Prognos av vägars bärförmåga vid tjällossningen : användning av temperatur som nyckeltal

LICENTIATUPPSATS

Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Geoteknologi

Prognos av vägars bärförmåga

vid tjällossningen

Användning av temperatur som nyckeltal

Andreas Berglund

Luleå tekniska universitet 2010

Andr

eas

Berglund

Pr

ognos

av

vägar

s

bärför

måga

vid

tjällossningen

– Användning

av

temper

atur

som

nyc

keltal

Prognos av vägars bärförmåga

vid tjällossningen

Användning av temperatur som nyckeltal

Andreas Berglund

Luleå tekniska universitet Institutionen för Samhällsbyggnad

Printed by Universitetstryckeriet, Luleå 2010 ISSN: 1402-1757

ISBN 978-91-7439-187-9 Luleå 2010

Förord

Den globala tendensen är ett varmare klimat där temperaturer nära 0 °C eller strax över 0 °C under vinterhalvåret blir allt vanligare. En av klimatförändringens konsekvenser i vårt klimat skulle kunna bli tjällossning under en betydande del av vintern och mer tjälskador på vägarna. Tjällossningen innebär på vissa vägar bärförmågeproblem. Bärförmågeproblemen innebär kostnader för samhället i form av att företag inte kan använda vägnätet till fullo. Enligt egna beräkningar förlorar skogsindustrin årligen (2008) mellan 510-590 miljoner kronor på grund av nedsatt bärförmåga. Därutöver tillkommer kostnader på grund av bärförmågeproblem för den snabbt ökande biobränsleindustrin och väghållaren.

I en önskan om att hitta ett enkelt mätetal kopplat till vägens bärförmåga har ett projekt initierats av Trafikverket. En fullt fungerande prognosmodell för bärförmågeminskningar bör kunna användas som ett översiktligt planeringsverktyg för var åtgärder eller nedsättningar av tillåten last skall utföras.

Arbetet som presenteras i denna licentiatuppsats har genomförts på avdelningen för Geoteknologi på institutionen för Samhällsbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Detta arbete har möjliggjorts genom Trafikverket.

Alla anställda på geoteknikavdelningen förtjänar ett stort tack för att de alltid ställt upp när jag haft frågor. Geoteknologiavdelningens övriga andra anställda förtjänar också ett stort tack då de skapat ett bra klimat utanför det egna kontorets väggar. Alla utanför LTU som svarat på frågor eller hjälpt till på något sätt får också ett stort tack. Jag tackar Professor Sven Knutsson som har varit handledare och gett viktiga tips och råd under resans gång.

På ett mer personligt plan vill jag tacka min kära mor och far, syster, bror och syster mest bara för att ni finns till. Ett speciellt tack riktas till Frida som har varit med mig i både med- och motgång under denna tid.

Sammanfattning

Den globala tendensen är ett varmare klimat och att temperaturer nära eller strax över 0 °C under vinterhalvåret blir allt vanligare. En av klimatförändringens konsekvenser skulle i ett ”värsta-fall-scenario” kunna bli tjällossning under en betydande del av vintern, med följande bärförmågeproblem på vägarna. Detta leder till ökade samhällsekonomiska kostnader då tung trafik tvingas lasta mindre eller ändra rutt (tidsförlust) och ökade underhållskostnader för sönderkörda vägar. Skogsindustrin beräknades 2008 ha merkostnader på 510-590 miljoner kronor per år på grund av bärförmågeproblem enligt egna beräkningar. Till denna summa tillkommer merkostnader för den snabbt ökande biobränsleindustrin. Genom att kunna prognostisera bärförmågeproblem vid tjällossningen skulle lastrestriktioner läggas i rätt tid och väghållar- och användarkostnader minskas.

Ett enkelt mätetal kopplat till bärförmågan kan användas för att prognostisera när och hur länge vägen har bärförmågeproblem, alltså när lastrestriktioner bör appliceras för att vara mest kostnadseffektivt. En fullt fungerande prognosmodell skulle också kunna minska behovet av fallviktsmätningar och okulära besiktningar vid införandet av lastrestriktioner. I denna sammanhållande text presenteras innehållet i licentiatarbetets olika delar och var den beskrivna informationen som helhet går att finna. En aspekt av tjälskador på väg som belyses i arbetet är beslutsfattandet vid tjälinventeringar. Tjälinventeringar ligger till grund för åtgärdsplaneringen och det är därför viktigt att de utförs korrekt. En delrapport i licentiatuppsatsen visar att tjälinventeringar utförda av olika aktörer på samma vägsträcka kan skilja mycket. Det finns ett värde i att minska individberoendet vid tjälinventeringar.

Huvuddelen av arbetet behandlar en modell för prognos av bärförmågeproblem på vägar som används i Minnesota, USA. Modellen använder temperatur som nyckeltal och har testats på en vägsträcka belägen cirka 7 km utanför Luleå. Temperatur- och fallviktsdata hade tidigare samlats in på teststräckan. Insamlad data användes för att utföra en analys av vägens bärförmåga och hur den förändras under tjällossningen. Temperaturdata användes i ”Minnesotamodellen” och jämfördes med utvärderade parametrar från fallviktsmätningarna. Vid en jämförelse mellan AREA-parametern, undergrundsmodulen och ”Minnesotamodellen” ger undergrundsmodulen och ”Minnesotamodellen” den bästa överensstämmelsen.

Prognosmodellens grundidé fungerar på den testade vägsträckan. Prognosmodellen har utvecklingsmöjligheter som fortfarande inte är undersökta. Modellen borde i framtiden kunna användas som ett översiktligt planeringsverktyg vid bärförmågeproblem kopplade till tjällossningen.

Abstract

The global trend towards a warmer climate and temperatures near or just above 0 °C during winter months, will most likely be more common in future. One of the consequences of this climate change could, in a worst-case scenario, be freezing and thawing over a significant part of the winter with corresponding road bearing capacity problems. Bearing capacity problems may lead to increased costs to society when heavy traffic is forced to change route or carry less weight. In addition, road maintenance costs will increase. According to pulp industry calculations, this industry sector will face additional costs in the range of 510-590 Million SEK every year due to road bearing capacity problems. In addition to this, the costs related to the rapidly growing bio fuel industry will be added. If a reliable forecast of load-bearing capacity problems and potential load restrictions on roads can be found, it would be cost effective for road administration and society.

This text presents the content of the licentiate work is presented and in what report more information could be found. One aspect of frost damage on roads that is highlighted in the thesis is decision making when conducting a road inventory. In a study conducted within the licentiate work it was shown that the results from different actors performing frost inventory on the same road stretch can vary a lot. There should be efforts made to reduce the individual dependence when performing a road inventory.

The main part of the licentiate work deals with a model for the prediction of bearing capacity problems on roads. The work gives an idea of the possibility to use the temperature based model used in Minnesota, USA in Sweden. The evaluation is done by comparing falling weight deflectometer (FWD) test results with the results from the temperature based forecast model.

When comparing the FWD results: AREA-parameter and subgrade modulus with results from the Minnesota model, the subgrade modulus seems to have the greatest agreement with the forecast model. However, they both seem to show the overall development of low bearing capacity during thaw.

The overall conclusion about the temperature based forecast model is that it seems to give fairly good results and work well. It will work better if it can be further calibrated but it has some flaws if the temperature seesaws around 0 °C. The forecast model should, despite this, be able to assist road holders in Sweden as a planning tool, when dealing with bearing capacity problems during thaw.

Innehållsförteckning

3.6 Analys och diskussion... 10

4 Slutsatser ... 13

5 Framtida arbete... 15

1 Introduktion

1.1 Allmän problembeskrivning

För vägar i allmänhet kan tjäle och tjällossningsperioden vara ett problem. Vintertid kan ojämn tjällyftning skapa ojämnheter som minskar trafikanternas körkomfort eller så kan tjälsprickor i vägen uppträda. När tjälen tinar på våren uppstår det på vissa vägar bärförmågeproblem och om dessa vägar samtidigt trafikeras av tung trafik kan vägen köras sönder och kräva funktionshöjande åtgärder. Problemen vid tjällossningen förväntas öka i framtiden eftersom den globala tendensen är ett varmare klimat där milda vintrar med temperaturer nära eller över 0 °C blir allt vanligare (SMHI, 2010). En av klimatförändringens konsekvenser skulle i ett ”värsta-fall-scenario” kunna bli tjällossning under en betydande del av vintern, som innebär utdragna bärighetsproblem på vägarna. Detta kan leda till ökade samhällsekonomiska kostnader då tung trafik tvingas lasta mindre eller ändra rutt (tidsförlust) samtidigt som underhållskostnaderna för sönderkörda vägar förväntas öka.

Tjällossningsfenomenet är tämligen väl känt (se exempelvis; Knutsson; 1983; Knutsson och Rydén 1984; Phukan, 1985; Janoo et al, 1997), men fortfarande finns ett behov av att utreda tjällossningens följder såsom bärförmågenedsättningar och eventuella efterföljande lastrestriktioner. Med tjällossningen följer bärförmågeproblem på vissa av våra vägar. I Sverige idag är bedömningen av bärförmågeproblem på vägarna och det eventuella införandet av lastrestriktioner starkt personberoende. Bedömningen huruvida en väg har bärförmågeproblem eller inte, görs utan direkta beslutsverktyg. Förfarandet vid bedömning av en vägs bärförmåga är väldigt likt förfarandet vid väginventeringar, och det finns ett behov av hjälpmedel vid beslutsförfattandet (se Berglund, 2010a). Eftersom viktnedsättningar och lastrestriktioner framförallt påverkar de tunga transporterna på vägarna skapar tjällossningsproblemen stora samhällsekonomiska kostnader.

År 2008 beräknades skogsindustrin ha merkostnader för 510-590 miljoner kronor per år på grund av bärförmågeproblem på vägar (Andersson och Westlund, 2008). Till denna summa tillkommer merkostnader för den snabbt ökande biobränsleindustrin och väghållarens underhållskostnader för sönderkörda vägar vid tjällossningen. Genom att kunna prognostisera bärighetsproblem vid tjällossningen skulle lastrestriktioner läggas i rätt tid och väghållar- och användarkostnader minskas.

Trafikverket har identifierat ett behov av metoder för bedömning av när bärförmågan på vägar vid tjällossningen minskar. Kan en minskning av bärförmågan prognostiseras kan rätt åtgärder utföras vid rätt tidpunkt. Väganvändarna har ett behov av att veta när en väg får minskad bärförmåga vid tjällossningen eftersom de då kanske inte kan använda vägens fulla kapacitet och måste omprioritera. Det finns alltså ett behov av ett enkelt mätetal kopplat till en vägs bärförmåga samt ett behov av att kommunicera när en väg har nedsatt bärförmåga till väganvändarna. I en förhoppning om att kunna hitta ett enkelt mätetal, till exempel temperatur, som kan ge information om när och hur länge lastrestriktioner skall appliceras på vägarna har ett samarbetsprojekt mellan Trafikverket, Högskolan Dalarna, Göteborgs universitet och Luleå tekniska universitet initierats. De olika lärosätena arbetar med sin del av frågeställningarna i linje med lärosätets expertkunskap. Högskolan Dalarna arbetar med IT, Göteborgs universitet arbetar med klimat och Luleå tekniska universitet arbetar med geotekniska frågor.

Det enkla mätetalet skulle kunna användas för att prognostisera när och hur länge vägen har bärförmågeproblem, alltså när lastrestriktioner bör appliceras. Arbetet som presenteras i denna licentiatuppsats har utförts inom ramen för ett doktorandprojekt vid Luleå tekniska universitet och har finansierats av Trafikverket.

1.2 Syfte

Detta arbete syftar till att utreda om det finns ett enkelt mätetal som går att koppla till en vägs bärförmåga och om mätetalet kan användas för att prognostisera när en vägs bärförmåga minskar.

1.3 Mål

Detta arbete har som mål att studera och utvärdera en modell för att prognostisera nedsatt bärförmåga för vägar vid tjällossningen.

2 Licentiatuppsatsens omfattning

Licentiatuppsatsen omfattar denna sammanhållande text samt följande fyra publikationer. De ingående publikationerna är bilagda denna sammanhållande text.

Berglund, A. 2009. Tjäle – En litteraturstudie med särskilt fokus på tjällossning. Forskningsrapport. Luleå tekniska universitet. ISBN: 9789186233983

En litteraturstudie som behandlar tjälfenomenet som helhet och tjällossningens effekter på vägar i synnerhet. Olika länders tjälklassificeringssystem presenteras och jämförs. Det identifieras olika metoder för att maximera väganvändningen och minimera vägskadorna. Bland dessa metoder finns CTI-fordon och lastrestriktioner. En existerande modell för prediktering av tjällossningen, som dessutom verkar intressant för svenska förhållanden, presenteras. Modellen baseras på temperaturdata och modellen benämns i arbetet till ”Minnesotamodellen” (Berglund, 2009).

Berglund, A. 2010a. Tjälinventeringsprojektet – En jämförande studie av tjälinventeringar gjorda av olika aktörer. Forskningsrapport. Luleå tekniska universitet 2010. ISBN: 9789174391503

Många vägar skadas av tjäle varje år och behöver åtgärdas inom en närliggande framtid. Åtgärdsbehovet är i de flesta fall större än resurserna och därför måste en insatsprioritering ske. Vid en jämförelse mellan två inventeringar av samma vägsträcka år 2008 och 2009 fanns stora skillnader. En fråga som krävde ett svar var huruvida dessa skillnader enbart var tillfälligheter eller berodde på ett systemfel i beskrivningen av hur en inventering ska gå till. Fyra olika aktörer med olika erfarenhetsbas av inventeringar har inventerat samma väg för att belysa frågan om det krävs förbättringar i arbetet med vid tjälinventeringar. Rapporten belyser hur olika bedömningarna blir när olika personer utför arbetet. Detta har likheter med metoden att utfärda bärförmågerestriktioner, som i nuläget till stor del är en individberoende bedömning (Berglund, 2010a).

Berglund, A. 2010b. Studie av modell för prognos av vägars bärförmåga vid tjällossningen – ”Minnesotamodellen”. Forskningsrapport Luleå tekniska universitet. ISBN : 9789174391923

En fördjupad litteraturstudie som med utgångspunkt i den inledande litteraturstudien (Berglund, 2009) behandlar bakgrundsidén till ”Minnesotamodellen”. Den nämner också kort att det finns forskning som säger att det inte är ekonomiskt försvarbart att applicera lastrestriktioner och deras respektive för och nackdelar. Ett avsnitt om ”Minnesotamodellens” eventuella implementering i Sverige, vad som måste mätas och hur detta skulle kunna göras i ett framtida arbete presenteras (Berglund, 2010b).

Berglund, A. 2010c. Prognos av vägars bärförmåga vid tjällossningen – Användning av ”Minnesotamodellen” på en teststräcka i Sverige. Forskningsrapport Luleå tekniska universitet. ISBN: 9789174391930

Med avstamp i resultatet av den fördjupade litteraturstudien (Berglund, 2010a) valdes en teststräcka ut där ”Minnesotamodellen” testades på svenska förhållanden. På den valda teststräckan hade tidigare erforderlig temperaturdata och fallviktsmätningar samlats in. Insamlad temperaturdata används för att erhålla resultat från ”Minnesotamodellen” och från fallviktsmätningarna, som är en vanlig metod för att mäta en vägs bärförmåga, utvärderas ytmodul, undergrundsmodul, bärförmågeindex och AREA-parameter. Dessa parametrar studeras och jämförs med ”Minnesotamodellens” resultat om när en bärförmågeminskning sker. Det diskuteras vilken utvärderingsparameter som ger bäst korrelation med ”Minnesotamodellens” resultat i försöken samt möjligheterna att prognostisera minskad bärförmåga med modellen. Ett utlåtande om modellens potential ges och tänkt framtida arbete presenteras (Berglund, 2010c).

3 Licentiatuppsatsens innehåll

3.1 Bakgrund

I kalla regioner förekommer tjäle som påverkar både mark och konstruktioner, som vägar. En vägkonstruktion som under vintermånaderna utsätts för frysning erhåller generellt en styvhetsökning i de obundna lagren eftersom is håller samman partiklarna. Islinser i terrassen bidrar också till konstruktionens ökade styvhet samt att frystemperaturer påverkar bindemedlet i slitlagret så att det blir styvare (Andersland och Ladanyi, 1994; Simonsen, 1999; mer detaljerat beskrivet i Berglund 2009). Den ökade styvheten är inte något negativt ur hållfasthetssynpunkt eftersom vägen klarar mer last men vägens funktion kan påverkas om vägen får tjälskador (Simonsen, 1999). Sådana tjälskador kan vara ojämna tjällyft eller tjälsprickor (se Berglund, 2009 och 2010a). När tjälskador ska åtgärdas är ofta de ekonomiska behoven större än resurserna och en åtgärdsprioritering måste ske. Grunden för åtgärdsprioriteringen är en inventering av vägens skick. Inventeras enbart skador uppkomna på grund av tjäle kallas inventeringen tjälinventering. En jämförande studie av flera aktörers tjälinventeringar av ett och samma objekt finns detaljerat beskrivet i Berglund, 2010a. Vägskador i samband med tjällossningen är en annan aspekt av tjälfenomenet och vägar. Tjällossningsproblematiken för en väg påverkas av om det är en belagd väg eller en ej belagd väg och hur vägen är konstruerad. En vägs problem vid tjällossningen kan innefatta allmänt minskad bärförmåga och i mer detalj ytuppmjukning, djupuppmjukning, tjälskott, tjälfall, släntflytningar (Gandahl, 1987; Roadex, 2010; samt mer ingående beskrivet i Berglund, 2009). En vägs tjälproblem är ett designrelaterat problem och går således att konstruera bort, men i praktiken är detta en orimlighet på grund av vägnätets storlek (Doré et al, 2005). De merkostnader som bärförmågeproblem vid tjällossningen ger skogsindustrin har beräknats till 510-590 miljoner kronor per år (2008) och förväntas öka om klimatet blir varmare. Denna summa innefattar inte biobränsleindustrin (Andersson och Westlund, 2008) och heller inte väghållarens kostnader för sönderkörda vägar. Att på ett bra sätt kunna hantera bärförmågeproblemen på vägarna skulle kunna spara pengar både för företag och för samhället i stort (Berglund, 2010c).

På grund av vägnätets storlek och de ändliga resurserna som väghållarna förfogar över används andra metoder istället för design för att maximera väganvändandet och minimera vägens skador. Ett antal olika metoder för att hantera bärförmågeproblem på vägar har identifierats. De olika metoderna är sammanfattade och finns mer detaljerat beskrivna i Berglund, 2009 och även diskuterade i Berglund, 2010b. De viktigaste metoderna är:

x Bygga bort bärförmågeproblemen

x Använda fordon med varierbart däcklufttryck, CTI-fordon x Vägavstängningar

x Lastrestriktioner

Att bygga bort alla vägars bärförmågeproblem är möjligt men på grund av vägnätets storlek är det inte realistiskt (Doré et al, 2005). Ett fordon med variabelt däcklufttryck kan inte heller ersätta en god vägstandard men kan utgöra ett värdefullt komplement (Andersson och Westlund, 2008). Lastrestriktioner skapar samhällsekonomiska förluster om nödvändiga varor och utrustning inte kan transporteras, men sparar samhället pengar eftersom vägen inte körs sönder (Doré och Zubeck, 2009). Ska lastrestriktioner användas kostnadseffektivt finns det ett behov från väghållare, samhälle och väganvändare att veta när i tid vägens bärförmåga minskar. En modell som möjliggör en prognos av bärförmågan, kommunicerad på ett bra sätt,

skulle ge väganvändarna möjlighet att planera. Exempelvis skulle ett skogsföretag kunna lägga in extra skift för att transportera timmer innan vägen får bärförmågeproblem och Trafikverket skulle kunna använda lastrestriktioner på det mest optimala sättet vad gäller samhällseffektivitet (även i Berglund, 2009 och 2010c).

3.2 Tjäle

Vägar kan få problem i områden där det förekommer tjäle, men för att förstå varför problemen kan uppkomma är det viktigt att redogöra för tjälfenomenet. Frusen jord, även benämnt tjäle, definieras som ett system bestående av fyra komponenter, jordpartiklar, is, vatten och luft. Jordpartiklarna (mineral och/eller organiskt material) återfinns i varierande storlekar och former. I en frusen jord finns is, ofruset vatten och luft i porerna. Isen i jorden kan anta en jämn spridning, ansamlas i oregelbundna formationer eller i lager (Andersland och Ladanyi, 1994).

En jord sägs vara i fruset (tjälat) tillstånd då dess temperatur är mindre än frystemperaturen 0 °C (32 °F). Det bör dock nämnas att föroreningar och salthalt i jorden, vattnets aktuella ytspänning och det överliggande jordtrycket kan göra att vattnet i jorden har en annan fryspunkt än 0 °C. Frusen mark kan vara frusen hela året eller enbart under en viss del av året. Mark som är frusen under hela året benämns permafrost. Permafrostfenomenet återfinns i världens polarregioner, kalla regioner. I engelskspråkig litteratur används termerna ”perennially frozen ground” (varaktigt frusen mark) och ”permafrost” för att benämna tillståndet hos en jord eller bergmassa som haft en temperatur mindre än 0 °C under två år eller fler. Säsongsfrusen mark genomgår en cykel av nedfrysning och upptining. Säsongsfrusen mark följer årstidsvariationerna (Phukan, 1985). Under vintermånaderna har marken en temperatur lägre än 0 °C och under sommarmånaderna tinar marken helt. Säsongsfrusen mark är vanligt i de kalla regionerna (subarktiska områden), där Sverige och Norge ingår.

Lufttemperatur under noll grader skapar en termisk gradient, temperaturskillnad per längdenhet, som orsakar ett värmeflöde från markytan upp mot den kalla luften. Med värmeavgången initieras nedfrysningen av marken och tillväxten av iskristaller i jorden. Dessa iskristaller kan sedan växa samman till plana islinser. Islinsbildningen möjliggörs av att underliggande markvatten rör sig mot den frusna zonen (Phukan, 1985). Är värmeavgången från marken modest åtgår all kyleffekt till att frysa det uppåtströmmande ”varma” vattnet, tjälfronten står därmed stilla och islinserna blir tjocka. När värmeavgången är stor räcker kyleffekten till att frysa mer än det uppåtströmmande vattnet och tjälgränsen rör sig därav nedåt i jordprofilen. Vid en stor kyleffekt blir islinserna tunnare eftersom tjälgränsen rör sig nedåt (VVMB 301, 2001). Nollisotermens variation för en säsongsfrusen jordprofil under en asfaltyta illustreras i Figur 1. På x-axeln visas tiden, nedfrysningsperioden ”Freezing period” och tjällossningsperioden ”Thawing period” finns markerade. Med ”Thawing period” menas perioden efter att tjälen nått dess maximala djup och tjäldjupet återigen minskar på grund av stigande temperaturer vid markytan. Djupet under markytan (z) visas på den vertikala axeln i Figur 1 (Andersland och Ladanyi, 1994). Tjälfenomenet finns mer detaljerat beskrivet i Berglund, 2009.

Figur 1. Nollisotermens variation i en jordprofil i en säsongsfrusen jord (Andersland och Ladanyi, 1994).

3.3 Tjällossning

Frusen jord benämns alltså för tjäle och medför i sig inte något problem för en väg om tjällyften är jämna och underarbetena är rätt utförda. När temperaturen stiger på våren tinar den frusna jorden och det vatten som varit bundet som is frigörs. Beroende på den hydrauliska konduktiviteten i konstruktionen kommer smältvatten att dräneras bort eller stanna mellan ovanliggande tinade jordlager och underliggande fortfarande frusna jordlager. Den ökade vattenmängden leder till en ökad risk för vattenmättnad av konstruktionen och höga porvattentryck. Ökar porvattentrycket minskar jordens (lagrets) skjuvhållfasthet som en direkt följd av skjuvhållfasthetens beroende av effektivspänningen i jorden (Knutsson, 1983). Mängden vatten som kan frigöras vid tjällossning är direkt kopplat till den mängd is som finns i vägkonstruktionen.

Hållfasthetsreduktionen under tjällossningen och den tid som hållfasthetsreduktionen påverkar jorden beror av mängden is och av tjällyftningen. Ismängden och tjällyftningen styrs av jordtyp, temperatur vid tjälning och urtjälning, mängd och typ av trafik under tjällossningsperioden, vattentillgången under hösten, vintern och våren samt den aktuella platsens dräneringsförhållanden. Sättningar och konsolidering kan också uppkomma i samband med tjällossningen och måste beaktas vid konstruktion av bland annat vägar och flygplatser (Phukan, 1985). Speciellt sårbara för tjällossningsproblematik är lågtrafikerade vägar och gator om de utsätts för höga laster, till exempel timmerlastbilstrafik, under den tid på året då tjällossningen skapar ett vattenöverskott i terrass och förstärkningslager (Andersland och Ladanyi, 1994).

Vid tjällossningen är dräneringen av vägkonstruktionen kritisk eftersom ett ökande portryck innebär minskande effektivspänningar och minskad skjuvhållfasthet i enlighet med Mohr-Coulombs brotteori. Dräneringsförmågan hos en konstruktion testas främst vid hög urtjälningshastighet då en stor mängd smältvatten frigörs under kort tid. Sättningar och konsolidering i tinande jord styrs främst av mängden is (det vill säga vattenmängden) bildad i jorden vid frysning, jordens densitet, porvattentryck och jordens kompressionsegenskaper (mer om tjällossningsfenomenet och tjällossning i vägar finns att läsa i Berglund, 2009).

3.4 Teoretisk modell

Under litteraturstudien konstaterades det att problemet med bärförmågeminskning vid tjällossningen hade studerats i andra länder. I Minnesota användes så sent som 2009 en för projektet intressant modell vid införandet av lastrestriktioner. Denna modell fick anta namnet

”Minnesotamodellen” eftersom det var där den användes och det var även där de flesta referenserna om modellen härstammade (Berglund, 2009).

Modellen baserades på att temperaturer i luften och vägen noteras varefter en korrelation mellan dessa temperaturer upprättas. Den lufttemperatur som motsvarar 0 °C på ett bestämt djup i vägen benämns för referenstemperaturen, Tref. Eftersom temperaturen varierar över dygnet används dygnsmedeltemperaturen och referenstemperaturen för att skapa ett index, detta index kallas töindex (”thaw index”). Antar dygnsmedeltemperaturen ett värde som är större än referenstemperaturen erhålls ett positivt töindex-värde. Nästa steg är att bestämma den gräns för hur många töindexdagar som ska ackumuleras innan vägkonstruktionen på det bestämda djupet börjar tina. Detta utförs genom att medeltemperaturen på det bestämda djupet i vägkonstruktionen plottas mot de ackumulerade töindexdagarna och en linje anpassas till punkterna. Skärningspunkten mellan den anpassade linjen och x-axeln ger gränsvärdet för hur stort värde töindex, TIack, är då vägkonstruktionens medeltemperatur på ett visst djup är 0 °C (Hicks et al, 1985; Mn/DOT, 2009; Berglund, 2010b; Berglund, 2010c).

Det har i detta arbete konstaterats att det finns fler angreppssätt till problemställningen att prognostisera bärförmågeproblem än att studera problemet fysikaliskt i laboratorium (Berglund, 2009). I detta arbete har bedömningen gjorts att den så kallade ”Minnesotamodellen” är en snabbare väg mot en praktiskt användbar modell än att studera problemet i laboratoriemiljö och därifrån göra en modell. För att utreda om modellen hade möjligheter att användas i svenska klimatförhållanden krävdes att modellen testades med hjälp av klimatdata insamlad i Sverige (Berglund, 2010b).

3.5 Fältförsök

För att den temperaturbaserade prognosmodellen skulle kunna testas på svenska förhållanden krävdes luft- och vägtemperaturdata, samt ett referenssystem för att korrelera resultaten till vägens bärförmåga. Som referenssystem valdes fallviktsmätningar eftersom det är en branschetablerad metod för att beskriva en vägs bärförmåga (Berglund, 2010b). Syftet med fältförsöket är att testa den teoretiska modellen med hjälp av temperaturdata samt jämföra resultaten med fallviktsmätningarna, referenssystemet.

Den teststräcka som valdes för studien är placerad i Björsbyn cirka 7km utanför Luleå centrum, se Figur 2 (mer om val av teststräcka, se Berglund, 2010c). Björsbyvägens vägprofil består av 10cm oljegrus, 40cm sandigt grus till grusig lerig sand, av 300cm siltig lera underlagrad av siltig morän (Vikström, 1999).

4 Slutsatser

Prognosmodellen fungerar på den undersökta teststräckan och prognostisering av vägens bärförmågenedsättning verkar möjlig. Detta gäller speciellt om undergrundsmodulen är den viktigaste parametern för vägens strukturella beteende vid tjällossningen.

För att minska vägskadorna vid tjällossningsperioden är ”Minnesotamodellen” en enkel och rak metod för att prognostisera bärförmågenedsättningar Denna modell bör snabbt kunna göras praktiskt tillämpbar, vilket är kostnadseffektivt.

En svaghet i prognosmodellen är att den kan missa en uppmjukning i vägen om inte temperaturtrenden är stadigt över 0 °C. Hur grava fel detta kan leda till är inte utrett i denna studie.

För att erhålla en bättre uppfattning om modellens potential måste fler tester utföras på fler platser i landet och referenstemperaturer kanske justeras likt utfört i Minnesota.

Framtida användningsområden för prognosmodellen kan vara att tjäna som ett översiktligt planeringsverktyg för att, från väghållarens sida, identifiera var det finns potentiella bärförmågeproblem i ett tidigt skede på tidigare identifierade problemsträckor.

Inventeringsresultaten stämmer inte till 100 % vid en jämförelse av tjälinventeringar gjorda av olika aktörer på samma vägsträcka. Detta kan bero på en mängd orsaker: längdmätning, svårighet att skilja skadeklasser, inventerarens dagsform. Inventeraren måste göra en subjektiv bedömning om skadetyp och skadeklass vilket medför att resultaten i nuläget kommer variera beroende på vilken person som utför inventeringen.

Ett första steg i förbättringsprocessen av förfarandet vid tjälinventeringar bör innefatta en metodbeskrivning. En metodbeskrivning som är enkel och lättförståelig kommer att hjälpa till att höja kvalitén på inventeringarna och i förlängningen åtgärdsplaneringen.

5 Framtida arbete

Det har i detta arbete visats att inventeringsresultat på en och samma vägsträcka under likartade förhållanden kan uppvisa stora skillnader om olika aktörer utför inventeringen. I ett första steg att förbättra förfarandet vid inventering av en väg kan en metodbeskrivning vara ett värdefullt dokument. En bra och lättförståelig metodbeskrivning medför att kvalitén på inventeringarna kommer att höjas och att den i nuläget alltför stora delen subjektiva bedömningar minskar. En större användning av tillgängliga tekniska hjälpmedel bör också undersökas.

Prognostisering av en vägs bärförmåga med ”Minnesotamodellen” bör utredas ytterligare eftersom den fungerade väl direkt ”out of the box” och därmed bör modellen också ha en förbättringspotential. För att ge en större tyngd till omdömet kring modellens potential att bli ett planeringsverktyg i bärförmågesammanhang krävs datainsamling på olika platser i landet i form av temperaturer och fallviktsmätningar (eller motsvarande) samt analys av dessa. Tester på fler platser ger svar på om prognosmodellen verkar fungera relativt väl eller om det var en engångsföreteelse att den fungerade på teststräckan. Den framtida studien skulle också kunna innehålla en kalibrering genom referenstemperaturen, något som inte hunnits med i denna studie.

Eftersom en referenstemperatur i denna studie enbart har tagits fram för ett objekt på en plats hade det varit intressant att studera om denna referenstemperatur kan kalibreras att gälla för ett större område och i så fall hur stort. Vilka områden i Sverige som ska svara mot en speciell referenstemperatur borde kunna styrkas med vidare studier.

Teoretiska beräkningar med vanligt förekommande vägprofiler i Sverige och klimatdata från olika platser i Sverige borde genomföras. Dessa beräkningar som skulle bli en undersökning likt de som utfördes av Hicks et al, 1985, fast med svenska förhållanden, skulle vidare forma en grund för modellens potential i Sverige. Det bör även finnas utrymme för att vidareutveckla gränskriteriet i ”Minnesotamodellen”. Det skulle kunna vara så att flera samverkande faktorer skulle vara gränskriterium och inte som nu enbart töindex.

6 Referenser

Andersland, O. Landanyi, B. (1994) An introduction to Frozen ground engineering. Chapman & Hall, Inc. ISBN: 0-412-98201-3

Andersson, G. Westlund, K. (2008) Vägstandardens inverkan på skogsnäringens

transportarbete. Arbetsrapport nr 663 2008 Skogforsk.

Berglund, A. (2009). Tjäle – en litteraturstudie med särskilt fokus på tjällossning. Forskningsrapport Luleå tekniska universitet. ISBN: 9789186233983

Berglund, A. (2010a). Tjälinventeringsprojektet – En jämförande studie av tjälinventeringar

gjorda av olika aktörer. Luleå tekniska universitet 2010. ISBN 9789174391503

Berglund, A. (2010b). Studie av modell för prognos av vägars bärförmåga vid tjällossningen

– ”Minnesotamodellen”. Luleå tekniska universitet 2010.

Berglund, A. (2010c). Prognos av vägars bärförmåga vid tjällossningen – användning av

”Minnesotamodellen” på en teststräcka i Sverige. Luleå tekniska universitet 2010.

Bullock, D. Schrader, C. Van Deusen, D. Worel, B. (1998). Recent Research on Springtime

Thaw Weakening and Load Restrictions In the State of Minnesota. The 77th Annual Meeting

of the Transportation Research Board January 11-15, 1998 Washington, D.C. Paper No. 980621

Doré, G. Leong, P.Tighe, S. (2005) Using LTPP Data to Develop Spring Load Restriktions: A pilot study.

Doré, G. Zubeck, H. (2009). Cold Regions Pavement Engineering, McGraw-Hill Professional, ISBN: 0071600884 / 9780071600880.

Gandahl, R. (1987). Tjäle och tjälskydd: erfarenheter från FoU-verksamheten vid SVI och

VTI. Linköping: Statens väg- och trafikinstitut

Hicks, R. G. Mahoney, J. P. Rutherford, M. S. (1985). Guidelines for spring highway use

restrictions WA-RD-80.1

Hicks, R. G. Mahoney, J. P. Rutherford, M. S. (1986). Research summary report – Guidelines

for spring highway use restrictions WA-RD-80.2

Mn/DOT. (2009). Minesota Department of Transportation Policy, Safety & Strategic

Initiatives Division Technical Memorandum No. 09-09-MAT-02 June 29 2009

Phukan, A. (1985). Frozen ground engineering. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall. Inc. ISBN: 0-13-330705-0

ROADEX www2_{.http://roadexorg.adv2.nebula.fi/elearning/} 2010-09-27

Vikström, L. (1999). Uppmätta och beräknade tjällyftningar och tjäldjup i jord – En analys

av ingångsparametrarnas betydelse för beräkningsresultatet. Licentiatavhandling 1999:63.

Luleå tekniska universitet. ISSN: 1402-1757

VVMB114. (2000). Bearbetning av deflektionsmätdata, erhållna vid provbelastning av väg

med FWD-apparat. Vägverket publikation 2000:29

VVMB 301. (2001). Beräkning av tjällyftning. Vägverket publication 2001:101. Sandberg, A. (2001). Möjligheter att bedöma bärförmåga i tinande jord med hjälp av

temperaturfördelning. LTU 2001:078 CIV. ISSN:1402-1617

Yesiller, N., Benson, C.H., and Bosscher, P.J. (1996). Comparison of Load Restriction

Timings Determined Using FHWA Guidelines and Frost Tubes. Journal of Cold Regions

Engineering, ASCE, Vol. 10, No. 1.

Internet

www.hitta.se sökord: ”Björsbyn Luleå” 2010-06-09

Tjäle - en litteraturstudie med

särskilt fokus på tjällossning

Andreas Berglund

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.

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syftet med litteraturgenomgången ... 1 1.3 Begränsningar... 1 1.4 Rapportstruktur... 1 2 Allmänt... 3 2.1 Historik... 4 3 Jords termiska egenskaper... 7 3.1 Inledning – värmeutbytets grunder ... 7 3.2 Termisk konduktivitet – värmeledningstalet ... 7 3.3 Värmekapacitet ... 8 3.4 Termisk diffusivitet – temperaturledningstalet... 8 3.5 Latent värme ... 8 4 Temperaturprofil ... 11 4.1 Geotermisk gradient... 11 4.2 Aktivt område ... 11 4.2.1 Permafrost... 12 4.2.2 Säsongstjäle ... 12 5 Tjälnedtränging ... 13 5.1 Fenomen ... 13 5.1.1 Nedkylning av porvatten... 13 5.1.2 Vattentransport till tjälfronten ... 14 5.1.3 Ofruset vatten vid negativa temperaturer... 15 5.1.4 Hydraulisk konduktivitet vid negativa temperaturer... 19 5.2 Beräkning av tjäldjup... 20 5.2.1 Klimatbelastning – köld-/frostmängd... 20 5.2.2 Vad styr tjäldjupet? ... 21 5.2.3 Stefans formel ... 21 5.2.4 Modifierad Stefans formel – Aldrichs ekvation ... 23 5.2.5 Neumans metod... 25 6 Tjällyftning ... 27 6.1 Fenomen ... 27 6.2 Beräkning av tjällyftning... 33 6.2.1 Segregation potential theory ... 33 6.2.2 Tjällyftets storlek ... 35 7 Tjällossning ... 37 7.1 Fenomen ... 37 7.2 Vad styr?... 37 7.2.1 Dräneringsförhållanden, temperatur och permeabilitet... 37 7.2.2 Sättningar och konsolidering ... 38 7.2.3 Atterbergs gränser ... 40 7.3 Beräkning av tjällossning ... 41 8 Tjälfarlighetsklassificering... 43 8.1 Sverige... 43 8.2 Norge... 45 8.3 Finland ... 46

8.4 USA ... 47 8.4.1 Unified Soil Classification System ... 47 8.4.2 Tjälfarlighetsklassificering... 49 8.5 Klassificeras jorden lika? ... 53 8.5.1 Klassificering Sverige... 54 8.5.2 Klassificering Norge ... 54 8.5.3 Klassificering Finland... 54 8.5.4 Klassificering USA... 54 8.5.5 Sammanfattningsvis... 54 8.6 Segregation Potential... 55 8.7 Jämförelse klassificeringssystem ... 55 9 Tjälnedträngning vägar... 57 9.1 Hög hållfasthet ... 57 9.2 Låg hydraulisk konduktivitet... 58 10 Tjällyftning vägar... 59 11 Tjällossning vägar ... 61 11.1 Konsekvenser... 61 11.1.1 Ytuppmjukning... 61 11.1.2 Djupuppmjukning ... 62 11.1.3 Tjälskott... 63 11.1.4 Tjälfall... 63 11.1.5 Släntflytningar ... 64 12 Prediktering av tjälskador och bärighetsnedsättning... 65 12.1 Väderdata genom VViS ... 65 12.2 Bygga bort tjälproblemen eller använda lastrestriktioner?... 67 12.3 Lastrestriktioner... 68 12.3.1 Exempel på beslutsförfarande vid lastrestriktioner i Finland... 70 12.4 CTI – Central Tire Inflation... 71 12.5 Direkta och indirekta analysmetoder... 72 12.6 Minnesotamodellen ... 72 12.7 Implementering av Minnesotamodellen i Ontario, Kanada... 73 13 Diskussion ... 77 14 Slutsatser... 79 15 Referenser ... 81 15.1 Tryckta... 81 15.2 Webbaserade... 82 15.3 Personliga ... 83 16 Bilagor... 85

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Tjäle i mark har sedan år 1765 studerats av vetenskapsmän i världens kalla regioner. Tjälnedträngningsfenomenet har beskrivits grundligt och enklare handberäkningsmetoder samt avancerade FEM-beräkningsmetoder har tagits fram. Den mer komplexa processen vid tjällyftning och bildandet av islinser har även den beskrivits och forskats på grundligt, även om den ännu inte helt är utredd. Tjällossningsfenomenet är tämligen även det väl utrett men fortfarande finns ett behov av att utreda tjällossningsproblemens följder såsom

bärighetsnedsättningar och efterföljande lastrestriktioner.

Då klimatet tenderar att bli varmare och vintertemperaturen ligger omkring 0°C och även ovan 0°C flera gånger varje vinter skapar det förutsättningar för mer än en tjällossning per vinter. I ett ”värsta fallscenario” pågår tjällossningen under en betydande del av den kallare delen av året. Med tjällossningen följer bärighetsproblem på våra vägar. Eftersom

bärighetsnedsättningar och lastrestriktioner framförallt påverkar de tunga transporterna på vägarna skapar tjällossningsproblemen stora samhällsekonomiska kostnader. När ska vägen stängas av? Hur länge ska den vara avstängd? Dessa två frågor är några av de viktigaste frågorna i samband med tjällossningen. De är tämligen enkla att formulera och tämligen viktiga för samhället att besvara. För att besvara dem krävs betydligt mer tankekraft än att formulera dem. I en förhoppning om att kunna besvara dessa frågor och hitta ett enkelt mätetal, till exempel temperatur, som kan ge information om när och hur länge lastrestriktioner skall appliceras på vägarna har ett samarbetsprojekt mellan Vägverket, Högskolan Dalarna, Göteborgs universitet och Luleå tekniska universitet initierats. De olika lärosätena arbetar med sin del i linje med lärosätets expertkunskap. Högskolan Dalarna arbetar med IT, Göteborgs universitet arbetar med klimat och Luleå tekniska universitet arbetar med den geotekniska biten. Denna tekniska rapport från Luleå tekniska universitet är det första viktiga steget mot svaret på de frågorna som kan ställas i samband med

bärighetsnedsättningar vid tjällossningen. Rapporten syftar till att ge projektets geotekniska del en stabil grund att stå på och en plattform att arbeta vidare från i det fortsatta projektet.

1.2 Syftet med litteraturgenomgången

Syftet med litteraturgenomgången är att översiktligt skapa en bild av tjälprocessen i allmänhet och forskningsläget gällande tjällossning i samband med vägar. Litteraturgenomgången syftar även till att skapa en plattform att jobba vidare från för att vidareutveckla metoder att prognostisera bärighetsreduktioner i vägar under tjällossningen.

1.3 Begränsningar

Litteraturgenomgången behandlar enbart tjäle och lägger fokus på tjälprocessen och tjällossningen. Tjällyftningsfenomenet lämnas något därhän. Litteraturgenomgången begränsas till att enbart behandla litteratur på svenska, norska och engelska.

1.4 Rapportstruktur

I kapitel 1 presenteras syftet med rapporten och begränsningarna. Allmänt om tjälprocessen och översiktligt om tjälforskningens historia presenteras i kapitel 2. Kapitel 3 presenterar jords termiska egenskaper och ingående faktorer, kapitel 4 behandlar jordens

temperaturprofil. Tjälnedträngning, fenomen och beräkningsmetod behandlas i kapitel 5, tjällyftning fenomen och beräkning i kapitel 6, medan tjällossningens fenomen och metod för

att beräkna presenteras i kapitel 7. Kapitel 8 presenterar olika länders sätt att tjälklassificera. Kapitel 9 behandlar tjälnedträngningens påverkan på vägar, kapitel 10 handlar om tjällyftning och vägar medan kapitel 11 behandlar tjällossningens påverkan på vägar. I kapitel 12

2 Allmänt

Frusen jord definieras som ett system bestående av fyra komponenter, jordpartiklar, is, vatten och luft. Jordpartiklarna (mineral och/eller organiskt material) återfinns i varierande storlekar och former. En tunn vattenfilm omsluter de flesta mineralpartiklarna. I en frusen jord finns is, ofruset vatten och luft i porerna. Isen kan i jorden anta en jämn spridning, ansamlas i

oregelbundna formationer eller i lager (Andersland och Ladanyi, 1994).

En jord sägs vara i fruset (tjälat) tillstånd då dess temperatur är mindre än frystemperaturen 0°C (32°F). Det bör dock nämnas att föroreningar i jorden, vattnets aktuella ytspänning och det överliggande jordtrycket kan göra att vattnet i jorden har en annan fryspunkt än 0°C. Frusen mark kan vara frusen hela året om eller enbart under en viss del av året. Mark som är frusen under hela året benämns permafrost. Permafrostfenomenet återfinns utpräglat i världens polarregioner, kalla regioner. I engelskspråkig litteratur används termerna ”perennially frozen ground” (i. e. varaktigt frusen mark) och ”permafrost” för att benämna tillståndet hos en jord eller bergmassa som haft en temperatur mindre än 0°C under två år eller fler. Säsongsfrusen mark genomgår en cykel av nedfrysning och upptining. Säsongsfrusen mark följer årstidsvariationerna (Phukan, 1985). Under vintermånaderna har marken en temperatur lägre än 0°C och under sommarmånaderna tinar marken helt. Säsongsfrusen mark är vanligt i de kalla regionerna.

Världens kalla regioner definieras ofta genom lufttemperatur, snödjup, istäcke på sjöar eller tjälnedträngning. För tjälproblem spelar lufttemperatur och tjälnedträngning störst roll. Isotermen för 0°C luftmedeltemperatur för den kallaste månaden på året har använts för att definiera den södra gränsen av de kalla regionerna i den norra hemisfären. Ett

tjälnedträngningsdjup på 300mm minst återkommande var tionde år är ett annat allmänt accepterat kriterium för att definiera de kalla regionerna. Den södra gränsen definierad av tjälnedträngningskriteriet sammanfaller i princip med den gräns definierad av isotermen för medeltemperatur 0°C den kallaste månaden. Med några avsteg kan gränsen för de kalla regionerna i Nordamerika approximeras till den 40e breddgraden. Stora oceaniska

vattenströmmar som Golfströmmen påverkar närliggande landområden och skapar ett varmare klimat. Det är därför gränsen för de kalla regionerna i framförallt norra Europa kraftigt avviker från den 40e breddgraden. Detta redovisas i Figur 1 där den fransade linjen ”Limit of substantial frost penetration” markerar den södra gränsen för de kalla regionera (Andersland och Ladanyi, 1994).

I de kalla regionerna världen över skapar tjäle i mark och den efterföljande tjällossningen problem för en mängd olika konstruktioner. Detta leder i sin tur till svårigheter för konstruktionernas användare. De mest uppenbara tjälproblemen är relaterade till skador på vägar, gator, parkeringsplatser, flygfält, järnvägar, rör liggande i mark, husgrunder och fundament (Knutsson, 1998). Tjällyftning vid nedfrysning av jorden, sättningar och bärighetsnedsättningar vid tjällossning kan för vägkonstruktioner godtas, förutsatt att problemen de skapar är måttliga. För alla kategorier av byggnadsverk (hus etc.) måste grundregeln vara att jorden under och närmast konstruktionen inte får frysa (Knutsson, 1981). Detta då en hävning av markytan på grund av tjällyftning eller en sättning på grund av tjällossning kan vara kritisk för konstruktionens fortsatta funktion.

Då klimatet tenderar att bli varmare och temperaturen vintertid fluktuerar fler gånger omkring 0°C skapar detta förutsättningar för flera tjälningsperioder med tillhörande tjällossningar per

vinter (SMHI, 2007). Tjällossningen och de problem den skapar, samt åtgärder för dessa problem, måste därför utredas.

Figur 1. Översikt över de olika zonerna i de kalla regionerna (Andersland och Ladanyi, 1994).

2.1 Historik

I områden med årstidsberoende tjälning och upptining (säsongsfrusen mark) har forskare och ingenjörer sedan länge studerat tjälningsprocessen och dess bakomliggande mekanismer. Redan 1765 publicerades en studie av jordytans förändring vid kallt klimat. Denna tidiga studie genomförd av E. O Runeberg vid den Kungliga Vetenskapliga Akademin. Runeberg studerade markytans hävning vid kallt klimat. Studien förklarade markytans hävning vintertid genom markvattnets volymökning vid fasomvandling till is. Detta efter att vattnets

volymexpansion experimentellt konstaterats genom nedfrysning av vatten i ett rör. Frysning av vatten leder till en volymökning med 9%. Denna volymökning av porvattnet leder inte nödvändigtvis till en hävning av jordprofilen motsvarande 9%. Även om marken är helt vattenmättad (Andersland och Ladanyi, 1994). Om enbart porvattnets volymökning vid frysning hade varit orsaken bakom markens hävning hade markytan hävt sig 2-3%, givet att normala värdena på portal, vattenkvot och markens kompressionsegenskaper tas i beaktning.

Äldre fältobservationer visade dock att för många jordtyper uppkom betydligt större vertikala hävningar än de som kunde härledas till enbart porvattnets volymökning (Phukan, 1985). Detta förbryllade givetvis vetenskapsmännen. Porvattnets volymexpansion i de frysta jordlagren ansågs trots de tidigare fältobservationerna vara tjällyftningens orsak så länge som en bit in på 1900-talet. Janson upptäckte 1914 att vatten strömmade till den frysta delen av jorden. Janson antog helt riktigt att vattentillströmningen ledde till en anrikning av is i jorden som i sin tur var orsaken till hävningen av markytan i tjälade finkorniga jordar. Detta till skillnad från Runeberg som enbart härledde markens hävning till porvattnets volymökning (Simonsen, 1993).

Att vattens volymökning vid fasomvandling till is inte var fundamental för markens hävning bevisades senare av en amerikansk forskare vid namn Taber. År 1929 ersatte Taber vattnet i ett antal provvolymer med bensen och nitrobensen för att sedan frysa dessa. Bensen och nitrobensen har den fysiska egenskapen att de minskar i volym när de övergår från flytande till fast fas. Volymförändringen av vätskan i jordvolymen skulle därmed inte inverka på provvolymens eventuella hävning.

Taber observerade vid de genomförda experimenten en markant hävning vid frysning av provvolymerna. Hävningen observerades trots att jordvolymerna var mättade med bensen och nitrobensen istället för vatten (Penner, 1971). Experimenten utfördes under förutsättningen att jordvolymen hade möjlighet att suga vätska till den frysta zonen (Hou et al, 2003). På detta sätt visade Taber att Jansons antagande var riktigt.

Taber visade också genom andra experiment att när en jord fryses uppifrån och ned under förutsättningen att vatten kan vandra upp genom jordprofilen från en underliggande vattenyta kommer jorden att häva sig. Utsattes jorden kontinuerligt för en negativ temperatur var även hävningen kontinuerlig. När nollisotermen, tjälfronten, trängde djupare ned i jorden fortsatte hävningen av markytan på grund av bildandet av segregerade islinser. Taber observerade inte någon ändring i den vertikala hävningens hastighet då en islins slutade öka i storlek och en ny islins började bildas längre ned i jordprofilen (Phukan, 1985).

1935 föreslog den svenske tjälforskaren Gunnar Beskow att ett jordmaterials kapillära egenskaper, i princip kornstorleksfördelning, tillsammans med vattentillgången var styrande för ett materials tjällyftsbenägenhet (Simonsen, 1993). Senare forskning har dock belyst att enbart ett materials kapillära egenskaper tillsammans med god vattentillgång inte helt kan förklara islinsbildningen i enlighet med Beskows teorier (Knutsson, 1981)

3 Jords termiska egenskaper

En central roll i bildandet av tjäle i jord har jordens värmetekniska egenskaper. Dessa fysikaliska egenskaper påverkar det värmeutbyte som sker mellan den kalla luften och den varmare marken vid bildandet av tjäle.

3.1 Inledning – värmeutbytets grunder

Värmeenergi, termisk energi, kan överföras via konduktion, konvektion och strålning. I sammanhang av frusen jord ur ett ingenjörsperspektiv inverkar inte strålning och därför kommer inte strålningsfenomenet att nämnas vidare. Värmeutbyte i frusen jord påverkas av temperatur, permeabilitet, porositet, närvaron av vatten samt vattnets fas. Värmeenergi som leds från partikel till partikel kallas vetenskapligt konduktion, i vardagligt tal brukar värmekonduktionen benämnas värmeledning. Värmeledning är inte beroende av

masstransport. Som exempel kan ges en ett jordprov där den ena sidan hålls kallt. Efter en tid kommer hela jordprovet att ha blivit kallt eftersom en värmetransport genom konduktion har skett. Konvektion är en rörelse i en fluid som vatten och luft. Konvektion i jord sker då vatten eller luft strömmar genom sammanlänkade porer. Konvektion är därför beroende av

materialets porositet.

3.2 Termisk konduktivitet – värmeledningstalet

Termisk konduktivitet definieras som den värmemängd strömmande genom en ytenhet under en tidsenhet vid en temperaturskillnad av 1°K. Den termiska konduktiviteten tecknas ofta Ȝ. Den termiska konduktiviteten visar på ett materials förmåga att överföra värme genom konduktion. Ett högt Ȝ-värde innebär en hög förmåga att överföra värme konduktivt. Den termiska konduktiviteten definieras enligt ekvation 3.1 och vid stationära förhållanden tecknas Ȝ enligt ekvation 3.2: x T q w w O (ekv. 3.1)

T är temperaturskillnaden, x är avståndet mellan ytorna i ekvation 3.1. I ekvation 3.2 är Q värmeflödet, A tvärsnittsarean, T1-T2 är temperaturskillnaden mellan ytorna där konduktionen skall ske och L den latenta värmen.

Värmeledningstalet som den termiska konduktiviteten också ibland benämns beror i en jord av flera olika faktorer. Jordens densitet, vattenkvot, partikelform, temperatur, mängden av jordens olika beståndsdelar och porvattnets fas. Vattnets fas påverkar genom att is har en nästan fyra gånger högre termisk konduktivitet än vatten. En jord med låg vattenkvot som fryses får därför en minskad termisk konduktivitet medan en jord med hög vattenkvot får högre värmeledningsförmåga då den fryses (Jantzer, 2002). En sammanställning över materials termiska konduktivitet och volymetriska värmekapacitet presenteras i Tabell 1. Notera att i betecknas den termiska konduktiviteten k medan den tidigare och senare i rapporten betecknas med Ȝ, ”peat” i Tabell 1 betyder torv.

Tabell 1. Sammanställning av ett antal materials termiska konduktivitet, k (Ȝ) och volymetriska värmekapacitet (Doré och Zubeck, 2009).

3.3 Värmekapacitet

Den mängd värme som krävs för att höja temperaturen hos ett material med 1° benämns ett materials värmekapacitivitet eller specifika värmekapacitet, c. Enheten är J/kg, K. I tjälberäkningar är det oftast enklare att använda den värmemängd som åtgår för att höja temperaturen 1° hos en given volym (vanligtvis 1 m3). Denna värmekapacitet benämns just värmekapacitet eller den volymetriska värmekapaciteten. Betecknas ofta med C, enheten är J/m3_{, K (Knutsson, 1981). Värmekapaciteten är beroende av de olika fasernas respektive} andel av hela volymen. Det vill säga hur stor volym fast substans, vatten och luft som finns i den totala volymen påverkar den totala värmekapaciteten. På grund av detta används ofta ett viktat värde på värmekapaciteten, se ekvation 3.3 (Lunardini, 1981).

n n b b a aC X C X C X C  ... (ekv 3.3)

3.4 Termisk diffusivitet – temperaturledningstalet

Ett mått på ett materials förmåga att snabbt uppta eller avge värme kallas materialets termiska diffusivitet eller ett materials temperatureledningstal. Den termiska diffusiviteten är

förhållandet mellan värmeledningstalet Ȝ och värmekapaciteten C, som är värmekapacitiviteten c multiplicerat med ȡ densiteten enligt ekvation 3.4.

c

C U˜

O O

D (ekv. 3.4)

Har ett material en hög termisk diffusivitet innebär det att materialet snabbt ändrar temperatur. Is har åtta gånger högre diffusivitet än vatten vilket innebär att en frusen jord påverkas av temperaturändringar mycket snabbare än en ofrusen jord (Jantzer, 2002).

3.5 Latent

värme

Den latenta värmen L är den värmemängd som behövs för att smälta nollgradig is till nollgradigt vatten eller den värmemängd som måste bortföras för att omvandla nollgradigt vatten till nollgradig is. Namnet latent värme kommer från att det avges eller upptas utan att materialets temperatur ändras. Enheten är J/m3. Eftersom en jord inte helt består av vatten används den effektiva latenta värmen vilket anger den latenta värmen per volymsenhet jord. Den effektiva latenta värmen, _{L , i en jord beror av den latenta värmen, torrdensiteten och} '

d

w L

L' ˜ ˜U _{(ekv. 3.5)}

I rent vatten är den latenta värmen 333kJ/kg eller 333MJ/m3_{. I tjältekniska sammanhang har} den latenta värmen stor betydelse eftersom den värmemängd som frigörs respektive åtgår vid fasomvandling av vatten är relativt stor. I många fall är borttransporten av den latenta värmen det som ensamt reglerar tjäldjupet i en jord. Den latenta värmen är förklaringen till att tjäldjupet alltid är mindre i en jord med stort vatteninnehåll än i en jord med mindre vatteninnehåll vid i övrigt identiska förhållanden (Knutsson, 1981).

4 Temperaturprofil

Marktemperaturen bestäms av lufttemperaturen, värmeflödet från jordens inre och jordens termiska egenskaper. Temperaturprofilen i marken styr bland annat tjälens nedträngning (Andersland och Ladanyi, 1994). För tjälberäkningar och problem relaterade till tjäle är ofta en av de viktigaste frågorna tjäldjupet. Det är därför viktigt att identifiera temperaturprofilen i jorden (Jantzer, 2002).

4.1 Geotermisk

gradient

Jordens temperatur nära markytan påverkas mest av lufttemperaturen.

Temperaturvariationerna följer de dagliga och årliga ändringarna. Med jordprofildjupet kommer temperaturvariationerna vid ytan att påverka temperaturprofilen i jorden mindre grad. Vid stort djup, cirka 10-20m, beror jordens temperatur inte av markyttemperaturen. Vid sådana djup är temperaturen relativt konstant oavsett årstid (Andersland och Ladanyi, 1994). Vid än större djup ökar jordens temperatur svagt linjärt beroende på jordens heta inre. Den beskrivna temperaturvariationen med djupet benämns den geotermiska gradienten. Den geotermiska gradienten har genom studier visats vara 1°C per 30 djupmeter i medelvärde (Jantzer, 2002). I en jordprofil kan den geotermiska gradienten beskrivas som den linje som bildas då isotermerna för Tminoch Tmaxsammanfaller vid stort djup vilket redovisas i Figur 2.

Figur 2. Temperaturprofilen i en jord (Andersland och Ladanyi, 1994).

4.2 Aktivt

område

Det översta lagret i jorden där temperaturen varierar över och under 0°C under året kallas det aktiva lagret, se Figur 2. Det aktiva lagret benämns även säsongsfrusen mark, säsongstjäle och

årligt tinat lager, det sistnämnda används främst i permafrostområden (Andersland och Ladanyi, 1994).

4.2.1 Permafrost

Figur 2 redovisar en grafisk presentation av den så kallade ”whiplashkurvan” (Jantzer, 2002) som visar temperaturprofilen i marken. Figur 2 visar även det aktiva lagret i en

permafrostmark, medeltemperaturen Tm, max- och mintemperaturen Tmaxrespektive Tmin och

temperaturgradienten dT/dZ (Andersland och Ladanyi, 1994). Medeltemperaturen kan erhållas genom att förlänga den stabila termiska gradienten vid stort djup. Temperaturerna markeras på den horisontella skalan där den vertikala axeln som visar djupet skär vid 0°C. Det är i det aktiva lagret som det skapas tjälproblem såsom tjällyftning, tjällossning och

sättningar. Med denna temperaturmodell färskt i minnet kan en närmre förståelse för exempelvis tjällossningsproblemet erhållas. Vid en övergång från minus- till plusgrader kommer vatten i de översta lagren frigöras medan de underliggande frysta lagren försvårar dränering av smältvattnet vilket reducerar hållfastheten i jorden.

4.2.2 Säsongstjäle

Säsongstjäle och dess nedträngning innebär att det aktiva området fryser och tinar årligen. I en säsongsfrusen mark fryser enbart det aktiva området under vintern för att sedan återigen tina upp då temperaturen vid markytan stiger ovan 0°C. I en säsongsfrusen jord är jorden längre ned i jordprofilen, under det aktiva området, fortfarande ofrusen i jämförelse med ett permafrostområde där marken under det aktiva området är frusen till ett visst djup där temperaturen i jordprofilen åter blir positiv (Andersland och Ladanyi, 1994).

Sammanfattningsvis kan det aktiva lagret beskrivas som det lager som tinar under sommaren i ett permafrostområde medan det aktiva lagret i ett säsongsfruset område fryser under vintern.

5 Tjälnedtränging

5.1 Fenomen

Lufttemperatur under noll grader skapar en termisk gradient, temperaturskillnad per längdenhet, som orsakar ett värmeflöde från markytan. Med värmeavgången initieras nedfrysningen av marken och tillväxten av iskristaller i jorden. Dessa iskristaller kan sedan växa samman till plana islinser. Islinsbildningen möjliggörs av att underliggande markvatten rör sig mot den frusna zonen (Phukan, 1982). Är värmeavgången från marken modest åtgår all kyleffekt till att frysa det uppåtströmmande ”varma” vattnet, tjälfronten står därmed stilla och islinserna blir tjocka. När värmeavgången är stor räcker kyleffekten till att frysa mer än det uppåtströmmande vattnet och tjälgränsen rör sig därav nedåt i jordprofilen. Vid en stor kyleffekt blir islinserna tunnare eftersom tjälgränsen rör sig nedåt med en högre hastighet (VV Publ. 101, 2001). Nollisotermens variation för en säsongsfrusen jordprofil under en asfaltyta presenteras i Figur 3. På x-axeln redovisas tiden, nedfrysningsperioden ”Freezing period” och tjällossningsperioden ”Thawing period” finns markerade. Med ”Thawing period” menas perioden efter att tjälen nått dess maximala djup och tjäldjupet återigen minskar på grund av stigande markytemperaturer. Djupet z redovisas på y-axeln i Figur 3.

Figur 3. Nollisotermens variaton i en jordprofil i en säsongsfrusen jord (Andersland och Ladanyi, 1994).

5.1.1 Nedkylning av porvatten

I Figur 4 redovisas nedkylningskurvan för porvattnet. Porvattnet börjar inte frysa innan temperaturen nått Tsc på grund av den latenta värmen i vattnet. Vid starten av isbildningen

frigörs värme och temperaturen i jorden stiger till Tf. För friktionsjordar med små specifika

ytor kommer Tf att vara nära 0°C medan en silt eller lera kan skillnaden mellan 0°C och Tf

(ǻT i Figur 4) uppgå till 5°C. Vid temperaturen Tf fryser det fria vattnet i jorden och värme

frigörs då vatten övergår till is. Den frigjorda värmen gör nedkylningen av jordvattnet långsammare. Det kemiskt bundna vattnet fryser vid lägre temperaturer och vid temperaturen

Tesom nås vid cirka -70°C har det mesta av det kemiskt bundna vattnet frusit. Detta innebär

att vid temperaturer ovan Tekan finnas ansenliga mängder ofruset vatten i jorden, speciellt i