Tillämpning av direkta frysförsök för dimensionering av tjälskydd i vägar

V Zfnotat

Nummer: V 75 . Datum: 1988-12-05

Titel: 000 _{Tillämpning av direkta frysförsök för dimensionering} av tjälskydd i vägar.

Författare: _{Lars Stenberg}

Avdelning: Vägavdelningen (materialsektionen) Projektnummer: 4203901-6

Pråjektnamn: Studier av jord- ohc h konstmaterials egenskaper Uppdragsgivare: VTI

Distribution: fri /

Statens väg- och trafikinstitut w vag%ac,, af,/(. _{Pa: 58101 Linköping. Tel. 013-11 52 00. Telex 50125 VTISGI S}

FÖRORD

Detta notat är en svensk version av ett bidrag till symposiet FROST IN

GEOTECHNICAL ENGINEERING som hålls i Saariselkä, Finland, 13-15 mars, 1989.

Anledningen till notatet är att någon information om VTI:s frysburk och hur resultat från frystest kan användas, ej har utgått. Detta är i stort en sammanfattning av en i koncept föreliggande rapport, som omfattar det fullständiga underlaget till hur direkta frystest, men hjälp av VTI:s

frystestutrustning, kan nyttjas till praktisk tjälskyddsdimensionering.

TILLÄMPNING AV DIREKTA FRYSFÖRSÖK FÖR DIMENSIONERING AV TJÄLSKYDD I VÄGAR av Lars Stenberg Väg- och trafikinstitutet VTI 581 01 LINKÖPING ABSTRACT

VTI har konstruerat och utvecklat en apparat för bestämning av jordarters tjälkänslighet. En enkel provberedningsteknik har också utvecklats liksom en

metod för användandet av mätresultaten till tjällyftningsberäkningar.

Apparaten har undersökts m.a.p. repeterbarhet och reproducerbarhet genom utförandet av ca 370 frysförsök.

Den jordartsparameter som använts i studierna av reproducerbarheten är

b-värdet. b-värdet är ett mått på lyfthastighetens avtagande med ökat belastningstryck, då värmeflödet är konstant. Logaritmen för lyfthastig-heten är en linjär funktion av belastningstrycket inom det intervall som är aktuellt för vägar.

En validitetsundersökning indikerar att b-värdet som erhålls är relevant för vägar. Det visade också att det råder ett linjärt förhållande mellan värmeflödet och köldmängden.

VTI-apparaturen ger oss möjlighet att uttrycka olika jordarters tjälkänslighet med b-värdet. Den ger oss också möjlighet att beräkna

tjällyftningsbeloppet för olika tjälskyddsåtgärder, med hjälp av ett

framtaget beräkningsprogram.

.P

Det är möjligt att bedöma risken för skador vid underdimensionering, liksom den mest ekonomiska tjälskyddsåtgärden.

INLEDNING

VTI har i samarbete med Vägverket (VV) framtagit och utvecklat en

apparatur för bestämning av 'jordmaterials tjälegenskaper. De för jordartens tjällyftningsbenägenhet bestämmande specifika jordartsparametrarna

an-vänds i en beräkningsmetod för tjälskyddsdimensionering. Det blir härigenom

möjligt att bedöma och jämföra kostnaderna för olika tjälskyddsâtgärder med samma grad av tjälskydd.

Apparaten har ingående testats med avseende på repeterbarhet och repro-ducerbarhet.

Validering har utförts genom att jämföra uppmätta tjällyftningar i väg med

beräknade tjällyftningsbelOpp.

Den härefter framtagna dimensioneringsmetoden bedöms av VTI kunna

utgöra ett väsentligt underlag vid kostnadsoptimering av tjälskydd i väg.

STUDIER AVSEENDE TILLFÖRLITLIGHET

Apparatens tillförlitlighet har testats med avseende på repeterbarhet och

reproducerbarhet. Underlaget till denna bedömning utgörs av c:a 370 st.

utförda frystester. De testade jordmaterialen utgjordes av olika moräner och sediment. Varje enskild frystest utförs med konstant värmeflöde och

under konstant belastningstryck. Den variabel som härvid bäst uttrycker jordmaterialets tjällyftningsbenägenhet, dess förmåga att under tjälningen uppta vatten, är lyfthastigheten. Lyfthastighetens avtagande med ökat

belastningstryck, är specifik för varje jordart och kallas för jordartens b-värde. Detta b-värde är en i tjälsammanhang viktig jordartsparameter. Repeterbarheten undersöktes genom upprepade frystest på samma prov, 3-8 cykler, och standardavvikelsen beräknades. Variationskoefficienten

beräkna-des för varje serie utförda frys-töcykler. Tabell 1 och figur 1.

Tabell 1 Antal serier i olika variationskoeff. intervall samt den procentu-ella fördelningen. Variations-koeff. 96 < 5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 > 30 i Antal serier 5 st 10 st 8 st 8 st 4 st 4 st 2 st Antal serier 96 12.2 24.4 19.5 l9.5 9.8 9.8 4.9 Kum. 96 12.2 36.6 56.1 75.6 85.4 95.2 100

Reproducerbarheten undersöktes genom jämförelse av erhållet b-värde för

ett jordprov fruset med olika utrustningar dels vid VTI, dels på ett av VV:s

laboratorier. Erhållna skillnaders inverkan på i väg beräknad lyftning över-steg inte i 10%.

Validiteten prövades genom jämförelse mellan uppmätt och beräknad

tjäl-lyftning av en vägyta i norra Sverige. Den vid tjältjäl-lyftningsberäkningen använda kvantifierande egenskapen, jordartens b-värde, bestämdes genom

direkt frystest. Resultatet är mycket gott med avseende på totalt uppmätt

lyftning, men endast nöjaktigt med avseende på förloppet. Se figur 2-3. Detta sagt mot bakgrund av den förväntade exaktheten i beräkningarna.

FRYSTEST I LABORATORIUM

Direkt frystest enligt VTI-metoden utförs som omvänd frysning, figur 4.

Provet, ®=100 mm och höjden 100 mm, packas för hand och fryses

under-ifrån genom att hålla värmeflödet konstant. Vatten tillförs ovanifrän under

hydrostatiskt självtryck. Lyfthastigheten registreras för varje test, utförd

med konstant belastningstryck. Frysningen tar c:a 2 dygn, varefter provet

tinas och självdränerar till kapillär vattenmättnad. Detta upprepas minst 3 ggr, cyklisk frys- töväxling, för varje laststeg.

*Orienterande studier för att utröna väggfriktionens storlek utfördes som

tryckförsök, där provet pressades ut ur cylindern. Uppmätta värden gav 2-4 kPa.

\

ERFARENHETER FRÅN FÄLTFÖRSÖK

Mätningar utfördes i ett vägavsnitt i norra Sverige under vintrarna 82/83

och 83/84. Härvid noterades bl.a. värmeflödet, 110 cm respektive 220 cm under vägytan, lufttemperatur, grundvattenytans läge, tjäldjup och tjällyft-ning. Strax innan tjällossningen upptogs borrprover för bestämning av

vatten-kvot i den frusna jordlagerföljden. Ur värmeflödesmätningarna beräknades den för frysning av undergrunden uttagna värmeenergin. Uttagen värme-energi jämfördes med den värmevärme-energi som måste bortföras för frysning av

ingående mängd vatten. Överensstämmelsen blev förvånansvärt god, se tabell 2.

Tabell 2 Uppmätt och beräknat effektivt värmeuttag, Qe, genom terass-ytan, vintrarna 1982-84

År

Uppmätt

Beräknat

MSI/m2

M.'l/m2

1982-83 94 93

1983-84 122 121.6

Genom att avsätta den genom terrassytan passerade mängden värmeenergi

som funktion av köldmängden, kunde ett tillnärmelsevis linjärt samband konstateras, se figur 5. Genom att för åskådlighetens skull vända på relationen kunde också ett linjärt samband skisseras mellan logaritmen för köldmängden och genom terrassytan uttagen energimängd under de båda

För en överslagsmässig bestämning av tjallyftningsbelopp i väg, med använd-ande av jordartens b-värde, kan då följanvänd-ande resonemang föras:

Följande, genom fält- och laboratoriestudier erhållna samband, tjänar som förutsättningar:

a) Uppmätt luftköldmängd motsvaras av en bestämd mängd uttagen

energL

b) Jordartens b-värde är ett korrekt uttryck för jordartens

tjällyftnings-benägenhet vid olika lastpåkänningar.

c) Porvattenun'dertrycket och trycket av på islinsen vilande jordmassa är

additiva.

d) All uttagen värmeenergi är latent värmeenergi. Uttryckt i energitermer erhålls förenklat

uttagen energimängd Qe = K-f

lyfthastighet vid belastningstrycket P h = a-hooe'bP

P:Pj+Pw

energiuttag vid frysning av porvatten QU wO-Yd-A-Zf-t-L

energiuttag vid frysning av ackumulerat

vatten Qh : hw-t-A-L Qe=Qu+Qh

K: luftköldmängd

f: omräkningsfaktor

a: konstant, bestämd av klimatpåkänning O< a _<_ 1

ho: lyfthastighet vid belastningstrycket P=O

hw: lyfthastighet vid frysning av ackumulerat vatten

Zfz tjälens nedträngningshastighet

b: jordartsparameter, jordartens tjällyftningsbenägenhet bestämd genom frystest

RESULTAT

Apparaturens tillförlitlighet prövades bl.a. m.a.p. repeterbarhet och repro-ducerbarhet. Av de ca 370 frystester som utfördes sammanfördes l72 till

41 st serier med olika antal frys- töcykler. Tjällyftningens känslighet för

lastpåkänning, uttryckt med jordartens b-värde, är visserligen beroende av värmeflödet, men i stort sett detsamma, oberoende av apparatur, då värmeflödet är detsamma.

Det från fältmätningen erhållna linjära sambandet mellan uttagen värme-engergi och köldmängd, har gett den omräkningsfaktor av köldmängd till uttagen värmeenergi som är nödvändig för beräkning av tjällyftning och

tjäldjup enligt den metod som användes vid valideringen.

Jordarters tjällyftning vid olika lastpåkänningar är en för varje jordart specifik egenskap som kan uttryckas med jordartsparametern "b". Denna egenskap, jordartens b-värde, kan kvantifieras genom direkt frystest. Apparatens tillförlitlighet bedöms vara god. Preliminär validering antyder att det vid frystestet bestämda b-värdet är relevant och kan användas vid

among the f

Histogram showing the distribution of coefficient of variation reezmg ser les.

CV% inom olika intervall.

Antal utförda frys-tö-(F-T) serier med

iur l variationskoeü1C1enten

VARIATIONSKOEF F. Cv°o

10

20

30

AN

TA

L

CY

KL

IS

KA

F*

T*

SE

RI

ER

1

x A . 0 .

. . . r . . . zxi xyvr r : xvu . . . . . . . . : . . . . -. . -. . . . . . . . . . -. . . . . . a . . . r l v' I I vvvvvvr vwwvvr vvr vvvuuvvv . -. . . . . . -. . . .

. . . . . -. . -. . . . . A A L L A A J L ÅL L L Å 1 -A L L . . . 4 L L L A |||L . I vr vr vr r r l r r r r r vxvv . . . . . . . . . . . -. . . . . . -. . . . . . . . .

(. 11 _{0 O 1 I}

Ko

ld

mun

gd

°C

d

Fr

ee

zun

g

In

de

x

°

1000*_x.

Tj

al

lyf

tm

ng

cm

Fros t he ave

Tj

Cl

ld

JU

p

cm

Fr

og

]L

de

pt

h

Figur 2

GÄLVEN 82/83

\

*_-o Uppmdtt

Registered

0---0 Beräknat

Calculoted

\ W

Jämförelse mellan uppmätt och beräknat tjällyftnings- och

tjälnedträngningsförlopp, samt uppmätt köldmängd och det vid valideringen använda ackumulerade dygnsgradeförloppet, här kallat beräknat köldmängdförlopp, 1982-83.

Freezing index, observed and calculated frost heaven and frost penetration, 192-83.

500--1000-*

Ko

ld

md

ng

d

°c

-d

Fr

ee

2|n

g

In

de

x

15m»

I

Tj

'd

ll

yf

tn

ln

g

crn

Fros t he ave

\

GALVEN 83/84

\

_{-- Uppmdtt}

Registered

o-'--o Beräknat

Calculated

Tj

ul

dj

up

cm

Fr

os

t

de

pt

h

I

1üy

Figur 3

\

'

'

-' MARS

*APRm

Jämförelse mellan uppmätt och beräknat tjällyftnings- och tjälnedträngningsförlopp, samt uppmätt köldmängd och det vid valideringen använda ackumulerade dygnsgradeförloppet, här kallat beräknat köldmängdförlopp, 1983-84.

Freezing index, observed and calculated frost heave and frost penetration, 1983-84.

V8-nld

n

yun

153

1

Buyze

aJd

11A

V8

-n

ld

B

ut

ul

an

ln

ls

al

sÄJ

d

IlA

v

JH

ÖL

J

-I -. 4 -NB LL VA WÅX lE HN BS DN IN FH QS HQ dN QH lS

?äg

_áQ

i

lN3

N31

3-8

311

13d

00

(3

ååä

;H

VA

la

sa

ag

wa

awa

yA

O

2

=

m

0

L_

aa

n

HS

NO

HH

g

El

Qi

.

la

HN

aa

VA

la

xs

la

HN

BE

Ål

S

9N1

831

081

J

2

3

° 1

AI

lV

lS

:

:

J J J

aa

VL

yw

-3

81

38

98

Gubouoo

VA

RM

EF

LO

DE

0

(1

10

-2

20

m)

MJ

/m

z

11 . O O 1008 0 x x 0 x 0 x

X

x 82/83

'

0 83/84

x

50«

°

x x. 0 8 % X 1 1 1 0 500 1000 1500 KOLDMANGD °de

Figur 5 Den genom nivån 110 om under vägytan passerande

energimängd-en, minskad med från nivån 220 cm u.vy. tillförd energi och den för samma tid registrerade köldmängden. Skärningen med x-axeln är den köldmängd som åtgått för frysning av jordmassan ovan 110 cm-nivån, vilken huvudsakligen utgörs av överbygg-nadsmaterial.

Measured heat amount passing terrace (110 cm below road

12

1983-84 //

1982-83

I

20004

1000-U

800-x u

°

600-D CJ .. Z :<1:

E

400-...1 :O 3:

200-100

Figur6 I

50

160

VÄRMEFLÖDE (le (110 cm u.v.y) MJ/mz

Totalt uppmätt köldmängd och motsvarande mängd uttagen vär-meenergi. Sambandet gäller för den undersökta undergrunden vid denna lokal.

Bilaga 1

Sid 1 (7)

Exempel

En bank skall anläggas på en undergrund som utgörs av material tillhörande grupp III och vars b-värde är 0.02.

Grundvattnet ligger i nivå med terassytan. Banken kan utgöras av sand, grupp I, eller hyttsten. Dimensionerande köldmängd är l650°de. Hur tjocka

lager erfodras vid användning av de olika materialen ?

Steg 1

Inledande beräkningar ger vid handen att för ett fullgott tjälskydd, 0 cm

lyftning, erfodras 230 cm sand eller 140 cm hyttsten, figurerna 1-2. Hur många cm sand som ger samma tjälskydd som hyttsten för olika

undergrund-er visas i figur 3, vilken gällundergrund-er för köldmängden 1650°de. Ur figur 3 kan vi utläsa att med den dimensionerade köldmängden 1650°de (F 10) kan vi, då

undergrunden utgöres av en grupp III jordart, välja mellan exempelvis

170 cm sand eller 90 cm hyttsten, vilket ger samma grad av tjälskydd. Vi kan också utläsa att lm sand ger, under samma givna förutsättningar,

samma tjälskydd som 45 cm hyttsten. Tillåter vi å andra sidan 4 cm lyftning

reduceras de erforderliga tjocklekarna till 155 cm sand respektive 80 cm

hyttsten. Steg 2

Kan vi spara in på den erforderliga sandtjockleken om vi använder 30 cm

hyttsten i förstärkningslagret ?

Figur 4 visar den tänkta konstruktionen och de vid beräkningarna givna förutsättningarna. Ur diagrammet framgår att ett fullgott tjälskydd erhålles med 150 cm sand, då undergrundensb-värde är 0.02 (grp III). Tillåter vi 4 cm lyftning kan sandlagrets tjocklek reduceras till 80 cm.

Vill vi så jämföra effekten av 30 cm hyttsten på sand med enbart sand, har i

figur 5 inlagts kurvor illusterande denna relation, fortfarande med samma

Sid 2 (7)

Det bör poängteras att med den tunnare tjockleken så minskar också avståndet till grundvattenytan, vilken hela tiden antas ligga i terassytan.

Med dessa praktiska exempel, men för byggaren värdefull information, är avsikten att visa hur VTI-metoden kan bidraga med underlag till beslut om

FIGUR 1

:üd 3(7)

AxH

(cm) I

15-*

-/\/O.T8 : i 2 _ % F : 1:5 : : 5 i 210 i : . >

1.0

MÄKTIGHET SAND (m)

20 "'

15-'

10

--sid 4 (7) I I

1.0

FIGUR 2

1_

1:5 7

MAKTIGHET HYTTSTEN (m)

sk15(7)

FHHR 3

SAND/

_'

_.

(m)

[3:002

20'"

_F

_.

10

F50.

15

_

(grp 11- H/IH)

F10 b=0.05

'

(grp 1/11)

F10 :3:010

10--05-*

of] : : 2 O: : 4. : :i 120 ' : :k : 1'5 >

HYTTSTEN (m)

IJ

AL

LY

HN

IN

U

(c

m)

U 1

15'

.. .x ₀

b=005

b=002

sid 6 (7)

FDIM=1650 °de

0 _ 4._ 20'-H)

FIGUR 4

BELÄGGNWE BÄRLAGER HYTTSTEN (cmh SAND' I GÅLY UNDERGRUND

,S

AN

D(

m)

2.0 '

15'

10*

05-OJ

sid'7(7)

FIGUR 5

b=002

FDIM :1650 °de

BELÄGGNING BÄRLAGER HYTTSTEN SAND (cm) W UNDERGRUND

L; U 1; I GÅLY

0:1

r 0.'57f"1i0'1"1'.5