 5 12 Muta ja lieju 0,7 1,2 7 12 Savi 1,5 3,0 15 30 Graniittigneissi 1 1 000 10 10 000 Sulfidimalmit 10 10 000 100 100 000 Sähkönjohtavuus tierakenteen routaantuessa ja roudan sulaessa Jäätymättömän veden määrä on merkittävin routanousuun liittyvä tekijä. Vesipitoisuus voi kasvaa tierakenteessa jäätymispisteen alapuolella myös routimattomissa materiaaleissa. Sähkönjohtavuuden avulla voidaan arvioida tierakenteen vesipitoisuutta, muodonmuutosherkkyyttä sekä tien pintakelirikkoalttiutta. Veden viskositeetti eli taipumus vastustaa muodonmuutoksia kasvaa veden jäätyessä. Maaaineksen routaantuessa sen sisältämien ionien liikkuvuus pienenee, jolloin myös sähkönjohtavuus vähenee. Jäätymislämpötilaa alentavat huokosveden sisältämät suolat ja kolloidit; muun muassa epätasaisesta jäätymisestä aiheutuneiden päällystevaurioiden on todettu liittyvän kantavan kerroksen suolapitoisuuden vaihteluihin. (Carpenter & Lytton, 1977) (Dore, Konrad & Marius, 1997) (Kujala, 1991) (Ravaska & Saarenketo, 1993) (Roadscanners Oy, 2001) (Saarenketo & Riihiniemi, 2002) (Saarenketo & Ylitalo, 1997) (Tice, Burrows & Anderson, 1978) Routaantumisen aikana savipartikkeleiden pinnoille kiinnittyy savikolloideja ja sähkönjohtavuus pienenee. Roudan sulaessa sähkönjohtavuus kasvaa, kun savikolloideja vapautuu huokosveteen. Pintakelirikko näkyy usein piikkeinä kuvattaessa sähkönjohtavuutta ajan funktiona. Piikit kuvaavat maa-ainekseen sitoutuneen energian vapautumista, kun maapartikkeleihin kiinnittyneet kolloidit irtoavat huokosveteen ja niiden virtaus kohottaa hetkellisesti sähkönjohtavuutta. Sähkönjohtavuuskäyrän piikki voi olla seurausta myös raskaan liikenteen aiheuttamasta kuormituksesta. Raskaan liikenteen kuormitusten lukumäärää voidaan arvioida sähkönjohtavuuden kehitystä seuraamalla. (Saarenketo, 2008) (Saarenketo & Aho, 2005b) 50
4 Kelirikon seuranta Mineraalimaa-aineksen sähkönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa. Optimivesipitoisuutta korkeammilla vesipitoisuuksilla sähkönjohtokyvyn kasvu kuitenkin pysähtyy. Sähkönjohtavuus ei enää nouse, kun mineraalimaan vesipitoisuus on yli 20 %. (McCarter, 1984) (Roadscanners Oy, 2001) (Triumf, 1992) Sähkönjohtavuudelle ei ole kelirikkoon liittyviä raja-arvoja kuten dielektrisyydelle, sillä sähkönjohtavuus muuttuu muun muassa maaperän suolapitoisuuden mukaan. Esimerkiksi Pohjois-Lapissa maaperä sisältää vähemmän suoloja ja maan sähkönjohtavuus on pienempi kuin muualla Suomessa. (Saarenketo, 2008) Sähkönjohtavuuden vesipitoisuuden funktiona on havaittu olevan logaritmista muotoa olevia käyriä (Kuva 20 ja Liite 19). Kelirikon vaikeus saattaa näkyä keväällä mitattujen sähkönjohtavuus-dielektrisyyskäyrien jyrkkyydessä. Maa-aineksen vapaan veden määrää voidaan arvioida dielektrisyyden avulla. (Roadscanners Oy, 2001) (Saarenketo, 2008; Saarenketo, 1996) (Saarenketo & Scullion, 1996) Kuva 20. Sähkönjohtavuus on logaritmista muotoa vesipitoisuuden funktiona. (Saarenketo, 2008) 51
4.3 Lämpötilan seuranta-asemat 4 Kelirikon seuranta 4.3.1 Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Vaasan tiepiirissä on vuodesta 2001 saakka mitattu tierakenteen lämpötilaa kahdella lämpötilan seuranta-asemalla, jotka on valmistanut Teollisuustieto Oy. Asemat sijaitsevat Isossakyrössä (Palhojaisten paikallistie, 17707/01/0200) ja Alavudella (Soukanperän paikallistie, 17139/01/88) vajaan 100 km etäisyydellä toisistaan (Liite 19). Asemien sijainti ei ole muuttunut niiden toiminnan aikana. Asemat sijaitsevat rakentamattomilla sorateillä, joiden tien kerroksia ei tunneta. Lämpötila-anturit ovat 10 cm välein syvyyksillä 30 220 cm tien pinnasta ja ne on sijoitettu tien keskelle porattuun reikään. Asemien tuottama tieto saadaan luettua modeemiyhteyden avulla. (Saarenketo & Aho, 2005b) (Sillanpää, 2007) 4.3.2 Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Uudenmaan tiepiirissä on ollut vuodesta 2005 saakka käytössä kolme FinMeas Oy:n valmistamaa tierakenteen lämpötilan seuranta-asemaa. Asemat on hankittu alun perin ilmaston pitkäaikaismuutosten seurantaan, jotta voitaisiin arvioida tarvittavien tien rakennekerrosten paksuutta. Asemat sijaitsevat Tammisaaressa (Dragsvik), Nurmijärvellä (Karhunkorpi) sekä Porvoossa (Liljendahl) (Liite 19). Asemien sijainti ei ole muuttunut niiden perustamisen jälkeen. Asemat ovat hyväkuntoisilla päällystetyillä teillä. Asemien kohdalla olevia tierakenteita arvioitiin rakennussuunnitelman poikkileikkauskuvien perusteella (Taulukko 8 ja Liite 21). Taulukko 8. Tien kerrokset Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemilla; mittakaavaan piirretyt kuvat tien kerroksista ovat liitteessä 21. (Hämäläinen, 2007) Lämpötilan seuranta-asema Dragsvik Karhunkorpi Liljendahl Tien kerrokset 5 15 cm (*) 15 20 cm (**) 30 cm 70 90 cm (*) Pohjamaa Päällyste - - Pengertäyte 25 cm 15 cm 190 cm Pohjamaa Päällyste - Louherakenne 5 cm 5 cm 25 cm 70 cm Pohjamaa SMA ABK KaM 0/45 KaM 0/125 (*) Jälkimmäinen arvo tien keskellä, (**) Jälkimmäinen arvo tien reunassa 52
4 Kelirikon seuranta Asemat mittaavat tierakenteen lämpötilaa mittausantureilla, jotka ovat kiinnitetty mittausletkuun (Liite 23). Mittausletku on asennettu tien pientareeseen porattuun reikään. Anturit ovat 5 cm välein niin, että ylin on mittausanturi 20 cm etäisyydellä tien pinnasta ja alin 220 cm syvyydessä. Anturien tarkkuus on 0,2 C. Mittausaseman toimintaa ohjaa ohjauskeskus, joka sisältää tiedonkeruuosan, virtalähteen (akku) ja tiedonsiirtolaitteen (GSM-modeemi) (Liite 24). Ohjauskeskus lukee anturien mittaamaa tietoa ja lähettää ne FinMeas Oy:n Internet-palvelimelle. Tiedot vastaanottava ohjelmisto piirtää mitattavan kohteen lämpötilaprofiilin (Kuva 21). Mittaustuloksia tarkastellaan Internetin kautta. Lämpötila voidaan lukea myös paikallisesti suoraan mittalaitteelta. (FinMeas Oy, 2004) (Ylönen, 2007) Kuva 21. Lämpötilaprofiili. (FinMeas Oy, 2007) 4.4 Percoasemat Tiepiirien omistamat Percoasemat sijaitsevat Lapin, Keski-Suomen ja Savo-Karjalan tiepiireissä (Liite 20). Percoasemia on ollut toiminnassa vuodesta 1999 saakka (Taulukko 9) Kuoreveden vanhan Percoaseman omistaa Tampereen teknillinen yliopisto, joka vuokrasi asemaa ensin Hämeen ja myöhemmin Keski-Suomen tiepiirille. Aluksi asema sijaitsi Tampereen pohjoispuolella, kunnes asema siirrettiin Kuorevedelle vuonna 2001. Asema siirtyi Keski-Suomen tiepiirin alueelle, kun Kuorevesi liittyi Jämsään. Syksyllä 2007 perustettiin Percoasema Lapin tiepiirin alueelle Ranualle; aseman omistavat Oulun ja Lapin tiepiirit. (Inkeröinen, 2007) (Kenttälä, 2007) (Kurkela, 2007) (Saarenketo, 2008) 53
4 Kelirikon seuranta Taulukko 9. Tiepiirien Percoasemat 1999 2007. (Inkeröinen, 2007) (Saarenketo, 2008) Tiepiiri Percoasema Tie/tieosa/paalu Perustamisvuosi Toiminta Keski- Suomi Savo- Karjala Lappi Kuorevesi (vanha) 3421 2001 Kuorevesi (uusi) 3424 2006 Sonkajärvi 16239 2005 Siirretty tutkimustoimintaan 2006 Edelleen toiminnassa (2008) Koskenkylä 9421 1999 Siirretty Kaisajoelle 2006 Kaisajoki 9271/2/6350 2006 Huoltokatko 2007 ja asennettu uuteen paikkaan 2008 Tohmo (Kemijärvi) 19783 2001 Siirretty Javarukseen 2004 Javarus 9613 2004 (Kemijärvi) Edelleen toiminnassa Kittilä 955 2005 (2008) Inari 9553/1/4100 2006 Ranua - 2007 Lapin ja Oulun tiepiirin yhteinen Percoasema (perustettu syksyllä 2007) Percoasemat mittaavat ilman ja tierakenteen lämpötilaa sekä sähköisiä ominaisuuksia eli dielektrisyyttä ja sähkönjohtavuutta. Percoaseman toiminta pohjautuu Virolaisen Adek Ltd:n kehittämään Percometeriin, joka on maa-aineksen dielektrisyyttä sekä sähkönjohtavuutta mittaava laite. Percometer otettiin Lapin tiepiirissä koekäyttöön 1993, mutta sitä ennen Geologian tutkimuskeskus oli kokeillut mittalaitetta useita vuosia. Dielektrisyyden mittaus perustuu maahan kosketuksissa olevan sondin kärjen kapasitanssin muutokseen. Sondien kärjissä on toisistaan teflonilla eristetyt kosketuspinnat, jotka muodostavat kondensaattorin. Kondensaattorin ominaiskapasitanssi on suoraan riippuvainen ympäröivän materiaalin dielektrisyyteen. Kun määritetään dielektrisyyttä kapasitanssin kautta, käytetään seuraavaa yhtälöä (Kaava 22) (Roadscanners Oy, 2001): = +1 (22) jossa r C C a on suhteellisen dielektrisyyden reaaliosa mitattavasta materiaalista aiheutuvan kapasitanssin muutos anturin vakio 54
4 Kelirikon seuranta Percometer käyttää dielektrisyyden mittaamisessa 40 50 MHz mittaustaajuutta, sillä se soveltuu parhaiten maa-aineksen dielektrisyyden tutkimuksiin. Dielektrisyysmittaukset ovat luotettavia, kun mitattavan materiaalin sähkönjohtavuus putkianturilla on alle 1 000 μs/cm ja pinta-anturilla alle 2 000 μs/cm. Percometeriin voidaan kytkeä pinta- tai putkisondi tai percoasemassa käytettävä lyhyt putkisondi. Dielektrisyys esitetään kymmenesosan tarkkuudella, kun r 20 ja muulloin kokonaisluvun tarkkuudella. (Inkeröinen, 2007) (Roadscanners Oy, 2001) Sähkönjohtavuuden yksikkönä Percometerissä on μs/cm, sillä tämä yksikkö on ollut pitkään käytössä sähkönjohtavuuden mittaamisessa. Sähkönjohtavuuden mittaustaajuus on 2 khz. Tulokset ovat käyttökelpoisia mittausalueella 0 2 000 μs/cm. Sähkönjohtavuuden mennessä yli 1 000 μs/cm tarkkuus heikkenee. (Inkeröinen, 2007) (Roadscanners Oy, 2001) Percoasemalla voidaan mitata lämpötilaa, dielektrisyyttä- ja sähkönjohtokykyä kahdeksalta eri kanavalta. Aseman virtalähteenä käytetään aurinkopaneelia ja akkua. Percoaseman ohjauskeskus sisältää tiedonkeruuyksikön ja -siirtolaitteistot sekä virtalähteen (Liite 24). Percoasemalta saatavan mittaustiedon käsittelyyn, analysointiin ja esittämiseen on kehitetty Windows-pohjainen Percostation-ohjelmisto. Percostation lukee mittaustulokset ja päivittää ne tietokantaan; mittaustuloksia voidaan tarkastella kuvaajien avulla (Kuva 22). Kuvaajien vieressä on esitetty kunkin Percoaseman rakenne ja sondien sijainti tierakenteessa ja pohjamaassa. Ohjelmaan on asennettavissa mittausarvoille varoitus- ja hälytysrajat. Valitulta aikaväliltä voidaan tulostaa kanavakohtaiset tiedot dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvojen minimi-, maksimi- ja keskiarvoista sekä keskihajonnasta. (Roadscanners Oy, 2001) Kuva 22. Percostation 2.01 -ohjelmiston käyttöliittymä. (Roadscanners Oy, 2001) 55
4 Kelirikon seuranta Percoasemilla mittausanturien välinen etäisyys suurenee syvemmälle tierakenteeseen mentäessä; anturien syvyydet ovat 15 cm, 30 cm, 50 cm, 80 cm sekä 110 cm. Kuoreveden vanhalla Percoasemalla oli anturi myös syvyydessä 90 cm. Mittausanturit ovat tien eri kerroksissa, paitsi asemilla, joilla päällyste tai kulutuskerros on ohut, jolloin kaksi ylintä anturia ovat samassa kerroksessa kulutuskerroksen alapuolella. Lähes kaikilla asemilla alimmat anturit ovat alusrakenteessa. Taulukossa 10 on arvio tien kerroksista ja niiden materiaaleista Percoasemien kohdalla. Eräiden mittausasemien kohdalla olevista tien kerroksista on myös valokuvat (Liite 23). Tierakenteista piirretyt kuvat ovat liitteessä 22. (Inkeröinen, 2007) (Saarenketo, 2008) Taulukko 10. Tien kerrokset Percoasemilla; mittakaavaan piirretyt kuvat tien kerroksista ovat liitteessä 22. (Inkeröinen, 2007) (Saarenketo & Aho, 2005a) Percoasema Kuorevesi (vanha) Kuorevesi (uusi) Sonkajärvi Inari Kittilä Javarus Tohmo Koskenkylä 10 cm Soramurske 0/16 25 cm Soramurske 10 cm Soramurske 5 cm Päällyste 10 cm Kalliomurske 20 cm Kalliomurske 20 cm Kalliomurske 0/16 8 cm AB 40 cm Sora 0/55 30 cm (Suodatinkangas) 15 cm Murske 15 cm Kalliomurske 35 cm Sora 25 cm Sora 25 cm Sora 0/55 37 cm Kalliomurske 0/55 Tien kerrokset 20 cm Soramoreeni 15 cm Turve 25 cm Hiekka 30 cm Turve 15 cm Siltti 30 cm Moreeni 20 cm Sora Pohjamaa 10 cm Turve 25 cm Siltti Siltti Savi Silttimoreeni Silttimoreeni Silttimoreeni Siltti Silttinen hiekka 56
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät 5 TUTKIMUSAINEISTO JA -MENETELMÄT 5.1 Yleistä Diplomityön tutkimusaineisto koostui kelirikko- ja painorajoitustilastoista sekä roudan seuranta-asemien vuosina 2001 2007 tuottama tiedosta. Asemien tuottamaan tietoa analysoitiin ja kuvattiin graafisesti sekä verrattiin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Tutkimusaineistoa käsiteltiin Excel-ohjelmistolla ja kelirikkotilastojen tarkastelussa käytettiin myös ArcGIS-ohjelmistoja ja T&M-Sora-järjestelmää. Lisäksi diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. 5.2 Kelirikko- ja painorajoitustilastot Kelirikkotilasto saatiin hakemalla vuosien 2000 2006 sorateiden inventoidut kelirikot T&M-Soran tietokannasta. Kelirikosta tarkasteltiin havaittujen kelirikkokohteiden lukumäärää ja pituutta. Excelillä piirrettiin diagrammeja inventoidun runkokelirikon pituudesta, määrästä ja suhteellisesta pituudesta. Suhteellinen kelirikko laskettiin jakamalla tiepiirissä inventoidun kelirikon pituus tiepiirin sorateiden pituudella. Edellistä tarkemmin kelirikkoa ja painorajoituksia tarkasteltiin vuosien 2002 2006 osalta niistä tiepiireistä, joissa on ollut roudan seuranta-asemia. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 inventoitua kelirikkoa. Vuonna 2005 Keski- Suomessa oli selvästi enemmän kelirikkoa kuin vuonna 2006. Tutkimuksessa haluttiin selvittää, miten Kuoreveden Percoaseman ympäristössä inventoitu runkokelirikko näkyy aseman tuottamassa tiedossa sekä verrata aseman ympäristön kelirikkoa tiepiireissä inventoituun kelirikkoon. Vertailuun valittiin myös toinen Percoasema samalta ajalta. Ainoat vaihtoehdot olivat Koskenkylän ja Javaruksen asemat. Javaruksen asema valittiin, sillä haluttiin, että molemmat vertailtavat asemat ovat soratiellä. Lisäksi vuosilta 2005 2006 Javaruksen asemalta oli enemmän mittaustietoa kuin Koskenkylän asemalta. Kelirikon tutkiminen Kuoreveden ja Javaruksen aseman ympäristöissä aloitettiin siirtämällä T&M-Sora tietokannasta saatu kelirikkotilasto sekä Roadscanners Oy:ltä saatu Percoasemien tieosoite ArcGIS-ohjelmistolla paikkatietokantaan. Joidenkin asemien sijainti jouduttiin arvioimaan, sillä tarkka tieosoite ei ollut tiedossa. Sen jälkeen rajattiin ympyränmuotoisilla alueilla, joiden säteet olivat 20 km, 50 km, 100 km ja 200 km, vuosina 2005 ja 2006 Kuoreveden ja Javaruksen asemien ympäristöissä esiintynyt kelirikko. Kelirikko piirrettiin kartalle ja siitä laskettiin summajakaumat (Liitteet 6 ja 7). 57
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Tutkimuksessa käytetty painorajoitustilasto oli peräisin Tiehallinnon tierekisteristä. Tilastoon sisältyivät tiepiirien painorajoitusten pituudet sekä maanteiden ja sorateiden pituudet vuosina 2000 2006. Maanteiden ja sorateiden pituuksia käytettiin laskettaessa painorajoitusten ja kelirikon suhteellisia pituuksia. Painorajoitusten suhteellinen pituus saatiin jakamalla tiepiirin painorajoitusten pituus maanteiden pituudella. Painorajoitusten lukumäärä ja karttakuvat ovat Tiehallinnon Internetsivuilta Kelirikosta johtuvat painorajoitukset. Painorajoituksista oli lisäksi käytössä tilasto, jossa on eri tieosien painorajoitushistoria (muun muassa kesto, pituus, tieosa ja - osoite) 1970-luvulta saakka. Aineistoa ei kuitenkaan tarkasteltu tässä tutkimuksessa. Sitä voitaisiin hyödyntää jatkotutkimuksissa, jos esimerkiksi tutkitaan painorajoitusten kestoa. Tutkimuksessa ei tarkasteltu painorajoituksia tiepiirejä tarkemmin, sillä tiepiirien painorajoituskäytännöt sekä eri alueiden painorajoitustarpeet eroavat huomattavasti toisistaan. Se näkyy tiepiirien painorajoitusten määriä ja kokonaispituuksia verrattaessa, mutta tuli ilmi myös tutkimuksessa tehdyissä haastatteluissa. Tutkimuksesta rajattiin pois myös päällystettyjen teiden roudan sulamisesta johtuvat vauriot; niitä on huomattavasti vähemmän kuin sorateiden kelirikkoa. Tutkimuksessa ei käsitelty tilastoja kelirikko- ja painorajoitusuhanalaisista teistä. Kelirikkokorjaukset rajattiin pois myös tutkimuksesta, vaikka ne vaikuttavat kelirikon- ja painorajoitusten pituuteen. 5.3 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto 5.3.1 Yleistä Profiilien ja diagrammien merkinnät Liitteenä olevien (Liitteet 8 19) lämpötilan seuranta-asemien sekä Percoasemien tuottamasta tiedosta piirretyissä profiileissa ja diagrammeissa käytetään seuraavia merkintöjä: vrk. ka. tarkoittaa vuorokauden aikana tehtyjen mittausten keskiarvoa kk. ka. tarkoittaa kuukauden aikana tehtyjen mittausten keskiarvoa (Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat) max tarkoittaa vuorokauden aikana tehtyjen mittausten maksimiarvoa tai lämpötilaa vastaavaa maksimiarvoa (sähköiset ominaisuudet lämpötilan funktiona) profiilien arvosarjojen alarajan merkintä X = [n m] tarkoittaa, että X m ja vastaavasti ylärajan merkintä X = [n m] tarkoittaa, että X n eräissä profiileissa on värejä, joita ei ole merkitty selitteen arvosarjoihin, värit kuvaavat alarajaa pienempiä tai suurempia arvoja 58
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Roudan seuranta-asemien sijainti Percoasemien ja Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien sijainti määritettiin kartalle ArcGIS-ohjelmistolla tieosoitteen perusteella (Liitteet 19 ja 20). Uudenmaan tiepiirin asemien tieosoitteita ei ollut tiedossa, mutta käytössä oli asemien sijainnin osoittava karttakuva (Liite 19). Tierakenteet roudan seuranta-asemien kohdalla Uudenmaan tiepiirin mittausasemien kohdalla olevia tierakenteita arvioitiin rakennussuunnitelmien poikkileikkauskuvien perusteella ja rakenteista piirrettiin kuvat Excelillä (Liite 21). Tarkimmat tiedot tien kerroksista olivat Percoasemilta ja niistä piirrettiin kuvat AutoCADillä (Liite 22). Eräiden Percoasemien kohdalla olevista tien kerroksista oli myös valokuvia (Liite 23). Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat sijaitsevat rakentamattomilla sorateillä ja niiden rakenteita ei tunneta. 5.3.2 Lämpötilan seuranta-asemat Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto saatiin Vaasan tiepiiristä Excel-tiedostona, jossa oli tierakenteesta mitattu lämpötila kummaltakin lämpötilan seuranta-asemalta vuosilta 2001 2006 (Taulukko 11). Mittaustietoa oli muutamilta päiviltä lähinnä joulu-toukokuun väliseltä ajalta per vuosi. Tiedon perusteella laskettiin kummallekin asemalle lämpötilan kuukausikeskiarvot ja niiden perusteella piirrettiin lämpötilaprofiilit eri vuosilta marras-huhtikuun väliseltä ajalta (Liite 8). Joidenkin kuukausien osalta lämpötila arvioitiin edellisen ja seuraavan kuukauden lämpötilan mukaan. Profiileissa kokeiltiin eri lämpötila-asteikkoja, mutta diplomityön kaikissa lämpötilaprofiileissa lämpötilan arvosarjat esitetään 5 C välein. Profiileja verrattiin keskenään sekä Vaasan tiepiirin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin sekä Percoasemien ja Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien tuottamasta tiedosta piirrettyihin lämpötilaprofiileihin. Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto saatiin FinMeas Oy:ltä tekstitiedostomuodossa. Tutkimusaineisto koostui Dragsvikin, Liljendahlin ja Karhunkorven asemien vuosina 2005 2007 mittaamista tierakenteen lämpötiloista (Taulukko 11). Kesän 2005 aikaista mittaustietoa ei voitu hyödyntää, sillä ne olivat testimittauksia. Asemilla on mitattu tierakenteen lämpötilaa vuonna 2005 neljän tunnin välein ja joulukuun 2005 jälkeen noin kerran vuorokaudessa. Aineistossa oli muutamien päivien mittauskatkoja, jotka ovat saattaneet johtua muun muassa ohjauskeskuksen akun loppumisesta. 59
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Asemien tuottamasta tiedosta laskettiin vuorokausikeskiarvot, joiden perusteella piirrettiin lämpötilaprofiilit (Liite 9). Profiilit piirrettiin koko mittausajalta sekä vielä erikseen talvien ajalta. Lopuksi profiilien aika-akseleiksi asetettiin aikaväli 1.10. 31.5. Profiileissa kokeiltiin eri lämpötila-asteikkoja. Diplomityössä lämpötilan arvosarjat esitetään kuitenkin 5 C välein. Mittausaineistossa olleet tyhjät kohdat sekä virheelliset arvot korvattiin käyttämällä edellisen ja seuraavan mittauksen keskiarvoa. Profiileja vertailtiin keskenään sekä Uudenmaan tiepiirin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin sekä Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien ja Percoasemien lämpötilaprofiileihin. Taulukko 11. Tutkimusaineistona käytetty lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto. Lämpötilan Mittausten seuranta- Tiepiiri Aikaväli määrä asema Alavus Vaasa 2001 2006 47 kertaa Isokyrö 16.8.2005 Dragsvik 759 kertaa 5.2.2007 Uusimaa Liljendahl 24.6.2005 1 136 kertaa Karhukorpi 10.7.2007 1 143 kertaa 5.3.3 Percoasemat Mittaustiheys 0 2 kertaa/kk 0 6 kertaa/vrk Anturit Anturien syvyydet 20 kpl 30, 40,, 220 cm 41 kpl 20, 25,, 220 cm Percoasemien tuottama tieto Tutkimusaineiston Percoasemien tuottama tieto saatiin Roadscanners Oy:ltä. Aineisto koostui Percoasemien vuosina 2002 2007 mittaamista lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvoista, joita oli mitattu tierakenteesta syvyyksistä 15 cm, 30 cm, 50 cm, 80 cm sekä 110 cm (Taulukko 12). Kuoreveden vanhalla Percoasemalla oli anturi myös syvyydessä 90 cm. Vuotta 2005 aikaisemmassa mittausaineistossa oli paljon useiden päivien tai jopa viikkojen pituisia mittauskatkoja, jotka ovat johtuneet muun muassa siitä, että osa asemista sijaitsi vaikeissa kelirikkokohdissa. Mittauskatkojen takia kaikkien Percoasemien tuottamasta tiedosta ei piirretty lämpötila-, dielektrisyysja sähkönjohtavuusprofiileja (Taulukko 13). Profiilien (Liitteet 14, 15 ja 16) lisäksi Percoasemien tuottamaa tietoa kuvattiin sähköisten ominaisuuksien viiva- ja pistediagrammeilla (Liitteet 10 1 3 ja 17 19). 60
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Taulukko 12. Tutkimusaineistona käytetty Percoasemien tuottama tieto. Tiepiiri Percoasema 2002 2003 2004 2005 2006 2007 13.10.02 30.5.03 Keski-Suomi Kuorevesi (vanha) 13.10.03 17.5.04 26.6.04 12.6.06 Kuorevesi (uusi) 20.9.06 28.5.07 Savo-Karjala Sonkajärvi 16.11.05 28.5.07 Koskenkylä 1.11.02 18.6.04 26.11.04 30.6.06 10.10.02 9.7.03 Kemijärvi (Tohmo) Lappi 31.12.03 29.6.04 Kemijärvi (Javarus) 21.9.04 28.5.07 Kittilä 1.11.05 28.5.07 Inari 9.9.06 28.5.07 Taulukko 13. Percoasemien tuottamasta tiedosta piirretyt lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiilit. 2002 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 Percoasema t r t r t r t r t r Kuorevesi (vanha) Kuorevesi (uusi) Sonkajärvi Koskenkylä Tohmo Javarus Kittilä Inari t = Lämpötila, r = Dielektrisyys, = Sähkönjohtavuus, = Ei profiilia, = Profiili piirrettiin Lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiilit Percoasemien tuottamasta tiedosta piirretyissä lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiileissa käytettiin arvoina vuorokausikeskiarvoja. Puuttuvia kohtia ja selvästi virheellisiä mittaustietoja täydennettiin edellisen ja seuraavan mittauksen keskiarvoilla, ellei niitä ollut huomattavan paljon. Profiilien aika-akseliksi muutettiin lopuksi 1.10. 31.5. Profiileissa anturit on esitetty tasavälein, vaikka todellisuudessa anturien välinen etäisyys muuttuu niiden syvyyden mukaan. Lämpötilaprofiilissa aivan ylimpänä on Percoasemalla mitattu ulkoilman lämpötila. Profiileja vertailtiin keskenään sekä tiepiirien kelirikko- ja painorajoitustilastoihin, Kuoreveden ja Javaruksen asemien ympäristöissä inventoituun kelirikkoa sekä Vaasan ja Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiileihin. 61
5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Profiileissa kokeiltiin useita eri arvosarjoja. Lämpötila esitetään kuitenkin kaikissa diplomityön lämpötilaprofiileissa 5 C välein. Sähköiset ominaisuudet olivat saaneet eri mittausasemilla erisuuruisia arvoja. Diplomityössä esitetyissä sähkönjohtavuusprofiileissa käytetään 50 S/cm tai 100 S/cm välejä. Dielektrisyysprofiilien arvosarjoissa kokeiltiin muun muassa 4, 8 ja 16 yksikön välejä, sillä nämä sopivat yhteen dielektrisyyden varoitus- ja hälytysarvojen kanssa. Dielektrisyyden profiilikuvissa päädyttiin lopulta käyttämään 5 tai 10 välejä, sillä niillä profiilikuvien rakenne tulee paremmin esille kuin käyttämällä välejä 8 tai 16. Lämpötilaa 2 C alemmilla lämpötila-arvoilla dielektrisyys lopulta saa arvoja 2 5 eikä enää muutu, kun tierakenne on jäätynyt. Joillakin asemilla dielektrisyys on saanut lähellä 100 olevia arvoja; näitä arvoja varten ei asteikkoa ole jatkettu 100 saakka, vaan niitä vastaavat kerrokset ja ajankohdat ne selviävät dielektrisyyden maksimi -kuvaajista. Excel-ohjelmiston ominaisuuksien ja profiilien selkeyden vuoksi arvosarjat pyrittiin valitsemaan niin, että profiilin rakenne tulisi esille pienelläkin värimäärällä. Siksi kaikissa profiileissa ei esitetä erikseen omalla värillä kaikkein pienimpiä tai suurimpia arvoja. Kyseiset arvot kuitenkin selviävät sähköisten ominaisuuksien osalta kuvista, joissa sähköisiä ominaisuuksia esitetään ajan ja lämpötilan funktioina. Sähköiset ominaisuudet ajan ja lämpötilan funktiona Percoasemien sähköisten ominaisuuksien vuorokauden maksimiarvoista ajan funktiona piirrettiin pistediagrammit niin, että yhdessä diagrammissa näkyy yhden Percoaseman koko mittausaineisto. Diagrammit eivät ole keskenään samassa mittakaavassa, sillä asemat ovat toimineet eri vuosina. Sähköiset ominaisuudet ovat saaneet hyvinkin erisuuruisia arvoja eri vuosina ja eri asemilla. Diagrammeja käytettiin aineiston yleiskuvauksen ja asemien vertailun apuna. Niistä nähdään miltä ajanjaksoilta mittaustietoa puuttuu ja milloin ja kuinka suuria arvoja eri mittausasemilla eri aikoina on mitattu. Pistediagrammien lisäksi sähköisten ominaisuuksien vuorokausikeskiarvoista piirrettiin joidenkin Percoasemien tuottamasta tiedosta viivadiagrammeja ajalta 1.9 31.8. Diagrammeihin valittiin ylin mittaussyvyys (0,15 m) sekä kaksi muuta syvyyttä, jotka erottuivat profiileissa muista syvyyksistä. Percoasemien sähköisten ominaisuuksien maksimiarvoista lämpötilan funktioina piirrettiin pistediagrammit niin, että yhdessä diagrammissa näkyy yhden Percoaseman koko mittausaineisto. Diagrammeja käytettiin tutkittaessa miten sähköisten ominaisuuksien arvot muuttuvat 0 C ympäristössä ja miten eri mittausasemat ja tien kerrokset eroavat toisistaan sähköisten ominaisuuksien saamien arvojen osalta. Joiltakin Percoasemilta piirrettiin lisäksi kuvaajia sähkönjohtavuudesta dielektrisyyden funktiona kuvaajia sekä kuvaajia, joissa esitetään lämpötila yhdessä dielektrisyyden tai sähkönjohtavuuden kanssa tietyssä mittaussyvyydessä ajan funktiona (Liite 19). 62
5.4 Haastattelut Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena 5 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita (Taulukko 14). Haastatteluja käytettiin kirjallisuustutkimuksen ja tutkimusosan lähteinä. Tiepiirien haastatteluilla haettiin vastauksia muun muassa kysymyksiin: Voidaanko roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa yleistää? Miten asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä hyödyllisemmin ja monipuolisemmin? Miten asemien tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelussa? Taulukko 14. Tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöiden ja -asiantuntijoiden haastattelut. Tiepiiri Haastateltava Haastattelupäivä Uusimaa Turku Alpo Heinonen Matti Hämäläinen Jarmo Puharinen Veijo Niittynen Tauno Mäkiö 28.9.2007 3.10.2007 28.9.2007 11.10.2007 12.10.2007 Kaakkois-Suomi Rainer Vikman 11.10.2007 Häme Olavi Kurkela 9.10.2007 Savo-Karjala Asko Pöyhönen 3.10.2007 Keski-Suomi Martti Halmela 4.10.2007 Vaasa Raimo Sillanpää 25.9.2007 Oulu Jarkko Pirinen 17.10.2007 Lappi Tarmo Posti Eero Kenttälä 4.10.2007 8.10.2007 Tiepiirien haastatteluista saatiin lisäksi tietoa muun muassa tiepiireissä esiintyvästä kelirikosta ja tiepiirien painorajoituskäytännöistä. Diplomityössä haastateltiin yhteensä 18 henkilöä. Diplomityön muita haastettuluja käytettiin diplomityön kirjallisuustutkimuksen lähteinä. Muut haastattelut olivat: Tuovi Päiviö-Leppänen (Tiehallinto, asiantuntijapalvelut) Jouko Belt (Oulun yliopisto) Timo Saarenketo (Roadscanners Oy) Tapio Inkeröinen (Roadscanners Oy) Sami Ylönen (FinMeas Oy) 63
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 6 TUTKIMUSTULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU 6.1 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto lämpötila-, dielektrisyysja sähkönjohtavuusprofiilien avulla tarkasteltuna Lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiilien rakenteissa on useita routaantumiseen ja roudan sulamiseen liittyviä lämpötilan ja sähköisten ominaisuuksien arvojen muutoksia, jotka ilmenivät tutkimusaineistossa kaikilla roudan seuranta-asemilla. Profiilien perusteella voidaan talven aikana tierakenteessa tapahtuvista lämpötilan muutoksista yleisesti todeta muun muassa seuraavaa (Kuva 23): 1 2 3 4 Kuva 23. Tierakenteen lämpötila Liljendahlin lämpötilan seuranta-asemalla talvella 2006 2007. (Liite 9) 1. Syksyllä, yleensä marras-joulukuussa tierakenteen ylimmissä kerroksissa esiintyy jäätymis-sulamissyklejä. Vasta myöhemmin syksyllä tai talvella lämpötila laskee pysyvästi nollan alapuolella. Lämpötilan lasku alkaa tierakenteen pinnasta ja etenee tierakenteeseen. Pohjois-Suomessa lämpötila laskee aikaisemmin kuin Etelä-Suomessa. 2. Talven aikana tierakenteen lämpötila laskee pakkaselle noin 1,5 2 m syvyyteen saakka yleensä vasta huhtikuun alkuun mennessä, kun tierakenne alkaa jo sulaa pinnasta. 64
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 3. Lämpötilan kohoaminen alkaa tien pinnasta sekä lähes yhtä aikaa alusrakenteesta niin, että sulamisrintamat kohtaavat yleensä toukokuussa, noin metrin syvyydessä (alusrakenteen tai pohjamaan yläpinta). Tierakenteen lämpötila kohoaa Etelä-Suomessa aikaisemmin kuin Pohjois-Suomessa. 4. Yleensä lämpötila ei laske vuoden aikana nollan alapuolelle yli 1,5 2 m syvyydessä. Tierakenne kuitenkin vaikuttaa siihen, kuinka syvälle rakenteeseen pakkanen etenee; esimerkiksi Uudenmaan tiepiirin Karhunkorven mittausasemalla, jossa on louherakenne, lämpötila saattaa laskea nollan alapuolelle vielä yli kahden metrin syvyydessä. Useimmilla Percoasemilla dielektrisyysarvot ovat kesän ja syksyn ajan 0,3 0,5 m sekä 0,8 1,1 m syvyydessä korkeampia (ε r = 30 100) kuin dielektrisyyden varoitus- ja hälytysraja-arvot (ε r < 30, Luku 4.2). Dielektrisyys saa erisuuruisia arvoja eri asemilla. Vuotta 2005 aikaisemmin tehdyissä dielektrisyysmittauksissa oli paljon puutteita; tutkimusaineistosta puuttui mittaustietoa joistakin kerroksissa useiden viikkojen ajalta. Kuoreveden uutta asemaa lukuun ottamatta vasta 2005 jälkeen perustettujen Percoasemien mittausaineistosta piirretyissä dielektrisyysprofiileissa on selvästi havaittavissa oleva rakenne. Dielektrisyysprofiilin rakenne tuli parhaiten esiin käyttämällä arvosarjaa 5 10, 10 15,, 25 30. Dielektrisyyden muutoksista voidaan todeta muun muassa (Kuva 24): 1 2 3 Kuva 24. Tierakenteen dielektrisyys Kittilän Percoasemalla talvella 2006 2007. (Liite 15) 65
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 1. Lämpötilan laskun jälkeen dielektrisyys laskee nopeasti muutamassa päivässä 0,3 0,5 m syvyyteen saakka. Useimmilla asemilla dielektrisyyden minimiarvot ovat välillä 0 5. Kun dielektrisyyttä kuvataan lämpötilan funktiona, havaitaan, että minimiä ei saavuteta vielä 0 C:ssa, vaan hieman nollaa alhaisemmissa lämpötiloissa. 2. Dielektrisyysarvojen lasku alkaa tien pinnasta ja etenee syvempään rakenteeseen. Lämpötilan laskettua pysyvästi nollan alapuolelle lämpötilan lasku ei enää vaikuta dielektrisyysarvoihin. 3. Keväällä lämpötilan kohotessa dielektrisyysarvot kohoavat nopeasti lähes yhtä aikaa ylimmissä tiekerroksissa. Päinvastoin kuin rakenteen jäätyessä dielektrisyys muuttuu ennen kuin lämpötila nousee nollan yläpuolelle. Dielektrisyysarvot saavuttavat maksimiarvonsa pian tierakenteen sulamisen alettua, laskevat sen jälkeen loivasti, mutta saattavat olla korkeita koko kesän ja syksyn ajan 0,3 0,5 m syvyydessä (päällysrakenteen alapinta), mutta joillakin asemilla myös 0,8 1,1 m syvyydessä (alusrakenteen tai pohjaamaan yläpinta). Jos syvyyksiä verrataan niitä vastaaviin rakennekerroksiin, niin havaintaan muun muassa: Kuoreveden vanhalla asemalla suurimmat dielektrisyysarvot (ε r = 30 40, vrk. ka.) ovat syvyydellä 0,5 m, jossa on kahden kerroksen rajapinta. Ylemmän kerroksen materiaali on sora ja alemman soramoreeni. Lisäksi korkeita dielektrisyysarvoja on mitattu Kuoreveden vanhalla Percoasemalla syvyydessä 0,9 m sekä uudella asemalla (ε r = 20 30, vrk. ka.) syvyydessä 1,1 m. Sonkajärven asemalla suurimmat vuorokausikeskiarvot (ε r = 80 100, vrk. ka.) ovat syvyydessä 0,3 m, jossa materiaalina on turve. Vastaavasti Inarin asemalla syvyydessä 0,5 m on suurimmat arvot (ε r = 20 30, vrk. ka.) ja materiaali on niin ikään turve. Kittilän asemalla suurimmat arvot (ε r = 60 70, vrk. ka.) ovat 0,3 0,5 m syvyydellä, jossa tien kerrokset ovat soraa ja turvetta. Sähkönjohtavuusarvojen suuruus riippuu aseman sijainnista ja tierakenteesta ja tien kerrosmateriaaleista. Suurin ero oli Sonkajärven ja Inarin asemien arvojen välillä; esimerkiksi Sonkajärvellä 0,3 m syvyydessä maksimiarvot ovat olleet jopa 4 000 S/cm, kun Inarissa suurimmat arvot olivat 0,5 0,8 m syvyydessä ja vain 20 30 S/cm. Molemmilla asemilla maksimiarvoja saaneen kerroksen materiaalina on turve. Asemien välisien erojen vuoksi kaikille asemille ei käytetty profiilikuvissa samaa asteikkoa. Paitsi asemien ja kerrosten välillä, myös eri vuosien välillä oli eroja sähkönjohtavuusarvoissa. Profiilikuvissa käytettiin kuitenkin samaa asteikkoa samalla asemalla. Sähkönjohtavuusprofiileista nähdään muun muassa (Kuva 25): 66
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 1 2 3 4 Kuva 25. Tierakenteen sähkönjohtavuus Kuoreveden Percoasemalla talvella 2004 2005. (Liite 16) 1. Syksyllä lämpötilan laskettua sähkönjohtavuus laskee hyvin jyrkästi muutamassa päivässä noin puolen metrin syvyyteen saakka. Muutos tapahtuu lähes samaan aikaan dielektrisyyden laskun kanssa. Lämpötila muuttuu sähköisiä ominaisuuksia loivemmin ja alkaa aikaisemmin. 2. Sähkönjohtavuusarvojen lasku jatkuu syvemmälle ja kohti pienempiä arvoja. Lopulta sähkönjohtavuus saa arvoja välillä 0 20 S/cm eikä muutu enää talven aikana. 3. Keväällä lämpötilan kohottua, sähköjohtavuuden arvot kasvavat ensin jyrkästi ja sitten hieman laskevat, mutta ovat korkeita koko kesän ja syksyn ajan 0,3 0,5 m syvyydessä. Sähkönjohtavuusarvojen kohoaminen keväällä tapahtuu hieman loivemmin kuin arvojen lasku syksyllä. Kuten dielektrisyydenkin muutos, sähkönjohtavuuden muutos tapahtuu ennen kuin lämpötila nousee nollan yläpuolelle. Kuoreveden vanhalla asemalla korkeimmat sähkönjohtavuusarvot ovat 0,3 0,5 m syvyydessä; 0,3 m syvyydessä materiaalina on sora ja 0,5 m syvyydessä oleva anturi on kahden kerroksen rajapinnassa. Alemman kerroksen materiaali on soramoreeni. Inarin, Kittilän ja Sonkajärven korkeimmat sähkönjohtavuusarvot ovat kerroksessa, jossa on materiaalina turve (syvyydet: 0,5 m, 0,5 m ja 0,3 m). 67
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 4. Lähes kaikilla Percoasemilla 0,8 1 m syvyyttä lähestyttäessä sekä lämpötilan että sähköisten ominaisuuksien arvojen muutosnopeus hidastuu. Keväällä siinä syvyydessä arvojen muutokset tapahtuvat viimeisinä. Kuitenkaan 1,1 m etäisyydellä tien pinnasta ilmiö ei esiinny, vaikka kerrosmateriaali on useimmiten sama kuin 0,8 m syvyydessä. Useimmilla Percoasemilla 0,8 m syvyydessä on alusrakenteen tai pohjamaan ylin mittausanturi. (Luku 6.3) 6.2 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin 6.2.1 Kelirikko ja painorajoitukset tiepiireissä Tutkimuksessa tarkasteltiin kelirikkoa ja painorajoituksia kaikkia Suomen tiepiirejä (luku 3) tarkemmin tiepiireissä, joissa on ollut roudan-seuranta asemia. Kelirikkoon ja painorajoituksiin liittyvät kaaviot ovat liitteinä (Liitteet 4 ja 5). Kelirikon ja painorajoitusten kokonaispituudet ovat viime vuosina vähentyneet, vaikka niiden lukumäärät ovat pysyneet ennallaan. Tiepiirit eroavat varsinkin painorajoitusten (Taulukko 15), mutta selkeästi myös kelirikon pituudessa ja määrissä (Taulukko 16). Esimerkiksi Keski-Suomen ja Uudenmaan tiepiireissä painorajoituksia asetetaan vähemmän kuin muissa tiepiireissä. Uudellamaalla sekä Lapissa kelirikkoa esiintyy vain hyvin vähän. Vaikka vuoden 2001 jälkeen kelirikon kokonaispituus onkin lyhentynyt, kelirikkoa oli vuonna 2005 kelirikkoisimmissa tiepiireissä selvästi enemmän kuin muina vuosina. Taulukko 15. Asetetut painorajoitukset (2002 2006) tiepiireissä, joissa on ollut roudan seurantaasemia. (Liite 4) Paino- Savo- Keski- Uusimaa Häme Vaasa Lappi rajoitukset Karjala Suomi 2002 Paljon Jonkin Vähän verran Jonkin 2003 verran Jonkin verran 2004 Vähän Vähän Vähän Vähän Jonkin 2005 Jonkin verran verran Jonkin 2006 Vähän Vähän verran alle 2 % = vähän, 2 4 % = jonkin verran, yli 4 % = paljon 68
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Taulukko 16. Inventoitu kelirikko (2000 2006) tiepiireissä, joissa on ollut roudan seuranta-asemia. (Liite 4) Kelirikko Uusimaa Häme Savo-Karjala Keski-Suomi Vaasa Lappi 2002 Jonkin verran Jonkin verran Vähän Jonkin verran 2003 Vähän Vähän 2004 Vähän Jonkin verran Vähän Jonkin verran Paljon Paljon 2005 Paljon 2006 Vähän Vähän Jonkin verran alle 2 % = vähän, 2 4 % = jonkin verran, yli 4 % = paljon 6.2.2 Lämpötilan seuranta-asemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin Vaasan tiepiiri Viime vuosina Vaasan tiepiirissä kelirikkoa on inventoitu 50 200 km/vuosi ja painorajoituksia on asetettu 100 300 km/vuosi. Painorajoitusten pituus on vähentynyt vuodesta 2000, jolloin niitä asetettiin lähes 500 km eli 6 %:lle Vaasan tiepiirin sorateistä. Vuonna 2005 kelirikkoa inventoitiin muita vuosia enemmän, vaikka painorajoituksia asetettiin vähemmän kuin aiemmin. Inventoituja kelirikkokohteiden lukumäärä on ollut 2 000 7 000 vuodessa, kun painorajoituksia on asetettu 20 50 vuodessa. (Liitteet 4 ja 5). Ajankohta, jolloin lämpötila on laskenut nollan alapuolelle tien ylimmissä kerroksissa, on vaihdellut lokakuusta tammikuuhun. Tierakenteiden lämpötila on laskenut nollan alapuolelle kaikkina vuosina Isonkyrön asemalla noin 1,1 1,3 m syvyyteen saakka (helmi-maaliskuu); Alavudella vastaava syvyys on ollut 1,3 1,5 m (maaliskuu). Isonkyrön asemalla lämpötilan kohoaminen nollan yläpuolelle alkoi maaliskuun alussa tai puolivälissä kaikkina vuosina, kun Alavudella lämpötila oli nollan alapuolella vielä huhtikuussa. (Liite 8) Vuosina 2004 ja 2005 kelirikkoa oli Vaasan tiepiirissä enemmän kuin muina vuosina. Niitä vuosia edeltävinä syksyinä tierakenteen lämpötila on laskenut nollan alapuolelle myöhempään ja hitaammin kuin muina tutkimusaineiston syksyinä. Talvien 2002 2003 ja 2005 2006 lämpötilaprofiileissa alue, jossa tierakenteen lämpötila on alle nollan, on leveämpi kuin muina vuosina. Keväällä 2003 kelirikkoa inventoitiin tarkastelluista vuosista kaikkein vähiten. (Liite 8) 69
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Uudenmaan tiepiiri Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat ovat olleet toiminnassa vasta kesästä 2005, joten niiden tuottamaa tietoa voitiin verrata vain vuoden 2006 kelirikko- ja painorajoitustilastoihin, sillä vuoden 2007 kelirikko- ja painorajoitukset eivät kuuluneet tutkimusaineistoon. Kelirikkoa esiintyy kuitenkin Uudellamaalla erittäin vähän eivätkä vuodet eroa toisistaan kelirikon tai painorajoitusten suhteen. Inventoidun kelirikon kokonaispituus on ollut useimmiten alle 10 km/vuosi. Kelirikkokohteiden lukumäärä on vaihdellut 0 1 200 vuosittain. Vuonna 2006 kelirikon määrä oli hieman suurempi kuin aikaisempina vuosina. Painorajoitusten kokonaispituus on vaihdellut 10 60 km/vuosi. Painorajoituksia on asetettu vain 0 10 kohteeseen vuodessa. (Liitteet 4 ja 5) Syksyllä 2005 lämpötilan lasku nollan alapuolelle alkoi kuukautta aikaisemmin ja keväällä 2006 lämpötilan kohoaminen nollan yläpuolelle kuukautta myöhemmin kuin talvena 2006 2007. Lisäksi talvena 2005 2006 pakkanen ulottui syvemmälle tierakenteeseen kuin vuotta myöhemmin. Syksyllä 2006 lämpötila laski marraskuussa tien ylimmissä kerroksissa muutamaksi viikoksi, mutta kohosi joulukuussa koko tierakenteessa nollan yläpuolelle (Luku 6.3). Vertailtavien vuosien puuttumisen vuoksi mahdollinen inventoidun kelirikon ja tierakenteesta mitatun lämpötilan vaihtelun välinen yhteys ei ole tutkimusaineiston perusteella selvitettävissä. (Liite 9) 6.2.3 Percoasemien tuottama tieto verrattuna kelirikkoon ja painorajoituksiin Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirit Kuoreveden Percoasema sijaitsee Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirien rajalla. Inventoidun kelirikon kokonaispituus ja kelirikkokohteiden lukumäärä on kasvanut Hämeen tiepiirissä vuoteen 2005 saakka. Keski-Suomen tiepiirissä vuosina 2004 ja 2005 kelirikkoa inventoitiin selvästi enemmän kuin muina vuosina. Painorajoituksia on Hämeen ja Keski-Suomen tiepiireissä asetettu vain vähän. Hämeen tiepiirissä inventoidun kelirikon kokonaispituus on vaihdellut 50 300 km/vuosi ja painorajoituksia on ollut yhteensä 40 200 km/vuosi. Kelirikkokohteiden lukumäärä on vaihdellut 1 500 9 000/vuosi. Vuosina 2005 ja 2006 inventoitujen kelirikkokohteiden lukumäärä oli suurempi kuin aikaisempina vuosina. Painorajoituksia on ollut 10 40 vuodessa. (Liitteet 4 ja 5) Keski-Suomen tiepiirissä kelirikon pituus on lyhentynyt vuoden 2001 jälkeen. Kelirikkoa on ollut noin 50 100 km/vuosi. Vuosina 2004 ja 2005 kelirikkoa oli muita vuosia enemmän, mutta vuonna 2006 kuitenkin ainoastaan 25 km. Painorajoituksia Keski- Suomen tiepiirissä on asetettu vuosittain alle 40 km (0 5 kohteeseen vuodessa). Inventoitujen kelirikkokohteiden lukumäärä on ollut 1 000 5 000, mutta vuosina 2004 2005 kohteita oli enemmän kuin muina vuosina. (Liitteet 4 ja 5) 70
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Kuoreveden Percoaseman lämpötilaprofiileissa alue, jossa lämpötila on alle nollan, on kaventunut vuosien 2002 2007 aikana. Tierakenteen lämpötila on laskenut pakkaselle vuosi vuodelta myöhemmin ja alimpien kerrosten lämpötilan lasku nollan alapuolelle on siirtynyt tammikuulta helmi-maaliskuulla. Samanlainen muutos näkyy myös sähköisten ominaisuuksien profiileissa. Sen sijaan sähköisten ominaisuuksien viivadiagrammeista nähdään, että sähköiset ominaisuudet ovat saaneet vuosi vuodelta suurempia arvoja (Luku 6.3). Vaikeaa kelirikkokevättä edeltäneenä talvena 2004 2005 lämpötilan ja sähköisten ominaisuuksien muutokset ovat tapahtuneen muita vuosia hitaammin. Vuosina jolloin kelirikkoa on ollut vähän, ovat muutokset tapahtuneet erityisesti syksyllä nopeammin kuin niinä vuosina, joina kelirikkoa on esiintynyt paljon. (Liitteet 14 18) Syksyn 2006 sää poikkesi aikaisemmista syksyistä, sillä lokakuussa 2006 ilman ja tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila laski nopeasti, mutta kohosi nollan yläpuolelle marras-joulukuussa, jolloin myös tierakenteen lämpötila kohosi ainakin tien ylimmissä kerroksissa (Luku 6.3). Vuoden 2007 painorajoitus- ja kelirikkotilastot eivät kuitenkaan kuuluneet tutkimusaineistoon. (Liitteet 14 18) Savo-Karjalan tiepiiri Sonkajärven Percoasema sijaitsee Savo-Karjalan tiepiirin pohjoisosassa. Asema on ollut toiminnassa vasta syksystä 2005, joten sen tuottamaa tietoa voitiin verrata vain vuoden 2006 painorajoituksiin ja kelirikkoon. Vuonna 2006 kelirikkoa esiintyi muita vuosia vähemmän ja painorajoituksia asetettiin vähemmän kuin yleensä. Savo-Karjalan tiepiirissä painorajoitusten sekä inventoidun kelirikon pituus on vähentynyt viime vuosina. Kelirikon kokonaispituus on ollut yleensä 100-200 km/vuosi, mutta vuosina 2003 ja 2006 kelirikkoa oli alle 40 km. Aikaisempina vuosina painorajoituksia on ollut jopa 400 500 km/vuosi. Vuonna 2006 painorajoituksia oli vain vajaat 60 km. Kelirikkokohteiden lukumäärä on vaihdellut 400 6 000/vuosi. Painorajoituksia on asetettu yleensä 30 40 kohteeseen, mutta vuonna 2006 vain 14. (Liitteet 4 ja 5) 71
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Sonkajärven Percoaseman lämpötilaprofiilit eroavat talvien 2005 2006 ja 2006 2007 suhteen lähinnä syksyjen osalta. Joulukuussa 2007 Sonkajärvellä ilman ja tierakenteen lämpötila kohosi nollan yläpuolelle (Luku 6.3). Lämpötilanmuutos näkyy myös sähköisten ominaisuuksien profiileissa ja viivadiagrammeissa. Keväällä 2007 dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvojen lasku ei ole edennyt yhtä syvälle tierakenteeseen kuin vuotta aikaisemmin. Molempina keväinä tierakenteen lämpötila on ollut alle nollan alimmissa kerroksissa vielä toukokuussa. Sähkönjohtavuuskäyrässä on kerroksessa 0,3 m kesällä ja syksyllä 2006 paljon piikkejä sekä hyvin korkeita arvoja. Vertailtavien vuosien puutumisen takia ei ole kuitenkaan mahdollista nähdä yhteyttä aseman tuottaman tiedon ja kelirikon esiintymisen välillä. Syksyn 2006 lämpötilan nousu joulukuussa näkyy selvästi sähkönjohtavuuden vaihteluna 0,3 m syvyydessä (Luku 6.3). (Liitteet 14 18) Lapin tiepiiri Lapin tiepiirissä kelirikkoa esiintyy vain vähän, noin 20 40 km/vuosi. Kelirikkokohteiden määrä kasvoi hieman vuoteen 2005 saakka, mutta kelirikon kokonaispituus on ollut jonkin verran laskussa vuodesta 2002. Sen sijaan Lapin tiepiirissä asetettujen painorajoitusten kokonaispituus on vaihdellut paljonkin vuosittain; vuosina 2000 2001 painorajoituksia asetettiin jopa 800 km/vuosi, kun vuonna 2004 ei asetettu yhtään painorajoitusta. Kelirikkokohteiden määrä ei ole muuttunut ja on ollut noin 1 500 2 000/vuosi. Painorajoitusten lukumäärä on ollut alle 25/vuosi. (Liitteet 4 ja 5) Lapin tiepiirin Percoasemien tuottaman tiedon vertaamista kelirikkoon vaikeuttaa se, että joillakin asemilla oli runsaasti mittauskatkoja ennen vuotta 2005 tehdyissä mittauksissa, joten profiileja ja viivadiagrammeja voitiin piirtää vain viime vuosilta. Lämpötilaprofiileista nähdään kuitenkin, että alue, jossa lämpötila on nollan alapuolella, on hieman kaventunut ja loiventunut viime vuosina. Eri vuosien mitatut sähköisten ominaisuuksien arvot eroavat toisistaan eniten Javaruksen Percoasemalla. Javaruksessa sähköisten ominaisuuksien saamat arvot ovat pienentyneet vuosina 2004 2007 (Luku 6.3). Sähköisten ominaisuuksien viivadiagrammeista nähdään, että Javaruksen aseman dielektrisyys- sekä sähkönjohtavuusarvot olivat korkeampia talvena 2004 2005 kuin myöhempinä talvina. Kevään 2005 kelirikkotilanne ei kuitenkaan selvästi poikkea muista vuosista Lapin tiepiirissä. Toisaalta muualla Suomessa vuonna 2005 kelirikkoa inventoitiin muita vuosia enemmän ja painorajoituksia Lapin tiepiirissä asetettiin vuonna 2005 edellistä ja seuraavaa vuotta huomattavasti enemmän. Kittilän Percoasemalla dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvot olivat korkeita kesällä 2006. Kittilän asema on ollut käytössä kuitenkin vasta vuodesta 2005. (Liitteet 5 ja 14 18) 72
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Kelirikon vuosittainen vaihtelu on ollut Lapin tiepiirissä hyvin vähäistä, vaikka asemien eri vuosina tuottamassa tiedossa onkin jonkin verran eroja. Painorajoitusten kokonaispituus ja lukumäärät ovat vaihdelleet Lapin tiepiirissä vuosittain. Kuitenkaan asemien eri vuosina tuottaman tiedon ja asetettujen painorajoitusten tai inventoidun kelirikon välinen yhteys välinen yhteys tullut selväsi esille tutkimuksessa. (Liitteet 5 ja 14 18) 6.2.4 Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien tuottama tieto verrattuna asemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 inventoituun kelirikkoon Kelirikko Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 Tiepiireissä Vuosien 2005 ja 2006 kelirikkoa tarkasteltiin Kuoreveden ja Javaruksen Percoasemien ympäristöissä. Kelirikko rajattiin asemien ympärille ympyröillä, joiden säteet olivat 20 km, 50 km, 100 km ja 200 km. Kelirikko piirrettiin kartalle ja sen perusteella laskettiin summajakaumat molemmille vuosille. (Liitteet 6 ja 7) Kuoreveden asema sijaitsee Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirien rajalla (Liite 20). Kuoreveden Percoaseman ympäristössä 200 km säteellä inventoidussa kelirikossa on mukana Turun, Hämeen, Keski-Suomen, Vaasan, Kaakkois-Suomen ja Savo-Karjalan tiepiirien kelirikkoa, kun taas 100 km säteellä suurimmaksi osaksi vain Hämeen ja Keski- Suomen tiepiirien kelirikkoa. Keski-Suomen tiepiirissä vuonna 2005 oli kelirikkoa paljon enemmän kuin vuonna 2006. (Liitteet 4 ja 5) Kuoreveden Percoaseman ympäristössä 200 km säteellä inventoitiin vuonna 2005 yhteensä 700 km runkokelirikkoa (kelirikkokohteita 27 000) (Kuva 26). Hieman yli puolet inventoinneista sijoittuu toukokuun puolivälistä kesäkuun alkuun siten, että 100 km säteellä suurin osa inventoitiin 15. 19. toukokuuta ja 200 km säteellä jonkin verran vielä kesäkuun alussa. Helmi-huhtikuun aikana oli inventoitu kuitenkin jo yli 200 km kelirikkoa ja syksyllä inventoitiin vielä 100 km lisää. Kelirikkoa esiintyi 100 km säteellä noin 200 km ja 50 km säteelläkin yli 50 km. (Liite 6) Vuonna 2006 kelirikon kokonaispituus Kuoreveden aseman ympäristössä oli yhteensä 320 km eli yli puolet vähemmän kuin edellisenä vuotena. Myös kelirikkokohteita oli vähemmän kuin aikaisempana vuotena (lukumäärä 15 000). Inventoinnit ovat tapahtuneet toukokuun puolenvälin ja kesäkuun alun välisenä aikana; suurin osa alle 100 km säteellä inventoidusta kelirikosta on inventoitu 15. 17. toukokuuta, kun 200 km säteellä inventointia on jatkunut toukokuun loppuun. (Liite 6) 73
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 2005 2006 Kuva 26. Inventoitu runkokelirikko Kuoreveden Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 ja 2006 (punainen: 20 km, oranssi: 50 km, vihreä: 100 km ja sininen: 200 km). (Liite 6) Javaruksen Percoaseman ympäristössä esiintyneen kelirikon kokonaispituudessa ei ole eroa vuosien 2005 ja 2006 välillä. Javaruksen aseman ympäristön kelirikko ei myöskään poikkea suuresti Lapin tiepiirin kelirikosta. Molempina vuosina kelirikkoa oli yhteensä 200 km säteellä noin 30 km, 100 km säteellä 10 km ja 50 km säteellä alle 5 km. Vuonna 2005 suurin osa inventoinneista ajoittuu toukokuun viimeiselle viikolle, mutta 2006 inventoinnit aloitettiin jo toukokuun puolivälissä. Kevään sää on mahdollisesti vaikuttanut inventointien ajoittumiseen ja kelirikkohavaintoihin. Vaikka kelirikon kokonaispituus oli lähes yhtä suuri, kelirikkoa inventoitiin vuonna 2005 kaksinkertainen määrä vuoteen 2006 verrattuna; esimerkiksi 200 km säteellä vuonna 2005 kelirikkokohteita oli noin 2 400, mutta 2006 alle 1 300. Osa 200 km säteellä olevasta kelirikosta on Oulun tiepiirin alueella, mikä hieman suurentaa kelirikon määrää verrattuna Lapin tiepiirin vastaaviin määriin. (Liite 7) Vuosina 2005 2006 Kuoreveden Percoaseman ympäristössä kelirikkoa esiintyi jopa 30 kertaa enemmän kuin Javaruksen aseman ympäristössä (Taulukot 16 ja 17). Karttakuvista (Liitteet 6 ja 7) nähdään, että vuonna 2005 oli Javaruksen aseman ympäristössä enemmän kelirikkoa varsinkin alueen pohjoisosassa. Lisäksi havaitaan, että kuten Javaruksen aseman ympäristössä, myös Kuoreveden aseman ympäristössä, kelirikkoa esiintyi samoilla alueilla molempina vuosina. Taulukoissa 18 ja 19 on yhteenveto kelirikon määrästä ja pituudesta Hämeen, Keski-Suomen ja Lapin tiepiireissä sekä Javaruksen ja Kuoreveden asemien ympäristöissä 100 km säteellä. Vaikka inventoidun kelirikon kokonaispituus väheni vuosina 2005 2006 Keski-Suomen tiepiirissä lähes 90 % (200 km 25 km), niin Kuoreveden Percoaseman ympäristössä 100 km säteellä kuitenkin vain 60 %. 74
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Taulukko 17. Kelirikko Kuoreveden aseman ympäristössä (säde = 100 km) sekä Keski-Suomen ja Hämeen tiepiirissä vuosina 2005 2006. (Liitteet 2 ja 6) Kuorevesi (säde = 100 km) Keski-Suomen tiepiiri Hämeen tiepiiri Lukumäärä Pituus (km) Lukumäärä Pituus (km) Lukumäärä Pituus (km) 2005 10 900 270 5 600 200 8 900 180 2006 6 200 110 1 800 25 8 000 150 Taulukko 18. Kelirikko Javaruksen aseman ympäristössä (säde = 100 km) sekä Lapin tiepiirissä vuosina 2005 2006. (Liitteet 2 ja 7) Javarus (säde = 100 km) Lapin tiepiiri Lukumäärä Pituus (km) Lukumäärä Pituus (km) 2005 900 10 2 100 25 2006 500 10 1 110 30 Kuoreveden Percoaseman tuottama tieto vuosina 2005 ja 2006 Kuoreveden Percoasemalla talvena 2004 2005 lämpötilan ja sähköisten ominaisuuksien arvojen muuttuminen eteni nopeasti tien ylimmissä kerroksissa, mutta muutosnopeus hidastui syvemmässä tierakenteessa. Talvena 2005 2006 arvojen lasku alkoi myöhemmin ja eteni edellistä vuotta tasaisemmin. Keväiden 2005 ja 2006 välinen ero ei tullut esille tutkimuksessa. Kuoreveden Percoaseman talvina 2004 2005 ja 2005 2006 tuottamasta tiedosta voidaan todeta muun muassa: Syksyllä 2004 oli enemmän jäätymissulamis-syklejä kuin syksyllä 2005. Syksy 2004 oli kylmempi kuin syksy 2005. Syksyllä 2004 sekä ulkoilman että tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila laski nollan alapuolelle marraskuun lopulla. Tierakenteen lämpötila laski nopeasti tien ylimmissä kerroksissa, mutta lämpötilan muutosnopeus hidastui syvemmässä tierakenteessa. Tierakenteen lämpötila oli alle nollan 1,1 m syvyydessä vasta maaliskuun lopulla. Tien pinnan lämpötilan kohoaminen alkoi huhtikuun alussa. Syksyllä 2005 ulkoilman ja tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila laski nollan alapuolelle marras-joulukuun vaihteessa. Tierakenteen lämpötila muuttui jyrkemmin ja tasaisemmin kuin aikaisempana talvena. Pakkanen saavutti 1,1 m syvyyden helmikuussa. Huhtikuun alussa lämpötilan kohoamien alkoi tien pinnasta. Syksyllä 2004 ylimpien tien kerrosten dielektrisyysarvoissa tapahtui muutoksia jo lokakuussa, mutta pysyvästi arvot laskivat marraskuun puolivälissä. Alemmissa kerroksissa dielektrisyys muuttui vasta helmikuussa. Sähkönjohtavuus laski ylimmissä tiekerroksissa niin ikään marraskuun puolivälissä ja alemmissa kerroksissa helmi-maaliskuussa. 75
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Syksyllä 2005 dielektrisyysarvojen lasku alkoi joulukuun alussa ja eteni 0,5 m syvyyteen joulukuun lopulla. Sähkönjohtavuusarvojen muuttuminen alkoi joulukuun puolivälissä ja muutokset tapahtuivat talven aikana edellistä vuotta tasaisemmin. Kevättä 2005 edeltävänä syksynä Kuorevedellä tierakenteen jäätyminen on siis alkanut varhain ja tapahtunut hitaasti (Kuva 27). Keväällä 2005 tierakenteesta mitatut lämpötila ja sähköiset ominaisuudet eivät kuitenkaan merkittävästi eroa seuraavasta keväänä mitatuista arvoista. (Liitteet 14 18) A B Kuva 27. Kuoreveden Percoasemalla pakkanen tunkeutui tierakenteeseen talvella 2004 2005 (A) hitaammin kuin talvella 2005 2006 (B). Keväällä 2005 kelirikkoa havaittiin mittauspaikan ympäristössä 100 km säteellä yhteensä 270 km, kun vuotta myöhemmin yhteensä 110 km. (Liitteet 6 ja 14) Javaruksen Percoaseman tuottama tieto vuosina 2005 ja 2006 Talvella 2004 2005 tierakenteen lämpötila on laskenut seuraavaa talvea aikaisemmin nollan alapuolelle. Syksyllä 2004 lämpötila laski jyrkästi jo lokakuun puolivälissä, kun vuotta myöhemmin lämpötila muuttui kuukautta myöhemmin. Javaruksen dielektrisyysmittauksissa ei piirretty dielektrisyysprofiileja asemaa vaivanneiden mittauskatkojen vuoksi. Talvella 2004 2005 sähkönjohtavuusarvot laskivat vasta joulukuun alussa ja seuraavana vuotena kuukautta aikaisemmin marraskuussa. Syksyllä 2004 sähkönjohtavuuden muutos on tapahtunut noin kaksi kuukautta myöhemmin kuin lämpötilan muutos, mutta syksyllä 2005 lämpötila ja sähkönjohtavuus ovat muuttuneet lähes samaan aikaan. (Liitteet 14 ja 16) Talvien 2004 2005 ja 2005 2006 tuottamasta tiedosta piirretyt sähköisten ominaisuuksien viivadiagrammit eroavat toisistaan. Syksyllä 2004 ja keväällä 2005 dielektrisyyden saamat arvot ovat vaihdelleet runsaasti, vaihteluväli on ollut 5 15 yksikköä, kun vuotta myöhemmin vastaavaa vaihtelua ei ole esiintynyt. Keväällä 2005 myös sähkönjohtavuuden arvot ovat vaihdelleet kevättä 2005 voimakkaammin. Sähköisten ominaisuuksien saamat arvot ovat Javaruksessa laskeneet aseman perustamisesta eli vuodesta 2004 saakka (Luku 6.3). (Liitteet 17 ja 18) 76
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Javaruksen aseman ympäristössä inventoidun kelirikon ja aseman tuottaman tiedon välinen yhteys ei tullut selvästi esille tehdyssä vertailussa. Javaruksen Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 ja 2006 inventoidun kelirikon pituus on ollut vain 10 km. Aseman vuosina 2005 ja 2006 tuottamat tiedot eivät eroa huomattavan paljon toisistaan, vaikka jonkin verran eroja onkin lämpötilan muutosten ajankohdissa ja sähköisten ominaisuuksien saamissa arvoissa. 6.3 Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon yleistettävyys 6.3.1 Alle 200 km etäisyydellä toisistaan sijainneiden roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon vertailu Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon yleistettävyyttä tutkittiin vertaamalla eri asemien samoina vuosina tuottamaa tietoa, samassa paikassa sijainneiden vanhan ja uuden aseman tuottamaa tietoa sekä vertaamalla asemien tuottamaa tietoa asemien sijaintiin ja tierakenteisiin. Asemien välisiä etäisyyksiä arvioitiin tutkimuksessa piirrettyjen karttakuvien avulla. Vaasan tiepiirissä sijaitsevien Alavuden ja Isonkyrön lämpötilan seuranta-asemien välinen etäisyys on noin 100 km. Isonkyrön asema sijaitsee pohjoisempana ja lähempänä rannikkoa kuin Alavuden asema (Kuva 28A). Vuosina 2001 2006 Isossakyrössä tierakenteen lämpötilan lasku nollan alapuolelle alkoi syksyisin kuukautta aikaisemmin kuin Alavudella, jossa pakkanen eteni kuitenkin kevään aikana syvemmälle kuin Isossakyrössä. (Liitteet 8 ja 19) Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat sijaitsevat noin 70 200 km etäisyyksillä toisistaan (Kuva 28B). Mittausasemilla lämpötilan vaihtelu (syksyjen jäätymissyklit ja talven kylmimmät ajanjaksot) on tapahtunut tien ylimmissä kerroksissa lähes samaan aikaan kaikilla Uudenmaan tiepiirien lämpötilan seurantaasemilla. (Kuva 29). Tierakenteiden ero välinen tulee esille lähinnä vain siinä miten syvälle tierakenteeseen pakkanen on edennyt; noin metrin syvyyteen saakka profiilit ovat lähes samanlaiset. (Liitteet 9 ja 19) A B Kuva 28. Vaasan (28A) ja Uudenmaan (28B) tiepiirien lämpötilan seuranta-asemat. (Liite 19) 77
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu A B C D Kuva 29. Karhunkorven (A: 2005 2006 ja C: 2006 2007) ja Liljendahlin (B: 2005 2006 ja D: 2006 2007) lämpötilaprofiilit. Lämpötila on muuttunut lähes samaan aikaan tien ylimmissä kerroksissa. (Liite 9) Percoasemien tuottamasta tiedosta voidaan verrata esimerkiksi Kuoreveden ja Sonkajärven sekä Kittilän ja Inarin asemien talvena 2006 2007 tuottamaa tietoa. Kuoreveden ja Sonkajärven välinen etäisyys on noin 200 km; Inarin ja Kittilän asemien noin 100 km (Kuvat 30A ja 30B). A B Kuva 30. Kuoreveden ja Sonkajärven (29A) sekä Kittilän ja Inarin (29B) Percoasemat. (Liite 20) 78
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Sonkajärven lämpötilaprofiileissa alueet, joissa lämpötila on alle nollan, ovat leveämpiä ja ulottuvat syvemmälle kuin Kuoreveden profiileissa. Syksyllä 2006 ulkoilman ja tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötila on muuttunut Kuorevedellä ja Sonkajärvellä lähes samaan aikaan. Lämpötilan lasku tien kerroksissa on kuitenkin tapahtunut Sonkajärvellä Kuorevettä aikaisemmin ja keväällä tierakenteen lämpötila on ollut pidempään pakkasen puolella. Kittilän ja Inarin lämpötilaprofiilit ovat lähes samanlaiset 0,5 m syvyyteen saakka (Kuva 31). (Liitteet 14, 20 ja 22) A B C D Kuva 31. Percoasemien lämpötilaprofiileja. (A: Kuorevesi, B: Sonkajärvi, C: Kittilä ja D: Inari; 2006 2007). (Liite 14) Syksyllä 2006 lokakuun puolivälissä ilman ja tierakenteen lämpötilat laskivat nopeasti, mutta lämpötila kohosi uudestaan joulukuussa. Lämpötilan muutos näkyy hyvin selvästi Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien ja Kuoreveden ja Sonkajärven Percoasemien lämpötilaprofiileissa (Kuva 32). Etelä-Suomessa tierakenteen lämpötila nousi joulukuussa 2006 kaikissa kerroksissa nollan yläpuolelle, mutta Pohjois-Suomessa vain ylimmissä kerroksissa. Joulukuussa 2006 tapahtunut lämpötilan kohoaminen näkyy myös Lapin Percoasemien tuottamassa tiedossa. 79
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu A B C D Kuva 32. Karhunkorven (A), Kuoreveden (B), Sonkajärven (C) ja Javaruksen (D) lämpötilaprofiilit 2006 2007. (Liitteet 9 ja 14) Lähekkäin sijainneilla roudan seuranta-asemilla tierakenteen ylimpien kerroksien lämpötila on siis muuttunut lähes yhtäaikaisesti. Pohjois-Suomessa tierakenteen lämpötilan lasku on alkanut aikaisemmin ja pakkanen ulottunut syvemmälle kuin Etelä- Suomessa, kuten voidaan olettaa. Vastaavasti keväällä tierakenteen lämpötila on kohonnut Pohjois-Suomessa Etelä-Suomea myöhemmin. Tierakenne on vaikuttaa pakkasen syvyyteen. Lämpötilan muutosten yhtäaikaisuuteen saattaa vaikuttaa asemien etäisyyttä enemmän ympäristön samankaltaisuuteen liittyvät tekijät, kuten kuivatus, paikallisilmasto, pohjavesi ja maaperä. Vaasan lämpötilan seuranta-asemilla lämpötilan muutosten välinen ero on kuukausi, vaikka asemien etäisyys on vain 100 km. Tutkimuksessa piirrettyjen Vaasan tiepiirin mittausasemien lämpötilaprofiilien välisiä eroja saattaa kuitenkin korostaa se, että profiilit perustuvat kuukausikeskiarvoihin (Luku 5.3). 80
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Sähköiset ominaisuudet ovat saaneet eri asemilla erisuuruisia olevia arvoja, joten sähköisten ominaisuuksien profiilit eivät ole vertailun kannalta aivan yhteismitallisia eikä niitä voi vertailla samalla mitta-asteikolla. Arvojen lisäksi täytyy verrata arvoissa tapahtuneiden muutosten ajankohtia. Muutokset ovat useimmilla asemilla olleet samansuuntaisia ja tapahtuneet joillakin asemilla lähes samaan aikaan. Esimerkiksi syksyllä 2006 marras-joulukuun aikana tapahtunut lämpötilan kohoaminen näkyy selvästi sekä Kuoreveden että Sonkajärven sähköisten ominaisuuksien profiileissa (Kuva 33). Kuitenkaan muutosten yhtäaikaisuus ei tule niin selvästi esille kuin lämpötilaprofiileja verrattaessa. On mahdollista, että sähköisten ominaisuuksien arvojen muuttuminen riippuu lämpötilaa enemmän tierakenteesta, kuivatuksesta, pohjamaan ja maaperän ominaisuuksista sekä hydrologisista tekijöistä, kuten pohjaveden pinnan korkeudesta. Sähköisten ominaisuuksien profiileissa näkyy selvästi dielektrisyyden ja sähkönjohtavuuden välinen yhteys; muun muassa Sonkajärven Percoasemalla dielektrisyyden ja sähkönjohtavuuden muutokset ovat tapahtuneet lähes samaan aikaan (Kuva 33). (Liitteet 15 ja 16) A B C D Kuva 33. Kuoreveden dielektrisyys (A) ja sähkönjohtavuus (C) sekä Sonkajärven dielektrisyys (B) ja sähkönjohtavuus (D) 2006 2007. (Liitteet 15 ja 16) 81
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 6.3.2 Percoaseman sijainnin muutoksen vaikutukset aseman tuottamaan tietoon Kuoreveden Percoasemat Kuoreveden uusi Percoasema sijaitsee miltei samassa paikassa kuin vanha Percoasema, joka siirtyi Tampereen teknillisen yliopiston tutkimuskäyttöön. Vanhalla asemalla oli uuteen verrattuna yksi mittausanturi enemmän syvyydessä 0,9 m. Uuden aseman kohdalla tiessä on 25 cm kulutuskerros ja sen alapuolella suodatinkangas. Pohjamaa on 0,55 m syvyydessä. Vanhan aseman kohdalla tiessä on 10 cm kulutuskerros ja sen alapuolella 40 cm sorakerros. Pohjamaa on 0,6 m syvyydessä. (Liite 22) Molemmilla asemilla sähkönjohtavuuden arvot ovat vaihdelleet 0 600 S/cm ja suurimmat arvot ovat olleet 0,3 m syvyydessä. Vanhan mittausaseman sähkönjohtavuusarvojen hajonta sähkönjohtavuuden maksimilämpötilan kuvaajassa on uutta asemaa suurempaa. Dielektrisyyden osalta hajonta on vieläkin suurempaa ja arvot ovat vanhalla asemalla noin 1,5-kertaisia uuteen asemaan verrattuina. Hajonta saattaa johtua muun muassa siitä, että vanhan aseman mittaustietoa on pidemmältä ajanjaksolta kuin uudelta asemalta. (Liitteet 11 ja 13) Kuoreveden vanhan ja uuden Percoaseman aseman sähköisten ominaisuuksien profiilit eroavat toisistaan huomattavan paljon, vaikka lämpötilaprofiileissa ei olekaan havaittavissa vastaavaa eroa. Vaikka syksyn 2006 sääolot olivat poikkeukset verrattuna aikaisempiin talviin, ei muiden Percoasemien sähköisten ominaisuuksien profiileissa kuitenkaan ole talvien 2005 2006 ja 2006 2007 välillä yhtä suurta eroa kuin Kuoreveden profiileissa. Aseman sijainnin muutos siis vaikuttaa aseman tuottamaan tietoon ja ainakin sähköisten ominaisuuksien arvoihin. Tosin Kuoreveden uuden Percoaseman sähköisten ominaisuuksien mittaustuloksissa saattaa olla virheellisiä arvoja joidenkin antureiden osalta. (Liitteet 14 16) 82
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Kemijärven Percoasemat (Tohmo ja Javarus) Tohmon Percoasema siirrettiin Javarukseen, sillä Tohmon asema sijaitsi vaikeassa kelirikkokohdassa, jossa mittausantureiden johdot katkeilivat kelirikon takia. Aseman tuottamassa tiedossa olinkin paljon puuttuvia mittaustietoa eikä aseman tuottamasta tiedosta piirretty lainkaan profiileja. Tohmon ja Javaruksen asemien kohdalla tierakenteet olivat päällysrakenteeltaan samanlaiset, mutta Tohmossa pohjamaan materiaali oli siltti, kun Javaruksessa materiaalina oli moreeni. Tohmon ja Javaruksen Percoasemien tuottama tieto eroaa toisistaan jonkin verran sähköisten ominaisuuksien arvojen suhteen. Ero ei kuitenkaan ole yhtä suuri kuin Kuoreveden vanhan ja uuden aseman välillä. Javaruksen asemalla sähkönjohtavuuden arvot ovat useimmissa kerroksissa noin 1,5-kertaiset Tohmoon verrattuina. Javaruksen asemalla suurimmat sähkönjohtavuusarvot (600 700 S/cm) ovat 0,5 m syvyydessä. Tohmon asemalla suurimpia sähkönjohtavuusarvoja (200 400 S/cm) on mitattu useissa kerroksissa, mutta erityisesti tien ylimmissä kerroksissa. Tohmon Percoaseman dielektrisyysarvot ( r = 0 50) ovat vain hieman korkeammat kuin Javaruksen aseman ( r = 0 40). (Liitteet 11, 13 ja 22) 6.3.3 Tierakenteen ja sään vaikutukset roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon Tierakenteen lämpötila Tierakenteen lämpötilan vaihteluun ja lämmönjohtavuuteen vaikuttavat sään lisäksi tierakenne ja tien kerrosten materiaalit. Uudenmaan tiepiirin Karhunkorven lämpötilan seuranta-asemalla lämpötila on laskenut nollan alapuolelle vielä yli 2 m syvyydessä, kun muilla Uudenmaan tiepiirin mittausasemilla vastaava syvyys on ollut noin 1,5 m. Karhunkorven aseman kohdalla tiessä on louherakenne, joka ulottuu 2,3 m syvyyteen; muilla asemilla pohjamaa on alle 1,5 m syvyydessä (Kuva 34). (Liitteet 8, 9, 14 ja 21) Vaasan tiepiirissä Alavuden lämpötilan seuranta-asemalla pakkanen on ulottunut tierakenteessa joka talvi 20 40 cm syvemmälle kuin Isonkyrön asemalla. Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien kohdilla olevia tierakenteita ei kuitenkaan tunneta, joten niitä ei voitu verrata mitattuun tierakenteen lämpötilaan. (Liite 8) Percoasemilla alin mittausanturi on 1,1 m syvyydessä. Pakkanen on tunkeutunut kaikilla Percoasemilla syvemmällä kuin 1,1 metriin (Kuva 34). Useimmilla Percoasemilla tien päällysrakenteen paksuus on alle puoli metriä, joten myös Percoasemien kohdalla tierakenteen lämpötila on laskenut pakkaselle vielä alusrakenteessakin. (Liitteet 14 ja 22) 83
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu A B Kuva 34. Karhunkorven (A) ja Kittilän (B) lämpötilaprofiilit; talvi 2006-2007. (Liitteet 9 ja 14) Tierakenteen lämpötilan lasku alle nollan asteen on siirtynyt viime vuosina myöhemmäksi ja keväällä tierakenteen lämpötilan kohoaminen on aikaistunut eikä pakkanen ole ulottunut yhtä syvälle kuin aikaisemmin. Lämpötilaprofiileissa alue, jossa lämpötila on alle nollan, on kaventunut eikä ulotu enää yhtä syvälle kuin aikaisempina vuosina. Tämä lämpötilaprofiileissa näkyvä muutos on tapahtunut yhtä aikaa talvien leudontumiseen ja kelirikon vähenemisen kanssa. Lisäksi Etelä-Suomessa alue, t < 0 C, on kapeampi eikä ulotu niin syvälle kuin Pohjois-Suomessa. (Liitteet 8, 9 ja 14) Tierakenteen dielektrisyys ja sähkönjohtavuus Korkeita sähköisten ominaisuuksien arvoja on mitattu kaikissa tiepiireissä, mutta ei kaikilla Percoasemilla. Arvojen suuruuteen vaikuttavat tiepiirin sijaintia enemmän tien kerrosten materiaalit ja vuodenaika. Sähköisten ominaisuuksien saamat arvot ovat yleensä suurimmillaan touko-kesäkuun aikana päällysrakenteen alapinnassa syvyydessä 0,3 0,5 m sekä alusrakenteen yläpinnassa syvyydessä 0,8 m. Inarin, Kittilän ja Sonkajärven asemien kohdalla on 0,3 0,5 m syvyydessä turvekerros. Myös kerroksien rajapinnassa olevissa antureissa on mitattu korkeita sähköisten ominaisuuksien arvoja. Kuoreveden vanhalla Percoasemalla 0,5 m syvyydessä oleva anturi oli kerrosten rajapinnassa. (Liitteet 14 16, 22) Dielektrisyysarvot ovat olleet korkeita ( r > 50 100) Sonkajärvellä ja Kittilässä. Sonkajärvellä korkeimmat arvot olivat syvyydessä 0,3 m. Sonkajärvellä dielektrisyysarvot ovat olleet muissakin kerroksissa korkeampia kuin useimmilla Percoasemilla. Sonkajärvellä syvyydessä 0,25 0,5 m on materiaalina turve. Pohjamaan materiaali on savi. Kittilässä suurimmat arvot olivat syvyydessä 0,3-0,5 m. Kittilässä syvyydessä 0,45 0,76 m on turvekerros. (Liitteet 17, 18 ja 22) 84
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Sähkönjohtavuusarvot ovat olleet korkeita Javaruksessa vuosina 2004 2005 sekä Kittilässä ja Sonkajärvellä 2006 (Kuva 35). Javaruksessa sähkönjohtavuusarvot olivat 400 700 S/cm syvyydessä 0,5 m (siltti), Kittilässä 500 1 500 S/cm syvyydessä 0,3 0,5 m ja Sonkajärvellä 500 4 000 S/cm syvyydessä 0,3 m. Myös Kuoreveden vanhalla Percoasemalla oli korkeita sähkönjohtavuusarvoja useissa kerroksissa vuosina 2005 2006. (Liitteet 11, 13 ja 22) Inarissa sähköiset ominaisuudet ovat saaneet muihin asemiin verrattuina huomattavasti pienempiä arvoja (Kuva 35). Suurimmat arvot ( r, γ > 30) on mitattu 0,3 m syvyydessä, jossa on materiaalina turve. Sähköisiin ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät (esimerkiksi maaperän suolapitoisuus ja paikallisilmasto) saattavat olla Inarin Percoaseman ympäristössä erilaiset kuin muiden Percoasemien ympäristöissä. (Liitteet 11, 13 ja 22) A B Kuva 35. Sähkönjohtavuuden maksimilämpötilan funktiona; Sonkajärven (A) ja Inarin (B) Percoasemat. (Liite 13) Sähköisten ominaisuuksien arvojen muuttuminen Javaruksen ja Kuoreveden Percoasemilla Javaruksen Percoasemalla sähköisten ominaisuuksien saamat arvot ovat pienentyneet hyvin selvästi viime vuosina; kuitenkin Keski-Suomessa Kuoreveden vanhalla Percoasemalla muutos on ollut päinvastainen (Kuva 36). Lapin olosuhteet (ympäristöja liikennekuormitus) ja maaperän ominaisuudet poikkeavat Keski-Suomesta. Talvien leudontumisen mahdollinen vaikutus sähköisten ominaisuuksien arvoihin voi olla tästä syystä Keski-Suomessa erilainen kuin Lapissa; nykyisten leutojen talvien sää Lapissa saattaa muistuttaa Etelä-Suomen aikaisempien vuosien talvien säätä. Muiden Percoasemien tuottama tieto ei ole kuitenkaan muuttunut samalla tavalla eivätkä Kuoreveden uudella Percoasemalla sähköisten ominaisuuksien saamat arvot myöskään ole niin korkeita kuin vanhalla asemalla. Sähköisten ominaisuuksien arvojen muutos saattaa johtua talvien leudontumisen sijaan esimerkiksi pohjaveden korkeuden tai tien kuivatuksen muuttumisesta. 85
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu A B Kuva 36. Sähkönjohtavuuden maksimi ajan funktiona Kuoreveden (A) ja Javaruksen (B) Percoasemilla. (Liite 12) Lämpötilan ja sähköisten ominaisuuksien arvojen muuttuminen alusrakenteen yläpinnassa Percoasemilla lämpötilan ja sähköisten ominaisuuksien muutosnopeus hidastuu 0,8 1 m syvyyttä lähestyttäessä. Useimmilla roudan seuranta-asemilla 0,8 m syvyydessä on alusrakenteen tai pohjamaan ylin mittausanturi. Muutosnopeus hidastuu sekä syksyllä että keväällä riippumatta alusrakenteen tai pohjamaan materiaaleista. Materiaaleina 0,8 m syvyydessä ovat Percoasemilla siltti, silttimoreeni tai savi. Kuitenkaan 1,1 m syvyydessä vastaava ilmiö ei esiinny, vaikka kerrosmateriaali on useimmiten sama kuin syvyydessä 0,8 m. Rajapinnan ylittymisen jälkeen muutosnopeus saattaa kasvaa huomattavasti. Keväällä tierakenteen sulaessa 0,8 1 m syvyydessä lämpötilan kohoaminen tapahtuu viimeisenä, kun tierakenteen ylä- ja alapinnan sulamisrintamat kohtaavat. Painorajoitukset voidaan poistaa ja yleensä ne poistetaankin, kun rakenne on sulanut 0,8 1 m syvyyteen saakka. 6.4 Tiepiirien kokemuksia roudan seuranta-asemista ja painorajoitussuunnittelusta 6.4.1 Yleistä Diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. Haastatteluilla haettiin vastauksia muun muassa kysymyksiin: voidaanko roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa yleistää, miten asemien tuottaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelussa ja voitaisiinko sitä hyödyntää nykyistä monipuolisemmin. Haastatteluista saatiin tietoa myös tiepiireissä esiintyvästä kelirikosta ja tiepiirien painorajoituskäytännöistä. 86
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 6.4.2 Haastattelut Uudenmaan tiepiiri Lämpötilaa on mitattu aikaisemminkin tierakenteesta, mutta mittalaitteissa oli paljon vikoja. Roudan mittaus tulee tehdä tierakenteesta, sillä muualta tehdyt routamittaukset eivät kuvaa riittävän tarkkaan tierakenteen jäätymistä ja sulamista. Nykyiset lämpötilan seuranta-asemat ovat kaikki päällystetyillä teillä, mutta lisäksi sorateilläkin voisi olla muutama mittausasema. Asemat hankittiin, koska haluttiin kokeilla, onko niistä hyötyä roudan seurannassa ja lisäksi haluttiin seurata ilmaston pitkäaikaismuutosten mahdollista näkymistä tierakenteesta mitatuissa lämpötiloissa. Asemien tuottamaa tietoa ei käytetä juuri ollenkaan painorajoitussuunnittelussa, vaan lähinnä tiedotettaessa roudan sulamisesta. Painorajoituksen asettamista arvioidaan aikaisemman kokemuksen perusteella. Kelirikko esiintyy yleensä samoilla alueilla, jotka jo tunnetaan tiepiirissä. Liikennekuormituksen lisäksi kelirikkoon vaikuttaa hyvin paljon kevään sää eli onko kevät kuiva vai märkä. (Heinonen, 2007) (Hämäläinen, 2007) (Puharinen, 2007) Turun tiepiiri Kevään aikaistuminen on vähentänyt kevätkelirikkoa, mutta lämpimien talvien takia syys- ja talvikelirikko ovat lisääntyneet. Jos talvella sataa, ei vesi pääse tierungon jäätymisen takia poistumaan tierakenteesta alakautta ja kylmyyden ja sateiden vuoksi haihtuminenkin on vähäistä. Puutavarakuljetukset sekä muut raskaat kuljetukset pahentavat kelirikkoa. Sorateiden nykyinen hoitokäytäntö aiheuttaa hienoaineksen siirtymistä tien reunoille. Silloin reunoille syntyy palteita, jotka estävät veden poistumista. Sorateillä on jonkin verran painumia ja heittoja, mutta roudan sulamisesta johtuvaa runkokelirikkoa esiintyy vain noin 10 km/vuosi. Painorajoituksia asetetaan hyvin harvoin. Viime vuosina keväät ovat olleet kuivia eli päivällä on ollut lämmintä, yöllä kylmää eikä sateita ole juurikaan ollut. Routa on sulanut nopeasti ja kosteus on poistunut tierakenteesta. (Mäkiö, 2007) (Niittyvuori, 2007) Kaakkois-Suomen tiepiiri Kaakkois-Suomen tiepiirin kuuluu useita erilaisia kelirikkoalueita. Yhden tai muutaman roudan seuranta- aseman tuottamaa tietoa on vaikea yleistää kaikille alueille. Kelirikon seurannan sijaan resursseja suunnataan kelirikkokorjauksiin ja yhteistyöhön tien käyttäjien kanssa. Viime vuosina suurin osa pisimmistä kelirikkokohteista onkin saatu jo korjattua. Kuitenkin korjauksen jälkeen voi tiellä ilmetä muutama kohta, jotka tarvitsevat vielä lisäkorjausta; esimerkiksi korjatun kohteen päissä. (Vikman, 2007) 87
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Painorajoitussuunnittelussa yhteistyö tien käyttäjien kanssa on hyvin tärkeää. Painorajoitusten määrää on saatu vähennettyä ja rajoitusten pituudet ovat olleet aikaisempia vuosia lyhempiä. Ajoneuvotekniikasta voi olla hyötyä liikennekuormituksen vähentämisessä, mutta tekniikan käyttöönotto saattaa olla liian kallista ja vaikeaa. Lisäksi ajoneuvoon asennettavat laitteet lisäävät ajoneuvon painoa, mikä puolestaan on pois kuorman painosta. Se saattaa lopulta johtaa liikennekuormituksen lisääntymiseen. (Vikman, 2007) Hämeen tiepiiri Liikennekuormitus ja paikalliset olot vaikuttavat kelirikkoon kevään säätä enemmän; esimerkiksi Pirkanmaan pohjoisosassa esiintyy yleensä runsaasti kelirikkoa riippumatta kevään säästä. Aivan kuten lämpötilan suhteen on leutoja ja kylmiä talvia, on myös kosteuden suhteen kuivia ja kosteita kausia. Jos pohjavesi on keväällä korkealla, on tavallista vaikeamman kelirikon mahdollisuus. Kevään sää vaikuttaa kelirikon määrään syksyn säätä enemmän. Kelirikkoennuste ei ole aina pitänyt paikkaansa Hämeen tiepiirissä. Liikennekuormitukseen vaikuttavat muun muassa metsäyhtiöiden kuljetusreitit sekä isot rakennushankkeet, kuten esimerkiksi Oikoradan rakentaminen. (Kurkela, 2007) Lämpimien talvien myötä kevätkelirikko on vähentynyt, mutta toisaalta pinta- ja syyskelirikko ovat lisääntyneet. Pintakelirikko aiheuttaa muun muassa ajoneuvojen ja puutavarakuljetusten likaantumista. Kuivana keväänä kevätkelirikko on nopeasti ohi, mutta syyskelirikko voi olla pitkäaikainen haitta. Kelirikosta ja painorajoituksista aiheutuvaa haittaa arvioitaessa tulee ottaa huomioon myös haitan kesto. Hämeen tiepiirissä on seurattu painorajoituksista aiheutuvaa haittaa niiden keston avulla (Kuva 37). (Kurkela, 2007) Painorajoitushaitta (km vrk) Painorajoitushaitta Hämeen tiepiirissä 1999-2007 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 1998 1999 2001 2002 2004 2005 2006 Kuva 37. Painorajoitushaitta Hämeen tiepiirissä 1998 2006. (Kurkela, 2007) 88
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Liikennekuormitus on kasvanut viime vuosina, muun muassa maataloudessa liikutaan nykyisin aikaisempaa raskaammalla kalustolla. Lisäksi puutavaran kysyntä on kasvanut paljon. Talvi- ja syyskelirikko tulee lisääntymään, jos liikennekuormitus edelleen kasvaa ja leudot talvet jatkuvat. Kuivien keväiden ja leutojen talvien vuoksi kevätkelirikko vähenee ja siirtyy aikaisemmaksi. (Kurkela, 2007) Hämeen tiepiirissä oli aikaisemmin Percoasema, kunnes Kuorevesi liittyi Jämsään; joten asema kuuluu nykyisin Keski-Suomen tiepiirin alueelle. Yksittäisellä asemalla ei ole kovin suurta merkitystä kelirikon seurannassa eikä painorajoitussuunnittelussa. Kelirikkoa hallitaan parhaiten yhteistyöllä tienkäyttäjien kanssa sekä hyvin onnistuneilla kelirikkokorjauksilla. Aseman tietojen perusteella voidaan ehkä vähentää painorajoitusten kestoa, jos aseman tuottama tieto saadaan riittävän ajoissa. Hämeen tiepiirissä tehtyjen tutkimusten mukaan suurin osa painorajoituksista on voimassa vapun aikaan, mutta viime vuosina rajoituksia on ollut jopa tammikuussakin (Kuva 38). (Kurkela, 2007) Painorajoitukset Hämeen tiepiirissä 1999-2007 Painorajoitukset (km) 700 600 500 400 300 200 100 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 48 50 52 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 Viikko Kuva 38. Suurin osa painorajoituksista on Hämeen tiepiirissä vapun aikaan. (Kurkela, 2007) Savo-Karjalan tiepiiri Inventoidun runkokelirikon pituus on viime vuosina vähentynyt, sillä nykyisin inventointi tehdään aikaisempaa tarkemmin. Kelirikon pituus on vähentynyt myös kelirikkokorjausten vuoksi. Leudot talvet ovat niin ikään vähentäneet kevätkelirikkoa, mutta sen sijaan syys- ja talvikelirikkoa on esiintynyt viime vuosina aikaisempaa enemmän. (Pöyhönen, 2007) 89
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Sonkajärven Percoasema hankittiin, koska haluttiin kokeilla, onko asemasta apua painorajoitussuunnittelussa. Asema sijaitsee paikassa, jossa esiintyy paljon kelirikkoa. Vuonna 2005 aseman tuottamasta tiedosta laaditut raportit sopivat yhteen tiepiirin omien havaintojen kanssa, mutta talvi 2006 oli poikkeuksellinen ja raportit eivät olleet aivan kaikilta osin tiepiirin havaintojen mukaisia. Roudan seuranta-aseman tuottaman tiedon tutkimiseen ei tiepiirissä ole kuitenkaan riittävästi aikaa, joten mieluiten halutaan valmiit raportit aseman tuottamasta tiedosta. Painorajoitukset asetetaan Tiehallinnon ohjeiden mukaan, mutta aseman tuottama tieto toimii uskonvahvistuksena painorajoituspäätöksille. (Pöyhönen, 2007) Keski-Suomen tiepiiri Aikaisemmin tierakenteen lämpötilaa mitattiin routamittareilla. Lämpötilamittauksen lisäksi tarvitaan kuitenkin myös kosteusmittauksia, sillä tierakenteen lämpötila kertoo vain rakenteen lämpötilasta eikä rakenteen kosteudesta tai jäätymisestä. Tierakenteen kosteus ei myöskään muutu aina samalla tavalla kuin esimerkiksi ilman kosteus. (Halmela, 2007) Percoaseman tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelun tukena. Suurin hyöty liittyy painorajoitusten poistamiseen, sillä poistoa on voitu aikaistaa, kun aseman tuottama tieto on osoittanut tierakenteen sulaneen ja kuivuneen riittävästi. Mittaustuloksia yleistettäessä otetaan huomioon, että Percoasema sijaitsee tiepiirin eteläosassa; pohjoisosassa roudan sulaminen tapahtuu yleensä myöhemmin kuin tiepiirin eteläosassa. Percoasemien lisäksi voisi Keski-Suomessa olla muutama lämpötilan seuranta-asema. Tiepiirissä ei ole riittävästi aikaa tutkia asemien tuottamaa tietoa, joten tiepiirissä halutaan mieluiten valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. (Halmela, 2007) Vaasan tiepiiri Aikaisemmin tierungon lämpötilaa mitattiin routamittareilla. Nykyisiä lämpötilan seuranta-asemia käytetään tierakenteen roudan sulamisen seurantaan. Painorajoituksia ei kuitenkaan aseteta mittaustulosten perusteella, vaikka mittauksista saadaankin uskonvahvistusta painorajoituspäätöksiin. Painorajoitusten asettamiseen vaikuttavat kevään sää, liikennekuormitus, yhteistyö tien käyttäjien kanssa sekä tien silmämääräinen tarkastelu. Kuivana keväänä painorajoitukset voidaan poistaa, kun tien pinnassa on noin 20 cm kuiva kerros. Kelirikon vaikeuteen vaikuttaa kaikkein eniten kevään sää, joten hyvästä sääennusteesta on hyötyä painorajoitusten suunnittelussa; usein jopa enemmän kuin tierungon lämpötilan mittaamisesta muutamassa mittauspisteessä. Kelirikkoa esiintyy niin kauan kuin on rakentamattomia teitä, joissa on routivaa materiaalia. (Sillanpää, 2007) 90
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Oulun tiepiiri Oulun tiepiirissä on erityyppisiä kelirikko- ja painorajoitusalueita, joiden kelirikkooloihin vaikuttavat muun muassa tiestön kunto, alueen maaperä, elinkeinorakenne ja paikallisilmasto. Esimerkiksi rannikolla on paljon yrittäjiä ja yritystoimintaan liittyvää kuljetusliikennettä. Tiepiirin itäosassa Talvivaaran kaivostoiminta on lisännyt huomattavasti alueen liikennekuormitusta. Lisäksi tierakenteet vaihtelevat tiestöllä hyvin paljon. Myös tien käyttäjien antama palaute ja kokemukset ovat erilaisia eri alueilla. Esimerkiksi eräällä alueella tiet ovat tiepiirin arvion mukaan suhteellisen hyvässä kunnossa, mutta palaute on ollut usein kriittistä. Kelirikkoennuste ei ole aina pitänyt aivan paikkaansa, sillä kevään sää ja liikennekuormitus vaikuttavat kelirikkoon erittäin paljon. Kelirikon syntyyn vaikuttaa liikennekuormituksen ja sään lisäksi myös tien geometria sekä onko tien kohta auringon vai varjon puolella. Oulun tiepiirin erilaiset kelirikkoalueet vaikuttavat siihen, ettei koko tiepiiriä koskeva ennuste ole ollut riittävän tarkka. (Pirinen, 2007) Kelirikko- ja painorajoitustilastot eivät kerro kelirikon esiintymisestä kovin tarkasti, sillä inventoinnin ajankohta vaikuttaa hyvin paljon inventoidun kelirikon määrään ja pituuteen. Lisäksi painorajoituskäytännöt vaihtelevat tiepiireittäin. Vaikka painorajoituksia ei asetetakaan, saattaa kelirikkoa silti esiintyä. Painorajoituksista neuvotellaan usein tienkäyttäjien kanssa. Voidaan esimerkiksi sopia, että kuljetuksia tehdään pakkasöinä, jolloin tien kantavuus on parempi kuin päivällä. (Pirinen, 2007) Jos kelirikko vaurioittaa pahoin tierakennetta, esiintyy vaurioita samassa kohdassa yleensä uudestaan kunnes vaurioitunut kohta korjataan riittävän pitkällä matkalla. (Pirinen, 2007) Pelkkä ulkolämpötilan mittaaminen ei kerro aina riittävästi tierakenteen roudasta ja roudan sulamisesta. Esimerkiksi 2006 joulukuussa tien routa suli Pohjois-Suomessa vain pinnasta, muttei kuitenkaan kokonaan kuten Etelä-Suomessa, vaikka ilman lämpötila kohosikin nollan yläpuolelle myös Pohjois-Suomessa. (Pirinen, 2007) Syksyllä 2007 otettiin käyttöön Lapin ja Oulun tiepiirien yhteinen Ranuan Percoasema. Tiepiirissä ei ole riittävästi aikaa tutkia asemien tuottamaa tietoa, joten tiepiirissä halutaan mieluiten valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. Tiehallinnolla voisi olla myös Internetissä karttapalvelu, josta näkisi teemakarttoina arvion roudan syvyydestä ja tierakenteiden kosteudesta Suomessa. (Pirinen, 2007) 91
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Lapin tiepiiri Percoasemien tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelun tukena. Aikaisemmin tiepiireissä oli käytössä routamittareita, joilla mitattiin tierakenteen lämpötilaa. Roudan seuranta-asemista on apua erityisesti päällystettyjen teiden kelirikon seurannassa, sillä päällystettyjen teiden vaurioita on vaikeampi havainnoida kuin sorateiden. Asemia tulee olla myös päällystetyillä teillä erityyppisten kelirikkoalueiden lisäksi. Lapin tiepiirin Percoaasemien sijainnit on valittu niin, että ne edustavat koko tiepiiriä. Kuitenkin Tornion alueella voisi olla vielä yksi mittausasema. Kemijärven Percoaseman paikkaa vaihdettiin Tohmosta Javarukseen, sillä Tohmon asema sijaitsi vaikeassa kelirikkokohdassa, jossa johdot katkeilivat kelirikon takia. (Kenttälä, 2007) (Posti, 2007) Roudan seuranta-aseman tärkein ominaisuus on antaa luotettavaa ja varmaa tietoa roudan sulamisesta ja tierakenteen kosteudesta. Yksittäisen aseman tuottama tieto on kuitenkin vain suuntaa antava; mitä tiheämmässä asemia on, sitä enemmän voidaan asemaverkoston tuottamaan tietoon luottaa. Asemien tuottaman tiedon tulkitsemiseen ei ole tiepiirissä riittävästi aikaa, joten mieluiten halutaan valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. (Kenttälä, 2007) (Posti, 2007) Kelirikkoennuste ei ole aina pitänyt kovin hyvin paikkaansa, sillä kelirikkoa on vaikea ennustaa syksyn säiden perusteella ja kevään sää vaikuttaa kelirikkoon hyvin paljon. (Kenttälä, 2007) (Posti, 2007) Yhteenveto haastatteluista Haastattelututkimuksen mukaan kelirikon esiintymiseen vaikuttaa kaikkein eniten kevään sää ja liikennekuormitus. Kevään säätä kuvataan kuivaksi, jos kevät on vähäsateinen, yöt kylmiä ja päivät lämpimiä. Kevät on märkä tai kostea kevät, kun sateita on runsaasti, päivät pilvisiä sekä yön ja päivän välinen lämpötilaero on pieni. Pakkasöinä kosteus nousee kohti tien pintaa ja haihtuu päivällä auringonpaisteen vaikutuksesta. Kuivana keväänä kosteus haihtuu tierakenteesta ja routa sulaa nopeasti. Kelirikon kannalta säätilassa esiintyy siis kuivia ja kosteita kausia. Vastaavasti lämpötilan suhteen voidaan talvet jakaa leutoihin ja kylmiin. Viime vuosina talvet ovat olleet aikaisempia leudompia. Kevätkelirikko on aikaistunut ja sitä on ollut vähemmän kuin aikaisempina keväinä. Toisaalta syyskelirikko on lisääntynyt ja kelirikkoa on nykyisin esiintynyt jonkin verran talvellakin. 92
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Syksyn säähän perustuva kelirikkoennuste ei ole aina pitänyt kovin hyvin paikkaansa. Syinä tähän nähtiin yhtäältä se, että kevään sää vaikuttaa hyvin voimakkaasti kelirikkoon ja toisaalta se, että kelirikkoennusteessa käytetyt kelirikkoalueet eivät ole riittävän tarkkoja. Useimmissa tiepiireissä on erilaisia kelirikko- ja painorajoitusalueita, joiden rajat muuttuvat muun muassa sään ja liikennekuormituksen vaihtelujen mukaan; esimerkiksi metsäyhtiöiden kuljetusreitit saattavat muuttua tai liikennekuormitus voi lisääntyä jollakin tietyllä alueella suuren rakennushankkeen vaikutuksesta (esimerkiksi Oikorata tai Talvivaaran kaivostoiminta). Painorajoitussuunnittelun tärkeimpiä asioita ovat yhteistyö tien käyttäjien kanssa (tiedotus, yhteydenpito ja tiestön käytöstä sopiminen kelirikkoaikana), tiepiirin paikallistuntemus ja kelirikkotilanteen visuaalinen arviointi. Painorajoitukset asetetaan Tiehallinnon ohjeiden mukaan, mutta roudan seuranta-asemien tuottama tieto toimii uskonvahvistuksena painorajoituspäätöksille. Suurin hyöty liittyy tällä hetkellä painorajoitusten poistamisen ajankohtaan, jota on voitu aikaistaa jopa muutamalla viikolla, kun aseman tuottama tieto on osoittanut tierakenteen kuivuneen riittävästi. Haastattelututkimuksessa selvisi kuitenkin myös, että asemien tuottamaa tietoa ei kaikissa tiepiireissä hyödynnetä painorajoitussuunnittelussa, vaan tietoa käytetään tierakenteiden roudan sulamisesta tiedotettaessa. Lisäksi roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa käytetään ilmaston pitkäaikaismuutosten seurannassa. Asemien tuottamasta tiedosta on myös apua päällystettyjen teiden roudan sulamisen seurannassa. Tiepiirit haluavat mieluiten valmiita raportteja roudan seuranta-asemien tuottamasta tiedosta, sillä tiepiireissä ei ole riittävästi aikaa eikä asiantuntemusta asemien tuottaman tiedon tutkimiseen. Kokemukset Percoasemien raporteista ovat myönteisiä ja niistä on saatu uskonvahvistusta painorajoituspäätöksille, vaikka raportit eivät ole aina vastanneetkaan tiepiirin omia havaintoja kelirikosta. Rajoitusten poistoa on voitu aikaistaa, jos aseman tuottama tieto on osoittanut tierakenteen sulaneen ja kuivuneen riittävästi. Tiedon yleistämisessä on käytetty apuna paikallistuntemusta. Joissakin tiepiireissä, joissa ei ole roudan seuranta-asemia, kelirikkoa ei koettu suureksi ongelmaksi. Toinen syy miksei asemia oltu hankittu, oli, että tiepiiriin kuuluu paljon erityyppisiä kelirikkoalueita, ettei yksittäisen tai muutaman aseman tuottamaa tietoa ei voi varmuudella yleistää. Toisaalta samasta syystä joihinkin tiepiireihin toivottiin myös lisää roudan seuranta-asemia. 93
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Roudan seuranta-asemien tärkeimpänä ominaisuutena pidettiin aseman tuottaman tiedon luotettavuutta. Tärkeänä pidettiin myös tiedon saapumista riittävän ajoissa, vaikka toisaalta arvioitiin, ettei painorajoitusten asettamisessa muutaman päivän viive haittaa. Tietoa roudan syvyydestä ja tierakenteen vesipitoisuudesta ehdotettiin esitettäväksi Internetissä koko Suomen osalta teemakarttojen avulla. Asemien tuottaman tiedon tulkitseminen voitaisiin tehdä Suomessa keskitetysti. 6.5 Tutkimusaineiston ja -menetelmien luotettavuuden arviointi 6.5.1 Kelirikko- ja painorajoitustilastot ja niiden vertaaminen roudan seurantaasemien tuottamaan tietoon Diplomityössä verrattiin tiepiireissä inventoitua runkokelirikkoa ja asetettuja painorajoituksia roudan seuranta-asemien tuottamaan tietoon. Kelirikkotilastot eivät ole kuitenkaan aivan vertailukelpoisia, sillä inventoinneissa ei välttämättä havaita kaikkea kelirikkoa ja kelirikkoa saattaa esiintyä myös inventointien jälkeen. Kelirikkoa saatetaan inventoida myös enemmän kuin sitä esiintyy. Sorateiden palvelutaso- ja runkokelirikkoinventointien vertailupäivillä 2007 havaittiin huomattavia eroja inventoijien välillä. Erityisesti havaitun kelirikon kokonaispituuksien hajonta oli suurta. Vertailupäivillä havaittiin myös, että sade haittaa kelirikon havaitsemista ja raskas ajoneuvoliikenne saattaa nopeasti pahentaa kelirikkoa. Viime vuosina tapahtunut inventoidun runkokelirikon kokonaispituuden lyhentyminen saattaa johtua muuttuneesta ja aikaisempaa tarkemmasta inventointimenetelmästä. On mahdollista, että huolimatta siitä, että inventoitujen kohteiden lukumäärä on pysynyt ennallaan, on kelirikkokohteiden määrä silti todellisuudessa vähentynyt. (Belt, 2007) (Pöyry Infra Oy, 2007) Roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa tulisi tiepiirien lisäksi verrata tiepiirien rajoista riippumattomiin kelirikko- ja painorajoitusalueisiin. Niiden määrittely sekä määrittäminen eivät olleet tässä tutkimuksessa mahdollisia. Alueiden muotoon ja sijaintiin vaikuttavat todennäköisesti muun muassa liikennekuormitus, tiestön kunto, paikallisilmasto, maaperän ominaisuudet sekä pohjaveden syvyys. Toinen vertailuun liittyvä ongelma koskee roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon ja kelirikko- ja painorajoitusten yhteismitallisuutta. Jälkimmäiseen vaikuttavat ihmisten tekemät havainnot, kun taas asemien tuottama tieto perustuu mittalaitteiden tekemiin havaintoihin. Lisäksi kelirikon vuosittainen vaihtelu on ollut vähäistä ja kelirikkoa on esiintynyt viime vuosina vain vähän. Kelirikon esiintymisessä tapahtuneet vähäiset muutokset eivät ehkä näy roudan seuranta-asemien tuottamassa tiedossa. 94
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 6.5.2 Roudan seuranta-asemien tuottama tieto Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat ovat olleet roudan seuranta-asemista kaikkein pisimpään käytössä eli vuodesta 2001 saakka eikä asemien sijainti ole muuttunut niiden toiminnan aikana. Asemien tuottamasta tiedosta voitiin piirtää lämpötilaprofiilit viideltä peräkkäiseltä talvelta. Asemat sijaitsevat vajaan 100 km etäisyydellä toisistaan, joten tiedon yleistettävyyden tutkiminen oli myös mahdollista. Asemien tuottaman tiedon perusteella piirretyistä lämpötilaprofiileista havaitaan, että tierungon lämpötila ei ulotu kummallakaan asemalla nollan alapuolelle yli 160 cm syvyydessä, joten roudan syvyyden tutkimiseen anturit ovat riittävän syvällä. Vaikka tierakenteessa anturit ovatkin riittävän tiheässä (10 cm välein), on ylin antureista kuitenkin jo 30 cm syvyydessä, joten lämpötilasta lähellä tien pintaa ei ole tietoa. Myöskään ulkolämpötilan mittausta ei ole. Ulkolämpötilan mittaus olisi hyödyllistä verrattaessa ulkolämpötilan muutoksia tierakenteen lämpötilan muutoksiin. Mittaustulokset vaikuttavat kuitenkin tutkimuksessa piirrettyjen lämpötilaprofiilien perusteella luotettavilta. Vaasan asemat eivät sijaitse tiepiirin kelirikkotilastoihin vertaamisen kannalta aivan optimaalisissa paikoissa, sillä Alavuden asema on lähellä Hämeen tiepiirin rajaa. Tutkimuksessa kuitenkin oletettiin, että asemien tuottamaa tietoa voi verrata riittävällä tarkkuudella Vaasan tiepiirissä inventoituun kelirikkoon sekä tiepiirissä asetettuihin painorajoituksiin. Asemien tuottaman tiedon tutkimisen suurin ongelma oli kuitenkin se, että mittaustapahtumia oli yhteensä vain vajaat 50/asema asemien toiminnan ajalta. Suurin osa mittaustiedoista oli joulu-huhtikuun väliseltä ajalta muutamalta päivältä kuukaudessa. Tutkimuksessa piirretyt kuukausikeskiarvoon perustuvat lämpötilaprofiilit eivät todennäköisesti kerro riittävän tarkasti tierakenteen lämpötilan vaihtelusta. Toinen puute tutkimusaineistossa oli se, ettei siihen kuulunut tietoja Vaasan asemien kohdalla olevista tierakenteista. Rakenteita ja kerrosmateriaaleja vertaamalla asemien tuottamaan tietoon, voitaisiin ehkä löytää syy asemien välisiin eroihin (Luku 6.3). 95
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemat Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien sijainti ei ole muuttunut niiden perustamisen jälkeen. Asemat ovat olleet toiminnassa kuitenkin vasta muutaman vuoden ajan. Sen vuoksi oli mahdollista tutkia vain kahta talvea. Asemat edustavat sijainniltaan erittäin hyvin Uudenmaan tiepiirin aluetta ja niiden tuottamaa tietoa voitiin verrata keskenään. Mittausaineistoissa ei ollut muutamia päiviä lukuun ottamatta merkittäviä mittauskatkoja eikä myöskään selvästi virheellisiä mittauksia. Puuttuvien päivien ja virheellisten mittausten lämpötiloja arvioitiin interpoloimalla. Vuodelta 2005 mittaustietoa on neljän tunnin välein, mutta 2006 jälkeen kerran vuorokaudessa. Mittausanturit ovat tasavälein sekä riittävän tiheässä ja syvällä. Ulkoilman lämpötilamittausta ei kuitenkaan ollut, joten tierakenteen lämpötilan muutoksia ei voitu verrata ulkolämpötilaan. Mittaustulokset ovat lämpötilaprofiilien perusteella luotettavia. Percoasemat Tiepiirien kelirikko- ja painorajoitustilastoihin vertaamisen kannalta Percoasemien sijainti ei ole paras mahdollinen lukuun ottamatta Lapin tiepiiriä. Keski-Suomen tiepiirin mittausasema sijaitsee aivan Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirien rajalla; Savo-Karjalan asema on puolestaan tiepiirin luoteisosassa. Vaikka Lapin tiepiirin Percoasemat edustavatkin hyvin Lapin tiepiirin eri alueita, on Lapissa kelirikon esiintymistiheys useimpia muita tiepiirejä alhaisempi eikä kelirikon esiintymisessä ole tapahtunut merkittävää vaihtelua tutkitulla aikavälillä. Toisaalta siitä, että jotkin Percoasemat sijaitsevat lähellä tiepiirien rajoja, oli myös hyötyä, kun verrattiin Kuoreveden Percoaseman ympäristössä inventoitua kelirikkoa Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirien kelirikkoon. Vertailu osoitti, että roudan seuranta-aseman tuottama tieto todennäköisesti ilmentää tiepiirin rajoista riippumattomien alueiden kelirikkoa tarkemmin kuin tiepiirin kelirikkoa. Percoasemien mittausanturit eivät ole tasavälein, vaan niiden etäisyys kasvaa syvyyden kasvaessa. Anturit ovat mahdollisesti pyritty sijoittamaan todennäköisten rakennekerroksien sijaintien mukaan ja niin on useimmilla asemilla tapahtunutkin. Tästä on hyötyä varsinkin piste- ja viivadiagrammeja piirrettäessä, mutta toisaalta se vaikeuttaa profiilien piirtämistä oikeaan mittakaavaan. Diplomityössä tähän ei ryhdytty ja profiileissa anturit esitetään tasavälein. Joillakin Percoasemilla mittausanturi sijaitsee lähellä tien kerrosten rajapinnassa tai lähellä ylempää tai alempaa kerrosta; sillä saattaa olla jotain vaikutusta sähköisten ominaisuuksien arvoihin (Liite 22). 96
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Percoasemilla syvin anturi on vain 1,1 m syvyydellä. Kuitenkin tierakenteen lämpötila yleensä laskee nollan alapuolelle noin puoli metriä syvemmällä, noin 1,5 2 m syvyydessä. Lämpötilaprofiileista ei selviä, kuinka syvälle tierakenteeseen lämpötilan lasku jatkuu ja missä vaiheessa sulamiskautta lämpötila kohoaa alusrakenteessa. Epäselväksi jää myös se, millaisia arvoja sähköiset ominaisuudet saavat lämpötilan nollarajalla. Toisin kuin muilla roudan seuranta-asemilla Percoasemilla mitataan myös ulkoilman lämpötilaa. Mittaukseen saattaa kuitenkin liittyä epätarkkuutta, sillä mittari sijaitsee ohjauskeskuksessa ja saattaa aurinkoisina päivinä näyttää todellista lämpötilaa korkeampia lukemia. Voidaan kuitenkin olettaa, että tämän tutkimuksen kannalta ulkoilman lämpötilanmittaus on ollut riittävän tarkka. Joissakin profiileissa erottuu alueita, joihin saattaa liittyä virheellistä mittaustietoa. Virhemittaukset saattavat olla seurausta tierakenteen routimisesta; esimerkiksi Tohmon asema oli paikassa, jossa mittausanturijohdon katkeili roudan sulamisen aikana. Vuoden 2004 jälkeen perustettujen Percoasemien profiileissa arvosarjoja vastaavat alueet ovat yhtenäisempiä kuin aikaisempien vuosien profiileissa lukuun ottamatta Kuoreveden uuden Percoaseman sähköisten ominaisuuksien profiileja. Mahdollisia virheellisiä mittausarvoja suurempi ongelma liittyi mittauskatkoihin. Tutkimusaineistossa oli eniten puutteita vuosilta 2002 2004; mittaustietoa puuttui useilta päiviltä sekä joiltain syvyyksiltä. 6.6 Pohdintaa 6.6.1 Tierakenteen roudan seuranta sähköisiä ominaisuuksia mittaamalla Vastausta kysymykseen, riittääkö kelirikon seurannassa pelkkä lämpötilan mittaaminen, haettiin tutkimalla roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa sekä haastattelemalla kelirikkoyhdyshenkilöitä ja -asiantuntijoita. Pelkkä lämpötilan mittaaminen ei kerro tierakenteen kosteudesta eikä ilmaise rakenteen jäätymistä. Tierakenteessa oleva vesi ei välttämättä jäädy eikä jää sula 0 C:ssa veden sisältämien epäpuhtauksien ja rakenteeseen kohdistuvien kuormitusten vuoksi. Jäätymiseen ja sulamiseen vaikuttavat myös tierakenteen ja maaperän suolapitoisuudet. Dielektrisyys ja sähkönjohtavuus lämpötilan funktioina kuvaajista nähdään, että sähköisten ominaisuuksien saamat arvot muuttuvat 0 C ympäristössä. Arvot ovat korkeimmillaan hieman yli 0 C lämpötilassa ja niiden lasku tapahtuu hyvin jyrkästi välillä 2 0 C. Tierakenteen jäädyttyä sähköisten ominaisuuksien saamat arvot eivät enää muutu. (Liitteet 11 ja 13) 97
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Syksyllä sähköisten ominaisuuksien saamat arvot muuttuvat vasta lämpötilan ensin laskettua tierakenteen ylimmissä kerroksissa, mutta keväällä muutos tapahtuu yleensä jo ennen kuin lämpötila kohoaa nollan yläpuolelle. Syvyyteen 0,5 m saakka muutokset tapahtuvat nopeasti sekä syksyllä että keväällä, mutta muutosnopeus hidastuu syvyyttä 0,8 1 m eli alusrakenteen tai pohjamaan yläpintaa lähestyttäessä, jolloin myös tien kantavuus on yleensä heikoin. Painorajoitukset voidaan poistaa ja yleensä poistetaankin, kun tierakenne on sulanut 0,8 1 m syvyyteen saakka. (Luku 6.3) (Belt, 2007) (Tiehallinto, 2007a) Lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiileissa tapahtuvien arvojen muutosten perusteella jäätyminen alkaa lämpötilan laskun jälkeen. Jäätyminen on ylimmissä kerroksissa hyvin nopeaa, mutta jäätymisnopeus hidastuu alusrakenteen yläpintaa lähestyessään. Keväällä sähköiset ominaisuudet muuttuvat lämpötilan vielä ollessa nollan alapuolella. Lämpötilan muutokset tapahtuvat sähköisten ominaisuuksien muutoksia hitaammin. (Luku 6.1) (Liitteet 14 16) Sähköisten ominaisuuksien saamien arvojen suuruus riippuu lämpötilaa enemmän roudan seuranta-aseman sijainnista ja tierakenteesta. Roudan seurannassa sähköisten ominaisuuksien saamien arvojen lisäksi tulee kiinnittää huomio arvojen muutosten ajankohtaan. Suuri osa kelirikosta esiintyy rakentamattomilla sorateillä, joiden rakenteita ei tunneta. Jos sähköisten ominaisuuksien muuttuminen riippuu paljonkin aseman sijainnista, on niiden yleistäminen vaikeaa. Sähköiset ominaisuudet kuvaavat routaantumista ja roudan sulamista lämpötilaa tarkemmin ainakin mittauspisteessä, mutta lämpötilan muutoksia voidaan todennäköisesti suuremmalla varmuudella yleistää, sillä ne eivät riipu yhtä voimakkaasti tierakenteesta tai tien kerrosten materiaaleista. Lämpötilan mittaamisen lisäksi voisi riittää, että mitattaisiin vain toista sähköisistä ominaisuuksista, esimerkiksi sähkönjohtavuutta. Sähkönjohtavuuden muutokset näkyivät tutkimusaineistossa dielektrisyyttä jonkin verran selvemmin, mutta tapahtuivat lähes yhtä aikaa dielektrisyyden muutosten kanssa. 98
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu 6.6.2 Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon monipuolinen käyttö Tutkimuksen lopuksi voidaan pohtia, miten roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä hyödyllisemmin ja monipuolisemmin. Tällä hetkellä asemien tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelun tukena ja roudan sulamisesta tiedotettaessa. Kevään kelirikon seurannan ja painorajoitussuunnittelun lisäksi asemien tuottaman tiedon perusteella voitaisiin arvioida myös syys- ja talvikelirikon kestoa, kevätkelirikon vaikeutta sekä käyttää tietoa apuna kelirikkokorjausten ajankohdan määrittämisessä. Kelirikon vaikeutta arvioitaisiin tarkastelemalla tierakenteen jäätymiseen kulunutta aikaa. Jos tierakenteen jäätyminen kestää tavanomaista pidempään ja syksyllä esiintyy palj0n jäätymis-sulamissyklejä, on mahdollinen kevätkelirikko todennäköisesti tavallista vaikeampi, jos lisäksi kevään sää on kostea ja tiestöön kohdistuu paljon liikennekuormitusta. Sulamisen aikana voidaan tarkastella sulamisen kestoa ja sähköisten ominaisuuksien saamia arvoja ja niiden muutoksia verrattuina aikaisempiin vuosiin ja lämpötilan muutoksiin. Roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa voitaisiin hyödyntää myös kelirikkoa tai tierakenteen routaa ennustavissa malleissa, joissa asemien tuottama tieto olisi esimerkiksi ulkoilman lämpötilan, pohjaveden korkeuden ja liikennekuormituksen lisäksi eräänä lähtöaineistona. Malleissa tulisi käyttää tiepiirejä tarkempia alueita ja niissä voitaisiin hyödyntää tietoa siitä, että kelirikkoa esiintyy joillakin alueilla toistuvasti. Roudan tarkkaa arviointia kuitenkin vaikeuttaa suuri rakentamattomien teiden määrä, joiden tierakenteita ei tunneta. Tietoa voitaisiin hyödyntää nykyistä enemmän ja paremmin roudasta tiedotettaessa ja painorajoitussuunnittelussa, jos ennuste kelirikosta, roudan syvyydestä sekä tierakenteen kosteudesta esitettäisiin teemakarttojen avulla Internetissä. Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon hyödyntämistä vaikeuttaa, jos mittausasemalla on runsaasti mittauskatkoja tai mittaustieto puuttuu jonkin anturin osalta. Tiedon käytettävyyttä lisäävät mittauksen jatkuvuus ja aseman sijainti samassa kohdassa. Aseman kohdalla oleva tierakenne ja muut mittaustuloksiin vaikuttavat asiat täytyy ottaa huomioon mittaustuloksia tulkittaessa. Mittaustavan yhtenäistäminen helpottaisi erilaisten roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon vertailua ja lisäisi tiedon tulkittavuutta. Ainakin anturien syvyyksien ja mittaustiheyksien ja -ajankohtien tulisi olla samat kaikilla roudan seuranta-asemilla. Asemien tuottama tieto voitaisiin analysoida keskitetysti ja tulokset esittää Internetissä karttojen avulla. 99
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Kelirikkoa tulisi tarkastella paitsi tiepiireittäin, myös tiepiirien rajoista riippumattomilla kelirikkoalueilla. Tiepiirillä on ollut käytössä yhteensä viisitoista roudan seurantaasemaa vuosina 2001 2007. Suurin osa asemista on sijainnut tiepiireissä, joissa kelirikkoa on keskimäärin alle 50 km vuodessa, kun kelirikkoisimmilla tiepiireillä on käytössään vähiten roudan seuranta-asemia. Asemat tulisi sijoittaa kelirikkoalueiden, ei tiepiirien rajojen mukaan ja asemien lukumäärän tulisi olla nykyistä selkeämmin suhteessa kelirikon esiintymiseen. Roudan seuranta-asemat voidaan nähdä osana roudan seuranta järjestelmää, jonka muita osia ovat nykyistä tarkemmat kelirikkoalueet, tiedon analysointi keskitetysti routaa ennustavilla malleilla sekä tiedotus Internetissä (Kuva 39): Roudan seuranta-asemien sijainti ja määrä Asemien määrä kelirikon esiintyminen Sijainti kelirikkoalueet Roudan seuranta-asemien tuottama tieto Roudan mittausmenetelmä (anturien syvyydet, mittaustiheys) Tiedon analysointi keskitetysti Roudan seuranta Tierakenteen kosteutta ja routaa kuvaavat mallit (roudan seuranta-asemien tuottama tieto, ulkoilman lämpötila, kevään ja talven sää, kelirikkoalueet) Tiedotus Internetissä (tierakenteen kosteus ja roudan syvyys kelirikkoalueilla) Kuva 39. Roudan seuranta-asemat ovat osa roudan seuranta järjestelmää. 100
6 Tutkimustulokset ja tulosten tarkastelu Kelirikon seurantaan kuuluvat roudan seurannan lisäksi kelirikkoinventoinnit ja - ennusteet, kelirikon visuaalinen seuranta ja kelirikosta tiedottaminen. Kelirikkoa hallitaan kelirikon seurannan lisäksi liikennekuormituksen hallinnan ja teiden hoidon ja ylläpidon avulla (Kuva 40). Liikennekuormitukseen voidaan vaikuttaa painorajoitusten lisäksi yhteistyöllä tien käyttäjien kanssa, kelirikkomaksuilla (poikkeuslupa), ajoneuvotekniikalla (rengaspaine), vaikuttamalla raskaan liikenteen liikennöintitiheyteen (tien palautumisaika) sekä tiedotuksella (Internet, tiedotteet). Hoidon- ja ylläpidon keinoja kelirikon vähentämiseksi ovat kelirikkokorjaustoimenpiteiden valinta ja ajoitus, kuivatuksen parantaminen ja riittävän pitkällä matkalla tehdyt kelirikkokorjaukset. Kelirikon hallinta Liikennekuormituksen hallinta Painorajoitukset Ajoneuvotekniikka (rengaspaine) Yhteistyö tienkäyttäjien kanssa Kelirikkomaksut (poikkeuslupa) Liikennöintitiheys (palautumisaika) Tiedotus Internetissä (painorajoitukset, kelirikko) Kelirikon seuranta Kelirikkoennuste (potentiaalinen kelirikko) Roudan seuranta järjestelmä Tiedon analysointi keskitetysti Kelirikon visuaalinen havainnointi Tiedotus Internetissä roudan sulamisesta (teemakartat) Hoito ja ylläpito Hoito- ja korjaustoimenpiteiden valinta ja ajoitus Kelirikkokorjaukset riittävän pitkällä matkalla Kuivatuksen parantaminen Kuva 40. Kelirikon seurannasta kelirikon hallintaan. 101
7 YHTEENVETO Roudan seuranta-asemat painorajoitussuunnittelun tukena 7 Yhteenveto Tutkimuksen tausta ja tutkimusmenetelmät Kelirikko vaivaa erityisesti vähäliikenteisiä rakentamattomia sorateitä, joiden kautta kulkee paljon metsä- ja rakennusteollisuuden kuljetuksia. Vaikka inventoidun runkokelirikon ja painorajoitusten kokonaispituudet ovat viime vuosina lyhentyneet, on kelirikosta aiheutuva haitta pysynyt lähes ennallaan. Kelirikkokohteet ja painorajoitetut tienosat eivät ole vähentyneet. Tienpitäjä hallitsee kelirikkoa kelirikkokorjauksilla sekä vaikuttamalla liikennekuormitukseen painorajoituksilla ja yhteistyöllä tien käyttäjien kanssa. Tierakenteen routaantumista ja roudan syvyyttä ja sulamista on tiepiireissä aikaisemmin arvioitu mittaamalla tierakenteen lämpötilaa routamittareilla. Viime vuosina tiepiireihin on perustettu mittausantureilla ja ohjauskeskuksella varustettuja tierakenteen lämpötilaa ja vesipitoisuutta mittaavia roudan seuranta-asemia. Asemien tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelun tukena sekä roudan sulamisesta tiedotettaessa. Diplomityön tavoitteena oli tutkia roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa ja arvioida tiedon käytettävyyttä painorajoitussuunnittelun tukena. Lisäksi tutkittiin, miten aseman sijainti vaikuttaa mittaustuloksiin ja näkyykö toteutunut kelirikko asemien tuottamassa tiedossa. Tutkimuksessa etsittiin vastausta kysymykseen, miten asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä monipuolisemmin painorajoitussuunnittelun tukena. Tutkimusaineisto koostui kelirikko- ja painorajoitustilastoista sekä roudan seurantaasemien vuosina 2001 2007 tuottamasta tiedosta. Tutkittuja muuttujia olivat tierakenteen eri syvyyksiltä mitattu lämpötila, dielektrisyys ja sähkönjohtavuus. Pelkkää lämpötilaa mittaavia asemia oli tutkimuksessa viisi ja lämpötilan lisäksi vesipitoisuutta mittaavia asemia kahdeksan (Percoasemat). Mittaustietoa analysoitiin ja kuvattiin graafisesti sekä verrattiin tiepiirien kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Lisäksi tutkimuksessa kerättiin tietoja joidenkin roudan seuranta-asemien kohdalla olevista tierakenteista, joiden perusteella rakenteista piirrettiin kuvat. Eräiden asemien sijainti varmistettiin tieosoitteen avulla ja piirrettiin kartalle. Diplomityössä haastateltiin tiepiirien kelirikkoyhdyshenkilöitä sekä muita kelirikkoasiantuntijoita. Haastatteluilla haettiin vastauksia muun muassa kysymyksiin: voidaanko roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa yleistää, miten asemien tuottamaa tietoa käytetään painorajoitussuunnittelussa ja voitaisiinko sitä hyödyntää nykyistä monipuolisemmin. Haastatteluista saatiin tietoa myös tiepiireissä esiintyvästä kelirikosta ja tiepiirien painorajoituskäytännöistä. 102
7 Yhteenveto Tutkimustulokset ja päätelmät Kelirikon vuosittainen vaihtelu on viime vuosina ollut vähäistä ja kelirikkoa on inventoitu vain vähän. Kevätkelirikko on aikaistunut ja sitä on ollut vähemmän kuin aikaisempina keväinä. Toisaalta syyskelirikko on lisääntynyt ja pintakelirikkoa on nykyisin esiintynyt jonkin verran talvellakin. Kelirikon pituuden väheneminen saattaa johtua leutojen talvien lisäksi helpoista kelirikkokeväistä, aikaisempaa tarkemmasta kelirikon inventoinnista sekä tehostuneista kelirikkokorjauksista. Roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon perusteella ajankohta, jolloin tierakenteen lämpötila on laskenut alle nollan, on siirtynyt vuosina 2002 2007 myöhemmäksi ja keväällä tierakenteen lämpötilan kohoaminen on aikaistunut. Pakkanen ei ole myöskään ulottunut yhtä syvälle tierakenteeseen kuin aikaisemmin. Tämä lämpötilaprofiileissa nähtävä muutos on tapahtunut yhtä aikaa talvien leudontumisen ja inventoidun kelirikon vähenemisen kanssa. Tehdyt mittaukset varmentavat odotetusti, että Pohjois-Suomessa tierakenteen lämpötilan lasku alkaa aikaisemmin ja ulottuu syvemmälle kuin Etelä-Suomessa, koska ilmasto on kylmempi. Vastaavasti keväällä tierakenteen lämpötilan muutokset tapahtuvat Pohjois-Suomessa Etelä-Suomea myöhemmin. Lämmönjohtuminen ja pakkasen syvyys tierakenteessa riippuvat tierakenteesta ja tien kerrosten materiaaleista, mutta lämpötilan vaihtelu tierakenteen ylimmissä kerroksissa on sidoksissa paikalliseen ilmastoon ja ilman lämpötilaan. Mittausaineiston analysointi osoitti, että lämpötilan muutokset tien ylimmissä kerroksissa tapahtuivat lähes samaan aikaan lähekkäin olevilla roudan seuranta-asemilla ja heijastivat paikallisia lämpötilan muutoksia. Kuitenkaan tierakenteen lämpötila ei kuvaa tarkasti rakenteen jäätymistä tai roudan sulamista. Vesipitoisuutta kuvaavien sähköisten ominaisuuksien muutokset tapahtuvat lämpötilan ollessa 2 0 C. Jäätyminen alkaa vasta lämpötilan ensin laskettua pakkasen puolelle. Kun rakenne on jäätynyt, sähköisten ominaisuuksien saamat arvot eivät muutu, vaikka lämpötila edelleen laskisi. Keväällä sähköisten ominaisuuksien muutokset alkoivat jo ennen kuin lämpötila kohosi nollan yläpuolelle. Sähköisten ominaisuuksien arvot kuvaavat siten mittausaseman kohdalla lämpötilaa tarkemmin tierakenteen potentiaalista routaantumista ja roudan sulamista. 103
7 Yhteenveto Toisin kuin tien pinnasta mitattu lämpötila, sähköisten ominaisuuksien arvojen suuruus kuitenkin riippui merkittävästi myös aseman sijaintiin liittyvistä tekijöistä, kuten tien rakennekerroksista ja kerrosmateriaaleista. Tämän perusteella sama mitta-asteikko ei välttämättä anna oikeaa kuvaa eri asemien tierakenteen vesipitoisuuksien eroista. Aseman sijainnin muuttuminen sekä aseman ympäristössä (esimerkiksi kuivatus, pohjaveden pinnan korkeus) tapahtunut muutos vaikuttavat siis sähköisten ominaisuuksien arvoihin. Jotta voitiin selvittää, miten toteutunut kelirikko näkyy asemien mittaustiedoissa, seuranta-asemien tuottamaa tietoa käsiteltiin piirtämällä lämpötila-, dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusprofiileja ja -diagrammeja joita verrattiin tiepiirien inventoituihin kelirikko- ja painorajoitustilastoihin. Inventoidun kelirikon vuosittainen vaihtelu ei näkynyt selvästi kaikkien asemien tuottamassa tiedossa. Joidenkin asemien tuottamassa tiedossa oli kuitenkin havaittavissa kelirikon vaihteluun mahdollisesti liittyviä muutoksia. Kun tierakenteen jäätyminen eteni talven aikana hitaasti, niin sitä seuraavana keväänä tiepiirissä, jossa asema sijaitsi, kelirikkoa oli havaittu enemmän kuin tutkimusajan muina keväinä. Selvien trendien puuttumiseen on useita syitä: inventoidun kelirikon pituudessa on eroja eri inventoijien välillä, kelirikon vuosittainen vaihtelu ja esiintyminen ovat olleet vähäisiä; lisäksi kelirikon tarkastelu tiepiireittäin kuvaa vain likimääräisesti aseman edustaman alueen kelirikkoa. Kelirikon tiepiirikohtaista tarkastelua tarkemmin tutkittiin Kuoreveden (Keski-Suomen tiepiiri) ja Javaruksen (Lapin tiepiiri) Perco-asemien ympäristöissä vuosina 2005 ja 2006 inventoitua kelirikkoa. Kuoreveden Perco-asema sijaitsee Hämeen ja Keski-Suomen tiepiirien rajalla. Esimerkiksi Keski-Suomen tiepiirissä inventoidun kelirikon kokonaispituus väheni 200:sta 25 kilometriin (lähes 90 %) vuosina 2005 2006. Kuitenkin Kuoreveden aseman ympäristössä (100 km säteellä) kelirikon kokonaispituus muuttui selvästi vähemmän 270:sta 110 kilometriin (eli noin 60 %). Tämä esimerkki osoittaa, että aseman alueellinen sijainti ja ilmasto-olot vaikuttavat aseman tuottaman tiedon käytettävyyteen kelirikon seurannassa. Verrattaessa tietoa toteutuneeseen kelirikkoon tai ennustettaessa tulevaa kelirikkoa, saadaan luotettavampi tulos, kun tarkastellaan tiepiirien rajoista riippumattomia alueita, joiden roudan sulamista ja kelirikkoa aseman tuottama tieto ilmentää. 104
7 Yhteenveto Tiepiirien kokemuksia roudan seuranta-asemista ja painorajoitussuunnittelusta Haastattelututkimuksen mukaan painorajoitussuunnittelun merkittävimpiä seikkoja ovat tiepiirin tuntemus, kelirikkotilanteen silmämääräinen havainnointi ja arviointi sekä yhteistyö tien käyttäjien kanssa (kelirikosta tiedottaminen ja tiestön käytöstä sopiminen kelirikkoaikana). Painorajoitukset asetetaan Tiehallinnon ohjeiden mukaan, mutta roudan seuranta-asemien tuottama tieto toimii uskonvahvistuksena painorajoituspäätöksille. Tiepiirit saavat laitetoimittajan laatimat raportit kelirikkotilanteesta tietyin väliajoin. Asemien tuottaman tiedon suurin hyöty liittyy tällä hetkellä painorajoitusten poistamisen ajankohtaan, jota on voitu aikaistaa jopa muutamalla viikolla, jos asema on mitannut tierakenteen kuivuneen riittävästi. Tiedon yleistämisessä on käytetty apuna tiepiirin alueiden ja teiden tuntemusta. Asemien tuottamasta tiedosta on ollut hyötyä etenkin päällystettyjen teiden roudan sulamista seurattaessa, sillä niiden roudan sulamiseen liittyviä tievaurioita on vaikea havaita visuaalisesti. Kaikki tiepiirit totesivat, ettei heillä ei ole resursseja seuranta-asemien tiedon jalostamiseen ja analysointiin, joten tarvitaan valmiit raportit asemien tuottamasta tiedosta. Tästä syystä roudan seuranta-asemien tuottaman tiedon tärkeimpinä ominaisuuksina pidettiin tiedon luotettavuutta ja saapumista riittävän ajoissa, jotta sitä voitaisiin käyttää painorajoitussuunnittelussa. Tietoa roudan syvyydestä ja tierakenteen vesipitoisuudesta ehdotettiinkin esitettäväksi Internetissä koko Suomen osalta teemakarttojen avulla ja asemien tuottamatieto analysoitaisiin Suomessa keskitetysti. Eräissä tiepiireissä, joissa ei ole roudan seuranta-asemia koettiin, ettei kelirikko ole kovin suuri ongelma. Toinen syy siihen, miksei asemia ollut hankittu, oli, että tiepiiriin saattaa kuulua niin erilaisia kelirikkoalueita, ettei yhden tai muutaman roudan seuranta-aseman tuottamaa tietoa voisi yleistää luotettavasti kaikille kelirikkoalueille. Toisaalta juuri samasta syystä joihinkin tiepiireihin toivottiin lisää roudan seurantaasemia. Haastattelututkimuksen mukaan syksyn säähän perustuva kelirikkoennuste ei ole pitänyt kovin hyvin paikkaansa. Syynä tähän on yhtäältä se, että kevään sää vaikuttaa hyvin voimakkaasti kelirikkoon ja toisaalta se, että kelirikkoennusteessa käytetyt alueet eivät ole riittävän tarkkoja. Tiepiirien havaintojen mukaan kelirikon esiintymiseen vaikuttavat kaikkein eniten kevään sää ja tiestön liikennekuormitus. 105
7 Yhteenveto Pohdintaa ja suosituksia Diplomityön eräänä tavoitteena oli arvioida, riittääkö kelirikon seurannassa pelkkä tierakenteen lämpötilan mittaaminen. Kuten edellä jo todettiin, tierakenteen sähköiset ominaisuudet kuvaavat lämpötilaa tarkemmin rakenteen jäätymistä ja roudan sulamista. Kuitenkin roudan seurannassa sähköisten ominaisuuksien arvot ovat lämpötilaa enemmän paikallisia ja niiden suuruus riippuu mittauspaikasta eli tierakenteesta, tien kuivatuksesta ja kerrosten materiaaleista sekä mahdollisesti pohjamaan ja maaperän ominaisuuksista sekä pohjaveden korkeudesta. Sähköisten ominaisuuksien arvojen ja niiden vaihtelun perusteella ei siten voi välttämättä päätellä kelirikon alueellista etenemistä, vaikka asemia olisikin eri puolilla tiepiiriä, koska suurin osa kelirikosta esiintyy rakentamattomilla sorateillä, joiden rakenteita ei tunneta. Sitä vastoin tierakenteen ylimpien kerrosten lämpötilan vaihtelua voidaan luotettavammin yleistää säähavaintojen ja ilman lämpötilan perusteella. Jos tierakenteen routaa kuitenkin arvioidaan tierakenteen sähköisten ominaisuuksien avulla, täytyy verrata samasta kohdasta eri vuosina mitattuja arvoja. Tutkimuksen lopuksi voidaan pohtia, miten roudan seuranta-asemien tuottamaa tietoa mahdollista käyttää nykyistä hyödyllisemmin ja monipuolisemmin. Kevätkelirikon seurannan lisäksi asemien tuottamaa tietoa voitaisiin käyttää nykyistä enemmän myös syys- ja talvikelirikon seurannassa sekä kelirikkokorjausten ajankohtaa määritettäessä. Asemien tuottamaa tietoa voitaisiin hyödyntää myös kelirikkoa tai tierakenteen routaa ennustavissa malleissa, joissa asemien tuottama tieto olisi esimerkiksi ulkoilman lämpötilan, pohjaveden korkeuden ja liikennekuormituksen lisäksi eräänä lähtötietona. Malleissa tulisi käyttää tiepiirejä tarkempia alueita ja niissä voitaisiin hyödyntää tietoa siitä, että kelirikkoa esiintyy joillakin alueilla toistuvasti. Ennuste tierakenteen vesipitoisuudesta ja roudasta voitaisiin esittää teemakarttojen avulla Internetissä. Tiedon käytettävyyttä lisäävät mittauksen jatkuvuus ja aseman sijainnin pysyvyys. Tiedon hyödyntämistä vaikeuttaa, jos mittausasemalla on runsaasti mittauskatkoja tai aseman sijainti muuttuu. Mittaustavan yhtenäistäminen lisäisi asemien tuottaman tiedon vertailtavuutta ja helpottaisi tiedon tulkitsemista. Anturien syvyyksien sekä mittaustiheyksien ja -ajankohtien tulisi olla samat kaikilla roudan seuranta-asemilla. Asemat tulisi sijoittaa tiepiirien rajoista riippumattomien kelirikkoalueiden mukaan ja asemien lukumäärän tulisi olla nykyistä selkeämmin suhteessa kelirikon esiintymiseen. 106
7 Yhteenveto Eräitä mahdollisia jatkotutkimusten aiheita: Tiepiirien rajoista riippumattomien kelirikko- ja painorajoitusalueiden määrittäminen ja niiden päivittäminen (muun muassa) tiestön kunnon ja liikennekuormituksen muuttuessa Roudan seuranta järjestelmä; roudan mittausmenetelmän yhtenäistäminen (anturien syvyydet ja mittaustiheys) Tierakenteen routaa kuvaavat matemaattiset ja tilastolliset mallit; roudan seuranta-asemien tuottama tieto muuttujana routaa ja kelirikkoa ennustavissa malleissa. Painorajoitusten ja kelirikkokorjausten vaikutukset kelirikon esiintymiseen Kelirikon/painorajoitusten aiheuttaman haitan arviointi kelirikon/ painorajoitusten keston avulla Kelirikosta ja roudasta tiedottaminen Internetissä teemakarttojen avulla Liikennekuormitukseen vaikuttaminen muulla tavoin kuin painorajoitusten avulla (rengaspaineen alentaminen, kelirikkomaksut, tien palautumisaikaan perustuva raskaan liikenteen liikennöintitiheyden hallinta) 107
Lähdeluettelo LÄHDELUETTELO Aho, S. (2004). Sorateiden kelirikkokorjausten toimivuus ja elinkaarikustannukset. Diplomityö. Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto. Aho, S. Saarenketo, T. & Kolisoja, P. (2005). Kelirikkokorjausten suunnittelu ja rakentaminen. Tiehallinnon selvityksiä 64/2005. Helsinki: Tiehallinto. Anderson, T. (1989). Frost heave properties of soils: : International Symposium, Saariselkä, 13-15 March, 1989. In Frost in geotechnical engineering. Volume 1. Espoo: Hans Rathmayer. Belt, J. (1. lokakuuta 2007). (M. Kelho, haastattelija) Belt, J., Ehrola, E.& Piippo, H. (1986). Tien kantavuuden mittaaminen ja eri laitteilla määritetyt kantavuudet. VTT ASTO väliraportti. Espoo: VTT. Belt, J., Lämsä, V.-P., Ehrola, E., Ernvall, T. & Seppälä, H. (1999). Soratiestön runkokelirikko. Tielaitoksen tutkimuksia 1/1999. Helsinki: Tielaitos. Campbell, J. E. (1990). Dielectric properties and influence of conductivity in soils at one to fifty Megahertz. Soil. Sci. Soc. Am. J. 54. Soil Science Society of America. Carpenter, S. & Lytton, R. (1977). Thermal Pavement Cracking in West Texas. Texas Transportation Institute Research Report 18-4F, Study 2-8-73-18. Texas A&M University: College Station. Dobson, M., El-Rayes, M., Hallikainen, M. & Ulaby, F. (1985). Microwave dielectric behavior of wet Soil - Part II: Dielectric Mixing Models. IEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing GE-s3: 1 Dore, G., Konrad, J.-M. & Marius, R. (1997). The role of de-icing salt in pavement deteroration frost action. TRB Paper 970598. Eloranta, E. (2007). Geofysiikan kenttäteoria. STUK-A198. Helsinki: Säteilyturvakeskus. Ehrola, E. (1996). Liikenneväylien rakennusuunnittelun perusteet. Helsinki: Rakennustieto Oy. Ehrola, E. (1991). Structual design of asphalt pavemants. Kurssimoniste. Ehrola, E. (1973). Ilmastollisten ja rakenteellisten tekijöiden vaikutuksesta tien routaantumiseen ja routimiseen. Lisensiaattityö. Oulu: Oulun yliopisto. Embacher, A. R. (2002). Minnesota Seosonals Load Limits. Kalvosarja. Finland: Technology Transfer. 108
Lähdeluettelo FinMeas Oy. (2007). Lämpötilaprofiili (Liljendahl). Haettu 15. lokakuuta 2007 osoitteesta http://www.finmeas.fi FinMeas Oy. (2004). Lämpötilaprofiilin mittalaitteet. Haettu 15. syyskuuta 2007 osoitteesta http://www.finmeas.com/lampotila.html Good, R. (1999). Classical Electromagnetism. Saunders Golden Sunburst Series. Orlando: Saunders Collage Publishing. Guru, B. S. & Hizirogly, H. (2004). Electromagnetic Field Theory Fundamentals. UK: Cambridge University Press. Halmela, M. (4. lokakuuta 2007). Keski-Suomen tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Hartikainen, O.-P. (2000). Maarakennustekniikka. Otatieto 435. Helsinki: Otatieto. Hartikainen, O.-P. & Jämsä, H. (1986). Tien päällysrakenteen suunnittelu. Tie- ja liikennetekniikka. Tampere: Tampereen teknillinen korkeakoulu. Heinonen, A. (28. syyskuuta 2007). Uudenmaan tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Huhtala, M. (1991). Subgrade. Kurssimoniste. Huhtala, M. (1979). Päällysteteiden plastiset deformaatiot. VTT Tiedonanto 49. Espoo: VTT. Huhtala, R. (1985). Tutkimus päällystettyjen teiden poikittaishalkeiluun liittyvistä tekijöistä. Tie- ja liikennetekniikan laboratorion julkaisu 1. Oulu: Oulun yliopisto. Hämäläinen, M. (3. lokakuuta 2007). Uudenmaan tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Hänninen, P. & Sutinen, R. (1994). Dielectric prediction of landslide suspectibility: A model applied to recent sediment flow deposits. Proc. VII IAEG. Lissabon: IAEG. Hänninen, P., Venäläinen, A. & Sutinen, R. (2005). Maaperän jäätyminen ja vesipitoisuusmuutokset talvikautena. Vesitalous 1/2005. Inkeröinen, T. (23. elokuuta 2007). Roadscanners Oy. (M. Kelho, haastattelija) Jämsä, H. (1985). Pohjamaan kantavuus tierakenteen alla. VTT tiedote 526. Espoo: VTT. Järvinen, L. (1991). Tien rakenteen suunnittelu. Tietekniikka T45. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Jääskeläinen, R.,Rantamäki, M. & Tammirinne, M. (1982). Geotekniikka. Espoo: Otakustantamo. 109
Lähdeluettelo Kelho, M. (2007). Painorajoituksesta tiedottaminen liikennemerkeillä. Kelirikkoretki Pohjois-Savossa 23.5.2007. Kuopio. Kenttälä, E. (8. lokakuuta 2007). Lapin tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Kerkelä, S. (1992). Dielektrisyysarvo ja teiden rakennekerrosten mittaaminen maatutkalla. Diplomityö. Oulu: Oulun yliopisto. Korhonen, U.& Vihinen, S. (1985). Sähköoppi I. Otakustantamo 240. Espoo: Otakustantamo. Koskinen, H. & Viljanen, A. (2002). Elektrodynamiikka kevät 2002 (luentomoniste). Haettu 15. elokuuta 2007 osoitteesta http://www.ava.fmi.fi/~viljanen/ed2002/ed2002_03.pdf Kujala, K. (1991). Factors affecting frost susceptibility and heaving pressure in soils. Acta Univ. Oul. C 58. Oulu: Oulun yliopisto. Kurkela, O. (9. lokakuuta 2007). Hämeen tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Kurki-Suonio, K. & Kurki-Suonio, R. (1999). Vuorovaikutuksista kenttiin sähkömagnetismin perusteet. Helsinki: Limes ry. Lappalainen, V., Eerola, M. & Patrikainen, P. (1985). Geomekaniikka I. (toim. Mäkelä, H.). RIL 157-1. Helsinki: Suomen rakennusinsinöörien liitto. Launonen, P. & Turunen, P. (1995). Sään ja hydrologisten tekijöiden vaikutus kevät kelirikkoon. Tielaitoksen selvityksiä 20/1995. Kuopio: Tielaitos. Lämsä, V.-P & Belt, J. (2007). Painorajoitussuunnittelun kriteerien kehittäminen. Tiehallinnon selvityksiä 5/2007. Helsinki: Tiehallinto. McCarter, W. (1984). The Electric Resistivity Characteristics of Compacted Clays. Geotechnique 34, 2. Metsäteollisuus. (2006). Kelirikkokorjaukset maksavat itsensä takaisin reilussa vuodessa. Haettu 15. syyskuuta 2007 osoitteesta: http://www.metsateollisuus.fi/juurinyt/tiedotteet/sivut/kelirikkokorjauksetmaksavatit sensa.asxp Mäkiö, T. (12. lokakuuta 2007). Turun tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Niittyvuori, V. (11. lokakuuta 2007). Turun tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Nyman, M. (1997). Soratien kulutuskerrosmateriaalien indeksitutkimus. Lisensiaattityö. Oulu: Oulun yliopisto. 110
Lähdeluettelo Ohanian, H. C. (1989). Physics. Second edition expended. New York: W. W. Norton & Company. Olhoeft, G. & Gapron, D. (1994). Proceedings of the Fifth International Conference on Ground Penetrating Radar. Waterloo Centre of Groundwater Research, Waterloo, vol 1 of 3. Ontario: Waterloo Centre of Groundwater Research. Palolahti, A., Slunga, E., Saarelainen, S. & Orama, R. (1993). Sulan maan kantavuus. Pohjarakennus ja maamekaniikka 1. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Parantainen, J. (1982). Tien rakenteellinen mitoitus. Tietekniikka T22. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Peltoniemi, M. (1988). Maa- ja kallioperän geofysikaaliset tutkimusmenetelmät. Otakustantamo 515. Espoo: Otakustantamo Perälä, M. & Valkeisenmäki, A. (2002). Alempiasteisten teiden taloudellinen ylläpito. Tiehallinnon selvityksiä 45/2002. Helsinki: Tiehallinto. Perälä, M., Valkeisenmäki, A., Weckström, L. & Penttinen, O. (2006). Vähäliikenteistenteiden taloudellinen ylläpito. Tiehallinnon selvityksiä 11/2006. Helsinki: Tiehallinto. Pihlamäki, J. (1987). Tien kantavuuden määritys pudotuspainomittauksella. Diplomityö. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Piiparinen, M. (2007). Fysiikan peruskurssi 104 kevät 2007 (luentomoniste). Haettu 15. elokuuta 2007 osoitteesta http://users.jyu.fi/~mpiipari/fysp104_k07/luennot/24.pdf Pirinen, J. (17. lokakuuta 2007). Oulun tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Posti, T. (4. lokakuuta 2007). Lapin tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Puharinen, J. (28. syyskuuta 2007). Uudenmaan tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Päiviö-Leppänen, T. (15. kesäkuuta 2007). Kunnosapitoasiantuntija. (M. Kelho, haastattelija) Pöyhönen, A. (3. lokakuuta 2007). Savo-Karjalan tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Pöyry Infra Oy. (2007). Sorateiden palvelutaso- ja runkokelirikkoinventointien vertailupäivät. Vantaa: Pöyry Infra Oy. Rantala, T. (2000). Sähkö- ja magnetismioppi. Haettu 15. elokuuta 2007 osoitteesta http://cc.oulu.fi/~trantala/opetus/files/smo-76103p.sahko-.ja.magnetismioppi 111
Lähdeluettelo Ravaska, O. & Saarenketo, T. (1993). Dielectric properties of road aggregates and their effect on GPR surveys. Proceedings of the 2nd International Symposium on Frost in Geotechnical Engineering, Anchorage, USA, 28 June 1 July 1993. Rotterdam: A. A. Balkema Rayner-Canham, G. & Overton, T. (2006). Descriptive Inorganic Chemistry. Fourth edition. New York: Freeman. Roadscanners Oy. (2001). Percoaseman tutkimukset 1999 2001. Rovaniemi: Roadscanners Oy. Ryynänen, T. (2000). Instrumentoidun tierakenteen mittaukset. Tielaitokset selvityksiä 42/2000. Helsinki: Tielaitos. Ryynänen, T. & Belt, J. (2005). Kevään 2005 kelirikkon vaikeusennuste. Vähäliikenteisten teiden tutkimusohjelma (työraportti). Helsinki: Tiehallinto. Ryynänen, T., Belt, J. & Ehrola, E. (2003). Sorateiden runkokelirikko ja kelirikon vaikeuden ennustaminen. Tiehallinnon selvityksiä 46/2003. Helsinki: Tiehallinto. Saarelainen, S. (1990). Geomekaniikka II. (toim. Mäkelä, H.). RIL 157-2. Helsinki: Suomen rakennusinsinöörien liitto. Saarelainen, S. & Törnqvist, J. (2004). Painorajoitusten ajoituksen ja suuruuden määrittäminen. Tiehallinnon selvityksiä 8/2004. Helsinki: Tiehallinto. Saarenketo, T. (4. helmikuuta 2008). Roadscanners Oy. (M. Kelho, haastattelija) Saarenketo, T. (esiintyjä). (27. elokuuta 2007). Roadex III seminaari. Helsinki. Saarenketo, T. (2000). Tube suction test sitomattomilla murskeilla suoritettujen rengastestien tulokset. Tielaitoksen selvityksiä 20/2000. Rovaniemi: Tielaitos. Saarenketo, T. (1998). Electrical properties of water in clay and silty soils. Journal of Applied Geophysics 40/1998. Amsterdam. Saarenketo, T. (1996). Electrical properties of water in soils. Proceeding of the Sixth International Conference on Ground Penetrating radar. Sendai. Saarenketo, T &. Aho, S. (2005a). Managing Spring Thaw Weakening on Low Volume Roads. Roadex II report. Saarenketo, T. & Aho, S. (2005b). Kelirikon seurannan tietopalvelut tiehallinnolle. Saarenketo, T. & Riihiniemi, J. (2002). Selvitys Kemi-Tornio moottoritien epätasaisuuden syistä. Tiehallinnon selvityksiä 44/2002. Rovaniemi: Lapin tiepiiri. 112
Lähdeluettelo Saarenketo, T. & Scullion, T. (1996). Laboratory and GPR to tests tevaluate electrical and mechanical properties of Texas and Finnish base course aggregates. Proc. Of the Sixth International Conference on Ground Penetrating Radar. Sendai. Saarenketo, T. & Ylitalo, T. (1997). Ranuan Kirkkotien päällystevauriot. Raportti. Lapin tiepiiri. Sillanpää, R. (25. syyskuuta 2007). Vaasan tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Stehr, R. A. (2003). Guidelines for Seasonal Load Limit Strarting and Ending Dates. Technical Memorandum. No. 03-02-MRR-01. Minnesota: Minnesota Department of Transportation. Strandvall, H. (2006). Kelirikon asetettavien painorajoitusten hyödyt ja haitat. Diplomityö. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Suhonen, K. (2005). Soratien kulutuskerrosmateriaalin vaikutus pintakelirikkoon. Diplomityö. Espoo: Teknillinen korkeakoulu. Syed, I., Scullion, T. & Randolph, R. B. (1999). Use of tube suction test for evaluation of aggregate base materials in frost and moisture susceptible environment. Texas Transportation Institute. USA: The Texas A&M University System Collage Station. Tampereen teknillinen yliopisto. (2006). Sähköoppi (luentomoniste). Fysiikan oppilaslaboratorio. Haettu 15. elokuuta 2007 osoitteesta http://www.ee.tut.fi/fys/labra/pruju/sahkooppi.pdf Tice, A., Burrows, C. & Anderson, D. (1978). Phase component measurements on soils at very high water contents by pulsed nuclear magnetic resonance technique. Transporation Research Record 675. Tiehallinto. (2007a). Kelirikkoteiden liikenteen rajoittaminen. Toteuttamisvaiheen ohjaus. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2007b). Liikennemerkit ja muita liikenteen ohjauslaitteita. Liikennetekniikka 01/2007. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2007c). Tiefakta 2007. Tiefakta. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2007d). Tietilasto. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2007e). T&M-Sora tietokanta. Tiehallinto. Tiehallinto. (2007h). Kuvia. Helsinki: Tiehallinto. 113
Lähdeluettelo Tiehallinto. (2007f). Karttoja. Haettu 25. elokuuta 2007 osoitteesta http://www.tiehallinto.fi/servlet/page?_pageid=71&_dad=julia&_schema=portal30&k ieli=fi&menu=5128&_pageid=71&kieli=fi&linkki=7984&julkaisu=3209 Tiehallinto. (2007g). Kelirikosta johtuvat painorajoitukset. Haettu 15. syyskuuta 2007 osoitteesta http://kelirikko.tiehallinto.fi/kelirikko/index.jsp Tiehallinto. (2006a). Tiehallinnon teiden ja siltojen kunto 2005. Tiehallinnon selvityksiä 16/2006. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2006b). Sorateiden hallinnan nykytilan ja tavoitetilan kuvaus. Tiehallinnon selvityksiä 10/2006. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2005a). Palvelutasomittausten uusien tunnuslukujen käyttöönotto ja hyödyntäminen. Tiehallinnon selvityksiä 50/2005. Helsinki. Tiehallinto. (2005b). Yleisten ja yksityisten teiden rajapinnan tarkastelu - taustaraportti. Tiehallinnon selvityksiä 52/2005. Helsinki. Tiehallinto. (2004a). Tierakenteen suunnittelu. Suunnitteluvaiheen ohjaus. Helsinki: Tiehallinto. Tiehallinto. (2004b). Rakenteen parantamissuunnittelua edeltävät maatutkamittaukset ja tulosten esitystapa. Menetelmäkuvaus. Helsinki: Tiehallinto. Tielaitos. (1996). Sorateiden runkokelirikon inventointiohje. Kunnossapidon ohjaus. Helsinki: Tielaitos. Tielaitos. (1995). Soratieden hoito ja kunnostus. Helsinki: Tielaitos. Tielaitos. (1993). Tien rakennustöiden yleiset laatuvaatimukset ja työselitykset. Helsinki: Tielaitos. Tielaitos. (1991). Tien rakenne. Teiden suunnitteluohjeet: Osa IV. Helsinki: Tielaitos. Triumf, C. (1992). Geofysik för geotekniker, metoder och tillämpningar. Stockholm: Byggforskningsrådet. Van Deusen, D., Schrader, C., Bullock, D. & Worel, B. (1998). Recent research on springtime thaw weakening and load restricktions in the state of Minnesota. The 77th Annual meeting of the Transport Recearch Board 1998, Paper No. 980621. Washington D.C., USA. Vikman, R. (11. lokakuuta 2007). Kaakkois-Suomen tiepiiri. (M. Kelho, haastattelija) Väkevä, J. (esiintyjä). (27. elokuuta 2007). Roadex III seminaari. Helsinki. 114
Lähdeluettelo Ylönen, S. (21. syyskuuta 2007). (M. Kelho, haastattelija) 115
Liitteet LIITTEET Liite 1. Tiepiirit, inventoitu runkokelirikko ja painorajoitukset vuosina 2003 2006 (kartta) Tiepiirit 2007 Kelirikko 2003 2006 2003 2004 2005 2006 Lähde: (Tiehallinto, 2007f) (Tiehallinto, 2007d) (Tiehallinto, 2007g) 116
Liite 2. Inventoitu runkokelirikko vuosina 2000 2006 Liitteet 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Tiepiiri km % km % km % km % km % km % km % Uusimaa 46 6 6 1 0 0 0 0 0 0 8 1 14 2 Turku 43 2 55 3 16 1 2 0 4 0 39 2 24 1 Kaakkois-Suomi 54 1 101 3 46 1 0 0 66 2 94 3 78 2 Häme 274 9 160 5 39 1 48 2 102 3 179 6 144 5 Savo-Karjala 203 4 300 6 134 3 32 1 130 2 139 3 40 1 Keski-Suomi 152 6 149 6 73 3 53 2 132 5 201 8 25 1 Vaasa 126 4 149 5 85 3 46 2 120 4 183 6 57 2 Oulu 43 1 44 1 31 1 35 1 75 2 49 1 48 1 Lappi 20 1 37 1 40 1 35 1 26 1 25 1 29 1 Yhteensä 961 3 1 002 4 464 2 251 1 654 2 916 3 459 2 Kelirikko 2000-2006 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Kelirikko (%) 10 8 6 4 2 0 U T KaS H SK KeS V O L Kelirikko (km) 300 250 200 150 100 50 0 Kelirikko 2000-2006 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 U T KaS H SK KeS V O L Lähde: (Tiehallinto, 2007e) 117
Liite 3. Maanteiden painorajoitukset vuosina 2000 2006 Liitteet Tiepiiri 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 km % km % km % km % km % km % km % Uusimaa 10 0 0 0 0 0 0 0 45 1 56 1 11 0 Turku 39 0 74 1 0 0 10 0 3 0 0 0 0 0 Kaakkois-Suomi 198 2 441 5 187 2 52 1 115 1 96 1 94 1 Häme 673 7 638 7 100 1 20 0 94 1 266 3 215 2 Savo-Karjala 587 5 458 4 313 3 233 2 389 4 269 2 58 1 Keski-Suomi 39 1 41 1 0 0 0 0 0 0 19 0 33 1 Vaasa 497 6 434 5 274 3 174 2 154 2 122 1 316 4 Oulu 601 5 160 1 25 0 9 0 0 0 0 0 0 0 Lappi 672 7 841 9 426 5 311 3 0 0 246 3 62 1 Yhteensä 3 315 4 3 088 4 1 326 2 809 1 801 1 1 075 1 789 1 Painorajoitukset 2000-2006 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Painorajoitukset (%) 10 8 6 4 2 0 U T KaS H SK KeS V O L Painorajoitukset (km) 1 000 800 600 400 200 0 Painorajoitukset 2000-2006 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 U T KaS H SK KeS V O L Lähde: (Tiehallinto, 2007d) 118
Liitteet Liite 4. Kelirikon ja painorajoitusten suhteellinen pituus vuosina 2002 2006 10 % 8 % Uudenmaan tiepiiri 2002-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 10 % 8 % Hämeen tiepiiri 2000-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 6 % 6 % 4 % 2 % 0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 0,0 % 1,0 % 0,0 % 1,2 % 1,0 % 0,2 % 1,8 % painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko 4 % 2 % 0 % 1,1 % 1,3 % 0,2 % 1,6 % 1,0 % 3,4 % 2,8 % 6,0 % 2,3 % 4,9 % Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko 2002 2003 2004 2005 2006 2002 2003 2004 2005 2006 10 % Savo-Karjalan tiepiiri 2002-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 10 % Keski-Suomen tiepiiri 2002-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 8 % 6 % 8 % 6 % 8,4 % 4 % 2 % 0 % 2,8 % 2,6 % 2,1 % 0,6 % 3,5 % 2,5 % 2,4 % 2,6 % 0,5 % 0,8 % painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko 4 % 2 % 0 % 0,0 % 3,0 % 0,0 % 2,2 % 0,0 % 5,5 % 0,4 % 0,6 % 1,0 % Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko 2002 2003 2004 2005 2006 2002 2003 2004 2005 2006 119
Liitteet 10 % 8 % Vaasan tiepiiri 2002-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 10 % 8 % Lapin tiepiiri 2002-2006 Kelirikko ja painorajoitukset (%) 6 % 4 % 2 % 0 % 3,1 % 2,9 % 2,0 % 1,6 % 1,8 % 4,3 % 1,4 % 6,5 % 3,6 % 2,0 % painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko painorajoitukset kelirikko 6 % 4 % 2 % 0 % 4,7 % 1,3 % 3,4 % 1,2 % 0,0 % 0,9 % 2,7 % 0,8 % 0,7 % 1,0 % Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko Painorajoitus Kelirikko 2002 2003 2004 2005 2006 2002 2003 2004 2005 2006 Lähde: (Tiehallinto, 2007d) (Tiehallinto, 2007e) 120
Liitteet Liite 5. Kelirikon ja painorajoitusten määrä vuosina 2002 2006 10 000 Kelirikko 2002-2006 2002 2003 2004 2005 2006 Kelirikko (lkm) 8 000 6 000 4 000 2 000 0 U T KaS H SK KeS V O L Painorajoitukset (lkm) 60 50 40 30 20 10 0 Painorajoitukset 2002-2006 2002 2003 2004 2005 2006 U T KaS H SK KeS V O L Kelirikko ja painorajoitukset Suomessa 2002-2006 kelirikko painorajoitukset 40 000 200 Kelirikko (lkm) 30 000 20 000 10 000 0 128 76 9396 8251 93 24482 132 37305 116 21032 150 100 50 0 Painorajoitukset (lkm) 2002 2003 2004 2005 2006 121
Liitteet Uudenmaan tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset Kelirikko (lkm) 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 100 80 60 40 1204 20 0 0 0 410 0 0 8 11 3 0 2002 2003 2004 2005 2006 Painorajoitukset (lkm) Hämeen tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset Kelirikko (lkm) 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 8849 8024 3507 38 1769 28 1274 14 11 3 2002 2003 2004 2005 2006 100 80 60 40 20 0 Painorajoitukset (lkm) Savo -Karjalan tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset Kelirikko (lkm) 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 6394 5651 45 40 30 34 1675 887 394 14 2002 2003 2004 2005 2006 100 80 60 40 20 0 Painorajoitukset (lkm) 122
Liitteet Keski - Suomen tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset 10 000 100 Kelirikko (lkm) 8 000 6 000 4 000 2 000 0 4351 899 1511 0 0 0 5599 1777 5 5 80 60 40 20 0 Painorajoitukset (lkm) 2002 2003 2004 2005 2006 Vaasan tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset 10 000 100 Kelirikko (lkm) 8 000 6 000 4 000 2 000 0 2276 32 1858 19 5039 18 7279 22 51 1998 80 60 40 20 0 Painorajoitukset (lkm) 2002 2003 2004 2005 2006 Lapin tiepiiri 2002-2006 kelirikko painorajoitukset 10 000 100 Kelirikko (lkm) 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1628 1533 1705 25 17 0 2114 15 1108 7 80 60 40 20 0 Painorajoitukset (lkm) 2002 2003 2004 2005 2006 Lähde: (Tiehallinto, 2007d) (Tiehallinto, 2007e) 123
Liitteet Liite 6. Kelirikko Kuoreveden Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 2006 Kuorevesi 2005 20 km 50 km 100 km 200 km Kelirikko (km) 600 500 400 300 200 100 0 Kuorevesi 2006 20 km 50 km 100 km 200 km 250 Kelirikko (km) 200 150 100 50 0 Kuorevesi 2005-2006 30 000 Kelirikkokohteet (lkm) 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 859 456 41092118 10875 6211 26612 15101 2005 2006 20 km 50 km 100 km 200 km 124
Liitteet 2005 Kuorevesi 2006 Kuorevesi Punainen r = 20 km, oranssi r = 50 km, vihreä r = 100 km, sininen r = 200 km. 125
Liitteet Liite 7. Kelirikko Javaruksen Percoaseman ympäristössä vuosina 2005 2006 Javarus 2005 20 km 50 km 100 km 200 km Kelirikko (km) 30 25 20 15 10 5 0 Javarus 2006 20 km 50 km 100 km 200 km Kelirikko (km) 30 25 20 15 10 5 0 Javarus 2005-2006 2 500 Kelirikkokohteet (lkm) 2 000 1 500 1 000 500 0 851 60 34 258 173 483 2435 1285 2005 2006 20 km 50 km 100 km 200 km 126
Liitteet 2005 Javarus 2006 Javarus Punainen r = 20 km, oranssi r = 50 km, vihreä r = 100 km, sininen r = 200 km. 127
Liitteet Liite 8. Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit Alavus 2001-2002 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Isokyrö 2001-2002 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm Alavus 2002-2003 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Isokyrö 2002-2003 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 128
Liitteet Alavus 2003-2004 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Isokyrö 2003-2004 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm Alavus 2004-2005 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Isokyrö 2004-2005 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 129
Liitteet Alavus 2005-2006 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Isokyrö 2005-2006 Lämpötila kk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 130
Liitteet Liite 9. Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemien lämpötilaprofiilit Dragsvik 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm Karhunkorpi 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 131
Liitteet Karhunkorpi 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm Liljendahl 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 132
Liitteet Lilljendahl 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 200 cm 220 cm 133
Liitteet Liite 10. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 134
Liitteet 135
Liitteet 136
Liitteet 137
Liitteet Liite 11. Percoasemien mittaaman dielektrisyyden maksimit lämpötilan funktiona 138
Liitteet 139
Liitteet 140
Liitteet 141
Liitteet Liite 12. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit ajan funktiona 142
Liitteet 143
Liitteet 144
Liitteet 145
Liite 13. Percoasemien mittaaman sähkönjohtavuuden maksimit lämpötilan funktiona Liitteet 146
Liitteet 147
Liitteet 148
Liitteet 149
Liitteet Liite 14. Percoasemien lämpötilaprofiilit Kuorevesi (vanha Percoasema) 2002-2003 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m Kuorevesi (vanha Percoasema) 2003-2004 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 Ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m 150
Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2004-2005 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m Kuorevesi (vanha Percoasema) 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m 151
Liitteet Kuorevesi (uusi Percoasema) 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Sonkajärvi 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 152
Liitteet Sonkajärvi 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Koskenkylä 2005-2006 Lämpötila vrk. ka ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 153
Liitteet Javarus 2004-2005 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Javarus 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 154
Liitteet Javarus 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Kittilä 2005-2006 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 155
Liitteet Kittilä 2006-2007 Lämpötila vrk. ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Inari 2006-2007 Lämpötila vrk.ka. ( C) -10--5-5-0 0-5 5-10 ilma 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 156
Liite 15. Percoasemien dielektrisyysprofiilit Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2004-2005 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m Kuorevesi (vanha Percoasema) 2005-2006 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m 157
Liitteet Kuorevesi (uusi Percoasema) 2006-2007 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Sonkajärvi 2005-2006 Dielektrisyys vrk. ka. 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 158
Liitteet Sonkajärvi 2006-2007 Dielektrisyys vrk. ka. 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Kittilä 2005-2006 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 159
Liitteet Kittilä 2006-2007 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Inari 2006-2007 Dielektrisyys vrk. ka. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 160
Liite 16. Percoasemien sähkönjohtavuusprofiilit Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2002-2003 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m Kuorevesi (vanha Percoasema) 2003-2004 Sähkönjohtavuus ka ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m 161
Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2004-2005 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m Kuorevesi (vanha Percoasema) 2005-2006 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 0,9 m 1,1 m 162
Liitteet Kuorevesi (uusi Percoasema) 2006-2007 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Sonkajärvi 2005-2006 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 163
Liitteet Sonkajärvi 2006-2007 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Javarus 2004-2005 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 164
Liitteet Javarus 2005-2006 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Javarus 2006-2007 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 165
Liitteet Kittilä 2005-2006 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m Kittilä 2006-2007 Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-50 50-100 100-150 150-200 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 166
Liitteet Inari 2006-2007 Sähkönjohtatavuus vrk. ka. ( S/cm) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 167
Liite 17. Percoasemien mittaama dielektrisyys ajan funktiona (viivadiagrammit) Liitteet 50 Kuorevesi (vanha Percoasema) 2002-2003 0,15 m 0,3 m 0,9 m Dielektrisyys vrk. ka. 40 30 20 10 0 Kuorevesi (vanha Percoasema) talvi 2003-2004 0,15 m 0,3 m 0,9 m 50 Dielektrisyys vrk. ka. 40 30 20 10 0 168
Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2004-2005 0,15 m 0,5 m 0,9 m 50 Dielektrisyys vrk. ka. 40 30 20 10 0 Kuorevesi (vanha Percoasema) 2005-2006 0,15 m 0,5 m 0,9 m 50 Dielektrisyys vrk. ka. 40 30 20 10 0 169
Liitteet Kuorevesi (uusi Percoasema) 2006-2007 0,15 m 0,3 m 1,1 m 30 Dielektrisyys vrk. ka. 25 20 15 10 5 0 Sonkajärvi 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,8 m 100 Dielektrisyys vrk. ka. 80 60 40 20 0 170
Liitteet Sonkajärvi 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,8 m 100 Dielektrisyys vrk. ka. 80 60 40 20 0 Javarus 2004-2005 0,15 m 0,3 m 0,8 m Dielektrisyys vrk. ka. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 171
Liitteet Javarus 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,8 m Dielektrisyys vrk. ka. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Javarus talvi 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,8 m Dielektrisyys vrk. ka. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 172
Liitteet Kittilä 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,5 m Dielektrisyys vrk. ka. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Kittilä 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,5 m Dielektrisyys vrk. ka. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 173
Liitteet Inari 2006-2007 0,15 m 0,5 m 0,8 m 30 Dielektrisyys vrk. ka. 25 20 15 10 5 0 174
Liite 18. Percoasemien mittaama sähkönjohtavuus ajan funktiona (viivadiagrammit) Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2002-2003 0,15 m 0,3 m 0,5 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 600 500 400 300 200 100 0 Kuorevesi (vanha Percoasema) 2003-2004 0,15 m 0,3 m 0,5 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 600 500 400 300 200 100 0 175
Liitteet Kuorevesi (vanha Percoasema) 2004-2005 0,15 m 0,3 m 0,9 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 600 500 400 300 200 100 0 Kuorevesi (vanha Percoasema) 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,9 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 600 500 400 300 200 100 0 176
Liitteet Kuorevesi (uusi Percoasema) 2006-2007 0,15 m 0,3 m 1,1 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 500 400 300 200 100 0 Sonkajärvi 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 1 500 1 250 1 000 750 500 250 0 177
Liitteet Sonkajärvi 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 1 500 1 250 1 000 750 500 250 0 Javarus 2004-2005 0,15 m 0,3 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 178
Liitteet Javarus 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Javarus 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 179
Liitteet Kittilä 2005-2006 0,15 m 0,3 m 0,5 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 1 500 1 250 1 000 750 500 250 0 Kittilä 2006-2007 0,15 m 0,3 m 0,5 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 1 500 1 250 1 000 750 500 250 0 180
Liitteet Inari 2006-2007 0,15 m 0,5 m 0,8 m Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 30 25 20 15 10 5 0 181
Liite 19. Muita Percoasemien tuottamasta tiedosta piirrettyjä diagrammeja Liitteet Sonkajärvi huhti-toukokuu 2006 Sähkönjohtavuus ja lämpötila syvyydessä 0,15 m Sähkönjohtavuus Lämpötila Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 400 300 200 100 0 20 15 10 5 0 Lämpötila vrk. ka. ( C) Sähkönjohtavuus vrk. ka. ( S/cm) 1 400 1 050 700 350 0 Kittilän Percoasema 2005-2007 0,15 m 0,3 m 0,5 m 0,8 m 1,1 m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Dielektrisyys 182
Liite 20. Lämpötilan seuranta-asemien sijainti (kartta) Liitteet Vaasan tiepiirin lämpötilan seuranta asemat 2007 Lähde (Sillanpää, 2007) Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta asemat 2007 Karhunkorpi Liljendahl Dragsvik Lähde: (Genimap Oy, lupa L4356). (FinMeas Oy, 2004) (Ylönen, 2007) 183
Liite 21. Percoasemien sijainti (kartta) Liitteet Kaikki vuosina 2002 2007 toimineet Percoasemat Lapin tiepiirin Percoasemat 2007 Lähde: (Inkeröinen, 2007) (Tiehallinto, 2007h) 184
Liitteet Liite 22. Tierakenne Uudenmaan tiepiirin lämpötilan seuranta-asemilla 185
Liite 23. Tierakenne Percoasemilla Liitteet 186
Liitteet 187
Liite 24. Kuvia tierakenteista Percoasemilla Liitteet Kuorevesi (uusi) Inari Javarus Kittilä Sonkajärvi Lähde: (Inkeröinen, 2007) 188
Liite 25. Kuvia lämpötilan seuranta-asemilta Liitteet Ohjauskeskus Alavus Lämpötilan seuranta-asema Vaasan tiepiirissä. Lähde: (Tiehallinto, 2007h) Ohjauskeskus Mittausletku A B Lämpötilan seuranta-asema Uudenmaan tiepiirissä: ohjauskeskus, mittausletku, mittausantureiden asennus (A ja B, Karhunkorpi). Lähde: (FinMeas Oy, 2004) (Ylönen, 2007) 189
Liite 26. Kuvia Percoasemilta Liitteet Koskenkylä Kuorevesi (uusi) Tohmo Kuorevesi (vanha) Ohjauskeskus Lähde: (Saarenketo & Aho, 2005a) (Roadscanners Oy, 2001) (Tiehallinto, 2007h) 190