Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella erilaisia laskennallisia tapoja mallintaa heikkorakenteisen tien kuormituskestävyyttä. Hyvin rajatullakin joukolla erilaisia lasken-tamalleja ja koekohteita saatiin melko hyvä käsitys aiheen nykytilasta ja kehittämistar-peista. Tämän työn voidaan katsoa vahvistavan käsitystä, jonka mukaan heikkoraken-teisen alemman tieverkon tiestöllä kasvava liikenne- ja ilmastokuormitus voivat aiheuttaa ongelmia, joita ei tunnisteta nykypäivän suunnittelussa vielä tarpeeksi hyvin.
Seuraavissa kappaleissa on esitettynä tämän tutkimuksen yhteydessä esiin nousseita kiinnostavia yleisiä ja mitoitusmenetelmäkohtaisia havaintoja sekä jatkotutkimustarpeita.
6.1 Yleisiä havaintoja
– Tien rakennekerrosten kosteustilalla on vaikutusta tien jäykkyyttä kuvaaviin moduu-liarvoihin ja tierakenteen kuormituskestävyyteen. Pienetkin muutokset rakennekerros-materiaalin jäykkyyttä kuvaavissa moduuliarvoissa johtavat merkittäviin muutoksiin lii-kennekuormituksen alla syntyvissä muodonmuutoksissa. Liikennekuormituksesta synty-vien jännitysten ja venymien suuruuden lisäksi kosteustilalla voi olla vaikutuksia siihen, mihin jännitys-venymäkeskittymä sijoittuu tierakenteessa. Kosteustilan merkitys tiera-kenteen kuormituskestävyydessä tulee entisestään lisääntymään ilmastonmuutoksen ja kasvavien kuljetusyksiköiden myötä, joten kuivatuksen parantaminen on yksittäisenä keinona tehokkain, kun mietitään tierakenteen routa- tai kuormituskestävyysmitoitusta.
– Heikkorakenteisen tien kuormituskestävyys on hyvin voimakkaasti riippuvainen vuo-denajasta. Eroavaisuudet kuormituskestävyydessä eri vuodenaikoina ovat Suomessa jääneet tämän päivän suunnittelussa vähälle huomiolle, eikä koko vuotta kuvaavat kes-kiarvot kerro todellista tilaa ainakaan heikkorakenteisen tien kohdalla, joilla vuodenai-kaisvaihtelut ovat hyvin merkittäviä.
– Kuormituskestävyyden kannalta oleellisten parametrien määrittämiseen liittyy selkeitä ongelmia. Materiaaliparametrit ovat hyvin riippuvaisia mittausmenetelmästä ja mittaus-ajankohdasta sekä mittauspisteen sijoittumisesta tien poikkileikkauksessa. Materiaalipa-rametrien tulisi kuvastaa kuormituksenalaista jännitystilaa, mikä vaatisi rakeisuuskäyrä-tarkasteluiden lisäksi muitakin laboratoriokokeita kuten esimerkiksi syklistä kolmiaksiaa-likoetta.
– Tierakenteen kuormituskestävyyden mittausmenetelmissä olisi tarvetta jatkuvatoimi-selle ja tieliikennenopeudella toimivalle mittauslaitteistolle, jolla pystytään simuloimaan pyöräkuormitusta mahdollisimman todenmukaisesti.
– Lisääntyvän liikennerasituksen myötä olisi tärkeää ottaa huomioon akselimäärien kas-vusta seuraavan kasvavan dynaamisen kuormituksen ja veden pumppautumisen vaiku-tukset erityisesti kosteustilaherkillä tien rakennekerrosmateriaaleilla ja heikon pohja-maan alueilla.
– Heikkorakenteisen tien tapauksessa voisi olla järkevämpää siirtyä elementtimenetel-mään ja pyrkiä kehittäelementtimenetel-mään toimivia mekanistisia malleja kuormituskestävyyden selvit-tämiseksi. Tässä työssä esitettyjen koekohteiden kohdalla PLAXIS-mallinnukset antoivat lupaavia tuloksia, joskin mallintamiseen liittyy aina epävarmuuksia, joista osa tunniste-taan ja osa ei. PLAXIS-mallinnuksilla voitaisiin kuitenkin saada dynaamisen kuormituk-sen, heikon pohjamaan ja kosteustilaherkkien rakennekerrosmateriaalien vaikutukset paremmin esille, kuin muilla kuormituskestävyyttä kuvaavilla laskentamenetelmillä. Ele-menttimenetelmän ja sitä soveltavien ohjelmistojen laajamittaisempi käyttö vaatisi kui-tenkin yhtenäistä linjaa kriittisten siirtymien ja jännitysten määrittelemiseksi kattamaan myös heikkorakenteisten ja vähäliikenteisten teiden tapaukset. Empiriaan ja kerrosra-kennemalliin tukeutuvat menetelmät toimivat tämän työn yhteydessä tehtyjen havainto-jen mukaan vaihtelevasti heikkorakenteisilla teillä. Käsitystä vahvisti rajatapauskohteen (Simo) laskelmista tehdyt havainnot, joissa empiiriset menetelmät ja kerrosrakennemalli toimivat vielä huomattavasti yksiselitteisemmin ja paremmin.
6.2 Mitoitusmenetelmäkohtaisia havaintoja
Odemark
Odemarkin kantavuusmitoitus on nopea laskentamenetelmä, joka yksinkertaistaa tiera-kenteen toiminnan kannalta oleellisia tekijöitä ainakin heikkorakenteisten teiden tapauk-sessa. Kuormitusluokat ovat kaukana toisistaan ja tavoitekantavuuksien skaala on hyvin suppea. Liikennekuormitukseltaan hyvinkin erilaiset tieosuudet voivat saada Odemarkin kantavuusmitoituksen mukaan saman tavoitekantavuuden, mikä voi aiheuttaa resurs-sien tarpeetonta käyttöä, tai jopa selkeän kuormituskestävyyteen liittyvän ongelman. Tä-män työn yhteydessä huomattiin, että Odemarkin kantavuusmitoitus ottaa huonosti huo-mioon heikon pohjamaan tai heikon välikerroksen vaikutukset. Tierakenteen toiminnan kannalta on hyvin oleellista, mikäli rakennekerrosten välissä tai alla on muista rakenne-kerrosmateriaaleista selkeästi poikkeavaa ainesta. Laihialla sijaitsevan Havinneva-Tainuskylän kohteen kuormituskestävyydelle saatiin Odemarkin menetelmällä selvästi
liian hyvä tulos. Kantavan kerroksen alla olevan pehmeän ja orgaanista maa-ainesta si-sältävän kerroksen vaikutuksia tierakenteen toimintaan ei Odemarkin menetelmällä pys-tytä riittävän todenmukaisesti kuvaamaan.
Kerrosrakennemalli
Laskelmien yhteydessä kävi hyvin selväksi, että kerrosrakennemalli ja BISAR-ohjelmisto eivät sovi kaikilta osin heikkorakenteisten teiden kuormituskestävyyden laskennalliseen mallintamiseen, ja tarkasteluita tulee kohdentaa päällysteen alapintaan, tai sitomatto-mien rakennekerrosten rajapintoihin kunkin kohteen mukaan erikseen ottaen huomioon ohjelman antama näennäinen vedonkestävyys sitomattomilla rakennekerrosmateriaa-leilla. Ohjelman antamia päällysteen alapinnan venymän arvoja tulisi käyttää tulosten arvioinnissa vasta suuremmilla päällystepaksuuksilla. Kun päällystepaksuus on hyvin pieni, tarkastelu pitää tehdä näiden kohteiden osalta kantavan kerroksen ja pohjamaan yläpintoihin muodostuvien puristusmuodonmuutoksien pohjalta. Simon koekohteella saatiin järkeviä tuloksia päällysteen alapinnan venymälle, kun käytettiin kenttäkokeiden perusteella arvioituja moduuliarvoja ja oletettiin tierakenteen pysyvän kuivana. PEHKO-projektin mukaisilla venymän luokitteluilla saatiin kuivassa tilassa kuormituskestävyys-luokka ”tyydyttävä”, mikä kuvannee todellisuutta melko hyvin. Simon kohde edustaakin päällystepaksuutensa perusteella rajatapausta ohut- ja paksupäällysteisten tierakentei-den välillä, joten tulokset olivat odotetun kaltaisia.
Laskelmien yhteydessä huomattiin myös, että kerrosrakennemallia soveltavassa BISAR-ohjelmassa kuormituskestävyyteen liittyvät ongelmat voidaan käytännössä kaikissa ta-pauksissa korjata kasvattamalla päällystelaatan paksuutta. Ohjelmistokehittäjän pääasi-allisen liiketoiminta-alueen huomioiden tämä ei ole kovin yllättävää. Liiallinen painoarvo päällysteen antamasta kuormituskestävyydestä koko tierakenteelle voi aiheuttaa kuiten-kin selkeitä virheanalyysejä ainakuiten-kin pohjoismaisissa olosuhteissa.
FEM
Elementtimenetelmän soveltamisessa tierakenteiden kuormituskestävyyden analysoin-tiin on selvää potentiaalia ja lukuisia mahdollisuuksia. Mallintamiseen liittyy vielä epävar-muuksia, mutta tämän työn yhteydessä tehtyjen havaintojen perusteella voidaan sanoa, että heikkorakenteisten teiden kuormituksen alaista käyttäytymistä ja todennäköisiä vau-rioitumismekanismeja voidaan kuvata PLAXIS-mallinnuksilla tarvittaessa hyvinkin yksi-tyiskohtaisesti ja havainnollistavasti. Liikkuvan kuormituksen yhdistäminen esimerkiksi maatutkadatan perusteella määritettyyn geometriaan voisi mahdollistaa tulevaisuudessa ongelmakohtien aiempaa tarkemman analyysin. Mallintamiseen tarvittavien ohjelmisto-jen korkea hinta ja tietokeelta vaadittava suuri laskentatehon määrä asettavat kuitenkin
omat haasteensa, minkä takia päivittäiseen insinöörityöhön täytyy käyttää toistaiseksi muita menetelmiä.
Elementtimenetelmän laajamittainen soveltaminen pitäisi käytännössä aloittaa ”käyttä-mällä elementtimenetelmää ilman elementtimenetelmää”. Tämä tarkoittaisi, että ele-menttimenetelmää soveltavalla ohjelmistolla simuloitaisiin riittävä määrä erilaisia mitoi-tustilanteita ja saaduista tuloksista luotaisiin käsinlaskentaan soveltuva yksinkertaistettu laskentamalli. Kolisojan tutkimusraportissa ”MODE 2 RUTTING DESIGN APPROACH”
on sovellettu elementtimenetelmää luomaan kuormituskestävyysmalli tyypin 2 urautumi-sesta kärsiville tierakenteille. Tätä kuormituskestävyysmallia olisi voitu soveltaa myös tämän työn yhteydessä, mutta koerakennekohteet eivät täysin vastaa raportissa simu-loituja mitoitustilanteita. Parhaiten koerakennekohteista tähän käsinlaskentaa olisivat to-dennäköisesti soveltuneet Kyyjärven ja Luke:n koerakennekohteet.
AASHTO
AASHTO-menetelmä on aikakautensa tuote. Laskentamalli antaa epätodenmukaisen käsityksen heikkorakenteisen tierakenteen kuormituskestävyydestä, eikä kuvaa raken-teen todellista kuormituksenalaista käyttäytymistä uskottavasti. Menetelmänä AASHTO antaa päällysteelle liikaa painoarvoa ja jättää heikon pohjamaan vaikutuksen vähäiselle huomiolle päällystetyillä teillä. Erot liikennemäärissä ja ilmasto-olosuhteissa ovat ilmei-siä, joten tässä työssä tehtyjen sovellutuksien ja yksinkertaistuksien ei voi sanoa varsi-naisesti tukeneen menetelmän käyttöä. Menetelmällä on varmasti ollut käyttäjänsä ja tarkoituksensa, mutta kuormitustekijöiden muuttuessa kaivattaisiin joko uusia tiekokeita tai toimivia mekanistisia malleja.
AASHTO-laskentamallista voidaan kuitenkin perimätiedon lisäksi ottaa oppia siitä, kuinka vuodenaikojen ja ilmasto-olosuhteiden vaihtelut otetaan huomioon suunnitte-lussa. On mielenkiintoista huomata, kuinka paljon uusimmat suunnitteluohjeet ovat yk-sinkertaistaneet asioita, joilla voi olla suuriakin vaikutuksia tierakenteen toimintaan. Suo-malaisessa suunnitteluohjeessa rakennekerrosten moduuliarvoille annetaan koko vuotta kuvaava keskiarvo ja maan sisäiset vaihtelut ilmasto-olosuhteissa otetaan huomioon vain routamitoituksessa. Tässä vaiheessa olisi hyvä oppia historiasta ja tutkia kuinka Ruotsissa on asiaan suhtauduttu.
Mekanistis-empiirinen mitoitusmenettely
Tämän työn yhteydessä saatiin hieman toisenlaisia tuloksia, kun niitä verrataan kappa-leessa 4.6 esiteltyihin tutkimustuloksiin. Koekohteet läpäisivät täysin empiriaan perustu-van tarkastelun, mutta mitä mekanistisemmaksi mallintaminen meni, sitä kauemmaksi
jäätiin vaaditusta kuormituskestävyydestä. Toisaalta vertailukohdiksi valittujen tutkimus-ten otanta oli hyvin pieni ja koekohteet olivat hyvin erilaisia verrattuna aikaisemmissa tutkimuksissa tarkasteltuihin. Eri mitoitusmenetelmissä esiintyneet ongelmakohdat ja puutteet vaikuttivat toki vertailuun merkittävästi, joten pidemmälle vietyjen johtopäätös-ten tekeminen on vaikeaa.
6.3 Jatkotutkimustarpeet
Todetaan tässä vielä lopuksi, että maa on loppupeleissä maata. Sen kuormituksen-alaista käyttäytymistä voidaan valistuneesti arvioida, mutta tierakentamisen luonteeseen kuuluu useista muista insinööritieteistä poiketen laaja kokemusperäinen soveltaminen tieteen rinnalla. Ennen työn aloitusta oli selvää, että tierakentamiseen liittyy jo partikkeli-tasolta lähtien muuttujia, joiden vaikutuksia voidaan vain arvioida. Kaikille mitoitusmene-telmille on ollut ja tulee olemaan varmasti oma aikansa ja paikkansa, mutta kehitykselle ja sen tuomille yhteiskunnallisille hyödyille olisi varmasti kysyntää.
Suurimmat jatkotutkimustarpeet liittyvät PLAXIS-mallintamiseen ja sitä soveltavien kuor-mituskestävyysmallien kehittämiseen. Esimerkiksi tyypin 1 urautumista eli asfalttimas-san nousua ajourien sivuilla ei tässä työssä tehtyjen mallinnuksien osalta saatu onnistu-neesti mallinnettua, vaan kaikki siirtymät tien poikkileikkauksessa olivat kuormituksen suuntaisia. Myös veden pumppautumisen ja hydrostaattisen paineen kasvun simulointi liikennerasituksen alla voisivat olla toivottavia lisätutkimusten kohteita. Ensin on toki sel-vitettävä alan kiinnostus lähteä tarkempiin ja resursseja enemmän kuluttaviin mitoitus-menetelmiin, jos menetelmää lähdetään joskus suuremmassa mittakaavassa viemään eteenpäin. Kun tällä hetkellä lipsutaan kantavuus- ja eritoten routamitoituksesta, onko järkevää kehittää PLAXIS-laskentamallia, joka todennäköisesti kasvattaisi vaadittavia ra-kennekerrospaksuuksia? Tähän kun lisätään vielä näkemys elinkaariajattelun huomioi-misesta, niin pohdittavaa riittää.