5. KOEKOHTEIDEN VERTAILEVA MITOITUS
5.2 Vertailulaskelmat
5.2.3 PLAXIS
PLAXIS-laskennat tehtiin kahdella eri kuormituksella.
1. 50 kN yksittäispyöräkuormitus (staattinen laskenta)
2. 50 kN paripyöräkuormitus, joka koostui kahdesta 25 kN yksittäispyörästä (staattinen laskenta)
Laskennat pyrittiin tekemään niin että ne olisivat vertailukelpoisia BISAR-laskentojen kanssa, joten niissä päädyttiin yksinkertaisempaan geometriaan ja kuormitukseen. Liik-kuvan kuormituksen simuloiminen ei antaisi tässä työssä lisäarvoa, koska tierakenteen oletetaan koostuvan homogeenisista kerroksista. Materiaaliparametrien arvioinnissa on käytetty apuna Roadex-hankeen tutkimusraporttia ”MODE 2 RUTTING DESIGN AP-PROACH” (Kolisoja 2012) ja Simon kohteen tapauksessa Väyläviraston julkaisussa ”Tie-rakenteen rasittuminen yli 76 tonnin HCT-yhdistelmien koekuormituksissa vuosina 2015–2017” (Vuorimies et al. 2018) esitettyjä materiaaliparametrien arvoja. Kostean tilan vaikutuksia simuloitiin poistamalla koheesion vaikutus ja alentamalla materiaalin jäyk-kyyttä kuvaavia moduuliarvoja.
Pyöräkuorman simulointi kolmioverkkoon perustuvassa mallissa on haasteellista. Täysin ympyrää vastaavaa kosketuspintaa ei pystytä luomaan ja liian terävät kulmat saattavat aiheuttaa tulosten kannalta epärealistisia jännityshuippuja. Pyöräkuormaa simuloitiin seuraavissa mallinnuksissa luomalla säännöllinen 8-kulmio, jonka pinta-ala oli yksik-köpyörälle n. 0,062 m2 ja paripyörälle 0,048 m2. Nämä vastaavat likimain ”MODE 2 RUT-TING DESIGN APPROACH” tutkimusraportissa esitettyjä ympyränmuotoisia pyörän ja tien pinnan välisiä kosketuspintoja. Laskelmien yhteydessä kokeiltiin myös hieman rea-listisempaa kosketuspintaa venyttämällä kosketuspintaa tien pituussuunnassa, jolloin siitä tulee elliptinen tai kolmioverkolla mallinnettaessa suorakaiteen muotoinen, mutta tällä ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta, koska mallinnuksessa kuormitusta simu-loitiin tasaisesti jakautuneena pintakuormana. Paripyörien kuormitusalojen keskipistei-den välisenä etäisyytenä käytettiin 0,35 m.
Käytetyt materiaalimallit:
HS (Hardening Soil)
Hardening Soil- materiaalimalli ottaa huomioon kerrosmateriaalin jäykkyyden muutokset vaihtelevan jännitystilan ja muodonmuutoksen mukaan. Malli tarvitsee lähtötiedoikseen parametrit E50 ref, Eoed ref ja Eur ref, joiden määrittämiseen tarvitaan periaatteessa tiedot kolmiaksiaalikokeen ja ödometrikokeen tuloksista. Tämän työn yhteydessä sovelletaan
hyväksi koettuja kokemusperäisiä havaintoja ja PLAXIS-ohjelmiston suosituksia näiden moduuliarvojen määrittelemiseksi. Maakerroksen plastisia ominaisuuksia kuvataan ko-heesion, leikkauskestävyyskulman ja dilataatiokulman avulla.
MC (Mohr-Coulomb)
Mohr-Coulomb- materiaalimalli on melko yksinkertainen ja sopii tilanteisiin, joissa lähtö-tietojen saatavuus on rajoitettua. Mallin lähtötietoina toimivat plastista tilavuuden muu-tosta kuvaavat arviot koheesiosta, leikkauskestävyyskulmasta ja dilataatiokulmasta.
Jäykkyyttä kuvataan kimmomoduulin ja Poisson luvun avulla, jotka oletetaan vakioiksi vaikka kimmomoduulin arvo todellisuudessa vaihtelee jännitystilan ja muodonmuutok-sien mukaan.
Lineaarielastinen materiaalimalli (PAB-päällysteellä)
Lineaarielastisuus tarkoittaa päällysteelle, että siihen syntyvien jännitysten ja venymien suhde pysyy kuormituksen kasvaessa samana. Näin ollen päällysteen viskoosiset omi-naisuudet jäävät mallintamatta, mutta hyvin ohuella päällystepaksuudella päällysteen merkitys kuormituskestävyyden kannalta on muutenkin hyvin pieni.
Parametrien selitykset:
c' Tehokaskoheesio
Φ Leikkauskestävyyskulma (kitkakulma) Ψ Dilataatiokulma ≈ Φ - 30°
E Kimmomoduuli
v Poissonin luku
E50 ref Ensikuormituksen sekanttimoduuli
Eoed ref Ödometrimoduuli, esikuormituksen aikainen tangenttimoduuli Eur ref Toistokuormituksen sekanttimoduuli
m Jännityseksponentti
vur Toistokuormituksen Poisson luku p ref Vertailujännitys
K0nc Normaalikonsolidoituneen osan K0 arvo. K0nc = 1-sin (Φ).
Rf Murtosuhde qf / qa. Oletusarvo 0,9
Tulosten käsittelyssä käytetyt mittarit:
Kokonaissiirtymä (Total Displacements)
Kokonaissiirtymä kuvaa kuormituksen seurauksena tierakenteeseen syntyviä siirtymiä.
Siirtymien avulla voidaan kuvata tierakenteen toimintaa ja tarkastella esimerkiksi sen alt-tiutta tietylle urautumistyypille.
Deviatorinen venymä (Phase Deviatoric Strain)
Muodonmuutostensori voidaan jännitystensorin tapaan jakaa additiivisesti leikkausmuo-donmuutosta kuvaavaan deviatoriseen muodonmuutokseen ja tilavuuden muutosta ku-vaavaan volymetriseen muodonmuutokseen (Kouhia 2013). Karkearakeisilla materiaa-leilla jännitystilaa kuvaava resilient-moduuli on määritetty deviatorisen jännityksen muu-toksen kautta (Kolisoja 1997), joten PLAXIS-laskentojen tulokset on myös arvioitu de-viatorisen muodonmuutoksen (venymän) kautta. Venymä kuvaa rakenteeseen kuormi-tuksen seurauksena syntyviä muodonmuutoksia. Yhdellä vaiheistuksella ”Phase De-viatoric Strain” on yhtä kuin deviatorinen venymä.
Mt 924 Simo
PLAXIS-laskennat tehtiin Simon kohteelle soveltamalla Väyläviraston julkaisussa 63/2018 ” Tierakenteen rasittuminen yli 76 tonnin HCT-yhdistelmien koekuormituksissa vuosina 2015–2017” esitettyjä kenttäkokeisiin perustuvia moduuliarvoja. Näiden moduu-liarvojen on todettu antavan mallinnuksissa suuruusluokaltaan todenmukaisia taipuman arvoja (Vuorimies et al. 2018). Edellä mainitun Väyläviraston julkaisun 63/2018 mallin-nuksissa on käytetty kenttäkokeissa toteutuneita akselikuormituksia, jotka ovat pienem-piä kuin tässä työssä käytettävät teoreettiset 50 kN yksittäispyöräkuorma ja 2 * 25 kN paripyöräkuormitus, mikä osaltaan aiheuttaa poikkeavia taipuman arvoja verrattuna ku-van 43 taipuman arvoihin.
Kuva 43. Mitattu ja mallinnettu päällysteen taipuma Simon koekohteella (Vuorimies et al. 2018)
Muista laskentakohteista poiketen Simon kohteelle tehtiin laskelmia mallintamalla PAB-päällyste sekä lineaariselastisena kerroksena että ns. laattaelementtinä. Molemmissa tapauksissa päällysteelle annettiin jäykkyyttä kuvaavaksi moduuliarvoksi lämpötilakor-jattu arvo 2500 MPa. Laattaelementtinä mallinnettaessa kantava kerros mallinnettiin 110 mm paksumpana, koska päällysteelle annettiin tällöin vain imaginaarinen paksuus. Tu-losten esitys painottuu lineaarielastisella päällysteellä tehtyihin havaintoihin, koska laat-taelementtiin perustuva mallintaminen on tämän kohteen osalta kattavasti esiteltynä ai-kaisemmin mainitussa Väyläviraston julkaisussa 63/2018. Tällöin myös tulokset ja niiden esitystapa ovat yhtenäisiä muiden koekohteiden tulosten kanssa, joilla laattaelementin käyttö ei ole suotavaa tai mahdollista.
Kuva 44. Simon kohteen PLAXIS-malli
Simon kohteelle käytetyt materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa kuiva
Simo 924
Simon kohteelle käytetyt materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa märkä
Simon koekohteen PLAXIS-laskennoista saadut siirtymien ja venymien maksimiarvot line-aarielastisella päällysteellä
1*50 kN 2* 25 kN Total displacements [m] Kuivana 3,577*10-3 1,603*10-3
Märkänä 7,381*10-3 3,296*10-3 Phase deviatoric strain Kuivana 5,054*10-3 1,698*10-3 Märkänä 0,01482 5,219*10-3
Simon koekohteen tuloksien numeeriseen tarkasteluun ei kannata kiinnittää liian suurta huomiota. Ohjelma antaa myös lineaarielastisella materiaalimallilla liian suuria arvoja, kun tarkastellaan esimerkiksi syntyviä kokonaissiirtymiä. Tulokset ovat kuitenkin muuten odotuksia vastaavia ja suuruusluokaltaan oikeita. Yksikköpyörän aikaansaamat siirtymät ja venymät ovat suurempia kuin paripyörän ja tierakenteen voidaan katsoa kestävän lii-kennekuormitusta kuivana paljon paremmin kuin sen ollessa märkä. Yksikköpyörän ja paripyörän aiheuttamien vasteiden erot ovat kuitenkin epäilyttävän suuria lineaariselas-tisella materiaalimallilla ja tämä näyttää vain korostuvan kun siirrytään vielä heikompiin tierakenteisiin. Laattaelementillä mallinnettaessa samanlaista ongelmaa ei havaittu, vaan erot yksikkö- ja paripyörän välillä pysyivät huomattavasti pienempinä. Kuivan ja märän tierakenteen tulosten erot olivat PLAXIS-mallinnuksen tuloksissa huomattavasti BISAR-mallinnuksia suurempia. PLAXIS-mallinnuksista nousi esille myös mielenkiintoi-nen yksityiskohta venymän keskittymien noustessa ylemmäs tierakenteessa, kun siirryt-tiin kuivasta tierakenteesta märkään. Märän tierakenteen kantavan kerroksen jäykkyys ei enää riitä ja venymät konkretisoituvat jo hyvin lähellä tien pintaa eivätkä rasitukset enää välity pohjamaahan asti. Tätä havainnollistamaan otettiin kuormitetuista malleista vertikaaliset poikkileikkauskuvat pyöräkuorman alta.
Simo 924
Kuva 45. Simon koekohteen deviatorinen venymä yksikköpyöräkuormituksen alla tierakenteen ollessa kuiva
Kuva 46. Simon koekohteen deviatorinen venymä yksikköpyöräkuormituksen alla tierakenteen ollessa märkä
Mt 16863 Kyyjärvi
Kyyjärven tapauksessa PAB-päällyste mallinnettiin lineaarielastisena rakennekerrok-sena, jonka jäykkyyttä kuvaavaksi moduuliarvoksi asetettiin sekä kuivalle että märälle tierakenteelle 1500 MPa.
Kuva 47. Kyyjärven kohteen PLAXIS-malli
Kyyjärven kohteelle käytetyt materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa kuiva Kyyjärvi
Kyyjärven kohteella käytetyt materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa märkä
Kyyjärven koekohteen PLAXIS-laskennoista saadut siirtymien ja venymien maksimiarvot
1*50 kN 2* 25 kN Total displacements [m] Kuivana 8,593*10-3 2,707*10-3
Märkänä 0,06386 0,01965 Phase deviatoric strain Kuivana 0,01412 3,755*10-3
Märkänä 0,1946 0,06022
Kyyjärven koekohteen PLAXIS-laskentojen tulokset eivät täysin vastanneet tekijän en-nakkoajatuksia. Ennakkoajatuksena oli, että venymän arvot olisivat suurimmillaan hei-kon pohjamaan yläpinnassa niin kuivalla kuin märälläkin tierakenteella, mutta venymän arvot konkretisoituivatkin jo heti kantavassa kerroksessa ja sen alapuolella. Toisaalta materiaaliparametreihin liittyy selkeitä epävarmuuksia ja kuormituksen alla tierakenne todennäköisesti käyttäytyy hieman eri tavalla, kuin laskelmat antavat ymmärtää. BISAR-laskennoissa saatiin samankaltaisia tuloksia venymän keskittymän sijainnista. PLAXIS-laskennoissa venymän huippu ei siirtynyt pohjamaahan kuormitusta keventämällä niin kuin BISAR-laskennoissa kävi.
Toisaalta on todettava, että tarkasteltaessa siirtymiä ja deviatorisia venymiä, tieraken-teessa tapahtuu muodonmuutoksia aina pohjamaata myöten. Tarkastelun graafinen esi-tys tuo mieleen yhteyden tyypin 2 urautumiseen, jossa koko tierakenne urautuu kokonai-suutena ilman, että kerrokset varsinaisesti ohenisivat.
Kuva 48. Kyyjärven koekohteen kokonaissiirtymät paripyöräkuormituksella tiera-kenteen ollessa kuiva
Kuva 49. Kyyjärven koekohteen deviatorinen venymä paripyöräkuormituksella tie-rakenteen ollessa kuiva
Mt 17429 Laihia, Havinneva-Tainuskylä
Laihia, Havinneva-Tainuskylä koekohteen materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa kuiva
Laihia, Havinneva-Tainuskylä koekohteen materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa märkä
Laihia, Havinneva-Tainuskylä koekohteen PLAXIS-laskennoista saadut siirtymien ja veny-mien maksimiarvot
Laihia, Havinneva-Tainuskylän koekohteen PLAXIS-laskentojen tulokset kuvaavat erit-täin hyvin heikon välikerroksen vaikutuksia tierakenteen toimintaan. Venymä konkreti-soituu heikon välikerroksen yläpinnassa, joten tulokset ovat siltä osin BISAR-laskentoja vastaavia. PLAXIS-mallinnuksissa heikko välikerros erottuu kuitenkin hyvin selkeästi myös kuivan tilan moduuliarvoilla ja syntyvät muodonmuutokset eroavat muiden raken-nekerrosten muodonmuutoksista määrällisesti huomattavasti enemmän kuin mitä BISAR-laskentojen tuloksista voidaan havaita.
Kuva 50. Laihia, Havinneva-Tainuskylä koekohteen deviatorinen venymä yksik-köpyöräkuormituksen alla tierakenteen ollessa kuiva
1*50 kN 2* 25 kN
Total displacements [m] Kuivana 5,544*10-3 1,670*10-3
Märkänä 0,06528 0,01701
Phase deviatoric strain Kuivana 0,01215 4,122*10-3
Märkänä 0,1940 0,04876
Luken metsätiekohde
Kuva 51. Luken metsätiekohteen kohteen PLAXIS-malli
Luke-koekohteen materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa kuiva
Luke
Luke-koekohteen materiaaliparametrien arvot tierakenteen ollessa märkä
Luke koekohteen PLAXIS-laskennoista saadut siirtymien ja venymien maksimiarvot
1*50 kN 2* 25 kN
Total displacements [m] Kuivana 0,0101 3,335*10-3
Märkäna 0,6018 0,1569
Phase deviatoric strain Kuivana 0,0328 9,093*10-3
Märkänä 2,470 0,5890
Luke koekohteen PLAXIS-tuloksista ei voida suoranaisesti vetää johtopäätöksiä, siitä onko tierakenne kuormituskestävyydeltään riittävä vai ei. Esimerkiksi tierakenteen ol-lessa märkä 50 kN yksittäispyöräkuormituksen synnyttämä 0,6018 m maksimisiirtymä on kvantitatiivisesti melko yliampuva ja tarkoittaisi käytännössä että pyörä uppoaisi tie-rakenteen sisään. Tämä voi toki olla realismia pahimpaan kelirikkoaikaan. Tuloksista voidaan kuitenkin tehdä johtopäätöksiä, että tierakenne reagoi voimakkaasti jo yksittäi-siinkin pyöräkuormituksiin ja näin heikkorakenteisella tiellä paripyörien käytöllä ja tiera-kenteen kosteustilalla on hyvin merkittäviä vaikutuksia kuormituksen alla syntyviin siirty-miin ja venysiirty-miin.