Avtrappning av tjälisolering genom utglesning av isolerskivor : Försök vid Sandfors 1975 och 1981

i penta

jane" lek Ned

Nr311 * 1982 ] s s 0 l et Statensväg-ochtrafikinstitut (VTI) * 581 01 Liz ' '

ir 311 "1982 Statens väg- och trafikinstitut (VTI) 0 581 01 Linköping

SSN 0347-8049 National Road 8: Traffic Research Institute 0 5-581 01 Linköping 0 Sweden

Avtrappning av tiälisolering

genom utglesning av isolerskivor

Försök vid Sundfors 1975 och 1981

FÖRORD

För att få en allmän uppfattning om möjligheterna att utföra utspetsning med hjälp av isolerskivor lagda med mellanrum, utfördes 1975 ett orienteran-de försök i Västerbottens län vid Sandfors på väg 867. Det visade sig sedemera att den utförda ut-spetsningen gav en alltför tvär övergång mellan lyftande och icke lyftande vägsträcka. Då det 1980 hade kommit helt nya möjligheter att beräkna såväl värmeflödet genom en isolering med springor som den resulterande tjällyftningen, omkonstruerades utspetsningen till vintern 1981.

Med hänsyn till försökets orienterande karaktär gjordes ingen markundersökning och efterföljande mätningar och observationer har därför varit av begränsad omfattning. Då försöket härmed är av-slutat och då de utförda beräkningarna och

mät-ningarna (framför allt av tjällyftningen) kan ha

ett visst intresse, har det ansetts lämpligt att publicera resultaten trots att underlaget i vissa avseenden är ofullständigt.

Undersökningen har bekostats av vägverket och VTI. Linköping, juli 1982

Sven Fredén

INNEHÅLLSFÖRTECKNING sid REFERAT I Bakgrund * l Beräkningsmetodik 2 Resultat 3 Diskussion 4 Litteraturförteckning 6

REFERAT

Vid Sandfors, på väg 867 i AC län, har övergången mellan en med cellplast tjälisolerad sträcka och anslutande tjällyftande väg utförts genom att plat-torna lagts med successivt ökande springor. Den ur-sprungliga fördelningen av springornas bredd gav inte tillfredställande resultat, varför utspets-ningen 1980 byggdes om med andra springbredder. Där-vid utnyttjades ett Där-vid VTI framtaget beräknings-program._Gjorda observationer av tjälnedträngning och lyftning visar god överensstämmelse mellan mätningar och beräkningar.

Bakgrund

År 1975 utfördes vid Sandfors, på väg 867 i AC

län, försök med utspetsning med hjälp av isoler-skivor, vars isolereffekt trappades av genom att skivorna lades med mellanrum (Gandahl 1977, 1978). Vid den då utförda konstruktionen skedde ökningen

av springbredden - och därmed minskningen av isoler-effekten - på en relativt kort sträcka (figur 1). Detta visade sig leda till en oacceptabelt brant övergång mellan den lyftande och den icke lyftande sträckan.

Under 1980 gjordes beräkningar av springbreddens effekt på tjällyftningen. Dessa beräkningar låg till grund för en ombyggnad av sträckan, vilken utfördes sommaren 1980. Under vintern 1980-81 av-vägdes den aktuella sträckan och tjäldjupet mät-tes.

Då det således på den här beskrivna sträckan finns mätningar från två olika utföranden av utspetsningen under två olika vintrar, är det av intresse att

jämföra de uppmätta resultaten med de beräkningar av tjällyftningen som utförts för de aktuella konstruktionerna.

En förutsättning för att kunna genomföra en strikt beräkning av tjällyftningen är att jordartsmate-rialens tjällyftnincsegenskaper och vattenhalter

är kända. Den enda kunskap om jordartsförhållandena

som i detta fall stått till buds utgöres av provtag-ningar i två progropar, vilka grävts då vägen varit tjälad. De upptagna proverna har endast bestämts med avseende på vattenhalt.

De här gjorda beräkningarna bygger på de observa-tioner som gjorts i de två provgroparna. Jordarts-materialens tjällyftningsegenskaper har skattats från de gjorda jordartsbedömningarna och därefter korrigerats med hjälp av de 1975 gjorda uppmätningar-na av lyftning och temperatur.

Den vid beräkningarna använda jordartsprofilen och materialens tjällyftningsparametrar framgår av

tabell 1.

Beräkningsmetodik

Den för beräkning av tjällyftning använda metoden

finns beskriven av Fredén i Meddelande 274, 1981.

Eftersom denna metod i princip är endimensionell är det nödvändigt att under beräkningarna ersätta det tvådimensionella systemet skiva+springa med en homogen skiva med ekvivalent värmeledningsförmåga. För att genomföra denna omräkning har använts en vid matematiska institutionen vid Linköpings univer-sitet framtagen tvådimensionell beräkningsmetod. Mot en sådan omräkning kan invändas, att den i princip är omöjlig. Under en isolering som består av högisolerande skivor och mellan dessa springor fyllda med jordartsmaterial med relativt hög värme-ledningsförmåga är temperaturytorna aldrig plana och värmeflödet varierar i horisontalled (figur 2 och 3). Om skivorna låg direkt på eller mycket nära en-tjällyftande undergrund vore det därför möjligt att få lokala lyftningar under varje springa. Den specifika lasten vid en sådan lokal lyftning blir emellertid mycket hög, vilket begränsar lyftningen. Om isolerlagret dessutom underlagras av ett på under-grunden påfört skikt av icke tjällyftande material

utjämnas värmeflödet i undergrunden. Det visar sig sålunda möjligt att med rimlig noggrannhet använda sig av den approximativa endimensionella modellen för beräkning av tjällyftning vid den här aktuella utspetsningstekniken.

Resultat

Såväl de uppmätta som de beräknade tjällyftningar-na finns redovisade på figur 1. De använda spring-bredderna framgår av figur 4. Som synes gav den 1975 byggda utspetsningen en oacceptabelt brant övergång mellan icke lyftande och lyftande vägsträcka. Ut-gående från en tänkt, idealisk övergång konstruera-des 1980 en ny fördelning av springbredderna

(streckad kurva på figur 1), baserad på en tänkt vinter med 1000 dygnsgrader.

Under vintern 1980-81 avvägdes utspetsningssträckan flera gånger. Största lyftningen (och största

tjäldjup) inträffade under april. Den då uppmätta lyftningen syns på figur 1.

Man kan omedelbart konstatera att lyftningen varit väsentligt större än den dimensionerande. Detta är emellertid helt beroende av att vintern varit betydligt strängare än den antagna "normalvintern", nämligen ca 1850 dygnsgrader. En efterkalkyl,

base-rad på denna köldmängd, stämmer väl med den vid

avvägningen konstaterade lyftningen.(figur 1). Av den avvägda kurvan och av beräkningarna framgår att den använda isolertjockleken ej varit helt till-räcklig för att hindra alla tjällyftningar. Vidare syns en platå i lyftningen i början av utspetsningen.

Denna beror med all säkerhet på den ganska långa sträcka där springbredden av byggnadstekniska skäl hållits konstant 1 cm. De stora ojämnheterna i lyftningen på avståndet 20-30 m förklaras av oregelbundenheter i undergrundens uppbyggnad.

Diskussion

Inom den egentliga utspetsningssträckan (O-ca 20 m) är överensstämmelsen mellan uppmätt och beräknad tjällyftning mycket god. Detta innebär att om de för tjällyftningen väsentliga jordartsegenskaperna är givna blir de beräknade lyftningarna tillräckligt noggranna för att kunna användas vid projektering av utspetsningar. Man bör emellertid i detta samman-hang notera, att förutsättningarna för det här

presenterade utspetsningsförsöket varit speciella. Provtagningen har varit mycket sparsam och tjälför-sök har överhuvud taget inte skett på undergrunds-materialet. De aktuella jordartsegenskaperna har i första hand skattats från tillgängliga jordartsbe-dömingar. Resultat har därefter kontrollerats genom att användas vid beräkning av den lyftning som skedde vintern 1975-76. Från de här redovisade, mycket be-gränsade försöken kan dock följande slutsatser dras: 1. Den använda, starkt förenklade bilden av

funktio-nen hos en isolering med springor av varierande bredd ger realistiska värden för tjällyftningen. 2. Beräkning av undergrundens

tjällyftningesegen-skaper ur uppmätta lyftningar är åtminstone i vissa fall möjlig.

3. Den algoritm som använts för beräkning av lyftningen ger användbara resultat.

Tabell 1. Materialegenskaper m m hos vägkroppens olika skikt. Tjällyftningsparametrarna A och B definieras av uttrycket

_*

h = (q/L *A*e B P

där n är lyfthastigheten, q nettovärme-flödet i tjälzonen, L = frysvärmen och P mekanisk last (närmare beskrivning i Meddelande 174, 1981). Skikt nr 1 2 3 4 5 6 Tjocklek, m 0.5 .55 .08 .2 .12 >10 Värmeledn.-förm. 2 1.8 0.035 1.8 1.8 2

W/(m*ÖC)

Vattenhalt volymproc. 5 10 1 15 20 20 Densitet kg/mB 2000 1800 70 1800 1800 1700 Param. A 0 0 0 0 0.8 0.8 Param. B 0 0 0 0 0.03 0.01 VTI MEDDELANDE 3 11

Litteraturförteckning

Fredén, S. Metod för beräkning av tjällyftning.

Statens väg- och trafikinstitut. Meddelande 274, Linköping 1981.

Gandahl, R. Provvägarna Malgovik 1973, Sandfors

1975 och Vindeln 1975. Statens väg- och trafikinsti-tut. Meddelande 67, Linköping 1978.

Gandahl, R. Vägisolering med styrencellplast. Sta-tens väg- och trafikinstitut. Rapport 126, 1977.

'DNINlJÅWWMPl UVNXYHBH H30 Llywddn

'I 80913

W 'VNDMHLSSONINSlädSln

_

02

SE

OZ

'

ST

OT

5

0

5-L_ L 1 l l i Il "n" 0

91-5161 80:! 'IÅN'IVMHBUB +

/

*SI

/ x /

1:8 'mm

/

\

,

.uywddn '

/

\

0

/x

\\

,./

91 'IIUdV

"" --- -'

uywddn

1:

ND '9NINldÅ11YPl

V T I M E D D E L A N D E 31 1

V T I M E D D E L A N D E 3 1 1

1.0

1.5

2.0

ISOLER-SKIVA

TJÄL*

LYFTANDE MATERIAL

VÄGYTA

w;zwøwzzøøzamøømaximala:blng . :0.1.1-1: ...m--..mgtrimmar. ...gm

O-ISOTERMEN,

VECKOR EFTER

W

SYMMETRILINJER

0.620 M

ELGUR 2;

TOTAL KÖLDMÄNGD 1435 DYGNSGRADER.

TJÄLLYFTNING, m

20 16 12 08 MITT ENELLAN

PLATTMITT OCH SPRINGA

01 \./F/

-| spRmGAN __ZPZ/

UNDER PLATTANS MITT

i . _ . ' Å

00

_{[lillllfllllj}

;012 3 A 5 6 7 8 910-*11'12131101516171819 20 HD (VECKOR)

FIGUR 3. TEORETISK TJÄLSKJUTNING (BERÄKNAD) VID OLIKA DELAR

AV EN ISOLERING UTFÖRD ENLIGT FIGUR 2 (INGEN HÄNSYN

TAGEN TILL OLIKA TRYCK I TJÄLZONEN).

SPRINGBREDD; CM

60'"

50'*

40 *

30

20 '

10 *

10

FIGUR u.

SPRINGBREDDER VID UTFÖRANDE

.VTI MEDDELANDE 3T1

r

20

30

UTSPETSNINGSSTRÄCKA; M