Planprojekt för strukturering av problemområdet bärighet under tjällossningen : Etapp I

Nummer: V 29 Datum: 1986-04-29

Titel: Planprojekt för strukturering av problemområdet bärighet under tjällossningen. Etapp I

Författare: Rune Gandahl

Avdelning: Vägavdelningen (Vägkonstruktionssektionen)

Projektnummer: 43002-5

Projektnamn: Planprojekt för strukturering av problemområdet bärighet under tjällossningen.

Uppdragsgivare: V T1

Distribution: f£K/ begränsad /

&

Statens väg- och trafikinstitut

, Vag0ch Trafik-

Pa: 58101 Linköping. Tel.013-204000. Telex 50125 VTISGIS. Telefax 013-14 1436

Instrtuteft Besök: Olaus Magnus väg 37 Linköping

fn jr Sa KJ # On 10 11 12 13 INLEDNING BÄRIGHETSBEGREPPET

BÄRIGHET HOS TJÄLKÄNSLIGA VÄGAR

TRAFIKERINGENS VERKAN PÅ VÄG VID TJÄL-LOSSNING

OBSERVATION AV VÄGARS BÄRIGHETSTILLSTÅND Okulär besiktning av vägens ytliga förhållanden

Mätning av vägens bärighet

BÄRIGHETSFÖRLOPPET I RELATION TILL TJÄL-FÖRLOPPET

HÅLLFASTHET HOS TJÄLADE UPPTINANDE JORD-LAGER I VÄG- OCH UNDERGRUND

TRAFIKREGLERING UNDER TJÄLLOSSNINGS-PERIODEN

METODER FÖR ATT HÖJA VÄGENS BÄRIGHET UNDER TJÄLLOSSNINGSTIDEN

FRAMKOMLIGHET PÅ VÄGAR UNDER TJÄLLOSS-NINGSTIDEN

LÖNSAMHETEN MED FÖRSTÄRKNING AV TJÄL-KÄNSLIGA VÄGAR

SAMMANFATTNING OCH PROJEKTFÖRTECKNING

REFERENSER 14 14 16 21 27 38 43 43 45 48 51

En icke obetydlig del av vägnätet skadas på grund av tjälen varje vår. Vissa vägar är så tjälkänsliga att de skulle skadas i oacceptabel grad om de inte stängdes för tung trafik under längre eller kortare tid av tjällossningsperioden. Ytterligare ett antal vägar utsätts inte direkt för tjälskador, men bryts kontinuerligt ned under etta antal år på grund av tjälverkan. Denna tjälens skadliga verkningar på vägarna har ekonomis-ka konsekvenser. Det bör alltså vara viktigt att utreda totalekonomin vad avser vägbyggnad, underhåll och trafikering med hänsyn till tjälens inflytande på vägens bärighet. Härav följer att det likaså blir viktigt att studera olika vägkonstruktionstyper, underhållsmetoder och trafikregle-ringsmetoder likaväl som mera allmänna frågor såsom drift av vägar, underhållstrategi och -taktik och trafikregleringspolicy.

Mera konkret kan i planprojektet för VTlI:s del urskiljas följande vägbyggnadstekniska frågor:

A Vilka kostnader för väg och trafik kan härledas till tjälens skadliga verkningar och var inom vägdriften och trafikeringen kan förändringar ge lägre kostnader?

B Vilka gamla och tänkbara nya vägkonstruktioner ger god bärighet under tjällossningsperioden?

C Vilka gamla och tänkbara nya underhållstekniker ger bästa bärig-hetsförloppet under tjällossningsperioden?

D. Hur kan en trafikreglering anpassas så att kostnaderna för väg och trafikering blir optimala?

2 BÄRIGHETSBEGREPPET

Ett idealt grundkrav är att en väg skall vara beständig dvs icke förändra sig. Egenskaperna skall icke ändra sig. Översiktligt gäller det egenska-per beträffande:

friktion jämnhet höjdläge - Materiallagrens form tvärsektion tjocklek - Material mekaniska egenskaper termiska egenskaper

En väg som är beständig är hållbar, dvs i vägen pågår ej sådana nedbrytande processer att vägens kondition försämras. För att mot-verka de nedbrytande mekaniska processerna, som den kan utsättas för genom trafikering måste den vara bärig.

Att en väg är bärig innebär att den måste kunna utsättas för de mekaniska påkänningar som trafikeringen utöver, utan att sådana nedbrytande processer inleds eller underhålls, som för med sig sådana förändringar i vägen att de måste motåtgärdas.

Trafikeringen består i överfarter, passager av fordon av skilda slag. Egenskaperna hos vägen att tåla överfarter av ett visst fordon eller av en kombination av fordon av olika slag, utan att konditionen kritiskt försämras, kan karaktäriseras som vägens bärighet. Graden av bärighet eller bärighetsförmåga (bearing capacity) anknytes till det antal defini-erade fordon, som kan överfara innan viss kritisk försämring av konditionen uppnåtts. Normalt talar man dock inte om fordonsöverfar-ter utan överfarfordonsöverfar-ter eller passager av definierade fordonshjul, som utövar definierad mekanisk påkänning.

Den mekaniska påkänningen från ett fordonshjul kan vara statisk eller dynamisk. Ett stillastående bilhjul utövar en statisk belastning. Ett rullande idealt bilhjul på en helt jämn vägbana skulle kunna sägas ge en

misk deformation eller bådadera. Dimensionerna hos de resulterande deformationerna vid hjulöverfarterna blir ett uttryck för vägens bärig-het. Med dimensioner hos en deformation menas här dess form (t ex krökningsradien) och utbredning (djup, bredd).

3 BÄRIGHET HOS TJÄLKÄNSLIGA VÄGAR

Tjälkänsliga vägar karaktäriseras av att överbyggnaden eller undergrun-den eller bådadera innehåller tjälkänsliga material. Ett tjälkänsligt material är ett sådant material, som vid tjälning och urtjälning föränd-rar främst hållfastheten. Vid tjälning ökar den vid urtjälning kan den gå ned till mycket låga värden.

Tjälkänsligheten hos vägen beror i praktiken av vägtypen. Man kan skilja mellan:

- Belagd bättre väg (jämn vägbana)

- Belagd sämre väg (ojämn, sprucken vägbana)

- Äldre grusväg (ytuppmjukad, spårig etc vid tjällossning)

- Skogsbilväg och liknande (växlande bärigheter, ofta ej framkom-liga vid tjällossning)

Till den belagda bättre vägen hänföres motorvägar och andra större vägar, där man redan vid projektering genom tjälskyddsåtgärder försökt kompensera för en tjälkänslig undergrund, se figur 1.

-# =U W= 1 = 1 =) ; = 1 Y vv Y vv F * o* ee o ee * ma YY b+ ** e* namnen een_{6 04 % 08 08 06 06 8 -% 08 06# 08 08 06 08 00% 02 08 0; 08 08} [ S S S g k : |. k e t t e r J S v 9 S G O H L J W N O I L J J I L O W d L S O W J A Y ( A T J A I L V 7 3 4 ) J S V 9 4 0 S S 3 J N H D I H L H = 1 / = = = U 1= 11 =1 / = = > H = 14 L = = 1 e ee 0& 9 2 s* 2 e2 e e e *ee e e 2.2..2.2.2..2..2..4.2. W N Y O J 9I LS VY I d LS VY 1d 71 71 39 S J L I V D 3 H D D V L H 9 I 3 M > k y y S Y R a N Y S 1 3 A V H 9 D Figur 1.

Figur 2. +e% s #7 LT TT T ST O T R e-p ä n N Å ce f e i Wi n vå f bm . å r . " t ' l . ' x . l . . £ , . . . . . . ) %* v e c L U a H : P "V T e c k e n f ö r k l a r i n g S e k t i o n 2 / 2 1 7 , 5 B e l ä g g n i n g Ba rl ag ergr us d Ga mm al vä gb an a Sa nd , grus ig -s te ni g Me ll an sa nd Mo , of ul lstä nd ig t sort er ad La tt me ll anle ra -la tt le rn -le ri g mo Torv Läng ds ka la 1: 100 Fy llni ng sjor d Ho jd skal a 1: 50 Öv re gr än s fö rsu lf id le ra ak men seek kak en f 4 3 Bil. 5b ST AT EN S GA 4 VÄ GINS TI TY T 2773 " 44 :0 2 © ee

eller nybyggnaden helt tjälsäker, se figur 2.

en nybyggd väg, där man av kostnadsskäl ej kunnat göra ombyggnaden** Den belagda sämre vägen kan ofta bestå av en ombyggd äldre väg eller

dade i varandra, se figur 3. & A

arg?/c;

*

Vayb

%

100

200

300

400

500

600

_$

480cm. _ ___ ___ ___

x Q x

W///%gggg/

1

sy

£

'

Vagsckfjor XR20

/

_a

$

_N

_e

₄₉

_>

rmO/P ,

sandig- --

_{Svmofån --- -}

_{F.; (_}

_raj

_%;

maj.? merän _{_E a _QngngO/S}

/ 24[?? 50],CLK _ 60 o.---.oeoocoo.annonsen-0-00GB. 0-00 (juni 1978 % Figur 3a. ©/F2 edra iq 200 300 400 _dis 560 600 4 CIM_{1 Å} Ö a

xx

ea

SD

XS I, xxx 47 Aj v Z / - % 20 / sand. / vågb genes pr vägbana" se (6. &)

Vegas/(19001 o

:

0

3/350

dö %

oss sNanX l e ave saa U Le 222 __ MHngers

kn» 5

o

trafikala endast under bestämda årstider såsom enbart vinter, vinter-sommar eller inte ovanligt hela året.

Tjälkänsligheten hos en väg yttrar sig på vintern genom tjällyftningar och på våren genom sänkt bärighet vid tjällossningen. Det är vid de belagda sämre vägarna och vid de äldre grusvägarna och vid skogsbilvä-garna som den sänkta bärigheten har betydelse för möjligheten till trafikering. Hit måste också räknas Y1lG-vägarna, som måpnga är svagt uppbyggda. Den sänkta bärigheten vid tjällossningen vid dessa nämnda vägar härrör från hållfasthetsnedsättning i överbyggnaden och vanligen också undergrunden. Vid de belagda bättre vägarna sjunker också hållfastheten vid tjällossningen i den tjälkänsliga undergrunden, men detta ger ingen deformerande effekt på vägbanan vid trafikering, om, som antages, överbyggnaden är konstruerad och dimensionerad med hänsyn till detta svaghetstillstånd i undergrunden. Däremot kan defor-mationer och sprickor uppstå i beläggningen vanligen om lagren närmast därunder är vatenkänsliga och också tjälkänsliga, vilket är fallet vid en hel del avsnitt av de belagda sämre vägarna.

I tabell 1 på nästa sida ges en sammanfattande bild av bärigheten hos de tre förstnämnda vägtyperna. De tecken i form av förändringar i vägbanan som kan observeras under tjällossningstiden och därefter benämndes symptom, som visar graden av (o)bärighet hos vägen. Symp-tomen är tecken på att i vägen förekommer processer som på grund av "svagheter" i överbyggnaden och undergrunden är nedbrytande.

NINGEN

Vägtyp Bärighet Symptom Svaghetszoner i överbyggnaden Belagd Hög Ev. "spår" och Beläggning, bär -bättre väg sprickor i be- lager eller båda

-läggning dera

Belagd Medelhög "Spår", ojämnhe- Alt. beläggning, sämre väg ter, sprickor, bärlager,

förstärk-krackeleringar ningslager eller två eller alla lagren

Äldre Låg Ytuppmjukning, Hela

överbyggna-grusväg djupuppmjukning, den

tjälskott, ojämn -heter, djupa "spår"

l TRAFIKERINGENS VERKAN PÅ VÄG VID

TJÄLLOSS-Verkan på vägen genom trafikering beror av vägtypen.

A. Belagd bättre väg

Denna karaktäriseras av:

- Tål normal (sommartid) den statiska och dynamiska belastningen på grund av trafikeringen, utan att några symptom, som antyder otillfredsställande bärighet visar sig.

- I vissa fall kan under tidig tjällossning, ibland tidigare än den normala urtjälningen startat, uppstå spårbildning och eventuellt sprickor i spåren. Vid belastningsprov uppstår en sjunkningstratt av liten radie. Orsaken till detta är att söka i ett försvagat bärlager. Händelseförloppet kan vara följande:

Vägytan hos en väg med tunn bituminös beläggning på grusbärla-ger uppvärms på dagen kraftigt genom solbestrålning.

Uppvärm-ret ånyo frysa. Upptining-infrysning kan så ske i flera cykler.

Om bärlagret redan vid det första upptiningstillfället innehöll vatten i större mängd, exempelvis infiltrerat på hösten, kan vattenmättnad uppstå i bärlagret, som är en instängd volym mellan beläggning och fruset förstärkningslager. Uppkommer ett positivt porvattentryck går hållfastheten i bärlagret ned markerat och spårbildning genom materialmigration i bärlagren kan uppstå. Sprickbildning kan också uppstå, som öppnar vägen för vattenin-filtration från vägbanan, så att vatteninnehållet ökar i bärlagret. Speciellt om infiltrationsvattnet är saltbemängt kan infiltrationen ske vid temperaturer under noll. Det finns nu möjligheter att bärlagret helt vattenmättas, vilket vid frysning föranleder rena issprängningen, och senare vid upptining ytterligare sprickbild-ning.

Om bärlagermaterialet från början är finkornigt eller om det vid upptinings-frysnings-cyklerna ytterligare sönderdelas genom frostsprängning föreligger förutsättningar för aktiv tjälning, dvs vid frysning uppifrån transporteras vatten uppåt, med tjällyftning som följd.

En skadeutveckling av ovan beskrivna art inträffade vid den nybyggda förbifarten av E4 utanför Söderhamn. I en bärig väg av den typ som nu behandlats kan spårbildningar uppstå, som inte har låg bärighet som orsak. Den är primärt orsakad av längsgående tjälsprickor, se figur 4.

Figur 4. Längsgående sprickor vid vägrenarna hos bred väg (12-13 m) uppbyggd av grusiga sandiga material. Tjälskjutningen är här planparallell för i huvudsak vägbaneområdet och avtar successivt inom vägrensområdena mot vägkanterna. Vägba-nåns lyftning får samma karaktär. Sprickorna som på grund av vägmaterialets hårdfrusenhet under vintern står öppna kan under tjällossningen sluta sig med spårbildning som följd. Den under tjällossningen sänkta hållfastheten hos överbyggnadsmaterialet i kombination med trafikbelast-ningen orsakar en materialvandring mot sprickan med sätt-ning och spårbildsätt-ning som slutresultat.

B. Belagd sämre väg

Den kan vara av två huvudtyper:

1. Byggd ny med grus-sandmaterial i bär- och förstärkningslager men av i förhållande till för orten ej tillfredsställande mekanisk styrka eller tjälskydd.,

2. Ombyggd gammal väg med nytillförda massor av grus-sandmate-rial i bär- och förstärkningslager och med kvarvarande eventuellt specialbehandlade ursprungliga massor, se figur 2.

De nytillförda massorna kan vid såväl den nybyggda som den ombyggda vägen vara växlande. Samma typer av skador som uppkommer i den belagda bättre vägen kan uppkomma i beläggningen (och bärlagret) och av samma orsaker. Dessutom kan uppstå andra typer av förändringar, som har djupare i vägen liggande orsaker.

Spårbildning kan vid trafikeringen under tjällossningstiden uppstå som är bredare än vid den belagda bättre vägen. Vid plattbelastning bildas

också en sjunkningstratt, som har en större radie än i det förra fallet. Detta tyder på eftergivlighet i lager även lägre ned än bärlagernivån, alltså i förstärkningslager/underbyggnad/undergrund. Nämnda lager har vid tjällossningen blivit uppmjukade, på grund av vatentillskott vid upptiningen av tjälen. Vattentillskottet grundlades vid tjälningen vinter dessförinnan genom tjälskjutning under vattenuppsugning i de lager som var tjälkänsliga.

Sprickor kan utbildas i spårbildningarna, krackeleringar likaså. Även om inte direkta spårbildningar utvecklas kan sprickor och krackeleringar uppstå, nämligen om beläggning och bärlagher är "svaga", som beskri-vits under A. Belagd bättre väg.

Speciellt då det gäller de belagda sämre vägarna, som är relativt smala, kan det vara intressant att studera belastningen från fordonen i vägens tvärsnitt och verkan av denna belastning. Lehtipuu har utrett frågan om bärigheten i vägens tvärsnitt (19).

0.8 0,7 ---" 0,6 & Pmax 0,5

O.4_

/

0. 3-7

Polk T

|

Fi

5

0.2 0,5

1

1,5

2 m

Tigur2.

DISTANCE "b"

I Lehtipuus diagram, figur 5, kan man exempelvis utläsa förhållandet mellan den reducerade bärigheten nära vägkanten och aktuell maximal bärighet (i vägmitt).

Är avståndet från vägkant till hjulparet 2 m blir förhållandet 0.55. Krymper avståndet till 0.2 m går kvoten ned till 0.3. H Jansson har redovisat deflektionsvärden tvärs en Y1G-väg och funnit den spridning som visas i figur 6 (20). Janssons och Lehtipuus resultat är i princip överensstämmande. (mm)] j 3 J1 l1m 1 Do 2 -'

dl

* x

0 -

4

N

Figur 6.

En annan företeelse, som ej verkar vara närmare uppmärksammad är

den större belastning, som fordonet utövar vid vägar på grund av

doseringen i kurvor. Vid nedsatt hastighet såsom i uppfartsbackar kan

den högre belastningen som det yttre hjulet åstadkommer ej

kompense-ras av sidoaccelerationen. En belastningsskillnad på 5-10 % är därför

inte osannolik. Eftersom vägen i den lägre liggande innerkurvan kan

vara djupare nedschaktad i svag undergrund och grundvattenståndet

högre, jämfört med ytterkurvan, kommer undergrundens bärighet

dess-utom att vara lägre i innerkurvsläge än i yterkurvsläge.

C. Äldre grusväg

Karaktäriseras av:

-

Att den är ojämnt uppbyggd med omväxlande mycket tjälkänsliga,

mindre tjälkänsliga och icke tjälkänsliga material. Undergrunden

är vanligen också tjälkänslig, dvs tjälfarlig.

I tabell 2 är fyra mera utvecklade stadier, som tillsammans visar förloppet under en tjällossning. Alla stadier förekommer inte på varje ort. Klimat, undergrundsförhållanden, väguppbyggnaden och klimat och väder bestämmer den lokala utvecklingen.

Tabell 2. Tjällossningsskador i grusväg.

L. Ytupp- II. Djupupp- II. Upptorkning IV. Tjälskott mjukning mjukning Djupuppmjukning

Upptinas -

Spår

i

Upptinat och

Tjälat

upptorkat

Upptinat och

Upptinat

_{has" frkela}

upptprkat

Tjälat

i

Upptinat_ ___

Upptinat

-/medlade ycker" -,

Tjälat

Tjälat

Stadium I är en ytlig uppmjukning av själva grusslitlagret.

Uppmjuk-ningen är föranledd av såväl in situ-vatten som tillkommande ytligt

vatten, som tillsammans skapar vattenövermättnad och låg hållfasthet.

Stadium II inträder, när urtjälningen går längre ned och i första hand

omfattar vägens "bärande" och förstärkande lager. Om dessa lager

förutsättes vara tjälkänsliga har under tjälningen tjälskjutning under

vattenuppsugning ägt rum, som skapat ett vattenöverskott som under

upptiningen frigöres och starkt nedsätter hållfastheten. Vid trafikering

kommer deformationer att uppstå långt ned i överbyggnaden. Det kan

uppstå spårbildningar med sådana djup att framkomligheten för fordon

omöjliggöres.

I stadium III har upptorkning skett i övre upptinade lager.

Överskotts-vattnet har avletts och porvattentrycket är ånyo under 0, vilket innebär

högre hållfasthet.

Den synliga effekten av de kvarvarande upptinade uppmjukade lagren på

lägre nivå är de breda spårbildningarna, som uppstår vid trafikering.

Stadium IV är en utveckling av stadium III vid de lokjaliteter där uppmjukningen på djupet gått extremt långt på grund av starkt vatten-känslig jordartstyp och stora överskottsvattenmängder. Den flytande jordmassan tränger vid trafikering upp genom de ofta längsgående sprickor som uppstått i det upptorkade lagret.

De strukturella svagheterna hos vägslänterna kan genom den tillkom-mande effekten av tjälning-urtjälning bli helt instabila och flytbenägna. Bl a i samband med trafikering, som skapar vibrationer, kan därför lätt jordflytning uppstå.

5 OBSERVATION AV VÄGENS BÄRIGHETSTILLSTÅND

En helt bärig väg, för den stipulerade trafikeringen (fordonstyp, över-farter, tidrymd), skall inte visa några tecken, symptom, på mekanisk svaghet. Den icke helt bäriga vägen, däremot, uppvisar olika symptom, som röjer mekaniska svagheter som kan lokaliseras till olika delar av vägkonstruktionen. Dessa symptom kan avläsas okulärt, fotograferas, inmätas etc. Man kan också testa en vägs bärighet genom att applicera en belastning på vägbanan och observera vägens gensvar.

5.1 Okulär besiktning av vägens ytliga förhållanden

Besiktningarna kan inriktas på vägbanan, dvs körbana (belagd) och vägrenar, stödkanter och vägslänter dvs inner- och ytterslänter och diken.

I belagd körbana, vägrenar och stödkanter kan man finna förändringar och symptom från uppställt standardtillstånd såsom

- längsgående och tvärgående längre sprickor - grövre nät av oregelbundna sprickor

- krackeler ingar samt

- tvär - och längsgående höjdojämnheter - koncentrerade mindre bulor

samt

- mer eller mindre breda längsgående försänkningar i hjulspårsläge

Vid vägar med grusslitlager kan i princip samma typ av förändringar från uppställt stadardtillstånd uppstå men med annorlunda utseende.

Vid inner- och ytterslänter kan förekomma längsgående sprickor, små skred och jordflytningar. Diken kan vara igenslammade och bevuxna med sumpväxter.

Vissa av de uppräknade förändringarna har uppkommit genom låg bärighet hos vägen, andra genom tjälaktivitet under tjälningsperioden och är inte en beskrivning av bärighetsnivån. För att kunna bedöma lämpliga ombyggnads- och/eller trafikregleringsåtgärder måste man alltså rätt kunna bedöma orsaken till förändringarna hos vägen.

Så är längsgående sprickor uppkomna under tjälningsperioden tjäl-sprickor, dvs som tidigare sagts har de uppkommit på grund av tjälprocesser, i detta fall närmast genom i tvärled ojämna tjällyft-ningar. Längs en längsgående tjälspricka kan vid tjällossningen en med sprickan parallell försänkning i hjulspårsläge utbildas, se figur 4 och R Gandahl (1), sid 8-9. En sådan spricka betyder ej att vägen primärt har låg bärighet. Intill en tjälspricka kan utvecklas ett grövre spricknät eller krackelering, som har föranletts av den ursprungliga tjälsprickan, men senare i utvecklingen kan vara orsakad av svagheter i bärlagret. Som ett exempel på krackeleringstyp som numera är ovanlig kan nämnas den som utbildas i svagt uppbyggd väg (grusväg) på torvunder-grund (myr, mosse). Det utbildade spricknätet är ett symptom, som lätt kan härledas till dålig bärighet hos vägen.

Försänkningar i hjulspårsläge är normalt tecken på dålig bärighet hos vägen och har uppstått under den ofrusna tiden, vår-sommar-höst. Sammanfattningsvis gäller alltså att de förändringar man kan notera vid vägen är symptom på processer som skett och sker i vägen, som kan förklaras, beskrivas och kvantifieras, och där grundorsaken är antingen tjälfysikalisk eller bärighetsmekanisk eller en kombination av båda. Vid en okulär besiktning gäller det alltså att åtskilja dessa två

grundmeka-nismer.

Som ett exempel på hur man kan arbeta genom att först observera vägtillståndet och utifrån detta dra slutsatser om lämpliga åtgärder, t ex förstärkningsåtgärder, kan nämnas en metodik man använder sig av i Frankrike, Exempelvis Nancy, se broschyr från GERPHO (2). Vägbanan fotograferas på natten med anpassad belysning till en bredd av 4.6 m och i smala tvärstrimlor så att man erhåller ett kontinuerligt foto av vägen. Utvärdering av filmen sker sedan i laboratorium. Utvärderings-resultatet får sedan ligga till grund för åtgärder, se broschyren.

5.2 Mätning av vägens bärighet

Det har skrivits och skrivs ständigt om olika metoder och varianter av metoder för att mäta en vägs bärighet. I detta planprojekt gäller det att ta hänsyn till att det finns vägar av olika bärande kvalitet, från en belagd bättre väg till en enklare skogsbilväg. Också speciellt för planprojektet är att mätningarna syftar till att ske på vägar under tjällossningstid, då bärigheten i vissa fall kan vara obefintlig, dvs vägarna är oframkomliga för fordon.

Den ideala mätmetoden är en metod, där en mätning vid en viss tidpunkt under året ger ett värde, som kan överföras till ett bestämt antal överfarter av visst definierat fordon (axlar, ringtryck etc) under ett bestämt antal år, utan att vägens kondition försämras mera än till en viss uppställd nivå. Svärigheter uppstår genast att bestämma denna ideala tidpunkt, eftersom bärigheten förändras under hela året och har sitt lägsta värde under tjällossningstiden.

De metoder man vanligen använder för bestämning av bärigheten grundar sig på förutsättningen att vägkonstruktion och undergrund uppträder som en elastisk kropp visavi de krafter som det passerande fordonshjulet utövar. En exemplifiering görs enligt Erling Reinslett (3). Man belastar med en stel cirkulär platta och får då som följd en nedböjning i vägens, en sjunkningstratt, enligt Reinslett nedböjnings-bassäng. Reinslett får själv beskriva nedböjningsbassängen:

Nedbgvningsbasseng

For å registrere nedbgyningsbasenget er det nödvendig å måäle dekkeoverflatens nedbgyning. Dette skjer ved at nedbgyningen måles under og i forskjellige avstander fra belastningspunktet, og med disse verdier beregnes en matematisk funksjon for nedbgyningsbasenget. Ned-bgyningsbasenget beskrives i et koordinatsystem (x,y) .

f (x,y) = nedbgyning 1 kordinatene x,y

Formelen brukes videre til å finne nedbgyningsbasengets utstrekning

f£' (a ,a) = 0

hvor: a ,a = nedbgyningsbasengets utstrekning

Dersom :.cubgyringsbasengecs utstrekning er stort er dek .. (overbygningens) svertstivt i forhold til de underliggenace lag og dersom nedbgyningsbassegets utstrekning er lite er dekkets (overbygningens) lite stivt i forhold til de

underliggende lag. i? Nk "veaX4 _A 4 / X v_{N |}i NO 2_N i >N_h $ ___!_.___ 3 XV vo l N & ' & X * fi N n Sx XX # NM !X dt % & m e er 7 V Xx 2 % ©) Nedbgyningsbas - nu

LOAD

[Ac (1.5*) (E, = 450.000 psi]

ooooooooooooooooooooooooo ... '''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''ooooooooooooooooooooooo ...+ ...erste

..o ""*""'

Ses

Sc

5 ? "". CeI... %.:..Å'Q. j 5002/2506-021 TRH

égågäcgååg Base (12*) (E; = 20.000pat] 2

&::09915S52P5 Se t ff V1 Unioaded Level '

/ (Center detlection = 43 mois)

X 2

...

(

ÄÅX. Co 2 ... "

2/) fas..,."_{COW >>2 SX}dy 09 o _©4

a., ..pagga

ägd mami ? 4

202023

' Ju1 ';: .s9 du Pe- 920

- 907 Fa I. Y Q'Vo.. o .S .. *... '-'2- q igd £

Q oOpagivoo ägg????)Ooéggoqooézvo%Uägoodo . ä o205.0 k 5

N _{Oooooaåogågoe &,ng ?g 020200;So Q.}e © 42029 -=2 *'g2099,_{goQ00099090 og (29.00}9 _.euQ

-T$S)Gig A* 9920 O.? o 2220 QS 2

OOQ'ÄOOOC'?Q%O 'OGQZOÄQOQ 105 da 20(fo252 2 Sets oocoooaggo

. ho O'DOOQOQBQO:Q25QQ. QOQPQQ£0.60 mst Q 20 e fir" e> - QQ o0%60.3.00å99.é'0. ååoooqaåB..o:odocå 000|

2.SQSQCZåSQPoQ =; 203QOS,%:? Xoo: Ooåågogåg'åosåååQQg ä'ooaååqoa20&WQQQOZQggg.QOOd

G 2 S & *+Q " 3 * 62 e 0

Q.od_m 3394. ost .,QOcdpA oo.992 ca. _.o©50001 2e%602 062.229SP 'OQO' é. o 9%21% S* 000500

.O'Q [=) O.CQQ 199 DO 990 QPR-QwJ QQ..QO e- 0 QC, &eX490Q 0 %+ b. S eQ

PR 0825 SC Zanne22

Que; hu0Pye t g

2Tje 92 i 22-1220 3

250 2 o

l Ed

%

3

vt

gom

a- I & nå

»

Rai 0 gyÅ

0

m

Figur 7.

[AC (1.5*) [E, ss 450,000 psi]

LOAD

+ Unioaded Level

/ (Center detlection = 18 mila)

...eo...oooooooooooooooooooooooooooooooooooooonone een see...senatensne nnanennptet enestetestetenestetree 1 ... ... ...

ol' | '". seen tesenen dennegen nes ta repestee ne

r J... ..W'4hO'. "'='::=35:35:155555225'-'"""""""v..|.4.Q'. MC r

4; TSLRTPr mm., ..AR PA ...,, . t

u ' a

0.5' Thnwod Base (o') [En=-20ooo pu]en | |.00...|.

%%ko'oqht

"I.

,>

%

»200905

0-0,

Re- p TB -A

Lx

*0-2

luv.'|'.åxå! 32295. 35'3'."..'.' åå..s-:nb. _ l D Sd mel) v l CLVd - m L s Te; o

» 11vp 2a=ng? [':' T:ffw/bh Q'loxk=>n "2 få"ZSk );*"4."* ue,tu=st,; 22åxKv RS (M= 'x

> _{J NE) 22/57 me; Alas = in t}EA 5-5 EVE 2 315: Z 20 21 Sud Sp 2 *Az_{WZTIS2 Nu Ly 25fy}*,JP 2,_{Sm -}du. :

II / TLU F- A* Up W» "h, Le Ng T t v»x u = y) e,

tad E Z * ut=0 = = 4ulu.x "1lreyy meal! 2 SZ 2UU Fä

1 s vt 2 3E 2VSF S Ni_{hg==210 ps xx= f 35 ny Tvet: . e. if?}em _{2 u NOLS Z 87}et SörSnSn ttED_{%&. _ v = #4}

(e,.nv'åf'txn24-0, Ejäv .u_|;th >S vä La z ing=! gång;"? ,); (T*/axl(:"MNSNE Va

e + g ' 4 i

Figur 7 visar det fall att deformationen under sjunkningstratten går ned i bär- och förstärkningslager, som alltså uppvisar eftergivlighet för den påförda lasten. I figur 8 går deformationen endast ned i bärlagret, som är upptinat till skillnad mot förstärkningslagret, som är fruset och fortfarande styvt och hållfast.

Figur 7 och 8 visar alltså aktuella tillstånd hos en belagd sämre väg under och efter upptining av överbyggnaden. Vid belastningsförsöken kan lasten vara statisk (under viss tid) eller dynamisk. Resultatet blir i bägge fallen en sjunkningstratt, som efter avlastning flackas, varvid vägbanan återgår till nära den ursprungliga nivån, vilket kan ta kortare eller längre tid.

Deformationen hos en vägbana, som i princip fortplantas lagervis avtagande nedåt i vägkonstruktionen beror alltså på det tjältillstånd som vägen befinner sig i. Denna deformation växlar följaktligen under året, men också under olika år. Som exempel på detta lämnas i figur 9 några typiska diagram av F H Schrivner (6), där han för fyra köldmäng-der plottat deflektionsdata från plattbelastningsförsök (Dynaflect) i relation till tiden i en cykel från december till november, och där tjältillståndet under vintern beskrivs genom inritade tjälzoner (tjäldjup, urtjälningsdjup). Anmärkningsvärt är de höga deflektonsvärdena vid köldmängden 1009F.days, dvs där under den milda vintern ett antal frysnings-upptiningscykler växlat. Samma men i mindre grad är fallet vid köldmängden Vid den kalla uthålliga vintern 21000F.days är deflektionsvärdena däremot låga. I övrigt visar deflek-tionskurvorna det förväntade förloppet under tjällossningstiden. Samma gäller krökning i sjunkningstratten (surface curvature index)..

Mätningar av deflektion etc enligt ovan är primärt anpassade till att utföras vid relativt bäriga, välbyggda ytbelagda vägar, där de överfa-rande hjulen ger en fjädring hos väglagren. Vid belagda sämre vägar, men framför allt grusvägar, förekommer visserligen fjädring på motsva-rande sätt men även en mindre eller större plastisk eftergivlig rörelse, som direkt ger en permanent deformation. Ett idealt provningsförfaran-de vore då att efterlikna provningsförfaran-dessa hänprovningsförfaran-derser i vägen.

Figur 9. Omv ' få 2 10 40 Lim it -(195) GO» NOUWDT1330JuÖN1YVASND 39VSHNS 0 i % ) --UE Fi EC Tu n 1 9 X M -6 _ _ Sc i T e -0 D E C | J AN | | |NO V 1966 | ig e7 | FEB | MA " I 'Z J Ä V JU N LJ UL JAU G i SE P | Oc t | 32 3 l (*v1 ( 80y43uv! ) J 3 8 +»fanaavdA ba 4. -T1 X PA ©Z *4 14 U _ _ M (S it v Li : av ) a 1 0 0 * F -da y s -> L O A D LI MIF rar" ( 9mpDu: - 11]1p; ) A. 08 (195) JO JDVSNWNOYS GNY LITTIsVNAG h o n _ 0 . Avd 20 D. n. -, &. i lu ov © nan cy m lm l w a ls c p OC T 1, 97 DE C | sa n

|

|

196

8

|19

er

|E

L:

"

AP

R

PAV

EME

tsT

sone

© 8 ? 8 3

(890494) )

MLe30

4

&

77 . , s. / / + ; _ 1 3 0 0 9 F -d a y s (34O] )

4IN!7 QvVO01 JIxv Gasodm! FiviS (940L )

UNIT Gv01 FIxV JIViS

N ;1p )

(DS) X3GN! 39vIHNS

QONY ©*NOI19371330 19371svVNAG hod A K N L E LO I F / AQ 11&0 ( sayou;) KLG3G0 SD % # , 0 524 P -rig] > 1 4 © 8 9 8 $ r a 20 [ ar u r [ m [ 5 [ 1 (1 0[ 1 8] NO v 19 67 (3401 ) TIXY IvViS PAvE ME NT SU BG RA DE CAAv) *. ",...". sa: b . 6 0 0 * F -d a y s . _ L O A D L a n t t i & (3O43u! -;! p; ) (195) K3ON: FVRMS GNV "NOIL9371330 L9TISVNAQ t 0 2 0 "1 DE C | J A N | g å 1 9 6 6 | 1 9 6 7 s e[ > ( = = ( > = = J a m ( 3 [ s m N O V 1 9 6 7 (9vOL )

Lu! TIXVY GZSOGH FIVIS

4. © 8 2 8 8 Hi F R O S Y PA VE M ET S u B G R A D E i (C uL ay L o a M ) a ? d . 2 1 0 0 * F -d a y s . + 20

För att få en uppfattning om bärigheten hos en väg uppbyggd av finkorniga tjälkänsliga material har en dynamisk konpenetrometer ut-vecklats av E J Kleyn, M.L.I. van Heerden och A J Rossouw (6). Genom slag med fallvikt bringas konen att penetrera de olika väglagren och undergrunden. Ett lager med stort motstånd mot kongenomträngningen fordrar många slag av fallvikten. Fältmätvärdena överföres sedan till CBR -värden, se figur 10.

DCP _FIELD_ FORM "_ LAYER-STRENGTH_DIRGRAM

BLOKWS DN g 8 ____28 __498 68 69 a ga um e 2 168 222

å 208

E

1

*

1 300

å

E

488

14

z

d

2

t

E 580

_{4 san}

fs

_g

r

_&,

& sea

'

_{FROM FIGURE i}

sem

nos

cBr im $ 8

8 2 "

FIGURE 1

FIGURE 2

DCP FIELD FORM

LAYER-STRENGTH DIAGRAM

Figur 10,

För att kunna studera bärigheten hos tjälkänsliga vägar som har en liten

bärighet och där inverkan av passerande fordonshjul till stor del är en

plastisk deformation hos vägen, behövs mätmetoder som tar hänsyn till

denna mekanik.

6

BÄRIGHETSFÖRLOPPET I RELATION TILL

URTJÄL-NINGSFÖRLOPPET

I figur 11 visas förloppen för lufttemperaturen, köldmängden, vägbanans

höjdändring (tjällyftning-tjälsättning), tjälnedträngning och urtjälning

för en höst-vinter-vår-säsong. Det kan bl a anmärkas att tjälsättningen är avslutad vid nära samma tidpunkt, som tjälen försvunnit för gott ur undergrunden. I figur 9 har tidigare visats hur "bärigheten" (deflektons-mätningar) varierar vid tjällossning och tiden därefter. Deflektionsvär-dena åter går ej omedelbart till en höstnivå, de minskar i princip under -. hela den ofrusna tiden.

Ar 1961 - Ar 1962 Fig. 4|

L

[sep _| okt_| nov _| dec _| jen _% feb _| mer _| epr _| mej _ jun _| jul _| eug|]

[_| P | okt a0v dec ' jan feb mer =. apr ' maj % jue -; [u! = nog .]

inna (AD

Figur 11.

Något mer schematiskt men med aktuella värden har R S Nordal (7) illustrerat "bärighetens" variation (deflektionsvärden under ett antal år vid Vormsunds provväg, se figur 12. En detaljbild över

"deflektionsför-loppet" visar Nordal i figur 13. I detta fall kan avläsas att deflektionen är störst just då urtjälningen blir avslutad, för att sedan minska vid det följande urtjälade tillståndet.

s 0 kona em jo (*; f1% bo dT % 2 V

D

[

i

i

[i o

i

sr M

$

M

p] 1

di

1

f

1

']

3

_{0.50 +-}

4

1

1

1 1] 4

_{1] 4}

i

₁

₁

1

| fre! E

s

J

S

17

(Q'-J L J

©

z

1.00

t

em)

lm P % 1 X Pom AH (N p 1 e en | i - 1 d j i t 1] g ] 1000 m || i i :| f 1 1 1] 4; 1 4 N L M s S₀ 0.50 - ₁₁₄1 ₄pg i 1 100 d

₁

_{;] 1}

1] 1

_{1] 1}

D]

_{1 ;}

34)

C

'

lf...) I 1 : J E 1.00 +- j 1 i H S 1 | 1 s ven å 1.50 +-1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 Figur 12. April Ma June 0 10 10 20 10 20 E £ 2 xN _r_ Thawed Q 1 C Xx % -- Frozen s £ 2 O%C isotherm a 4 W tv [tt E 0.40 ma &

xx,

--E 0.80

S

©

S

& 1.20

J/

Figur 13.

Reinslett visar i figur 14 schematiskt hur v>gbanans

de-flektion

under olika årstider och i relation till

krum 6 8 A tot k rum o r P %åfå*' i = ommer 1 ©

.

/ 1 A 1 1 7 e B 6,_{krut". |--X - öö St Tone} l₁ sommné rb p | I. c +;1e | 6 "7 1

I,f/r/fffl"Jr_r7//r7fr/IIII/I/ IL,/III > tot

tot ,sommer tot ,tele

0_0 prom 9 © ©

&/1--+0---2d& vinter i . sommer

» tid

1, ForstQerkningslag Pekke. Berelag

og;elleér / oz aller oy /eller

z undergrunn berelag forsterkningslag

Fiur14.Dekkeoverflatnqs nedbgyning

og

tel

*

tt *

d hd

funksjon av '

-7 7 *--- > "09 S*"

+ +_ äv > e o 0

I

dg- fölgende gis en mer inngaående forklaring av

periodene og sonene.

_"

D

ad

**

Periode (

ode

(T)

_{I den förste del av frostperioden}

₇

_Lod

_blir

övre del av overbygningen påvirket av

telen slik at denne blir stivere 00 får

större lastfordelingsevne.

_{Dette medför:}

at störstedelen av reduksjon i total ned;

_{ning ( 5 ) Skjer P.94.4. reduksijon} ; X

delnedbwyggåj

( 3,

) 7

J

av

Periode (II) Periode Periode Periode (TTT) (IV) (V)

Når den gvre del av overbygningen er fros-set, vil telefronten fortsette videre ned gjennom overbygning og undergrunn. I mot-setning til periode (I) gir dette ikke saerlig reduksjon i delnedbgyning C

men stor reduksjon i

totalnedböynlng%%tot

Tineperioden begynner med at telen opplöses

hovedsakelig frå oversiden.

Tineprosessen

i denne perioden er motsatt av det som skjer

i periode (I) slik at störste delen av

gknongen i totalnedbpyning

(408) skjer

p.g.a. gkningen i delnedbéyning

"(ökrum)'

Aksellastrestriksjoner innföres i denne perioden.

I denne periode fortsetter tinefronten (oversiden) ned gjennom resten av over-bygningen og/eller undergrunnen inntil all telen er opplöst.

Disse lag h':*tes opp samtidiji; som vann till-föres til den gvre del av overbygningen. Denne delen har nå begynt å törke slik at fordampning/drenering skjer fortere enn tillförsel av vann frå tinefronten. For-skjellen mellom fordampnin»g/drenering og tilförsel av vann til de ;vre lag av over-bygningen göker jo dypere tinefronten

kommer og til slutt fås avtakende delnedbsyninag (4, ) selv om totalnedbeyning

(2 )

Gerum

tot

I

mellom periode (IV) og

periode (V) opplöses resten av telen.

Det som skjer videre er en ren tgörkeprosess.

Vannktilförselen fra tinefronten till den pvre

del av overbygningen avtar og går mot null,

og mot slutten av perioden er det en constant

uttörking gjennom hele det området som har

vert frosset.

Uttfårlningen fortsetter

innan-til "teleocmrådet" har normalt vann.nnnanc la

Vegens sommerbereevne bestemmes når vannet

frå opplösningen av telen er fordampet.,

drenert bort frå vegoverbkygning og

under-grunn.

På deformasjon virker dette slik

at en i begynnelsen av perioden får en

drastisk reduksjon i

(:, .) ,

mens det ennå oppstår -kning i total- ***"

nlnq (3+ t) Forandringen i

total ned

odfnlnjo

(%,) vil i begynnelsen

av denne periode gå v": fra en gkende

til en avtakende verdi.

Mot slutten av perioden vil reduksjon i totalnedbgyning

(åt t) og delnedbyyning

( 5

) vare konstante og gå mot

_.

_{krum '}

sommer og d tot, sommer '

Aksellastrestriksjonene oppheves i slutten

av denne periode.

Vegqgens sommerbaereevne

(P

vurderes ut frå $

Ogg 8 ( sommer) krum, sommer

tot, sommer

og vegens baereevne i telelgösningen

(Ptele) vurderes ut frå

ökrum, tele "94 6tot, tele"

Ved å studere forholdet mellom delnedböyning

(Skrum)

og totalnedbgyning

(6 ot) kan man finne de kritiske lag

i overbygning og/eller "urdergrunn som funksjon av tiden.

Sone (A)

Det kritiske område ligger i den övre del av

overbygningen og omfatter dekke og ... Ler

bere-lag.

Den kritiske periode for disse lag

begyn-ner i periode (III) og slutter i periode (IV) .

Innenfor sone (A) er ringtrykket avgjörende for

nedbrytning av overbygningen (dekke og/eller

hkerelag) .

Sone ([B)

Her ligger det kritiske område i en dypere del

av overbygningen og omfatter bere- og/eller

forcsterkningslag.

For disse lag begynner den

kr iciske periode i periode (IV) og slutter i

: eriode (I).

I denne sone er både ringtrykk

og aksellast

avgjgörende for nedbrvtning

av overbygningen (berelag og/eller

forsterknings-lag) .

(

3U

Sone [(C)

Det kritiske område har nå

enda dypere del av overbygn

grunn o9qg omfatter forsterkni:

undergrunn.

Den kritiske per

lag begynner i sone (I) og slu

=-

H

3

+-r ' -S H Q ( Q 6 3 c t O n fu i Q ( D Q S a i ( D -u n Q F ( 0 + -M x xx ( D 1i ) b y 0 f ( © £) HY c t f ; + -O c t ( D _n H O |_ _J ( D _Fr L A

I denne sone er bare total belastnin

for nedbrytning av overbygningen (fo

Reinsletts framställning kommenteras i det följande:

Anm.,

datot är icke total nedböjning = summan av delnedböjningarna. 3.tot är

lika med nedböjningen, som uppkommer i mätmittpunkten. fkum =

del-nedböjningen är skillnaden mellan största nedböjning i mitten och

nedböjningen på ett visst avstånd från mitten (300, 600 mm etc).

Periode (I)

an

Periode (II)

-

Periode (III). "Delnedböjningen" ökar dvs krökningsradien blir

mindre, på grund av upptinat försvagat bärlager jämfört med

fruset.

-

Periode (IV). "Delnedböjningen" avtar dvs sjunkningstratten

flackas, vilket kan ske samtidigt med att den största

nedsjunk-ningen som är lokaliserad till mitten ökar. De försvagade lagren

ligger alltså på låg nivå.

-

Periode (V)

Förutom att Reinslett har beskrivit sjunkningstrattens utseende under

de olika perioderna har han antyt de tjälanknutna processerna, som sker

i uppbyggnaden av väg och undergrund, jfr också hans zoner A till C.

7

HÅLLFASTHET HOS TJÄLADE UPPTINANDE

JORDLA-GER I VÄG OCH UNDERGRUND

Den som i Sverige gripit sig an med problemet om hållfastheten i

tinande tjäle är S Knutsson (7). Från hans rapport göres nedanstående

citat. I övrigt hänvisas till originalrapporten. Knutsson inleder sålunda:

bundet i form av is, då temperaturen i jorden var lägre än 0CC, frigörs och strömmar ut ur den tinande jorden. Är hastigheten varmed vatten genereras från den smältande isen högre än hastig-heten varmed vatten kan strömma ut ur den tinande jorden skapas porvattenövertryck, Om dessa är höga och kvarstår under lång tid, är konsekvenserna för jordens hållfasthet och därmed bärighet uppenbar. Vi får i detta fall en jord som har ett överskott av vatten, vilket givetvis reducerar bärigheten högst avsevärt.

För att kunna analysera bärighetsreduktionen under tjällossnings-perioden och jämföra denna med bärigheten under mera stabila förhållanden, t ex sommar och höst, är kännedom om porvatten-övertryckens storlek och varaktighet i tiden av central betydelse.

Orsaken till detta är att porvattenövertrycken styr effektiv-trycket i jorden och därmed också hållfastheten och bärigheten. Effektivtrycket betraktas därvid på klassiskt sätt som skillnaden mellan jordens totaltryck och porvattentryck och eftersom håll-fastheten i jordmaterial är direkt proportionell (inom ett begrän-sat spänningsintervall) mot det rådande effektivtrycket är det uppenbart att höga porvattentryck innebär en reduktion av jordens hållfasthet."

"I de fall jorden har höga porvattenövertryck är bärigheten hos jordlagren också särskilt känslig för vibrationer. Sådana kan lätt åstadkomma total kollaps hos jordskelettet varvid en kvicksands-liknande massa kan uppstå. En sådan har ingen eller mycket liten hållfasthet, varför också bärigheten blir mycket låg.

Enligt vad som konstaterats inledningsvis, beror porvattenöver-tryckets storlek till stor del på hur snabbt uppriningsförloppet är. Ju snabbare jorden tinar, desto högre måste permeabiliteten i den tinade jorden vara för att porvattentrycken inte skall bli oaccep-tabelt stora. Å andra sidan kan den tinande jorden vara ganska tät och ha en låg permeabilitet utan att stora porvattentryck uppstår om bara upptiningen går tillräckligt långsamt.

Det är med andra ord uppenbart att hastigheten varmed den frusna jorden tinar måste stå i en viss relation till permeabiliteten och dräneringsförhållandena i den upptinade jorden för att porvat-tenövertrycken inte skall bli alltför höga med hållfasthets- och bärighetsproblem som följd."

Vad gäller problemdefinition och randvillkor skriver han:

"I en första förenkling betraktar vi ett jordlager som kan betrak-tas som homogent och som har stor utsträckning i plan och djup. Denna jordmassa är från början frusen, vilket innebär att tempe-raturen i alla punkter är lägre än 00OC. Porvattnet är således bundet i form av is.

När detta frusna jordlager utsättes för yttemperaturer högre än OCC inleds en upptiningsprocess som fortgår från markytan och nedåt. Förloppet framskrider på ett sätt som i huvudsak regleras av yttemperaturen och den tinade och frusna jordens termiska egenskaper. Upptiningsfronten, som här definieras som 09C-iso-termen, utgör en nedre begränsningsyta för den tinade zonen, vilken successivt växer i storlek allteftersom upptiningsförloppet fortgår. Det tinade området begränsas således av en fast och en rörlig rand, se figur 15.

Läget av den rörliga randen (upptiningsfronten) kan bestämmas genom att lösa det tillhörande termiska problemet. För det enkla endimensionella fallet

beskråxgs läget av upptiningsfronten exakt

av uttryck (1).

ran

Z=0

_p

t

HX z = -X TINAT X (t) Z=-1 smb br f Töx

X(t) = o /t (1) där

X(t) = upptiningsfrontens läge under överytan vid tidpunkten t t = tid efter tjällossningens start

= konstant som beror av jordens termiska egenskaper och initiell temperatur. Ju högre ju snabbare tjällossning."'

I fortsättningen härleder Knutsson en tjällossningsfaktor, R, som teck-nas

x a _{" (8)}

Z/cvt 2/cv R =

där Cy = "kontrolleringskoefficient" för sättningsförloppet vid tjälloss-ningen.Knutsson arbetar sedan vidare med denna tjällossningsfaktor. Han avslutar:

"Sammanfattningsvis kan vi alltså säga, att den dimensionslösa tjällossningsfaktorn R, trots att den är oberoende av tiden, har en betydelse för porvattenövertryckfördelningen i den upptinade jor-den som påminner om tidsfaktorns vid behandlingen av klassisk konsolideringsteori.

I själva verket är R den styrande parametern för provattenöver-trycken i den tinade jorden under tjällossningsförloppet.

Utifrån vad som sagts inledningsvis är detta också rimligt, efter-som R just utgör ett förhållande mellan upptiningsfrontens för-skjutningshastighet och den tinade jordens vattengenomsläpplighet och kompressibilitet uttryckt genom faktorn Cy."

Knutsson presenterar i sin rapport en metod för experimentell bestäm-ning av jords tjällossbestäm-ningskänslighet:

"Av den teoretiska behandlingen av problemet framgår att tjäl-lossningsfaktorn är av central betydelse för uppkomsten av höga porvattentryck i den tinande jorden. För att studera den beskrivna teorins giltighet och storleken på c, i samband med tjällossning

har en ödometer fö endimensionell upptining av frusen jord konstruerats, se figur 16",

IN xLÅ'ST/ .

Figur 16. Ödometer för studium av tjällossningsförlopp. Upptiningen sker endimensionellt uppifrån och ner genom att provets över- och underyta har konstanta temperaturer, därav nam-net CBT ödometer (Constant Boundary Temperature)."

Den låga hållfasthet, som uppstår vid upptiningen av de tjälade jordlag-ren, beror primärt på hur stor mängd vatten som anrikats (i form av is) vid tjälningen. Vid VTI har tagits fram en apparatur som gör det möjligt att bestämma ett materials tjällyftningsbenägenhet. Samtidigt har utvecklats ett förfarande för beräkning av tjäldjup, tjällyftning och därmed vattenanrikning och dess fördelning i den vertikala materialpro-filen genom väguppbyggnad och undergrund. Apparaturen för tjällyft-ningsbestämning är beskriven av L Stenberg (8, 9). Beräkningsmetodiken är presenterad av S Fredén (10). Apparaturen för bestämning av tjäl-lyftningsbenägenheten framgår av figur 17.

Figur 17. '

Ll

,

|

Rö

re

ls

em

ät

ar

e

NW

St

at

iv

(_

Va

tt

en

Pr

ov

S t y r e n h et 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 -Q ) V ä r m e f t l ö d e s g i v a T e m p

©,

]

.P

el

ti

er

el

em

en

t

Utrustning för mätning av jordarters tjällyftning.

St

rö

mf

ör

sö

rj

ni

ng

se

nh

et

Ky

lv

at

te

n

U

t

r

u

s

t

n

i

n

g

fö

r

m

ä

t

n

i

n

g

a

v

j

o

r

d

a

r

t

e

r

s

tj

äl

ly

ft

ni

ng

Beräkningsmetodiken är testad mot uppmätta tjäldjups- och tjällyft-ningsvärden i fält, jfr figurerna 18-21. Ingångsvärden vid beräkningarna har varit förutom värden på tjällyftningsbenägenheten, registrerade uppgifter på lufttemperatur (köldmängd), jordartsföljd och grundvatten-avstånd. I figurerna redovisas dels uppmätta dels beräknade värden på tjällyftning och tjäldjup. Dessutom har i figurerna inritats stapeldia-gram, som visar vatenhaltsökningen för de markzoner där tjälskjutning skett. Vattenhaltsökningen är här plottad som de tjälskjutningsbelopp, som uppkommit i respektive delzon, se figurerna 18-20. Den sista figuren, nr 21, representerar ett fall där ingen tjällyftning skett, alltså inte heller någon vattenanrikning.

Sektion BA Temperatur 0 -10 7 >

/X

k

,Ax/

-20 -

X/

__/ Se

30

-150 -

100

mätt lyftning

50

beräkn. lyftning

mm Q

m

| Asfalt 0

Stenigt

grus

mätt nedträngning

beräkn. nedträngning

Moig

| morän

Torv

bd

Fin-molig

lättlera

*

nov

dec

jan

feb

mar

apr

ma ]

Temperatur 0 A A 710

'

a

-20

-30

Tjäl-lyftningar

mm

100

50

-

Vägupp=-byggnad

la!/JT fåsfalt åååå-0 ag -: -e Krossgrus - '" ") Grusig ->; Sand

V Mjälig

1,0

-/Q finmo Lerig 2 ; 0 mjälla

Figur 20. A s ta l t G ru S S a n d M ä l i g f i n m o T j ä l l y f t n i n g m m 1 0 0 7 5 0 å / /

/

o

/

+

up

pm

ät

t

tj

äl

ly

ft

ni

ng

_ -0 -0 0 , 5 -L , 0 7-7 O u p p m ä tt t j ä l dj u p 0 b e r ä k n at t j ä l dj u p

Tu © Q jur 1 2 _fa S] Q 3 g _{5 ora SÅ} u 'H'U G) u _{' md hl} Am _{-i HG} e- _cm k H .:» ed . +" _o 4) t 4) det -(G 55 o S s i i tryn © je. j f -= _{& $} | Å Z _O © _O a > _{O »} NA ₀ > 0 0 Q 40) O o on [e) >> O o an 5 rv ₌ & 09 0 9 o s* & - A » å e od 43 I SM e- U :- Q © IA J -=9 "9 -m E

band jan © 02 on 10 & ij

t2 S4 G Ue! © tr --[og 0 & 9 Q det % cA 2 4-4 2 - s 28 $ : i R S T 7 Ne * 6 2 t 9 > $ s > _Q Figuer.

Vid hittillsvarande utredningar för att lösa problem inom området för hållfasthet hos tjälade upptinande jordlager i väg och undergrund har

måst förutsättas renodlade villkor, dvs de som gäller i laboratorium. I fält, vid själva vägen, kommer en hel del svårberäkningsbara faktorer in. Det som praktiskt inträffar vid en tjälkänslig väg under tjälloss-ningsperioden är följande:

Utgångspunkten i slutet av vintern är att i vissa materiallagar i väg och undergrund har vid tjälning vattenanrikning skett så att dessa lagar är vattenövermättade (= isens volym större än jordartens porvolym). Vid upptining uppstår överskottsvatten i jordlagret, men genom att detta vatten strömmar in i angränsande jordlager, som inte behöver vara primärt vattenövermättade, kan vattenövermättnad ske även i dessa lager. Följden är det positiva porvattentryck, med nedgående hållfast-het, som Knutsson beskriver.

Urtjälningsförhållandena vid en väg vid en viss tidpunkt under tjälloss-ningsperioden kännetecknas av att det kvarstår en skiva av fortfarande frusen jord över större delen av vägbredden, som är praktiskt taget ogenomsläpplig för vatten. Under en stor del av urtjälningsperioden måste alltså det frigjorda överskottsvattnet dräneras uppåt och åt sidorna i vägen.

Det är också först när de sista delarna av det tjälade lagret försvunnit, som "normala" dräneringsförhållanden inträder.

Dräneringen åt sidan under den tid, då fortfaande en otinad tjälbotten är kvar, måste ske nära horisontellt, alltså med mycket låga gradienter. Dräneringen underlättas dock av att vid slänterna sker avdunstning av vatten, som kapillärt suges ut mot dessa, så att sammantaget erhålles en något förmånligare dräneringseffekt. Förutsättningen är då givetvis att dikena inte är vattenfyllda. Dränering lodrätt uppåt kan praktiskt taget inte ske vid vägar försedda med tät beläggning. Vid dessa vägar blir det alltså speciellt viktigt att material under beläggningen och i övrigt de bärande och förstärkande lagren icke är tjälkänsliga eller vattenkänsliga.

Vid grusvägar, som inte är försedda med tät ythud kan dränering av smältvatten från tjälupptiningen ske på två sätt. Vid full kapillär

förbindelse från vattenförråd i vägen kan dränering ske via kapillär-strömning och avdunstning från vägytan. Detta är en relativt snabb process. Om den kapillära förbindelsen är bruten, som blir fallet vid stark uttorkning av de ytliga lagren måste dräneringen i det sista ledet ske i ångfasen, vilket är en långsam process.

Hur den vertikala dräneringen kommer att utvecklas i upptiningsskadet beror i hög grad på vädret. Fuktigt väder hindrar uttorkning av de ytliga väglagren och kapillär dränering kan upprätthållas. Men är vädret av den nederbördsrika typen, regn och smältande snö innebär detta till-skottsvatten till tjälsmältvattnet och försvårade bärighetsförhållanden. Eftersom vädret skilda år är olika kommer alltså samtidigt tjälloss-ningarnas förlopp att bli olika.

8 TRAFIKREGLERING VID TJÄLLOSSNING

Trafikregleringsprincipen för reducering av trafikintensiteten har ut-vecklats i Norge och Frankrike. Den norska metodiken är beskriven i ett flertal skrifter. Den grundar sig på Reinsletts utredning (3). Här väljes att citera från en rapport av T-S Thomassen och R Eirum (11); se nedan.

blå

!! On the basis of the measurements taken over several years, it has been found that dates for imposing/lifting restrictions can be de-termined by deflection measurements during the thaw period. Such measurements simultaneously provide an indication of the reduction that should be effected in permissible axle load. It is also pos-sible to determine the restriction period with reasonable accuracy by measuring the thawing process. The permissible axle load must then be determined from bearing capacity measurements taken in at least three spring thaws or, if no such measurement has been carried out, from the register of bearing capacities.

2.1 Date of imposing restriction

Restriction should commence when the thaw is 10-20 cms be-low the road surface.

2.2 Lifting date

This date will depend on several factors such as total frost depth and ratio between permitted axle load during thaw and - in summer.

Figure 3 shows the time that must pass after the thaw reaches the critical depth before the restrictions can be lifted. The critical depth is that at which bearing capacity is lowest during the thaw

; vn 1000 ån de 3

period The critical depth can be estimated from the normalcha je

-f 1

frost desth ..

-Time from critical thaw dec:" !

is reached until load =2s*=.==" i

Toral frost Critical thaw tion can be lifSted (weexs) . 0i

tet test" Ft ön, [PW es Q 8 me Q .6 > 1.50 m 1.25 m 1.0 - 2.9 2.9 - 3.0 1.10 m : 1.50 » 1.00 m 0.5 - 1.5 1.5 - 2.5 0.80 m - 1,10 am 0.75 » 0.5 - 1.5 1.0 - 2.0 0.50 m - 0.80 a» 0.50 m Q - 1.0 0.5 - 1.9 0.25 m - 9.50 » 0.25 a Q - 1.0 Q - 1.0

Figure 3 Time from critical thaw depth is reached until

'load can be liftet

Restriktionerna införes alltså, när urtjälningen gått så långt ned som till 10 å 20 cm under vägbaneytan och den avföres när urtjälningen gått ned till ett kritiskt djup, som beror av det totala tjäldjupet, se tabellen. Urtjälningsdjupet uppmätes med tjälgränsmätare av R Gandahls kon-struktion. I övrigt hänvisas till rapporten då det gäller bakgrunden till hur tiden för restriktionerna bestämts.

I Frankrike finns ett liknande system för öppnande och stängande av den tyngre trafiken på tjälkänsliga vägar under tjällossningsperioden. In-struktionen lämnas från "Ministeriet" (12), Man stänger när lufttempe-raturen gått upp till viss nivå och har där också vid vissa vägar hjälp av kryopedometrar, en slags tjälgränsmätare. Sedan mätes vägbanans det-lektion med plattbelastningsförsök. När defdet-lektionsvärdena gått ned till ett utvalt jämförelsevärde, någorlunda motsvara de sommarförhållan-den, öppnas vägen.

som underlag för "tjälskaderestriktioner" bl a i Jämtland. Detta Vägver-kets försök visar ett visst intresse för att bättre kunna planera och styra trafikrestriktionerna under tjällossningstiden.

Vid införande av högertrafik i Sverige 1967, gjorde dåvarande Statens väginstitut en utredning för att ta reda på tjällossningsperiodens längd i olika delar av landet. Resultatet blev en karta, där landet indelades i zoner med tidrymd och slutmånad för tjällossningen som grund, se figur 22. Kartan illustrerar väl hur tjällossningstidens längd varierar över landet. Tjällossningsförloppet kommer också naturligen att bli skiljande över landet. Så uppstår vid djup tjäle en upptorkad övre zon trots att tjälen ej är fullständigt upptinad, se figur 23.

) %, TJÄLLOSSNINGSTIDENS LÄNGD 4

x* ___

OCH AVSLUTNINGSMÅNAD

ih'w* 3

.xk

LAST MONTH AND LENGTH

--//

(

OF FROST BREAK UP

*

G Juti 2,5 mÅN

PERIOD

%

N suty 2,5 montus

2

i

4

₃

Ys»l,»?leå. Juni 2 mÅN June 2 montns May 1.5 mån MaY 1.5 montn AprIL 1 mån APRIL 1 montn Mars 0,5 mån MarcH

0,5 MONTH

Figur 22.

Norrbotten

no v exceed

dec apr Taj

3. ad j LZ Grundvattenstånd

MeIIaHn

X

orr land

nov

dec

L

Tjäle

apr

äs savsammenim sana ss Öågäorkning Småland

dec jan mar apr

Figur 23. Schematisk bild över tjälnedträngning och urtjälning i olika landsdelar.,

9 METODER FÖR ATT HÖJA BÄRIGHETEN UNDER TJÄL-LOSSNINGSTIDEN

En principiell sammanfattning av olika metoder för att motverka tjälens skadliga verkningar har gjorts av R Gandahl (13). Här hänvisas till denna sammanfattning. Då det gäller speciella åtgärder vid de äldre grusvägarna även sådana som avses bli Y1lG-vägar, där man är trängd att hitta billiga lösningar, bör mycket återstå att göra i fråga om nya metoder för vägars rehabilitering.

10 FRAMKOMLIGHET PÅ VÄGAR UNDER TJÄLLOSSNINGS-TIDEN

I detta avsnitt tas frågan upp om den absoluta framkomligheten för vissa slag av fordon på tjälkänsliga vägar vid tjällossningen. Framkom-ligheten är alltså ett helt övergripande syfte, vägens kondition efter ett visst uppställt trafikarbete är alltså ointressant. Den bör vara helt sönderkörd och oframkomlig. Huvudsaken är att transporten kan genom-föras. Detta är fallet vid krigstillstånd eller beredskapstillfällen. Kör-försök utfördes på tjälkänsliga vägar under åren 1963-1966 med ovan-stående syfte. Försöken är sammanfattade av R Gandahl (14). Erfaren-heterna vid körförsöken visade att en tjälkänslig väg kan tåla en intensiv trafik av tunga fordon utan att avgörande hinder uppstod för den absoluta framkomligheten. Endast i vissa fall, vid vissa sträckor, blev vägarna allvarligt sönderkörda.

Körförsök med syfte att testa olika fordonstyper och fordonskombina-tioners påverkan på tjälsvaga vägar har utförts på ett skogsflygstråk, B Örbom, H-E Carlsson och N Lundgren (15). Körförsöket gällde ned-brytningseffekten på vägen för en skogstraktor och ett lastbilsekipage. Man erhöll bl a det nedan citerade resultatet gällande det dynamiska belastningstillskottet. Vägens bärighet sjönk under körningarna, men med tydligen ej helt entydig skillnad mellan de två fordonstyperna.

o Vid låg hastighet på ojämn väg ger skogs-traktorn avsevärt lägre dynamiska till-skott än lastbilen

o Vid hög hastighet på ojämn väg ger bägge fordonstyperna ungefär samma dynamiska tillskott

0 Vid hög hastighet på jämn väg ger skogs-traktorn högre dynamiskt tillskott än lastbilen

Av resultaten från körningarna med skogstrak-torn kan följande utläsas:

0 Det dynamiska tillskottet ökar med ökande hastighet, om vägen är jämn

0 Det dynamiska tillskottet minskar däremot med ökande hastighet, om vägen är ojämn. 0 Det dynamiska tillskottet ökar med ökande

ringtryck, särskilt vid låg hastighet hos fordonet

0 Det dynamiska tillskottets förändring på grund av förändringar i hjultryckets stor-lek (41-52 kN) är ej entydig.

Ytterligare ett körförsök utfördes i Västernorrland på en enklare grusväg, N Lundgren (16). Körningarna utfördes med ett skogstraktor-ekipage och ett lastbilsskogstraktor-ekipage, bägge fullt lastade. Resultatet framgår av följande avslutande sammanfattning, som citeras.

"En ursprungligen ställd fråga vid initieringen av här redovisade undersökning var, om man genom att utnyttja traktorfordon med förhållandevis lågt ringtryck för skogstransporter på allmänna vägar på tjälfarligt underlag skulle kunna reducera den tid under tjällossningen, då vägen måste hållas avstängd av vägmyndighe-terna eller då endast fordon med reducerad max.axellast tillåts. Att en sådan reduktion av restriktionstiden under tjällossningspe-rioden vore berättigad ur vägskadesynpunkt om uteslutande

trak-torfordon med lågt anliggningstryck användes för transporterna antydes starkt av de undersökningsresultat som redovisat ovan. Däremot torde det vara mycket svårt att ur försöksresultaten härleda i vilken utsträckning restriktionstiden skulle kunna avkor-tas."

Vid detta körförsök kunde man alltså konstatera en skillnad mellan de två fordonstypernas påverkan på vägen.

Körförsök är ett medel för att ge en realistisk påkänning av trafikering på vägen vid ett fältförsök för studium av trafikerbarhet, val av ombyggnadsåtgärder etc.

11 LÖNSAMHETEN MED FÖRSTÄRKNING AV TJÄLKÄNS-LIGA VÄGAR

Man kan se lönsamheten rent krasst avseende transprotekonomin, man kan också därtill räkna med samhällsnyttan, t ex tillgängligheten.

Ö Forsgren och O Tholén har bl a i ett examensarbete studerat lönsam-heten av vägombyggnad i jämförelse med förstärknings- eller förbätt-ringsarbeten. Man kommer fram till att följa de generella slutsatserna (17).Citat ur rapporten följer nedan.

"Det är vid begränsad medelstilldelning mera lönsamt att för-stärka en längre vägsträcka med billigt förstärkt vägunderhåll, än att ge en kortare sträcka fullgod standard.

I första hand bör de starkt trafikerade vägarna förstärkas."

I en rapport från Skogsstyrelsen (18), ställs frågan: Hur stor andel tjälsäkra vägar kan skogsnäringen motivera? Resultatet av utredningen kan belysas genom följande citat ur rapporten;

"Det har inte legat inom ramen för detta arbete att närmare belysa vilket förlopp nyttokurvan kan ha inom olika delar av

landet. För översiktliga bedömningar kan emellertid följande erfarenhetsavtal ge viss vägledning:

Andel av årsavverk- Nytta av ökad tillgänglighet ningsvolym tillgäng- lig vid tjälsäkra vägar p_;p %Gränsnyttan är så stor att utbyggnad av

ytterligare tjälsäkra vägar nästan alltid är motiverad.

10-25 % Inom detta intervall återfinns sanno-likt optimipunkten, dvs den punkt där vinsten är som störst.

över 30 % Gränsnyttan är i regel så liten att di-rekt förlust uppkommer vid ytterligare utbyggnad av det tjälsäkra vägnätet.

Kostnaden för att vinna ökad tillgänglighet är också av stor betydelse. Förstärkningskostnaderna varierar starkt bl a med olika vägtyp, slitlagertyp och geologiskt underlag. Vidare är kostnaden lägre om man kan bygga ut tjälsäkerhetsgraden i samband med nybyggnad eller genomgripande förbättring än om förstärkningen till tjälsäker standard görs utan samband med andra vägbyggnads-åtgärder."

De skador som uppstår på vägarna under tjällossningsperioden måste repareras, hela vägsträckningar måste byggas om eller förstärkas. Detta kostar pengar. A Johansson, P Holmgren och J Turesson (21), har i en rapport tagit fram en hel del intressanta förhållanden. Man har bl a delat in landet i klimatzoner och jordartszoner, se figur 24. Från rapporten citeras:

"Då det intuitivt förefaller vara så att omfattningen av tjälskador borde stå i relation till klimat och jordartsförhållanden har en analys gjorts av i vilken utsträckning variationerna i reparations-kostnader kan förklaras av de båda nämnda faktorerna. Landet har därför delats in i fyra klimatzoner, vilka valts med utgångspunkt från köldmängdsstatistik. Uppdelning har vidare skett i tre jord-artszoner."

Kl imatzonindelning _{Jordar tszonindelning}

Köldmängden fördubblas _{S = jordarter från sedimentär}

vid övergång _berggrund

till närmast _{MBL = Sydsveriges}

.. im sa + _{mor änområde,}

högre klimat . _{berg och}

zon _lera N = Norrlands ... +* ... ---uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu ... ooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo ... ... oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo ... ooooooooooooooooooooo ... uuuuuuuuuuuuuuuuuu ---... oooooooooooooooooooooo ... ... ooooooooooooooooooo ---... ... ooooooooooo_... ..._... ..._... ..._... Figur 24 ,

"Tjälskadereparationskostnaderna har fördelats per km grusväg och ett medelvärde för åren 1976-1978 har beräknats. Resultatet kan sammanfattas i en matris med nedanstående utseende.

Tjälskadereparatonskostnader kr/km grusväg. Medelvärde 1976-78. 1978 års prisnivå. Klimatzon Jordartszon S MBL N 1 350 300 (4 ) (5) II 550 (12) III 750 1250 (4 ) (5) IV 650 1050 (3) (9)

Inom parentes anges antal observationer i resp cell. Att antalet överstiger 24 beror på att en del av länen ej kunnat tilldelas en enda cell utan återfinns i flera celler,

Som synes är sambandet mellan reparationskostnader och jord-artszon påtagligt. Däremot har inte klimatzonen samma påtagliga förklaringseffekt.

Det blir utan tvivel nödvändigt att undersöka den nytta man kan ha av att förstärka det allmänna (och det enskilda) tjälkänsliga vägnätet så att framkomligheten kan ökas under tjällossningstiden. Det är likaså av vikt att ta reda på vilka kostnader det ligger i att vissa transporter ej kan ske kontinuerligt.

12 SAMMANFATTNING OCH PROJEKTFÖRTECKNING

Den låga bärigheten under tjällossningstiden beror av höga vattenhalter och ofta positiva porvattentryck. De höga vattenhalterna uppkommer när isen i den tjälade zonen smälter, varvid så stora vattenmängder frigörs att jordlagren kan bli vattenövermättade. Särskilt när dessa jordlager ligger högt i vägöverbyggnaden eller undergrunden blir håll-fastheten låg i dessa och vägens bärighet låg.