Luleå tekniska universitet Institutionen för Samhällsbyggnad
Tryck: Universitetstryckeriet, Luleå ISSN: 1402-1528
ISBN 978-91-86233-98-3 Luleå 2009
Förord
Tjällossning är ett kostsamt problem för både väghållare och användare. Det gäller både om vägen vid tjällossningen stängs av alltför tidigt och under alltför lång tid eller stängs av för sent och under alltför kort tid så att den körs sönder. Denna litteraturstudie är ett första steg i en process för att försöka finna en metod för att hålla lågvolymsvägarna tillgängliga under mesta möjligaste tid och inte minst under tjällossningsperioderna. Det innebär att vägen ska stängas av i tid, men inte i otid. Litteraturstudien ger en inblick i tjälprocessen, de problem som är förknippade med tjäle och tjällossning samt ger förslag på hur kommande arbete ska inriktas och fokuseras för att nå det uppsatta målet med ökad tillgänglighet och
framkomlighet.
Ett stort tack riktas till Vägverket som har gjort denna rapport möjlig via ekonomiskt stöd. Ett tack riktas även till parterna i Vägverkets FUD center, RoadTechnology, som bidragit på ett konstruktivt sätt. Samarbetsparterna i det av Vägverket finansierade ramprojektet rörande bärighet under tjällossningen, Högskolan i Dalarna och Klimatgruppen på Göteborgs Universitet vill jag även tacka, liksom medverkande personer inom Vägverket. Vid de förra organisationerna är det främst professor Rolf Magnusson och docent Torbjörn Gustavsson som medverkat och på Vägverket har Jaro Putocek visat stort intresse för arbetet.
Till min handledare professor Sven Knutsson, Luleå tekniska universitet, riktas ett stort tack för att ha delgett nödvändiga förklaringar i tider av förvirring och värdefull guidning längs vägen. Ett stort tack till de äldre kollegorna på geoteknikavdelningen, Hans Mattsson och Kerstin Pousette som genom deras stora kunskaper inom geoteknik glatt förklarat då jag har undrat. Ett stort tack riktas även till Joakim Forsman, en mycket bra kamrat och kollega också för den delen. Sist men inte minst tack till de nära och kära, mamma pappa Veronica Simon Linnea, Frida och killarna där hemma, som gett ovärderligt stöd och helt enkelt varit ovärderliga närhelst jag har behövt dem.
Andreas Berglund Luleå juli 2009
Sammanfattning
Denna forskningsrapport är en litteraturgenomgång av en del av allt som finns skrivet om tjälprocessen och de problem tjälen skapar. Rapportens övergripande fokus ligger till en början på att ge en överblick över tjälprocessen och presentera grunderna i denna. Efter hand glider fokus över mot tjällossningen och de problem som förknippas med tjällossning. En allmän presentation av frusen jord, jord med en temperatur under 0°C, och en överblick över tjälforskningens historia från år 1765 och Beskow till mer nutida forskningsrön presenteras allra först i rapporten. Jordens termiska egenskaper är essentiell för tjälprocessen och beskrivs med hjälp av begrepp såsom termisk konduktivitet (värmeledningstalet Ȝ), värmekapacitet (c), termisk diffusivitet (Į) och latent värme (L). Temperaturprofilen beskrivs i termer av geotermisk gradient, whiplashkurva och aktivt område. Med aktivt område menas det område som tinar respektive fryser i permafrost och säsongstjäle.
Tjälnedträngningen som orsakas av negativa varaktiga temperaturer vid markytan beskrivs i rapporten. Negativa yttemperaturer skapar ett värmeflöde från marken. Marken kyls ned i och med värmeavgången och bildandet av islinser i jorden inleds. Vattentransporten till tjälfronten som påverkar bildandet av islinser är komplex och fenomenet är än inte helt utrett. De två huvudspåren kapillärt sug och att vattentransporten beror av fysisk-kemiska egenskaper hos jorden presenteras. Vattentransporten till islinsen sker via en vattenfilm av ofruset vatten, den ofrusna vattenkvoten betecknas wu. Den hydrauliska konduktiviteten minskar med negativa temperaturer på grund av att vattentransporten sker i den ofrusna delen av vattnet, och wu
minskar med negativa temperaturer. Beräkning av tjäldjup presenteras genom en härledning av Stefans formel, en presentation av Stefans modifierade formel och en förklaring av köldmängdsbegreppet. Modifierad Stefans formel som tar hänsyn till jordens värmekapacitet presenteras också. Förutom lufttemperaturen bestäms tjäldjupet i en jordprofil främst av jordmaterialets värmetekniska egenskaper. Tjällyftning och bestämning av tjällyftets storlek med segregation potential theory behandlas. Fenomenet vid tjällossning beskrivs samt problemen vid tjällossningen presenteras. För bärighetsproblem vid tjällossningen är dräneringen av vägkonstruktionen kritisk eftersom de ökade portrycken innebär minskade effektivspänningar och minskad skjuvhållfasthet. Dräneringsförmågan inverkar främst om urtjälningshastigheten är hög, mycket is övergår till vatten på kort tid. Sättningar på grund av tjällossning styrs främst av mängden is i jorden.
Tjälfarlighetsklassificeringssystemen använda i Sverige, Norge, Finland och USA beskrivs och en jämförelse mellan dessa görs. Två jordar klassificeras utifrån kornfördelningskurvorna, för en grusig sand ger ländernas system samma svar, ej tjälfarlig. Även för den andra jorden, en sandig siltig lermorän klassificeras jorden som tjälfarlig, dock i olika grad.
Hur vägar påverkas av tjälnedtränging (höjd hållfasthet, lägre hydraulisk konduktivitet), tjällyftning och tjällossning (bärighetsminskning, tjälskott med mera) beskrivs. Vägverkets system för väderdata VViS presenteras. Med hjälp av väderdata kan modeller för införandet av lastrestriktioner skapas. CTI-fordon har fördelar vid bärighetsnedsättningar. Sverige använder enbart visuella observationer vid införandet av lastrestriktioner på grund av bärighetsnedsättningar vid tjällossning. Flera andra länder och stater i USA använder mer sofistikerade metoder. I Minnesota används väderdata i form av frys- (FI) och töindex (TI) tillsammans med en referenstemperatur för att förutse när lastrestriktioner bör införas. Kanske är ”Minnesotamodellen” något för Sverige.