2.1 Ilmasto- ja liikennekuormitukset
Tierakenteiden kuormitukset voidaan jakaa karkeasti liikennekuormitukseen ja ilmasto-kuormitukseen, mutta käytännössä aina on kyse molempien kuormitustekijöiden yhteis-vaikutuksesta.
Liikennekuormituksen merkittävin osatekijä on raskaan liikenteen aiheuttama rasitus, joka tulee edelleen lisääntymään mm. kasvavien ajoneuvo- ja telimassojen ja super single renkaiden lisääntyvän käytön takia. Henkilöautoliikenne aiheuttaa talviaikaan nas-tarenkaiden käytön seurauksena vilkasliikenteisillä teillä kulumisuria päällysteen pintaan, mutta muuten niiden vaikutuksen voidaan katsoa olevan lähes merkityksetön (Belt et al.
2002). Liikennekuormituksen arvioinnissa otetaan huomioon ajoneuvotyyppien akseli-kuormien vaihtelut niin sanottujen vastaavuuskertoimien avulla. Näiden vastaavuusker-toimien puolestaan oletetaan toteuttavan niin sanottua neljännen potenssin sääntöä eli akselikuorman tiehen aiheuttama rasitus kasvaa verrannollisena akselikuorman neljän-teen potenssiin. Eksponentin arvo voi vaihdella tarkasteltavan vauriotyypin ja tutkittavan tierakenteen mukaan, mutta oleellista on rasituksen kasvun eksponentiaalisuus. Neljän-nen potenssin likimääräiNeljän-nen yhteys perustuu AASHO-tiekokeissa (American Association of State Highway Officials) tehtyihin havaintoihin palvelutasoindeksin kautta, jolloin po-tenssin arvona luku neljä edustaa erilaisten vauriotyyppien keskiarvoa (Ehrola 1996, s.
52-53).
𝐸 = (𝑃𝑃𝑥
𝑠𝑡)4, (1)
missä E on akselikuormituksen vastaavuuskerroin, Px on tarkasteltava akselikuorma ja Pst on standardiakselikuorma (Suomessa 100 kN).
Esimerkiksi jos henkilö- tai pakettiauton akselikuormaksi arvioidaan 10 kN, saadaan vas-taavuuskertoimiksi 0,0001. Vastaavan kertoimen suuruudeksi saadaan suurimmalle sal-litulle akselikuormalle (11,5 t ≈ 115 kN) 1,75. Ero on siis neljännen potenssin säännöllä 17 500-kertainen, mikä toimii perusteluna sille, että tierakenteen kuormituskestävyysmi-toitus tehdään usein ottaen huomioon vain raskaan liikenteen osuus.
Ilmastokuormituksessa päätekijöinä ovat lämpötila, vesi ja routa. Routaan voidaan liittää perusilmiöt routaantuminen ja routiminen, joista jälkimmäisellä tarkoitetaan sellaista maassa tapahtuvaa veden jäätymistä, joka johtaa maan tilavuuden kasvuun ja edelleen
ns. routanousuun. Epätasainen routanousu voi johtaa tierakenteen vaurioitumiseen, joka usein ilmenee tien pituussuuntaisena halkeamana. Lämpötilan vaikutukset routaantumi-sen ja routimiroutaantumi-sen lisäksi rajoittuvat lähinnä bitumisiin sidottuihin kerroksiin (Belt et al.
2002).
Kuormitustekijöiden yhteisvaikutuksesta ohutpäällysteisille, heikkorakenteisille teille voi aiheutua mm. sitomattomien kerrosten pysyviä muodonmuutoksia, päällysteen hal-keamia, urautumista ja reunapainumia. Liikenne- ja ilmastokuormituksen lisäksi raken-teen oma paino aiheuttaa painumia, mikä tekee siitä tietynlaisen kuormitustekijän. Tie-rakenteen omaan painoon voidaan vaikuttaa kevennysrakenteilla kuitenkin hyvin rajoite-tusti ja tämä on ongelma erityisesti pehmeikköalueilla.(Belt et al. 2002).
2.2 Kuormitusten ja jännitysten jakautuminen tierakenteessa
Tierakenteen kuormituskestävyyden kannalta on hyvin merkittävässä roolissa se, min-kälaisia puristus- ja vetojännityksiä siihen syntyy kuormituksen seurauksena ja kuinka rakenne pystyy vastustamaan pysyvien muodonmuutosten syntymistä.
Liikennekuormituksen aiheuttamia vaaka- ja pystysuuntaisia rasituksia on perinteisesti kuvattu kuvan 1 avulla. Kuva 1 pätee hyvin paksupäällysteisten tierakenteiden tapauk-sessa, jolloin sidotun kerroksen alapintaan kohdistuu kuormituksen seurauksena vetoa ja pystykuormitukset jakautuvat pystysuunnassa ylimmästä sitomattomasta kerroksesta aina pohjamaahan asti (Belt et al. 2002).
Ohutpäällysteisillä tai päällystämättömillä teillä, joita tämän työn yhteydessä kutsutaan myös heikkorakenteisiksi teiksi, rakenteen toiminta ja vaurioituminen tapahtuvat hieman eri tavalla. Heikkorakenteisilla teillä sidotun päällystekerroksen merkitys kuormituskes-tävyyden kannalta on lähes merkityksetön ja suurimmat rasitukset kohdistuvat sitomat-tomaan kantavaan kerrokseen. Sitomattoman kantavan kerroksen toiminta on kriitti-sessä asemassa pysyviä muodonmuutoksia vastaan, jotka voivat konkretisoitua tien pin-nalla havaittavana poikittaissuuntaisena epätasaisuutena (Belt et al. 2002).
Kuva 1. Pysty- ja vaakakuormitusten jakautuminen tierakenteessa (Belt et al.
2002, s.24)
Kuva 2 havainnollistaa jännitysten jakautumista ideaalisti kimmoiseksi puoliavaruudeksi otaksutussa tierakenteessa. Tärkeimpänä asiana kuvasta voidaan nostaa esille se, että leikkausjännitys saavuttaa maksimiarvonsa
𝜏𝑚𝑎𝑥= 0,29 ∗ 𝑃, syvyydessä 0,7*a , (2)
missä P on pyöräkuorma ja a on kuormituspinnan säde (Hartikainen & Lämsä 1986).
Kuva 2. Jännitysten jakautuminen homogeenisessa tierakenteessa Boussinesq´n teorian mukaan (Hartikainen & Lämsä 1986, s.49)
Liikennekuormituksesta seuraavat muodonmuutokset ovat yleensä palautuvia. Osa muodonmuutoksista jää kuitenkin pysyviksi kuormituksen poistuttua, mikä on kuormitus-kestävyyden ja kriittisten rasitusten määrittämisen kannalta oleellista. Kriittisten rasitus-ten määrittämiseen tarvitaan tiedot tierakennemateriaalien ja alusrakenteen moduuliar-voista, sekä ns. Poissonin luvusta. Poissonin luku kuvaa kuormituksen aiheuttaman
muodonmuutoksen suhdetta kuormitusta vastaan kohtisuoraan tapahtuvaan muodon-muutokseen ja sen arvo vaihtelee välillä 0-0,5. Tierakenteille käytetään yleensä Poisso-nin lukua 0,35 (Belt et al. 2002).
2.3 Tierakenteen deformoituminen ja urautumistyypit
Tierakenteen deformaatiolla tarkoitetaan massan siirtymistä ajouran kohdalta sivuille ja erityisesti raskaan liikenteen aiheuttamaa rakennekerrosten tiivistymistä. Kiviaines on tii-vistettynäkin altis pysyville muodonmuutoksille, joita tapahtuu jokaisen kuormituskerran yhteydessä. Riittävän monta kuormituskertaa voi johtaa urautumiseen, mikä edelleen johtaa ongelmiin liikenneturvallisuuden ja palvelutason ylläpidossa (Laaksonen et al.
2004).
Urautuminen voidaan jakaa Roadex-projektin mukaisesti tyyppeihin 0, 1, 2 ja 3, joilla jokaisella on omat ominaispiirteensä. Heikkorakenteisten teiden urautuminen on pääasi-assa tyyppien 1 ja 2 urautumista. Usein urautuminen on useamman urautumistyypin sa-manaikaisen vaikutuksen tulos (Dawson & Kolisoja 2006).
Tyyppi 0
Tierakenteen tiivistymistä ja siitä johtuvaa urautumista kutsutaan tyypin 0 urautumiseksi.
Tien rakennusvaiheessa tällaista tiivistymistä pyritään vähentämään työnaikaisilla tiivis-tystoimenpiteillä, mutta kokonaan siltä ei voida välttyä. Urautumistyypin 0 rakenteen tii-vistymistä voidaan pitää osittain hyvänäkin asiana, koska edelleen tiivistyvä rakenne eh-käisee lisätiivistymistä ja kasvattaa tierakenteen jäykkyyttä (Dawson & Kolisoja 2006).
Kuva 3. Urautumistyyppi 0 (Dawson & Kolisoja 2006) Tyyppi 1
Urautumistyypin 1 mukaisella urautumisella tarkoitetaan tilannetta, jossa tien kulutusker-roksen riittämättömän leikkauslujuuden myötä tien pinta kohoaa ajourien läheisyydessä.
Tätä urautumistyyppiä havaitaan erityisen paljon kelirikkoaikaan, jolloin
rakennekerros-ten kiviaineksen ominaisuudet heikkenevät vesipitoisuuden kasvaessa (Dawson & Koli-soja 2006). Tämän tyyppiselle urautumiselle on haettu ratkaisuja mm. asentamalla TPC-järjestelmiä (Tyre Pressure Control) raskaisiin ajoneuvoihin, joiden tiedetään käyttävän paljon heikkorakenteisia alemman tieverkon teitä. Roadex-projektin tulosten mukaan näillä rengaspaineiden säätöjärjestelmillä voitaisiin vähentää pysyviä muodonmuutoksia jopa 40–80%. Rengaspaineiden säätöjärjestelmien yleistymiseen tarvitaan poliittista tah-totilaa tieverkon omistajan taholta, sillä nämä rengaspainejärjestelmät pienentävät oman painonsa verran hyötykuormaa ja ovat vielä toistaiseksi investointeina suhteellisen kal-liita ja vapaaehtoisuuteen perustuvia. Raskaiden ajoneuvojen omistajille ja kuljettajille rengaspainejärjestelmien hankkimista voisi perustella tien liikennöitävyyden parantumi-sella ja kuljettajiin kohdistuvan tärinän ja sen aiheuttamien terveyshaittojen vähentymi-sellä (Saarenketo et. al 2012).
Kuva 4. Urautumistyyppi 1 (Dawson & Kolisoja 2006) Tyyppi 2
Rakennekerrosten mukaillessa pohjamaan leikkausmuodonmuutoksia, kutsutaan urau-tumista tyypin 2 urautumiseksi. Tämän tyyppisessä urautumisessa pohjamaa nousee ajourien välissä ja tien reunoilla. Pohjamaan muodonmuutokset heijastuvat ylempiin ra-kennekerroksiin koko tierakenteen syvyydeltä ja ilmenevät tien pinnassa leveänä urana.
Tyypin 2 mukainen urautuminen on tyypillistä kevätkelirikkokohteilla ja heikkorakentei-silla teillä. Ratkaisuna tälle urautumistyypille on usein rakennekerrosten vahvistaminen ja kerrospaksuuksien kasvattaminen. Akselipainorajoituksilla pyritään välttämään tien al-tistumista suurimmille liikennerasituksille roudan sulamisen aikaan, jolloin tierakenne on alttiina koko tierakenteen leikkausmuodonmuutoksille (Dawson & Kolisoja 2006).
Kuva 5. Urautimistyyppi 2 (Dawson & Kolisoja 2006) Tyyppi 3
Urautumistyypin 3 urautuminen muistuttaa pitkälti tyypin 0 urautumista, mutta urautumi-sen syyt ovat erilaisia. Tämä käsittää ns. nastarengaskulutukurautumi-sen ja pintavesien aiheut-taman eroosion, joissa tapahtuu päällysteen kiviaineksen rikkoutumista, hankautumista ja kulumista. Kiviaineksen rikkoutuessa syntyy hienoainesta, joka tekee kiviaineksesta kosteustilaherkempää, mikä taas kiihdyttää vauriomekanismin toimintaa (Dawson & Ko-lisoja 2006).
Kuva 6. Urautumistyyppi 3 (roadex.org)
2.4 Kelirikko ja sen vaiheet
Kelirikolla tarkoitetaan tilapäistä tierakenteen heikkenemistä, jolloin sen kuormituskestä-vyyden ja kulkukelpoisuuden taso laskee selvästi alle vaadittavan tason. Kelirikkoa esiin-tyy pääasiassa päällystämättömillä sorateillä, mutta sen vaikutukset voivat koskea myös asfaltoituja tieosuuksia. Päällysteen alla olevat routivat kerrokset ovat alttiita kelirikolle, jos ne esimerkiksi toimimattoman kuivatuksen takia kyllästyvät vedellä, mutta eivät
pääse kuivumaan. Kelirikko-ongelmia on Suomessa perinteisesti pyritty hoitamaan aset-tamalla painorajoituksia tai korjaamalla pahimmista kelirikko-ongelmista kärsivät tie-osuudet. Kelirikko voidaan jakaa Roadex projektissa esitetyllä tavalla viiteen vaiheeseen (Aho et al. 2005).
1. Syksyn jäätymis-sulamispehmeneminen
Syksyllä esiintyvien jäätymis-sulamissyklien aikaan tien pinta vuorotellen sulaa ja jäätyy, minkä seurauksena tierakenteessa oleva vesi imeytyy lähelle tien pintaa. Tien kulutus-kerroksen vettyessä siitä tulee plastista. Myöhään syksyllä esiintyvällä jäätymis-sulamis-pehmenemisellä on vaikutusta seuraava keväänä esiintyvän kevätkelirikon vaikeuteen.
2. Pintakelirikko
Keväällä tapahtuvaa ensimmäistä sulamisvaihetta, jolloin tien pinta sulaa 10–15 cm sy-vyydeltä kutsutaan pintakelirikoksi. Pintakelirikon yhteydessä ei yleensä tarvita painora-joituksia, mikäli sulamisen aikaiset sää- ja liikenneolosuhteet sen sallivat. Tien pinnalla pintakelirikko näkyy selkeänä tyypin 1 urautumisena.
3. Rakennekelirikko
Rakennekelirikossa tien sulaminen etenee alempiin rakennekerroksiin, mutta pohjamaa pysyy vielä jäässä. Rakennekelirikon aikana saattaa tapahtua selvää tierakenteen kuor-mituskestävyyden heikkenemistä, mikäli rakennekerrosten laatu ei ole riittävä. Tämä nä-kyy tyypin 1 urautumisena ja erilaisina vaurioina tien pinnassa.
4. Pohjamaan kelirikko
Tierakenteen kantavuus on heikoimmillaan, kun tierakenteen sulaminen etenee pohja-maahan asti. Tällöin rakennekerrosten paksuuksilla ja pohjamaan routivuudella on suuri merkitys vaurioiden vakavuuteen. Sulamisen edetessä pohjamaassa harkitaan tapaus-kohtaisesti raskaan liikenteen aiheuttamaan rasitukseen puuttumista esimerkiksi paino-rajoituksilla tai raskaan liikenteen liikennöintitaajuuden säätelyllä. Pohjamaan kelirikko näkyy tyypin 2 urautumisena, jolloin muodonmuutoksia tapahtuu aina pohjamaata myö-ten.
5. Syyskelirikko
Syyskelirikko ajoittuu nimensä mukaisesti syksylle ennen jäätymis-sulamissyklien alka-mista. Runsaiden sateiden ja toimimattoman kuivatuksen yhteydessä tierakenteen vesi-pitoisuus ja pohjaveden pinnan korkeus voivat nousta tierakenteen kannalta ongelmalli-selle tasolle. Syyskelirikko voi aiheuttaa ongelmia raskaan liikenteen kuljetuksille, mutta pääasiassa esiintyvät deformaatiot rajoittuvat tyypin 1 urautumiseen.
2.5 Kuivatuksen ongelmat
Kuivatukseen liittyvät ongelmat tiestön ylläpidossa ja suunnittelussa ovat hyvin merkittä-viä. Heikot kuivatusolosuhteet vaikuttavat tien rakenteelliseen kuntoon ja liikenneturval-lisuuteen mm. edellä mainitun kelirikon muodossa. Kysyttäessä alalla pitempään olleilta tärkeimpiä ja kustannustehokkaimpia korjausinvestointimenetelmiä, vastaus on yleensä, että kuivatus tulisi laittaa ensisijaisesti kuntoon, mikäli rahoitus ei muuhun riitä. Kuivatuk-seen liittyvät ongelmat voidaan jakaa kolmeen kategoriaan, joita ovat ylläpitoon liittyvät ongelmat, suunnitteluun liittyvät ongelmat ja muut ongelmat (Berntsen & Saarenketo 2005).
Ylläpitoon liittyviä ongelmia ovat mm. tukkeutuneet rummut, hoitamattomat sivuojat, kas-vavat reunapalteet ja puutteelliset tien poikittaiskaltevuudet sekä erilaiset vauriot tien päällyskerroksessa. Näihin puuttuminen on ensisijaisesti alueesta vastaavan hoitoura-koitsijan vastuulla (Berntsen & Saarenketo 2005).
Suunnittelun aiheuttamat ongelmat kuivatuksessa tulevat osittain olosuhteiden pakotta-mina, mutta lähtökohtaisesti tulisi kiinnittää erityistä huomiota kuivatusratkaisuihin, kun rakennetaan alaville maille, pehmeikön päälle, sivukaltevaan maastoon tai kallioleik-kauksiin (Berntsen & Saarenketo 2005).
Muita ongelmia ovat esimerkiksi niin sanottu kosteusloukku (moisture trap) ja ulkoluis-kaan liittyvät stabilisuusongelmat. Kosteusloukulla tarkoitetaan tilannetta, missä teiden vahvistaminen tiivistämällä ja stabiloimalla sitomatonta kantavan kerroksen materiaalia on johtanut kerrosrakenteeseen, jossa on kaksi sidottua kerrosta eri syvyyksillä. Näiden kerrosten väliin jäävä sitomaton rakennemateriaali ei vedellä kyllästyttyään pääse enää kuivumaan, mikä edelleen dynaamisen kuormituksen myötä nostaa materiaalin hydro-staattista painetta, jolloin pahimmillaan seurauksena on vaurio tien ylemmässä päällys-tekerroksessa. Tämä sittemmin huonoksi todettu käytäntö oli vielä 70- ja 80-luvuilla ylei-nen tapa parantaa tien rakennetta. Ulkoluiskien stabilisuusongelmat ovat pääosin eroo-sion aiheuttamia ilmiöitä erityisesti leikkauksiin rakennettavissa teissä. Kasvillisuuden is-tuttaminen, karkean soran tai sepelin käyttö luiskan pintakerroksessa ja niskaojien teke-minen ovat yleisesti käytettyjä keinoja stabilisuusongelmien ehkäisyyn. Erittäin jyrkillä alueilla ojien luiskien sortuminen voi myös aiheuttaa ongelmia kuivatukselle. (Berntsen
& Saarenketo 2005).
Tien riittävällä sivukaltevuudella, toimivilla sivuojilla ja tien- ja maaston topografialla on suurimmat mahdollisuudet vaikuttaa kuivatuksen toimintaan. Toimiva kuivatus ehkäisee tierakenteen vaurioitumista pienempien routanousujen lisäksi myös estämällä
kerrosten kyllästymistä vedellä lämpiminä vuodenaikoina. Vedellä kyllästetyt rakenne-kerrokset eivät kestä samoja kuormituksia kuin kuivana pysyvät rakennerakenne-kerrokset (Vuo-rimies & Kolisoja 2005, s.10).
2.6 Ilmastonmuutos ja sen vastaisten toimien vaikutuksia
Ilmastonmuutoksesta ei voida tehdä kaiken kattavia ennusteita, ja eri tahot ovat jatku-vasti eri mieltä sen vaikutuksista. Ennusteita ja erilaisia skenaarioita on pyritty mallinta-maan ja havainnollistamallinta-maan, jotta ilmastonmuutoksen vaikutuksiin pystyttäisiin varautu-maan ja ennaltaehkäisemään suurimmat ja todennäköisimmät haitat. Näiden haittojen torjumiseksi esitetään mm. tehokkaampia kuljetusmuotoja ja vaihtoehtoisia energian-tuottoratkaisuja (Salanne et al. 2010). Vaikka ilmastonmuutoksen vaikutuksia ei pystytä täysin aukottomasti arvioimaan, tulisi kuitenkin varautua todennäköisimpiin haittoihin myös tierakenteiden kestävyyden näkökulmasta. Näitä mahdollisia haittoja voivat olla mm.
– Lisääntyvät sateet tulevat aiheuttamaan pohjavedenpinnan ja vedenpinnan nousua, mistä voi seurata tierakenteen kantavuuden heikkenemistä ja vaurioriskin kasvua.
– Kuivatusratkaisujen kapasiteetin ylittyminen kovilla sateilla voi johtaa eroosioon ja edelleen tiepenkereen stabiliteetin heikkenemiseen (Rydell et al. 2001, s. 28–30).
– Syyskelirikkoa tullaan näkemään ilmastonmuutoksen edetessä todennäköisesti entistä enemmän, kun sula kausi pitenee ja sademäärät kasvavat. Sulan kauden pidentyminen ja pakkaskausien muuttuminen lyhemmiksi ja epäsäännöllisemmiksi saattavat aiheuttaa yhden kelirikkovaiheen sijasta useampia erillisiä kelirikkovaiheita talvikauden aikana, mitä voidaan pitää selkeänä haittana tien rakenteelliselle kunnolle ja ajettavuudelle (Ko-lisoja 2019).
Ilmastonmuutoksen vaikutukset tierakenteiden kestävyyteen mm. lisääntyvien syyssa-teiden ja muuttuvien pakkasmäärien myötä ovat tiedossa, mutta niiden ehkäisy ei ole arvoasteikolla kovin korkealla, mistä esimerkkinä mainittakoon raskaan liikenteen koko-naismassojen nosto tehokkaampien kuljetusten mahdollistamiseksi ja ilmastorasituksen pienentämiseksi. Kokonaismassojen nosto noudattaa teorian tasolla kappaleessa 2.1 mainittua neljännen potenssin sääntöä, joten kuljetusten määrän väheneminen ei korvaa kasvavaa ekvivalenttiakselien määrän kasvua ellei kuormitusta jakavien akselien mää-rää raskaan liikenteen kalustossa lisätä niin että yksittäinen akselimassa ei kokonais-massan noston myötä kasva. Yksittäisen akselin massaa ei ole ainakaan Suomessa li-sätty, vaan kuormitusta on jaettu useammalle akselille kokonaismassojen noustessa.
Tämä on johtanut siihen että raskaan liikenteen telimassat ovat kohonneet akselimasso-jen pysyessä samoina. Ohutpäällysteisillä ja kosteustilaherkillä tierakenteilla tulisi ottaa vielä huomioon, että neljännen potenssin sääntö ei nykytiedon nojalla välttämättä edes täysin toteudu, vaan telin akseleitten yhteisvaikutus ja toistuvan dynaamisen kuormitus-vaikutuksen aiheuttama veden pumppautuminen tierakenteessa ja siitä seuraava huo-kosvedenpaineen kasvu saattavat aiheuttaa tierakenteen vaurioitumisnopeuden selkeää kasvua (Vuorimies et al. 2018). Tästä johtuen on erityisen tärkeää, että uudet HCT-yh-distelmät (High Capacity Transport) käyttävät ylempää tieverkostoa, jossa tierakenteen kantokyky ja kuormituskestävyys ovat riittäviä.