RAKENNUS- JA MAANMITTAUSTEKNIIKAN OSASTO
HENRY GUSTAVSSON
ROUDAN SULAMISEN VAIKUTUS
MAAKERROKSEN KEVÄTKANTAVUUTEEN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastet
tavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoossa 15.1.1991
TEKNILLINEN KORKEAKOULU RAKENNE- JA YHDYSKUNTATEKNIIKAN
LAITOSTEN KIRJASTO
TYÖN VALVOJA: APULAISPROFESSORI E. SLUNGA
TYÖN OHJAAJA: DIPLOMI-INSINÖÖRI S. SAARELAINEN
RAKENNUS- JA MAANMITTAUSTEKNIIKAN OSASTO
Tekijä ja työn nimi: Henry Gustavsson
Roudan sulamisen vaikutus maakerroksen kevät kantavuuteen
Päivämäärä: 15.1.1991 Sivumäärä: 84
Professuuri: Pohjarakennus ja maamekaniikka Koodi: Rak-50
Työn valvoja: Apulaisprofessori Eero Slunga
Työn ohjaaja: Dipl.ins. Seppo Saarelainen
Tämä työ on tehty Teknillisen korkeakoulun Rakennus- ja maanmittaustek
niikan osaston Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa.
Kirjallisuustutkimuksella on selvitetty tienrakennuksessa yleisesti käytetty
jä pohjamaan kevät kantavuuden määrittämiseen soveltuvia menetelmiä ja syitä maakerroksen kantavuuden heikkenemiseen roudan sulamisvaiheessa.
Eri menetelmillä saatujen kantavuuksien välisiä yhteyksiä on myös pyritty selvittämään sekä esitetty kirjallisuudesta löytyneitä kevät kantavuuteen pe
rustuvia routivuusluokituksia.
Maalajin sulamispehmenemisen arviointiin voidaan alustavissa tarkasteluissa käyttää rakeisuuteen ja muihin luokitusominaisuuksiin perustuvia routivuus- kriteerejä sekä routanousukokeita. Routivien maalajien vesipitoisuus kasvaa talvella routarajalle imeytyvän veden vaikutuksesta. Keväällä roudan sula
essa on kantavuus heikoin. Kantavuus paranee vesipitoisuuden pienentyessä ja sulamisvaiheessa kerrokseen mahdollisesti kehittyneen huokosveden ylipai
neen poistuessa.
Laboratoriossa sulatetuilla näytteillä tehtäviä tarkempia kantavuuden mää
ritysmenetelmiä ovat CBR-kokeeseen ja kolmiakselilaitteella määritettävään dynaamiseen kimmomoduuliin Mr perustuvat menetelmät. Sulamispainuma- kokeella voidaan selvittää kokoonpuristuvuusominaisuuksien ja kehittyvän huokospaineen vaikutuksia kantavuuteen.
Maastossa kevätkantavuuden määritykseen voidaan käyttää staattisen kuor
mituksen aiheuttavaa levykuormituskoetta tai dynaamista pudotuspainoko- etta. Levykuormituskokeella routivan alusrakenteen kantavuutta tutkitaan tien rakennekerrosten alle asennettujen kuormituslevyjen avulla. Pudotus- painokokeessa saadaan eri kerrosten E-moduulit määritettyä kuormituksen aiheuttamien tienpinnan etäistaipumien perusteella.
FACULTY OF CIVIL ENGINEERING AND SURVEYING MASTER’S THESIS
Author and name of the thesis: Henry Gustavsson
The effects of frost thawing on the bearing capacity of a soil layer
Date: 15.1.1991 Number of pages: 84
Professorship: Soil Mechanics and Code: Rak-50 Foundation engineering
Supervisor: Associate Professor Eero Slunga
Instructor: MScTech Seppo Saarelainen
The thesis is done in the laboratory of soil mechanics and foundation engi
neering at the Helsinki University of Technology.
Commonly used procedures to determine subgrade bearing capacity during spring thaw and reasons for thaw weakening have been searched by literature survey. Relationships between bearing capacities determined by different methods are also clarified and some frost susceptibility classifications on the basis of thaw weakening are presented.
In tentative considerations frost susceptibility criteria based on grain size distribution and other classification methods can be used for estimating the thaw weakening. During winter the water content of frost susceptible soils increases and in spring when the frost thaws, the bearing capacity reaches its minimum value. The strenght of these soils recovers as the water content decreases and any pore water pressure dissipates.
More accurate bearing capacity determinations can be made in laboratory by using CBR tests on thawed specimens or dynamic tri axial device to determine the resilient moduli Mr. Thaw consolidation tests can be used to clarify the effects of pore pressure and deformation characteristics on the bearing capacity of a thawing soil layer.
Static plate-loading tests using plates installed under the road structure are used to study the bearing capacity of the subgrade layer. With dynamic falling weight deflectometer the modulus of subgrade as well as the moduli of structure layers can be obtained by observing the road surface deflection basin.
Tämä diplomityö on tehty teknillisen korkeakoulun rakennus- ja maanmittaustekniikan osastolla apulaisprofessori Eero Slungan valvonnassa.
Tutkimusta on ohjannut Suomen geoteknillisen yhdistyksen routa- toimikunta, jonka jäseninä ovat olleet: Esko Kankare, Kauko Kujala, Harri Mäkelä, Pertti Nieminen, Reijo Orama, Seppo Saare
lainen (siht.) ja Eero Slunga (pj.).
Tutkimusta on valvonut johtoryhmä, joka on muodostunut "Sulamis
pehmeneminen ja kevätkantavuus" -projektin rahoittajien edustajis
ta. Johtoryhmän jäseninä ovat toimineet:
apulaisjohtaja Tauno Hailikari dipl.ins Pekka Lindroos
apulaisosastopäällikkö Ilkka Vähäaho
maaperätutkimusinsinööri Jorma Rusanen
apul.osastopäällikkö Pentti Silvennoinen
maatutkimusinsinööri Kari Seuranen
toimistopäällikkö Eero Sipilä osastopäällikkö Pertti Eklund dipl.ins. Markku Tuhola
tutkimus- ja koulutuspäällikkö Reijo S. Lehtinen
suunnittelupäällikkö Heikki Pajunen
suunnittelupäällikkö Juhani Herva
Tiehallitus
Rakennushallitus Helsingin kaupunki, Geotekninen osasto Kuopion kaupunki Lahden kaupunki Jyväskylän kaupunki
Helsingin kaupunki, Katuosasto Espoon kaupunki
Suomen Maarakentajien Keskusliitto
Suomen
Rakennusurakoitsij alitto Vantaan kaupunki
Oulun kaupunki
Esitän parhaat kiitokseni apulaisprofessori Eero Slungalle työni valvonnasta ja saamistani neuvoista, DI Seppo Saarelaiselle ja muille routatoimikunnan jäsenille työni ohjauksesta sekä rahoit
tajille tuesta, jolla tämä diplomityö on tehty.
Haluan kiittää myös pohjarakennuslaboratorion henkilökuntaa ja kaikkia niitä, jotka ovat edesauttaneet työni valmistumista. Lä- heisiäni haluan kiittää lämpimästi kannustuksesta ja pitkämieli
syydestä.
Espoossa 15.1.1991
Henry Gustavsson
Ao Ai CBR D, E Mr) Ei Em Ey Ev 2
F F1..F4 G1..G4 Hf h h K Ei L MT Mo Mei,2 Po PSI R S So
Sr St
SN SP SSI Tf Tg T, U
ominaissulamispainuma regressiokertoimia, (i=l—8) CBR-kokeen kantavuusarvo kerrosten paksuudet (i=l_3), m
muodonmuutosmoduuli, kimmomoduuli, MPa pintamoduuli etäisyydellä r levyn keskeltä, MPa
tielaitoksen ohjeen mukaiset kimmomoduulit (i=l,2), MPa alusrakenteen kimmomoduuli, MPa
ylemmän kerroksen kimmomoduuli, MPa
levykuormituskokeen kantavuus (saksan normi), MPa pakkasmäärä , h°C,vrk°C
routivuusluokkia routivuusluokkia
jäätyneen kerroksen paksuus, m ensimmäinen jännitysinvariantti, kPa toinen jännitysinvariantti, kPa
alustaluku, MN/m3 regressiokertoimia
faasinmuutoslämpö J/m3
dynaaminen kimmomoduuli, kPa, Mpa mat eri aali mo duuli, MPa
levykuormituskokeen kantavuus (sveitsin normi), MP a pintakuorma, kN/m2
palvelutasoindeksi
sulamistekijä, luotettavuustekijä
sulamiskonsolidaatioaste [], siirtymäkiilasyvyys, m hajonta
kokona!skonsolidaatiopainuma, m kyllästysaste
ajassa t tapahtunut konsolidaatiopainuma, m rakenteen paksuusindeksi
segregaatiop otentiaali, m2/Kh pohjamaan lujuusindeksi negatiivinen pintalämpötila, °C
maan alkuperäinen lämpötila, °C alle jäätymispisteen positiivinen pintalämpötila, °C
raekokosuhde
mzian oman painon ja ulkoisen kuorman suhde
mitoittava roudan syvyys (sveitsin normi), m suhteellinen syvyys
levyn säde, m
kerrosten materiaalivakioita (i=1...3) kerroin
jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetti, J/m3K sulan maan tilavuuslämpökapasiteetti, J/mzK konsolidaatiokerroin m2/s
taipuma etäisyydellä r levyn keskeltä, m rakennepaksuus, m
huokosluku
jäätyneen maan huokosluku sulaneen maan huokosluku jännitysfunktio
routamitoitustekijä routanousu, m
alkuperäinen korkeus, m
ylemmän kerroksen ekvivalenttipaksuus, m
huokosveden jäätymisestä aiheutuva routanousu, m routimisesta aiheutuva routanousu, m
ylemmän kerroksen paksuus, m kerroin, m/Vh°C
kerroksen (i=2,3) kosteusolosuhdekerroin kokoonpuristuvuuskerroin, m^/kN
korjauskerroin kuormitus, Mpa
standardimateriaalin kuormitus, MP a etäisyys levyn keskeltä, m
painuma, m paisuma aika, s, h, vrk
huokosveden ylipaine kPa vesipitoisuus
plastisuusluku
syvyys, m
roudan syvyys, m
sulamisnopeusparametri, my/s
maan tilavuuspaino pvp:n alapuolella, ikN/m3 kuivairtotiheys kg/m3,Mg/m3
veden tiheys, kg/m3 muutos
aksiaalisen muodonmuutoksen palautuva osa jäätyneen maan lämpödiffuusio, m?/s
sulan maan lämpödiffuusio, m?/s
jäätyneen maan lämmönjohtavuus, W/mK sulan maan lämmönjohtavuus, W/mK Poissonin luku
alusrakenteen Poissonin luku ylemmän kerroksen Poissonin luku tehokas jännitys, kPa
jäännösjännitys tai jännitys sulamisvaiheessa kPa vertailujännitys = 1 kPa
aksiaalinen jännitys, kPa
säteen suuntainen jännitys, kPa säteen suuntainen jännitys, kPa deviatorinen jännitys, kPa
dynaamisen jännityksen amplituudi, kPa oktaedrinen leikkausjännitys, kPa
halkaisija, mm
huokosveden alipaine, kPa vertailupaine = 1 kPa
TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKULAUSE MERKINNÄT
1. JOHDANTO... 1
2. JÄÄTYMISEN JA SULAMISEN FYSIKAALINEN TAUSTA... 2
2.1 Jäätyminen... 2
2.2 Sulaminen... 5
3. SULAMISPEHMENEMINEN JA KEVÄTKANTAVUUS... ....9
3.1 Kevät kantavuuden määritysmenetelmät...9
3.11 Routivuus ja luokitusominaisuudet...9
3.12 Sulamisvaiheen CBR... 11
3.13 Dynaaminen kimmomoduuli (Mr)... 16
3.14 Levykuormituskoe... 20
3.15 Pudotuspainokoe... 24
3.2 Sulamispainuman määritys... 27
3.21 Painuman suuruus... 27
3.22 Painuman nopeus...29
3.3 Suunnittelukäytäntö tienrakennuksessa... 32
3.31 Suomalainen käytäntö... 32
3.32 Ruotsalainen käytäntö... 36
3.33 Saksalainen käytäntö... 38
3.34 Sveitsiläinen käytäntö...41
3.35 USA:n käytäntö 45
MÄÄRITYSMENETELMISTÄ...50
4.1 Sulamisvaiheen CBR...50
4.2 Dynaaminen kimmomoduuli (mt)...57
4.3 Levykuormituskoe...63
4.4 Pudotuspainokoe...67
5. TUTKIMUSKOHTEET JA -OHJELMA...72
5.1 Tutkimuskohteet...72
5.2 Tutkimusohjelma... 74
5.21 Kairaukset ja näytteenotto... 74
5.22 Laboratoriotutkimukset... 74
5.23 Maastomittaukset...75
5.231 Routa- ja sulamishavainnot... 75
5.232 Kantavuusmittaukset... 75
6. YHTEENVETO... 76
Kirjallisuusluettelo Liitteet
1. JOHDANTO
Tutkimus liittyy ”Sulamispehmeneminen ja kevätkantavuus” -projektiin, jonka tarkoituksena on selvittää roudan sulamisen vaikutuksia maakerroksen kanta
vuuteen. Tutkimus on jatkoa ”Maalajien routivuuskriteerien kehittäminen”
-projektille (Friberg, Slunga 1989), jossa käsiteltiin routivuutta lähinnä routa- nousun kannalta. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on ollut selvittää kirjal
lisuuden perusteella tien pohjamaakerroksen kantavuuden heikkenemiseen vai
kuttavia tekijöitä sekä sulamispehmenemisen ja kevätkantavuuden määrittämi
seen soveltuvia menetelmiä. Esitettyjen menetelmien avulla on jatkossa tarkoi
tus tutkia roudan sulamisen vaikutuksia kevätkantavuuteen valituissa maasto- kohteissa.
Roudan vaikutukset erilaisille rakenteille kylmän ilmaston alueilla ovat varsin huomattavia. Routimisen aiheuttamat vauriot voivat johtua routanousuista maan jäätyessä tai sulamispehmenemisestä ja maan kantavuuden heikkenemi
sestä roudan sulaessa. Myös sulamispainuma voi johtaa rakenteiden vaurioitu
miseen.
Tierakenteen kantavuudella tarkoitetaan koko tierakenteen tai alusrakenteen kykyä vastustaa muodonmuutosten syntymistä, kun tietä kuormitetaan. Kan
tavuus ilmaistaan usein näennäisenä E-moduulina koko tierakenteelle, joka muo
dostuu useista paksuudeltaan ja muodonmuutosominaisuuksiltaan erilaisista kerroksista. Tien rakennekerroksiin käytettävät materiaalit ovat yleensä routi
mattomia ja niiden kantavuuden vuodenaikaisvaihtelut ovat verrattain pieniä.
Rakennekerrosten alla olevan pohjamaan routimisesta aiheutuva vesipitoisuu
den lisääntyminen kuitenkin aiheuttaa koko tierakenteen kantavuuden heikke
nemisen keväällä. Maan lujittuminen roudan sulamisen jälkeen tapahtuu rou
timisesta aiheutuneen lisävesimäärän poistuessa ja maan tiivistyessä ennen jää
tymistä vallinneeseen tilaan.
Tien rakenteellinen suunnittelu ja kantavuuden mitoitus perustuu kausittai
sen roudan alueilla yleensä kevätkantavuuteen. Roudan tunkeutumisen täydel
linen estäminen routivaan pohjamaahan ei ole yleensä tarkoituksenmukaista, vaan päällysrakenteen paksuus ja käytettävät materiaalit on valittava siten, et
tä kantavuuden vuodenaikaisvaihteluista huolimatta tien ajettavuus ja kunto mitoitusikänä pysyisivät kohtuullisina.
2. JÄÄTYMISEN JA SULAMISEN FYSIKAALINEN TAUSTA 2.1 Jäätyminen
Ilman lämpötilan laskiessa alle O°C alkaa maassa oleva vesi jäätyä. Puhtaan veden jäätymispiste yhden ilmakehän paineessa on 0°C, mutta maassa olevan veden epäpuhtauksista sekä siihen kohdistuvista jännityksistä johtuen, huokos
vesi jäätyy yleensä hieman tämän lämpötilan alapuolella.
Roudan tunkeutumista maahan voidaan tutkia ns. Stefanin (1890) mallin avulla. Stefanin mallissa oletetaan, että lämpötila muuttuu lineaarisesti maan pintalämpötilasta Tf routarajan lämpötilaan ja lämpötila rout ar a jän alapuolella on vakio (kuva 1).
. maan pinta h---T,--- -i
Z roudan syvyys
sula maa
Kuva 1. Stefanin mallin lämpötilaolettamukset (Sippola 1989).
Routarintaman pisteessä A on faasinmuutoslämmön L, joka vapautuu huokosve
den jäätyessä matkalla dz ajassa dt oltava sama kuin lämpömäärän, joka johtuu maanpintaan lämpötilagradientin (Tf jz) kuljettamana yhtälön 1 mukaisesti.
z on xf
xfTf roudan syvyys
maan lämmönjohtavuus jäätyneenä
(1)
L t
faasimnuutoslämpö aika
Tf pakkaskauden ilman keskilämpötila=pintalämpötila josta saadaan integroimalla
Ay
L (2)
ja edelleen voidaan ratkaista roudan syvyys
z (2Af_fTfdty/2
(3)
Yhtälö 3 voidaan muokata vielä seuraavaan muotoon, josta nähdään, että rou
dan syvyys on suoraan verrannollinen pakkasmäärän neliöjuureen:
z = k*VF (4)
z on roudan syvyys, m k kerroin =iJZ™^,m/Vh0C F pakkasmäärä =jTfdt, h°C
Roudan syvyyden laskeminen tällä menetelmällä johtaa yleensä hieman liian suuriin arvoihin. Tästä edelleen kehitettyjä menetelmiä, joissa lähtöoletukset vastaavat tarkemmin todellisia, ovat mm. muunnettu Berggrenin menetelmä sekä Watzingerin menetelmä. Kertoimen k arvot vaihtelevat vesipitoisuudesta riippuen 0.009 - 0.0115, kun F on [h°C] ja z [m] (Skaven-Haug, 1971).
Veden jäätyessä sen tilavuus kasvaa noin 9%. Routivilla maalajeilla vesipitoi
suus lisäksi kasvaa maan imiessä routarintamalle muodostuviin jäälinsseihin li- sävettä. Maan tilavuus siis kasvaa alkuperäisen huokosveden ja rout arint amalle imeytyneen lisäveden jäätyessä ja laajentuessa. Tämän tilavuuden kasvun ai
heuttamaa maanpinnan kohoamista kutsutaan routanousuksi (kaava 5).
h = hi+h, (5) h on routanousu
hi huokosveden jäätymisestä aiheutuva routanousu h, routimisesta aiheutuva routanousu
Routimisesta aiheutuva vesipitoisuuden lisäys (paino-%) Saarelaisen (1990) mu
kaan voidaan esittää seuraavasti:
w. - 0.92h,7w Z7d w, on vesipitoisuuden lisäys
z roudan syvyys
Ttc veden tiheys 7d maan kuivatiheys
h, routimisesta aiheutuva routanousu
Suhteellinen routanousu h,/z taas on kaavan (7) mukaan suoraan verrannollinen segregaatiopotentiaaliin SP ja kääntäen verrannollinen kertoimen k (z=k%/F) neliöön (Saarelainen 1990).
= 2.18 * SP/k2 (7)
Näin saadaan routimisesta aiheutunut vesipitoisuuden lisäys kaavalla (8)
w, = 0 SPyw
(8)
Veden imeytyminen routarajalle aiheuttaa välittömästi routarajan alapuolella olevaan kerrokseen huokosveden alipaineen, joka lisää kerroksen tehokasta jänni
tystä aiheuttaen maan ylikonsolidoitumisen. Jäätyminen siis aiheuttaa maan al
kuperäisen huokosluvun e0 pienenemisen eB:hen jäälinssien välissä vaikka maan kokonaishuokosluku kasvaakin e0:sta eB:hen (kuva 2). Tämän ilmiön katso
taan selittävän ylikonsolidoituneiden kuivakuorikerrosten syntymisen (Vähäaho 1987).
OJ
EFFECTIVE STRESS <j'
Kuva 2. Jännityksen ja huokosluvun vuorosuhde jäätymissulamisprosessissa (Nixon,Ladanyi 1978).
2.2 Sulaminen
Roudan sulaminen alkaa kun maanpinnan lämpötila ylittää sulamispisteen. Su- lamisrintaman etenemistä voidaan kuvata Neumanin yhtälöllä 9 (Carslaw,Jaeger 1947)
X =
aVi
(9)X on sulamissyvyys
a sulamisnopeusparametri
t aika
Termi a on vakio, joka voidaan määrittää seuraa vasta yhtälöstä (Harlan,Nixon 1978)
Kv, k f on
Cv,Cf
L
T9
T,
-a3
e4*« TgA/ e "f _ Lyfra.
T,AU Y Kf cr/c[y-^--] 2y/ii^CvT, sulan ja jäätyneen maan lämpödiffuusiot (=A/c) sulan ja jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetit sulan ja jäätyneen maan lämmönjohtavuudet faasinmuut oslämpö
maan alkuperäinen lämpötila, alle jäätymispisteen pintalämpötila
(10)
er/D er/cQ
virhefunktio 1 - er/0
Yhtälön (10) ratkaisuksi saadaan edellisessä kohdassa esitetyn Stefanin mallin oletuksilla (lämpötilajakauma lineaarinen, Tg = 0°C) ns. Stefanin ratkaisu
x = (2A^)1/2
(H)
Pintalämpötilan vaihdellessa saadaan sulamissyvyys X vastaavaan muotoon kuin kohdassa 2.1 johdettu roudan syvyys
X _ f T,dt)in
(12)
Routimisesta aiheutunut Usävesimäärä pyrkii sulettuaan poistumaan pienim
män virtausvastuksen suuntaan eli yleensä ylöspäin. Jos sulaminen on no
peaa verrattuna veden poistumisnopeuteen, kehittyy sulavaan kerrokseen huo
kosvedenpainetta, joka pienentää maan tehokasta jännitystä (kuva 2, D:stä E:hen). Tehokkaan jännityksen pienentyessä maan lujuus- ja muodonmuuto
sominaisuudet heikkenevät. Darcy n lain ja Terzaghin lineaarisen konsoli daa- tioteorian perusteella sulamispinnalla, syvyydellä X on voimassa yhtälö (13) (Nixon,Morgenstern 1971).
p04-«(*,<)- ^
Po on pintakuorma
7' maan tilavuuspaino pvp:n alapuolella
°o jäännösjännitys
u(X,t) huokosveden ylipaine sulamispinnassa Cv konsolidaatiokerroin
Jäännösjännitys v'0 on tehokkaan jännityksen arvo maan sulettua suljetuissa olo
suhteissa. Ensimmäisen jäädytys-sulatus -syklin jälkeen voidaan yleensä olet
taa, jos maassa on ollut paljon jäätä, että jäännösjännitys on nolla ja siis huo
kosvedenpaine on kokonaisjännityksen suuruinen. Kuitenkin tapauksissa, joissa jännitys- ja lämpöhistoriat ovat pienentäneet huokoslukua (esim. kuivakuoret),
voi sulaessa ilmetä merkittäviäkin jäännösjännityksen arvoja. Kuvassa 3 näh
dään Nixonin ja Morgensternin kokeisiin perustuen tehokkaan jäännösjännityk
sen logaritmin kasvaminen ja huokosluvun pieneneminen jäädytyssulatussyklien lukumäärän lisääntyessä.
CONSOLIDATE REMOLDED V VIRGIN
\ COMPRESSION
\ UNE
06 -
FREEZE
• a' POINT
11111 JL—1—1.111 J__ 1—L
1000
EFFECTIVE STRESS
Kuva 3. Huokosluvun ja jäännösjännityksen logaritmin välinen vuorosuhde (Nixon,Ladanyi 1978).
Yhtälön 13 ratkaisuksi edellä olevin oletuksin ovat Nixon ja Morgenstern (1971) saaneet
u(x,t) Po
erf(R) + e-*3 v^ir R
* erf x y'x
2^Tt + 1+^ (14)
Sulamistekijä R kuvaa sulamisen yhteydessä vapautuvan veden kehittymisno
peuden ja poistumisnopeuden välistä suhdetta (kaava 15). R:n lähestyessä nol
laa ei huokosveden ylipainetta synny, kun taas suurilla R:n arvoilla huokospaine sulamispinnassa kasvaa kokonaisjännityksen suuruiseksi.
R on a
R- sulamistekijä
sulamisnopeusparametri
(15)
DepthZ
konsolidaatiokerroin
Käyttämällä dimensiottomia muuttujia (o < x < X)
7_ *(*)
m
■* 0
ja normalisoimalla, saadaan suhteellinen huokosvedenpaine
(16)
(17)
n(Z,t) = 1 er/(JZZ) Z
Po + YX {l + WT’erf{R) + ^l (1 + 53P)(1 + 1^J (18)
Kuvassa 4 on esitetty suhteellisen huokosveden ylipaineen jakautuminen suh
teellisen syvyyden funktiona oman painon vaikutuksesta (wr = oo) sekä pinta- kuormasta {WT = 0) eri R:n arvoilla.
Pore pressureu[z. t)
y'x
„ uU. f)
Pore pressure--- Po
10.0 -
0.6 \0.7 0.2 \ 0.3 \ 0.4 \0.5
Kuva 4. Huokosveden ylipaineen jakautuminen kun WT = oo (vas.) ja kun WT = 0 (oik.)(Nixon,Ladanyi 1978).
3. SULAMISPEHMENEMINEN JA KEVÄTKANTAVUUS 3.1 Kevätkantavuuden määritysmenetelmät
3.11 Routivuus ja luokitusominaisuudet
Routivuuden vaikutusta tiepohjan kevätkantavuuteen voidaan arvioida poh
jamaan maalajin, routivuuden sekä kosteusolosuhteiden perusteella tehtävällä kantavuusluokituksella. Pohjamaan olosuhteiden ja kantavuuden välinen yhteys perustuu yleensä koekuormitusaineistoon ja kokemukseen. Tien päällysraken
teen mitoitus voidaan tehdä valmiiden rakennetaulukoiden avulla pohjamaan kantavuusluokan, pakkasmäärän ja liikennemäärän perusteella (TVH 1985).
Taulukko 1. Maalajien routivuuden määritys (ISSMFE 1989).
Routivuus- luokka
Plastisuuskartta #)
Kapi Häärinen Juoksevuus- indeksi IL . (lt. = W~W?)
•) Hienous- tekijä R|,
% < 0,074 mm
ollessa <20 %
Segregaatio- potentiaali
SPe . / JL
Routanousu- nopeus ,
mm/d Maalaji
USCS-luokitus
Plastisuusluku, IP
Juoksuraja, wL, %
nousukorkeus h«
Routimaton GW , GP
SW . SP
lp < 1 < 1 < 0 < 2.5 < 0.5 < 0,5
Lievästi routiva CU lp > 7 ; »l > 50 1.0 - 1.5 0 - 0.25 2.5 - 5 0.5 - 1.5 0.5 - 2
Keskinkertaisesti routiva
CL
A-linjan yläpuolella OH , MH
A-linjan alapuolella
lp > 7 ;»1 -35-50
•p > 7 ; WL >50
1.5 - 2.0 0.25 - 0.5 5 - 10 1.5 - 3.0 2-4
Erittäin routiva CL
A-linjan yläpuolella ML
A-linjan alapuolella 0L
A-linjan alapuolella
lp > 7 ; *i. < 35 lp <4 ; »a <50 lp > 7 ; »L =35-50
> 2.0 > 0.5 > 10 > 3.0 > i)
A-linjan yläpuoliset maalajit, joiden plastisuusindeksi lp on välillä 4-7. ovat rajatapauksia ja vaativat lisätutkimuksia
*) Suurilla kapillaarisen nousukorkeuden ( > 10 m ) ja hienoustekijän ( > 30 ) arvoilla maan routivuus lievenee pienen veden
läpäisevyyden vuoksi
j
Maalajien routivuutta lähinnä routanousun kannalta tarkasteltaessa suunnit
teluvaiheesta ja kohteen vaativuudesta riippuen voidaan tarkastelumenetelmät jakaa ISSMFEm (1989) suosituksen mukaan kolmeen tasoon. Tasolla I maalajin routivuus määritetään rakeisuuden perusteella. Tasolla II routivuusmääritys- tä voidaan tarkentaa ja routivuuden voimakkuutta arvioida muiden luokituso- minaisuuksien sekä hydraulisten ominaisuuksien perusteella. Tasolla III rou
tivuuden määritys perustuu joko laboratoriossa tai maastossa määritettyihin routanousuhavaintoihin. Taulukossa 1 on esitetty yleisesti käytettyjen luokitu- sominaisuuksien sekä hydraulisten ominaisuuksien rinnastus routanosukokeiden tuloksiin.
Lähinnä routanousun määrittämiseen perustuvien routivuuskriteerien käytön maan kevätkantavuuden ja sulamispehmenemisen arviointiin mahdollistaa se, että routanousun ja kevätkantavuuden välillä oleva yhdistävä tekijä on maa
kerroksen vesipitoisuuden lisääntyminen routimisen vaikutuksesta. Vesipitoi
suuden lisääntyminen ja siitä johtuva huokospaineen kasvu sulamisvaiheessa sekä maan rakenteen löyhtyminen roudan vaikutuksesta on juuri syynä kevään heikkoon kantavuuteen. Kuvassa 5 on esitetty CRREL:n routivuusluokituksen Fl - F4 ja kantavuuden heikkenemisen välinen suhde A. Termi A saa arvon 0, jos kevät kantavuus on yhtä suuri kuin kesällä tai syksyllä mitattu ja arvon 100, mikäli kantavuus kesällä on kaksinkertainen verrattuna kevääseen. Mustat pisteet kuvaavat maastossa määritettyjä A-arvoja (Chamberlain 1981b).
2 pts —•
Kuva 5. Kantavuuden heikkenemisen A riippuvuus routivuusluokasta (Cha
mberlain 1981b).
Luvussa 3.3 on esitetty eri maissa käytettyjä routivuuskriteerejä ja luvuissa 4.1 - 4.4 yhteyksiä kevätkantavuuden ja ja routivuuskriteerien välillä. Fribergin ja Slungan (1989) sekä Chamberlainin (1981a) julkaisuissa on käsitelty näitä kriteerejä tarkemmin.
3.12 Sulamisvaiheen CBR
CBR (Californian Bearing Ratio)-kokeella voidaan arvioida tien rakennekerros
ten ja alusrakenteen muodonmuutosominaisuuksia. Kokeen tuloksena saadaan ns. CBR-luku, joka ilmaisee prosentteina kuinka suuri paine aiheuttaa tutkit
tavassa materiaalissa yhtä suuren painuman kuin standardimateriaalissa.
CBR-koetta käytetään useissa maissa tien rakenteen mitoitukseen. Sveitsissä kantavuuden kevät arvon saamiseksi tutkittava näyte jäädytetään ja sulatetaan ennen puristamista (SNV 670 320a). Sen lisäksi, että koetta käytetään Sveitsis
sä kantavuusmitoitukseen, käytetään sitä tien rakennekerrosmateriaalien rou
timattomuuden varmistamiseen. Jäädytetyn ja sulatetun näytteen CBR-axvoa käytetään Saksassa vain routivuuden määritykseen sekä stabiloitujen näyttei
den tutkimiseen (TP BF-StB B7.1 1988). Kokeen suoritus eri maiden normien mukaan poikkeaa toisistaan lähinnä jäädytystapojen ja -kertojen perusteella.
\
Saksan (TP BF-StB B7.1 1988) ja Sveitsin (SNV 670 320a 1973) normeissa
määritetään kolme erilaista CBR-arvoa:
-sylinteriin tiivistetyn (Saksassa CBRq, Sveitsissä CBRi)
-vesiupotuksessa säilytetyn {CBRW,CBR2)
-jäädytyssulatussyklin läpikäyneen (CBRft, CBRS)
näytteen CBR-arvo.
Tutkittavan näytteen kokonaismäärän on oltava noin 40 kg. Sylinteriin, <j> 150 mm, h=125 mm (kuva 6 ,TP BF-StB B7.1 1988) sullottavaa näyttettä on oltava vähintään 6 kg. Sveitsin normeissa määrätään yli 20 mm rakeet poistettaviksi.
Saksan normit määräävät yli 20 mm rakeiden enimmäismääräksi 10 % ja yli 4 mm enimmäismääräksi 40 %, mutta routivuutta tutkittaessa näistä arvoista voidaan poiketa.
© ZVLINOC*
© ORUNOFIATTE
© AUFSATZHING
® MUCKSTEMPEl
@ BELASTUMGSRAHMEN MIT KRAFTMESS- X' EIHRICHTUMO_________
-p © MESSUMUKALTE*
fi
xl IP
S1688 Äglg :
■
L
■
Ill 1fr J.
© EWAATZ9CMEWE
Kuva 6. CBR-laite (TP BF-StB B7.1 1988).
Näyte tiivistetään Proctor-menetelmän mukaisesti halutun tiiviyden aikaan saa
miseksi. Tiivistystyötä vastaava optimivesipitoisuus sekä tiheys määritetään neljän eri vesipitoisuuden perusteella. Standardien mukaiset CBR-arvot määri
tetään optimivesipitoisuudessa tiivistetylle näytteelle. Molempien maiden nor
meissa suositellaan kuitenkin useampien, eri vesipitoisuuksissa ja tiivistytyö- määrillä tiivistettyjen näytteiden tutkimista. Kutakin koetta varten on oltava oma näyt teensä. Sylinteriin sullotun näytteen päälle asetetaan rakenteessa to
teutuvaa kuormitusta vastaava määrä painoja. Näytteen CBJZo-arvo voidaan määrittää tiivistyksen jälkeen.
Tiivistetty näyte upotetaan vesialtaseen. Vesiupotus kestää yleensä 4 vrk. Nä
ytteen paisumista upotuksen aikana tarkkaillaan mittakellon avulla. Paisumi
nen määritetään kaavalla (19) (TP BF-StB B7.1 1988)
= —— * 100%
•la sw on suhteellinen paisuma Ah korkeuden muutos ha alkuperäinen korkeus
(19)
Saksan normin mukaan upotusta jatketaan kunnes paisumisnopeus on vähem
män kuin 0.03mm/vrk. Vesiupotuksen jälkeen voidaan määrittää CBR^,-arvo.
Näyte jäädytetään vedellä kyllästämisen jälkeen pakkaskaapissa . Sveitsin nor
missa on kaksi tapaa tehdä jäädytyskoe: nopea (R) ja hidas (L) koe. No
peaa koetta käytetään jos tutkittavan materiaalin ilmastolliset ja hydrologiset olosuhteet rakenteessa ovat suotuisat (pieni pakkassumma, pohjavesi syvällä).
Hidasta koetta käytetään routaantumisen kannalta epäedullisissa olosuhteissa.
Nopea koe suoritetaan asettamalla näyte pakkaskaapissa olevaan 3 cm syvyi
seen +4°C vesialtaaseen. Näytteen päälle asetetaan kiillotettu teräslevy, jossa on kolme ylöspäin osoittavaa tappia. Tapit kannattelevat suodatinlevyä ja painoja mahdollistaen kylmän (-20oC7) ilman vapaan pääsyn näytteen yläosaan. Näyte- sylinteri on eristetty sivuiltaan, joten jäätyminen tapahtuu vain ylhäältä päin.
Routaantumisnopeuden tulisi olla noin lcm/h, jolloin 0°C-isotermi saavuttaa näytteen puolivälin 6-8 tunnissa. Tämän jälkeen näyte poistetaan pakkaskaa- pista, kuormitus puretaan ja routanousu mitataan. Näyte sulatetaan suljetussa muovipussissa vähintään 12 tunnin ajan.
Hidas koe tehdään SNV 670 320 a:n mukaan muuten samoin, mutta routaan- tumisnopeutta hidastetaan ja näytteen annetaan jäätyä kokonaan. Rakenne
kerrosmateriaalien routivuutta tarkasteltaessa tulisi aina suorittaa hidas koe (SNV 670 140a 1988). Giudicetti (1975) on käyttänyt hitaassa kokeessa (L) routaantumisnopeutena keskimäärin 2 cm/vrk.
Saksan normien mukaan jäädytys- ja sulatuslämpötilat sekä -syklien lukumää
rä ja kesto määritetään tapauskohtaisesti kokeen tarkoituksen ja tutkittavan kohteen routaantumisolosuhteiden perusteella. Jokaisen jäädytys- ja sulatus- jakson jälkeen mitataan näytteen routanousu ja sulamispainuma. Vesipitoisuus ja tiheys määritetään tiivistyksen, vesiupotuksen ja puristuskokeen jälkeen (TP BF-StB B7.1 1988).
Kuvassa 7 on esitetty tiivisty s vesipitoisuuden Wa vaikutus saavutettavaan tii
viyteen (ylä kuva). Alemmasta kuvasta nähdään, että CB^-arvo hienorakeisilla maalajeilla on suurin pienillä tiivistysvesimäärillä ja karkearakeisilla maalajeilla suurin optimivesipitoisuudessa. Vesiupotuksen ja jäädytyksen jälkeiset CBR3 ja CBR3 -arvot kaikille maalajeille ovat yleensä suurimmat optimivesipitoisuu
dessa tiivistetyille näytteille. Hitaasti jäädytettyjen näytteiden CBBs-^-arvot ovat kaikkein pienimpiä ja vähiten riippuvaisia tiivistysvesipitoisuudesta.
CBR y — hienorakeiset
CBR, karkearakeiset
hienorakeiset:5...30%
karkearakeiset:0...12%
Kuva 7. Tiivistysvesipitoisuuden WA vaikutus eritavoin käsiteltyjen näytteiden kantavuuteen (Giudicetti 1975).
Varsinainen CBR-puristuskoe tehdään puristamalla näytettä </>50 mm männällä vakionopeudella 1.25 mm/min ja havaitsemalla painumia 0.63, 1.25, 1.88, 2.5, 3.75, 5.0, 6.25, 7.5, 10.0, 12.5 mm vastaavat kuormat. Havaituista pisteistä piirretään kuvaaja, jota verrataan standardimateriaalin kuvaajaan. CBR-arvo voidaan lukea suoraan kuvasta 8 tai laskea kaavalla (20) 2.5 ja 5.0 mm vastaa
villa kuormituksilla. Standardimateriaalissa 2.5 mm painumaa vastaa 7.0 MPa ja 5.0 mm painumaa 10.45 MPa kuormitus.
CBR =1-* 100% (20)
P«
P on näytteen kuormitus
p, standardimateriaalin samaa painumaa vastaava kuormitus Yleensä 2.5 mm painumaa vastaava suhde on suurempi ja sitä pidetään määrää
vänä. Jos kuitenkin 5.0 mm arvo on suurempi pitäisi koe suorittaa uudelleen.
Uusintakokeen arvoista valitaan suurempi (SNV 670 320a 1973, TP BF-StB B7.1 1988).
o.o 5
<
<
:<z
Z
:<Z
UJ Z S
-100
arvot Z" mm ija 5mm
uusi nollakohta
PAINUMA (mm)
Kuva 8. CBR-arvon määrittäminen painumakäyrästä (Lehtonen 1981).
Jos käyrän alkuosassa on huomattava kaltevuuden muutos, on käyrälle suori
tettava kuvan 8 mukainen korjaus (SNV 670 320a 1973, TP BF-StB B7.1 1988).
CBR-kokeen perusteella tehtävää tien kantavuusmitoitusta käsitellään suun
nittelukäytäntöä eri maissa esittelevissä luvuissa ja yhteyksiä eri kantavuuden määritysmenetelmiin luvussa 4.
3.13 Dynaaminen kimmomoduuli (Mr)
Dynaamisen kimmomoduulin määritys laboratoriossa tapahtuu mittaamalla no
pean, yleensä syklisen kuormituksen aiheuttamaa muodonmuutosta. Syklisen kuormituksen aiheutamaa muodonmuutosta määritettäessä on pystyttyvä erot
tamaan toisistaan deformaation pysyvä ja palautuva komponentti. Muodon
muutoksen palautuva osa on yleensä huomattavasti pysyvää osan pienempi.
Maakerroksen dynaamisena kimmomoduulina käytetään yleensä ns. Afr-moduulia joka laboratoriossa määritetään dynaamisen, syklisen kolmiakselikokeen devia- torisen jännityksen ja aksiaalisen muodonmuutoksen palautuvan osan suhteena (Yoder,Witzcak 1975, Cole et ai. 1986):
Mr = — (21)
€r aj. on deviatorinen jännitys = <?\ — <r3 tri aksiaalinen jännitys
tr3 säteen suuntainen jännitys = tr2
er aksiaalisen muodonmuutoksen palautuva osa
Kyseessä ei ole ideaalikimmoinen moduuli vaan syklisen kokeen perusteella mää
ritetty moduuli, jota nimitetään myös palautumamoduuliksi (eng. resihent mo
dulus, merkintänä toisinaan Er). Tien kantavuusmitoitus perustuu kuitenkin perinteisesti kokonaisdeformaatioon. Kuormitussyklien lukumäärän kasvaessa näytteen pysyvä ja palautuva deformaatio yleensä saavuttavat jossakin vai
heessa vakiothan. M,-moduuli on määritettävä tämän vakiothan saavuttamisen jälkeisten kuormitusten perusteella (Cole et ai. 1986, Kaiho 1990).
Sitomattomien materiaalien dynaamisen kimmomoduulin arvoon vaikuttavat useat tekijät. Vaikuttavista tekijöistä tärkeimpiä ovat maassa olevan veden olomuodon (jäässä/sula) hsäksi jännitystila, vesipitoisuus ja tilavuuspaino. Ko
etuloksista lasketut Afr-moduulit esitetään usein regressioanalyysina saaduilla yhtälöillä (Cole et ai 1986):
Mr = K\f{a)K* (22a)
MT = K-2 -f Ka(Ki - <rd),josKi > ad (22 b)
Mt = K2 + K^(-Ki + <Td), josKi < ad (22c) /(<r) on jännitysfunktio
<?d deviatorinen jännitys
Ki i=l,2,3,4 regressiokertoimia
Jännitystilan vaikutus kimmomoduulin arvoon näkyy useimpien maalajien epä
lineaarisesta jännitys-muodonmuutossuhteesta. Kitkamaalajeilla Mr yleensä kas
vaa jännityksen lisääntyessä ja moduuli esitetään yhtälöllä (22a). Koheesiomaa- lajeilla jännitystason vaikutus on päinvastainen eli moduuli pienenee jännityk
sen kasvaessa ja sen on havaittu joissakin tutkimuksissa noudattavan paremmin muotoa (22b) tai (22c) olevia yhtälöitä (Yoder,Witzcak 1975). STINA-projektin yhteydessä tehdyissä kokeissa käytettiin koheesiomaillekin kuitenkin muotoa (22a)olevia yhtälöitä hyvällä menestyksellä, mutta potenssi K2 sai negatiivisen arvon ja jännitysfunktiona oli dynaamisen jännityksen amplituudi crdyn (STINA 1977:3).
Yhtälössä 22a tekijä Kx on yleensä vesipitoisuuden funktio ja K2 on maalaji- vakio. Sulamisen jälkeistä lujuuden palautumista ja vesipitoisuuden pienene
mistä voidaan simuloida aiheuttamalla tutkittavaan näytteeseen huokosveden alipainetta. Huokosveden alipaineen (eng. moisture tension) ja vesipitoisuuden välillä on kuvan 9 mukainen maalajikohtainen yhteys.
% Water (wt)
Kuva 9. Huokosveden alipaineen V> ja vesipitoisuuden välinen riippuvuus (Cole et ai. 1987)
Afr-moduulin jännitystilariippuvuus otetaan huomioon jännitysfunktioiden Ji,roct tai Ji/Toct avulla. Syklisessä kolmiakselikokeessa, jossa <73 = a3 ja ad — ai — a3 nä
mä jännitysfunktiot f (tr) voidaan lausua seuraavasti (Cole et ai. 1986)
J\ — (Tl + + <7"3 — <7j + 3<Tg (23)
/
Toct = 1/2[(<ti - <r2)2 + (<r2 - cr3)2 + («n - <73)2]1/2 (24)
J 2 — <7l<72 + <72<73 + <7"i<73 (25)
Ji/Toct = (9<t3 + Ga3ad)/V2ad (26)
Ji on ensimmäinen jännitysinvariantti h toinen jännitysinvariantti
Toct oktaedrinen leikkausjännitys fl.l.S pääjännitykset
Kuormitusimpulssin taajuus ja muoto vaikuttavat myös Mr-moduuli n arvoon.
Laboratoriossa tehtävien dynaamisten kolmiakselikokeiden kuormitus on pyrit
tävä saamaan maastokokeita vastaavaksi, jotta tulokset olisivat vertailukelpoi
sia. Kuvassa 10a on esitetty CRRELin laboratoriokokeissa käyttämien pudo
tuspainolaitetta (FWD) ja toistolevykuormituskoetta (RPB) jäljittelevien kuor- mitusimpulssien muotoja (Cole et ai. 1986). STINA-kokeessa käytetyn 10 Hz taajuudella toistetun sinimuotoisen kuormitusimpulssin (<rjyn) muotoja käyte
tyt staattiset jännitystasot (or, <r3) ilmenevät kuvasta 10b.
AAA
Kuva 10. Dynaamisessa kolmiakselikokeessa käytettyjä kuormitusimpulssien muotoja a) CRREL-kuormitus (Cole et ai. 1986) ja b) STINA-kuormitus (STINA 1977:3)
Tutkittaessa roudan sulamisen vaikutusta maakerrokseen näyte sulatetaan kol- miakselisellissä. Hienorakeiset näytteet otetaan häiriintymättöminä sydännä- ytteinä jäätyneestä maasta. Karkearakeiset näytteet, joista ei saada häiriinty- mätöntä näytettä otetaan häiriintyneinä ja tiivistetään laboratoriossa in situ -tiiveyteen sekä jäädytetään eristetyissä astioissa ylhäältä alas 25 mm vuoro- kausinopeudella siten, että vesi pääsee imeytymään näytteeseen sen alapäästä (Cole et ai. 1986).
Sulatetuilla routineilla näytteillä tehtyjen dynaamisten kolmiakselikokeiden var
sin yksityiskohtainen kuvaus on esitetty CRRELrn neliosaisen julkaisusarjan enimmäisessä osassa (Cole et ai. 1986). Sarjan muut osat käsittelevät laborato
riossa määritettyjen Afr-moduulien ja maastossa tehtyjen kantavuusmittausten välisiä vertailuja (Johnson et ai. 1986a,1986b, Cole et ai. 1987).
3.14 Levykuormituskoe
Levykuormituskokeella voidaan tutkia maakerrosten tiiviys- ja kantavuusomi- naisuuksia. Maakerroksen kantavuusominaisuuksia tutkittaessa kuormitetaan sen pintaa <j> 300 mm (tai <£ 450 mm) teräslevyllä ja mitataan levyn alapinnassa vaikuttavan paineen aiheuttamaa painumaa. Levykuormituskokeen tuloksena saadaan staattinen muodonmuutosmoduuli E (kimmomoduuli), johtuen kuor
mituksen hitaasta luonteesta.
Homogeenisen, kimmoisesti käyttäytyvän kerroksen kimmomoduuli jäykän, pyö
reän laatan alla voidaan laskea seuraavasti (Odemark 1949):
E = 7r( 1 — fj?)pa/2s (27)
E on kimmomoduuli
H Poissonin luku
p kuormitus
a levyn säde
s painuma
Taipuisan laatan kuormittaman kerroksen muodonmuutosmoduuli saadaan vas
taavasti
E — 2(1 — p2)pa/s (28)
Yleisemmin voidaan kirjoittaa
E = c * pa/s (29)
Kantavuuden määritykseen useissa maissa käytetään Odemarkin likimääräis- kaavaa (Stina 1977:3):
E = l.bpa/s (30)
Taulukossa 2 on esitetty laatan jäykkyydestä ja Poissonin luvusta riipuvia ker
toimen c arvoja. Taulukosta 2 havaitaan, että c:n arvo 1.5 vastaa jäykän laatan tapauksessa (levykuormituskoe) Poissonin lukua noin 0.25 -0.30.
Taulukko2 . Kertoimen c arvot jäykälle ja taipuisalle laatalle eri Poissonin luvun arvoilla.
Poissonin luku kerroin c
laatta taipuisa jäykkä
Pohjamaan kantavuuden vuodenaikaisvaihtelujen tutkimiseen on Suomessa kä
ytetty yhteispohjoismaisen STINA-projektin yhteydessä kehitettyä menetelmää hieman muunneltuna. Mittauslaitteiston muodostaa pohjamaan pintaan raken
nekerrosten alle asennettu kuormituslevy ja siitä tien pintaan ulottuva suoja- putki, jonka kautta levyn kuormitus tapahtuu (liite 1). Putken yläpää on asen
nettu hieman päällysteen pintaa alemmaksi ja suljettu tiiviisti kierretulpalla.
Levyä kuormitetaan putken läpi menevällä 19-32 mm terästangolla kuorma- autoon tuetun hydraulisen tunkin avulla, jota voidaan liikuttaa sekä eteen et
tä taakse ja jota voidaan kallistaa kuormitustangon asennon ja sijainnin mu
kaisesti. Levyn painuma mitataan kuormitustangon yläpäästä yhdellä mitta- kellolla. Kuormitustangon vaakasuuntaiset liikkeet estetään putken yläpäähän asennetulla ohjaimella (Jämsä 1985).
aika (ei mittakaavassa)
5 30
4-
Kuva 11. STINA-kuormitus (STINA 1977:2).
Kuormitusmenetelmänä tehdyissä tutkimuksissa on käytetty syklistä ns. STINA- kuormitusmallia, jossa kuormitusta nostetaan viidessä portaassa. Kutakin por
rasta toistetaan kolme kertaa ennen seuraa vaan kuormitustasoon siirtymistä.
Toistojen välillä kuormitus poistetaan ja painuman annetaan palautua. Levyn kokonaispainuma kuormituksen alaisena ja palautuma kuorman poistamisen jäl
keen rekisteröidään. Kaaviokuva 11 esittää kuormituksen suorittamista 4> 45 cm levyllä pohjamaalle, jonka kantavuus on noin 50 Mpa. Maksimikuorma valitaan siten, että pohjamaa ei tiivisty kuormituksen vaikutuksesta. Kuormitus yleen
sä keskeytetään, jos painuma ylittää yhden millimetrin. Kerroksen E-moduuli määritetään tulosten perusteella piirretyltä käyrältä liikenteen pohjamaalle ai
heuttaman jännityksen kohdalta (Jämsä 1985, STINA 1977:3).
Japanissa on käytetty vastaavaa kuormituslaitteistoa pohjamaan ja alusraken- nekerrosten E-moduuli en ja maastossa tehtyjen CBR-kokeiden tulosten yhteen
sovittamiseksi (Kubo, Sugawara 1982).
Tiehallituksen Laadun valvontaohjeiden (TieH 1990) mukaan kantavuutta ja tii
viyttä tierakenteen pinnalta levykuormituslaitteella tarkasteltaessa käytetään 4>
300 mm levyä. Kuormitus nostetaan portaittain arvoon 60 kN, painumat kul
lakin portaalla havaitaan ja kuormitus poistetaan. Tämän jälkeen kuormitus nostetaan uudelleen 60 kN ja havaitaan jälleen painumat. Kuormitusta lisättä
essä on varottava murtamasta rakennetta. Painumat luetaan, kun levyn painu- misnopeus on pienentynyt alle 0.1 mm/min. Uusissa tielaitoksen käyttämissä laitteissa kuormitus on automatisoitu. Ensimmäisen kuormituksen maksimipai- numan perusteella määritetään ns. Ei-arvo ja toisen perusteella £2-arvo kaavalla (30). Toisen kuormituksen perusteella saatu kantavuusarvo on määräävä. Poh
jamaan kantavuuden määritys tierakenteen päältä tällä menetelmällä on vai
keaa ilman taipumasuppilon määritystä tai tarkkaa tietoa ylempien kerrosten jäykkyydestä. Pohjamaata tällä menetelmällä kuormitettaessa on käytettävä huomattavasti edellä mainittuja pienempiä kuormituksia
Yhdysvalloissa CRREL on käyttänyt levykuormituskoetta laboratoriossa mää
ritettyjen Afr-moduuliarvojen tarkistamiseen in situ. Kuormituskokeet tehtiin tierakenteen päältä käyttäen <f> 300 mm levyä ja toistokuormitusta, jossa kuor- mitusaika oli yksi sekuntti toistuen joka kolmas sekuntti (ks. kuva 10, RPB- kuormitus). Kuormitussyklien lukumäärä vaihteli 50 - 1000. Tien pinnan tai
pumia mitattiin levyn lisäksi useista pisteistä taipumasuppilon muodon mää
rittämiseksi (Johnson et ai. 1986a, 1986b).
Dyslin ja Pfisterin (1982) koehallissa tekemien kantavuuden vuodenaikaisvaih- telukokeiden kuormitukseen käytettiin kahden sekuntin välein toistuvaa 40.8 kN kuormaa. Kuormituslevyn (<£ 300 mm) ja asfaltin väliin asennettiin 50
mm paksuinen neopreenilevy tasaamaan kuormitusta ja simuloimaan kuorma- auton rengasta. Kuormitus vastasi kaksiakselisten 60 km/h liikkuvien 8.16 ton
nin akselipainoisten kuorma-autojen keskeytymätöntä liikennettä (liikennemää
rä 43000 akselia/vrk). Tässäkin kokeessa mitattiin myös etäistaipumia
3.15 Pudotuspainokoe
Pudotuspainolaitteella mitataan tien pinnan taipumia nopean, dynaamisen kuor
mituksen alaisena. Kuormitus saadaan aikaan pudottamalla yleensä 150 kg paino halkaisijaltaan 300 mm teräslevyn päälle. Pudotusmassan suuruutta ja pudotuskorkeutta voidaan säädellä halutun kuormitusvaikutuksen aikaan saa
miseksi.
Pudotuspainolaitteiston muodostavat yleensä henkilöauton perävaunun rungolle rakennettu mittauslaite ja vetoautoon sijoitettu ohjaus- ja valvontayksikkö.
Mittauslaite käsittää kuormitus- ja mittausyksiköt (kuva 12). Ohjaus- ja val
vontayksikön muodostavat mikrotietokone levyasemineen sekä niihin liitetyt eri
laiset ohjaus- ja rekisteröintilaitteet. Laitteisto tallentaa automaattisesti muis
tiin mittausyksiköiltä tulevat taipumien arvot, kuormitusimpulssin suuruuden ja päällysteen lämpötilan (Liimatta et ai.1989).
massan nos- tomagneettf
pudotettava massa kumivaimerH
nin mittapalkki
voima-anturi — kuormituslevy-c
taipumanmittaus-
geofonit lämpötila-anturit
Kuva 12. Pudotuspainolaitteen kuormitus- ja mittausyksiköt (Liimatta et ai.
1989).
Pudotuspainolaitteella suoritettu tien kantavuuden ja kerrosten muodonmuu
tosmoduulien määritys on varsin nopeaa. Yhden työvuoron aikana pystytään tekemään noin 150-180 mittausta, joista saadaan tulokset välittömästi tietoko
neen näyttöruudulle tai printterille. Laitteistoa pystyy käyttämään yksi henki
lö.
Tien kantavuus pudotuspainokokeen tuloksista määritetään levykuormitusko- etta soveltaen (vrt. kaava 28). Kantavuus lasketaan kaavalla (31) levyn keskeltä mitatun taipuman perusteella (Liimatta et ai. 1989).
(=■>
Eo(0) on kantavuus
fi Poissonin luku
p kosketuspaine
r geofonin etäisyys levystä d(0) taipuma levyn keskellä
a kuormituslevyn säde
Pudotuspainolaitteeseen kytketyt etäistaipumien mittausanturit mahdollista
vat kuormituksen aihettaman taipumasuppilon muodon määrittämisen. Levyn lähellä havaitut taipumat kuvaavat pintakerrosten (ja koko rakenteen), karum
pana olevat lähinnä alusrakenteen ja pohjamaan ominaisuuksia. Eri etäisyyksil
lä mitatuista taipumista voidaan laskea ns. pintamoduulin arvoja kaavan (32) mukaisesti (Ulldit:z 1977, Liimatta et ai. 1989)
= M
j?o(r) on pintamoduuli etäisyydellä r kuormituslevyn keskeltä Poissonin luku
P kosketuspaine
a kuormituslevyn säde
r geofonin etäisyys levystä
d(r) taipuma etäisyydellä r levyn keskeltä
Pintamoduuli etäisyydellä r kuormituslevyn keskikohdasta on likimäärin yhtä suuri kuin kantavuus ekvivalenttisyvyydellä he = r. Kolmen viimeisen geofonin etäisyyksien tulisi olla suurempia kuin päällysrakenteen ekvivalenttipaksuus, koska niiden perusteella määritetään alusrakenteen E-moduuli. Ekvivalentti- paksuus kaksikerrosrakenteelle määritetään muuttamalla ylemmän kerroksen paksuus sellaiseksi, että sen jäykkyys on sama kuin korvattavalla kerroksella ja materiaaliominaisuudet samat kuin alusrakenteella kaavan (33) mukaisesti (Ullditz 1977, Liimatta et ai. 1989) ).
Er,
‘l-M*,
= (nhy)3-^E 1 -nl
K on ylemmän kerroksen ekvivalenttipaksuus hy ylemmän kerroksen paksuus
n kerroin = 0.8-1.0
Ey ylemmän kerroksen E-moduuli Em alusrakenteen E-moduuli
My ylemmän kerroksen Poissonin luku
Mm alusrakenteen Poissonin luku
(33)
Kun Poissonin luvut ovat yhtä suuret, korvaavan kerroksen paksuus saadaan seuraavasti:
Korjauskertoimen n arvoon vaikuttavat kerrospaksuudet, E-moduulien suhteet, Poissonin luku ja kerrosten lukumäärä. Kertoimelle käytetään yleensä arvoa 0.9 kaksikerrossysteemissä ja arvoa 0.8 useampikerroksisessa rakenteessa (Liimatta et ai. 1989).
Taipumasuppiloon perustuva kerrosten E-moduulien määrittäminen edellyttää, että kerrospaksuudet on tunnettava suhteellisen tarkasti. Kerrospaksuuksien määrittämiseen voidaan käyttää esimerkiksi autokairanäytteitä.
Tielaitoksen ohjeiden mukaan pudotuspainolaitteella tehtävissä kantavuusmit- tauksissa käytetään 50 kN kuormitusta ja kantavuusarvo määritetään toisen pudotuksen perusteella. Jos taipuma levyn alla on suurempi kuin 5 mm on mittaus uusittava 25 kN kuormalla (TVH 1989).
ASTM:n ohjeessa (ASTM D4694 1987) edellytetään vähintään kahta pudo
tusta. Pudotuspaikkaa on vaihdettava, jos syntyy huomattavia pysyviä muo
donmuutoksia. Pudotuksia on tehtävä, kunnes kahden peräkkäisen mittauk
sen taipuma-arvot poikkeavat toisistaan vähemmän kuin 5%. Mikäli viidennen pudotuksen aiheuttama taipuma vielä poikkeaa edellisestä yli 5%, lasketaan kantavuus tehtyjen mittausten keskiarvona.
CRREL:n tekemisssä kokeissa (Johnson et ai. 1986a, 1986b sekä Janoo,Berg 1990) on käytetty yleensä useampia pudotuksia ja kuormitustasoja. Esimer
kiksi viidellä pudotuksella ja kolmella kuormitustasolla (25-55 kN) määritettyjä taipumasuppiloita on vertailtu laboratoriossa saatujen epälineaaristen, palautu
vaan muodonmuutokseen perustuvien Af,-moduulien avulla saatuihin taipumiin (ks. kohta 4.2).
3.2 Sulamispainuma 3.21 Painuman suuruus
Jäätyneen maan sulaessa sen tilavuus yleensä pienenee. Tilavuuden muutok
sesta aiheutuvat painumat johtuvat pääasiassa veden faasimuutoksesta sekä su
laneen veden poistumisesta rakenteesta. Kokoonpuristumista tapahtuu myös maarakeiden uudelleen järjestymisestä.
Sulamispainuman suuruus voidaan määrittää tavallisella ödometrilaitteistolla sulattamalla jäätynyt näyte in situ -kuormituksen alaisena. Sulamisen aiheutta
masta tilavuudenmuutoksesta johtuva kokonaispainuma voidaan jakaa kahteen osaan seuraavasti (Nixon, Ladanyi 1978):
A H = Aq * H j + TrL^ff’ * H f (35)
AH on painuma
Ao ominaissulamispainuma Sf jäätyneen kerroksen paksuus
<r tehokas jännitys
m* kokoonpuristuvuuskerroin
-----d'
Effective pressure «'
Kuva 13. Sulamispainuma jännityksen funktiona (Nixon, Ladanyi 1978).
Kuva 13 esittää sulamispainumakokeen tuloksena saatavaa kuvaajaa, jossa su
laminen tapahtuu in situ- kuormituksessa tr’0 (b-c), jonka jälkeen maa konsoli- doituu tehokkaan jännityksen lisääntyessä (c-d). Havaitaan myös, että sulatus suuremman jännityksen alaisena johtaa suurempaan kokonaispainumaan.
Kaavan ensimmäinen osa, ominaissulamispainuma A0, voidaan määrittää labo-
ratoriokoetuloksista jäätyneen ja sulaneen maan huokoslukujen perusteella kaa
valla (36)(Nixon, Ladanyi 1978).
Aq = e/ — eth l+ef ej on jäätyneen maan huokosluku eth sulaneen maan huokosluku
(36)
Ominaissulamispainuman A0 suuruutta voidaan arvioida myös empiiristen kaa
vojen avulla. Empiiriset kaavat perustuvat yleensä jäätyneen maan tilavuuspai
noon tai vesipitoisuuteen. Oulun yliopiston tekemissä kokeissa Chamberlainin esittämä vesipitoisuuden ja plastisuusluvun suhteeseen perustuva kaava 37 vas
tasi parhaiten havaittuja ominaissulamispainumia (Laurinen 1989).
A0 = 0.13— - 0.12 (37)
wp
w on vesipitoisuus
wp plastisuusluku
Kaavan (35) jälkimmäisen, konsolidaatiopainuman edustavan osan kokoonpuris- tuvuuskeroin m, määritetään kaavalla (38)sulamisen jälkeisestä kokoonpuristu
misesta, jolloin huokosluku pienenee jännityksen lisäyksestä johtuen (Nixon,Ladanyi
1978).
m, = 1 eth- e
1 + eth <r- - <r'0
(38)
3.22 Painuman nopeus
Konsolidaatiopainuma aiheutuu huokosveden ylipaineen purkautumisesta ja te
hokkaan jännityksen lisääntymisestä. Sulamisessa syntynyt huokosveden yli
paine, sulamistekijä R (luku 2.2) ja sulamispainuman nopeus voidaan määrit
tää esimerkiksi Rydenin (1985,1986) esittämällä CBT-ödometrillä, jossa sula- tusnopeutta voidaan säädellä ja huokospaineita sulamisen edistyessä tarkkailla.
Suomessa vastaavia kokeita on tehty Oulun yliopistossa (Laurinen 1989).
Sulamispinnassa vaikuttava tehokkaan jännityksen muutos, joka aiheutuu huo
kosveden poistumisesta saadaan seuraavasti (Nixon,Morgenstern 1971):
Aa' = Pq -f ~f’X — u(X, t)
Aa' on Po
T
X u
tehokkaan jännityksen muutos pintakuorma
maan tilavuuspaino pvp:n alapuolella sulamissyvyys
huokosveden ylipaine
(39)
Sulamisen edistyttyä ajassa t syvyydelle X, voidaan konsolidatioaste S laskea ajassa t tapahtuneen painuman St ja kyseistä sulamissyvyyttä vastaavan koko- naispainuman Smax suhteena kaavalla (40), olettaen m* vakioksi ja jäännösjän
nitys nollaksi (Nixon,Morgenstern 1971).
S = St Smax
X
f(P0 + yx - u(x, t))dx o
x
f(Po + Tx)dx o
S on konsolidaatioaste
St ajassa t tapahtuva konsolidaatiopainuma Smax kokonaiskonsolidaatiopainuma
(40)
Kuvassa 14 on esitetty konsolidaatioasteen S ja sulamistekijän R välinen riip
puvuus maan painuessa pääasiassa omasta painostaan sekä maan painuessa pintakuormasta.
Surcharge
Self-weight loading (P0 - 0)
Dimensionless thaw-consolidation ratio Ft
Kuva 14. Painuma-asteen S ja sulamistekijän R välinen riippuvuus (Nixon,Ladanyi 1978).
Konsolidaatiopainuman maxi mi arvo saadaan seuraavasti
Smax=mv{PoX + ^-) (41)
Sulamispainuma St,joka on tapahtunut sulamisen edistyttyä syvyydelle X ajassa t, voidaan laskea, kun kokonaiskonsolidaatiopainuma Smax ja konsolidaatioaste S tunnetaan.
Edellä esitetty sulamispainuma St tapahtuu sulamisen aikana. Jos sulamiste- kijä R on suuri, jää kerrokseen huokosveden ylipainetta sulamisen päätyttyä.
Tämän huokosveden ylipaineen poistumisen voidaan olettaa tapahtuvan klas
sisen konsoli daat i ot eori an mukaisesti. Knutsonin (1983) mukaan painuminen sulamisvaiheessa tapahtuu todellisuudessa jonkin verran nopeammin kuin teo
reettisesti.
Sulamispainuman suuruus useasti jäätyneissä kerroksissa on yleensä routanou
sun suuruinen. Ikirouta-alueilla sen sijaan sulamispainuman suuruuden ja no
peuden määrittäminen on tärkeää. Kausittaisen roudan alueilla huokosveden
ylipaineen kehittymisen ja sen poistumisnopeuden vaikutus kantavuuteen te
hokkaiden jännitysten ja lujuuden välisen yhteyden takia on merkittävä. Lu
juuden verrattain nopea palautuminen sulamisen jälkeen johtuu Chamberlainin (1981b) mukaan maan vedenläpäisevyyden kasvamisesta jopa satakertaiseksi verrattuna ennen jäädytystä määritettyyn arvoon.
3.3 Suunnittelukäytäntö tienrakennuksessa 3.31 Suomalainen käytäntö
Suomessa teiden rakenteellinen mitoitus perustuu tielaitoksen ohjeeseen IV Tien rakenne (TVH 1985). Tien kantavuus- ja routamitoituksen ensimmäisenä vai
heena on pohjamaan routivuuden määritys rakeisuuden perusteella. Routivuus määritetään kuvan 15 avulla siten, että routivina pidetään kaikkia niitä maa
lajeja, joiden rakeisuuskäyrä on alueella 1 sekä niitä alueiden 2,3 ja 4 maala
jeja, joiden rakeisuuskäyrän alapää ulottuu hienomman alueen puolella. Ra
keisuuskäyrän ollessa alueella IL on maalaji lievästi routivaa.Rajatapauksissa routivuus määritetään kapillaarisuuden perusteella siten, että routimattomana pidetään maalajia, jonka kapillarisuus on alle 1.0 m.
Kuva 15. Maalajien routivuus tielaitoksen ohjeiden mukaan (TieH 1990).
Routiville alusrakenteille tehdään routamitoitus, joka perustuu kerran kymme
nessä vuodessa toistuvan pakkasmäärän perusteella määritettyyn roudan tun- keutumissyvyyteen (= siirtymäkiilasyvyys S). Paikallisten routaolosuhteiden perusteella alusrakenteet jaetaan kolmeen luokkaan: helpot, keskivaikeat ja vai
keat. Jako perustuu pohjaveden syvyyden ja alusrakenteen homogeenisuuden arviointiin. Liitteessä 2 (TVH 1985) on esitetty rakenteen paksuuden mitoitus routimisesta aiheutuvien haittojen estämiseksi eri vaatimustasoilla. Korkean vaatimustason teillä, vaikeissa routaolosuhteissa on routimattoman rakenteen
paksuus siirtymäkiilasyvyyden S suuruinen, kun taas vaatimattomimmilla teil
lä rakenteen paksuus määräytyy pelkästään kantavuusmitoituksen perusteella.
Alusrakenteen kantavuusluokka ja kantavuuden ohjearvo määritetään rakei
suuskäyrän avulla määritetyn maalajin, routivuuden ja paikallisten kosteuso
losuhteiden perusteella taulukosta 3. Taulukon arvot perustuvat staattisella levy kuormituskokeella laajasta havaintoaineistosta saatuihin kevätkantavuusar- voihin.
Tien kantavuusmitoitus perustuu Odemarkin mitoitusyhtälöön (kuva 16). Yh
tälön perusteella on laadittu mitoituskäyrästöjä sekä taulukoita valmiiksi mi
toitetuista rakenteista eri päällysrakenneluokille. Käytettävän päällysrakenne- luokan taulukko valitaan liikennemäärän ja mitoitusajan perusteella määräy
tyvän kuormituskertaluvun sekä tien vaatimustason ja päällystetyypin perus
teella. Sitomattomien päällysrakennemateriaalien E-moduulien suunnitteluar
vot saadaan rakeisuuden perusteella suunnitteluohjeesta. Valmiiksi mitoittettu- jen rakenteiden taulukoissa on esitetty vaihtoehtoja tavanomaisten rakenteiden lisäksi louhe- , maabetoni- sekä imeytyssepellysrakenteille. Tavanomaisessa ra
kenteessa on kuusi alavaihtoehtoa routiville pohjamaille. Eri alavaihtoehdoissa kantavan kerroksen ja päällysteen paksuudet ovat yleensä samat ja erot näkyvät lähinnä jakavan- ja suodatinkerroksen paksuudessa (TVH 1985).
Ey = Ea
Ea
'Vi*<w,(5yvE *
Ey
Ea 1 il e Uh
Ey = miloilettavan kerroksen pääl
tä soavutettovo kantavuus Ea = mitoitettavan kerroksen alla
saavutettava kantavuus h = mitoitettavan kerroksen pak
suus
E = mitoitettavassa kerroksessa käytettävän materiaalin E-moduli
Lisäehto 1 : Sitomattoman kerroksen käyttö
kelpoinen E on enintään 6 * Ea Lisäehto 2 = Yhteen liimaantuneet ehjät bitu
milla sidotut (E =1500MN/m') ker
rokset lasketaan yhtenä kerrok
sena .
Kuva 16. Kantavuusmitoituksen kaava (TVH 1985).
Taulukko 3. Alusrakenteen kantavuusluokitus (TVH 1985).
Maalaji Tarkennus Lyhennys Luokka
kallio Ka Kantavuus
Kallio 1 K 1)
louhe Lo A A =
. i)
murske M 300 MN/m2
Kivet1^ Ki A B =
Sora Sr B 200 MN/m2
Sora- routimaton rton Sr Mr C (150...280)
moreeni „. 2)
routiva Sr Mr E (F)4) C =
routimaton karkea rton kaHk C 100 MN/m2 - " - keskik. rton keHk D
(E)4)
(70...150)
Hiekka - " - hieno rton hHk D D =
routiva keskik. keHk E
(F)4)
50 MN/m2
- " - hieno hHk E (35...70)
Hiekka- routimaton rton HkMr D (E)4) E =
moreeni . . 2)
routiva HkMr E (F)4) 20 MN/m2
Siltti Si (g4 Ie51) (15... 35)
Silttimoreeni SiMr
F
F = kuivakuori(h > 1 m) kuivak.Sa E
(e)5)
10 MN/m2
Savi sitkeä(Su > 25 kN/V) J1 S a F (5...15) pehmeä(Su <25 kN/m2)3)
Sa G G =
Lieju Lj G 5 MN/m
Turve Tv
Alusrakenteen kantavuus arvioidaan normaalisti pohjamaan maalajin perusteella. Jos penger- täytteen paksuus on vähintään 1 m, käytetään pengertäytteen kantavuusluokkaa. Jos penger- täytteen paksuus on alle 1 m, alusrakenteen kantavuus voidaan laskea kohdan 5.25'mukaises
ti, kun E-moduliksi valitaan pengertäyttcen kantavuusluokkaa vastaava kantavuus. Myös muut alusrakenteen pinnassa olevat varsinaista poh
jamaata paremmin kantavat maakerrokset rinnas
tetaan tässä suhteessa pengertäytteeseen.
Huomautukset
1) Routiva murske sekä routivaa maata sisältä
vä louhe ja kivet rinnastetaan vastaavaan
routivaan maalailin ^
2) Kantavuudeksi voidaan valita 35 MN/ra , jos kysymyksessä on kuiva penger tai jos hieno
ainespitoisuus on enintään 20 % ja paikka ei ole märkä (katso huomautus 4).
3) Siipikaitauksella todettu suljettu leik
kauslujuus
4) Suluissa olevaa kantavuusluokkaa käytetään, kun maa-aines on märkää lopullisessa alus- rakenteessa eli pohjaveden etäisyys alus- rakenteen pinnasta on alle 1 m tai paikkaan kerääntyy pintavesiä
5) Penkereessä kuivana
