Esa Ylitalo
HEIKKORAKENTEISEN TIEN KUORMI- TUSKESTÄVYYDEN LASKENNALLINEN
MALLINTAMINEN
Rakennetun ympäristön tiedekunta
Diplomityö
Marraskuu 2020
TIIVISTELMÄ
Esa Ylitalo: Heikkorakenteisen tien kuormituskestävyyden laskennallinen mallintaminen Diplomityö
Tampereen yliopisto Rakennustekniikka, DI Marraskuu 2020
Tämä diplomityö käsittelee heikkorakenteisen tien kuormituskestävyyden laskennallista mal- lintamista erilaisia laskentamenetelmiä käyttäen. Termillä ”heikkorakenteinen tie” tarkoitetaan tä- män työn yhteydessä tietä, jonka kuormituskestävyyteen päällysteen paksuudella ei ole oleellista merkitystä. Työ tehtiin kirjallisuusselvityksenä, jota täydennettiin koerakennekohteisiin kohdiste- tuilla vertailulaskelmilla. Työn tarkoituksena oli arvioida eri laskentamenetelmien soveltuvuutta nimenomaan heikkorakenteisilla teillä ja selvittää laskentamenetelmien välisten eroavaisuuksien syyt. Koekohteiden laskennallisissa tarkasteluissa kiinnitettiin erityistä huomiota tierakenteen kosteustilan vaikutuksiin tierakenteen kuormituskestävyyden kannalta. Kosteustilaa simuloitiin alentamalla rakennekerrosmateriaalien jäykkyyttä kuvaavia moduuliarvoja ja PLAXIS-lasken- noissa poistamalla myös näennäisen koheesion vaikutus.
Tierakenteen kuormituskestävyyden kannalta on merkittävässä roolissa se, minkälaisia puris- tus- ja vetojännityksiä siihen syntyy liikennekuormituksen seurauksena, ja kuinka rakenne pystyy vastustamaan pysyvien muodonmuutosten syntymistä. Liikennekuormituksen arvioinnissa paljon käytetty ns. neljännen potenssin sääntö perustuu paksupäällysteisiltä teiltä saatuun tutkimustie- toon, eikä ota huomioon heikkorakenteisilla teillä kasvavan liikennerasituksen aiheuttamaa dy- naamista kuormitusvaikutusta ja siitä seuraavaa tierakenteessa olevan veden pumppautumista ja huokosvedenpaineen kasvua. Ilmastonmuutos ja siitä seuraava paine kasvattaa kuljetusyksi- köiden kokoa ja niiden akselimääriä tulevat entisestään kasvattamaan tierakenteisiin kohdistuvaa liikenne- ja ilmastorasitusta tavalla, jota ei välttämättä ole tiedostettu riittävällä tarkkuudella.
Tehdyissä laskennallisissa tarkasteluissa huomattiin, että jokaisella työhön valitulla laskenta- menetelmällä oli omat haasteensa ja kehittämistarpeita nousi esiin pienelläkin koekohteiden otan- nalla useita. Erityisiä ongelmakohtia toivat esille rakennekerrosmateriaalien jäykkyyttä kuvaavien moduuliarvojen vuodenaikaisvaihteluiden ja tierakenteen kosteustilan vaikutusten huomioiminen.
Myös koekohteissa esiintyneet heikot välikerrokset ja heikko pohjamaa aiheuttivat ongelmia, joi- den todenmukainen mallintaminen kuormituskestävyyden kannalta osoittautui nykyisellään ole- massa olevilla menetelmillä vaikeaksi. Uutena vaihtoehtona kuormituskestävyyden mallintami- selle luotiin PLAXIS-3D ohjelmistolla elementtimenetelmään perustuva laskentamalli, jonka tulok- set olivat lupaavia. PLAXIS-mallinnuksilla pystyttiin kuvaamaan tierakenteen toimintaa liikenne- kuormituksen alla uskottavasti ja havainnollisella tavalla, vaikka saadut tulokset olivat kvantitatii- visesti osittain virheellisiä. PLAXIS-mallinnusten pohjalta pystyttiin kosteustilan vaikutuksia ku- vaamaan muita menetelmiä tarkemmin ja tuloksista voitiin tehdä johtopäätös, että kosteustilalla on merkittävä vaikutus tierakenteen toimintaan. Tulokset vahvistivat käsitystä, jonka mukaan tie- rakenteen kuivatuksen parantaminen on yksittäisenä keinona tehokkain, kun mietitään tieraken- teen routa- tai kuormituskestävyyttä.
PLAXIS-mallintamiseen liittyy vielä paljon tunnistettuja ja varmasti myös osin tunnistamatto- mia epäkohtia ja ongelmia, mutta ensisijaisena kehityskohteena olisi kuormitusmallin kehittämi- nen, jotta tieto rakenteen muodonmuutoksista ja jännityksistä voitaisiin muuttaa yksikäsitteiseksi ja yhtenäiseksi arvioksi tierakenteen kuormituskestävyydestä.
Avainsanat: Kuormituskestävyys, tierakenne, AASHTO, BISAR, Odemark, PLAXIS, mallintaminen, pysyvä muodonmuutos, kuivatus
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Esa Ylitalo: Computational modeling of the loading durability of a poorly structured road Master’s thesis
Tampere University Civil Engineering, MSc November 2020
This master’s thesis deals with computational modeling of the loading durability of poorly struc- tured roads by using different calculation models. The term “poorly structured road” in the context of this work means a road for which the thickness of the pavement has no concrete significance to the load-bearing capacity. The study was done as a literature study which was completed by computational studies focused on experimental test sites. The purpose of the study was to eval- uate the suitability of different calculation methods specifically for poorly structured roads and to find out the reasons for the differences between calculation methods. In the computational ana- lyzes of the test sites, special attention was paid to the effects of the moisture condition on the load-bearing capacity of the road structure. Moisture conditions were simulated by lowering the stiffness of the structural layer materials in the modulus and in the PLAXIS calculations also by eliminating the effect of apparent cohesion.
In terms of the load-bearing capacity of a road structure, the type of compressive and tensile stresses which arise as a result of traffic loads and how the structure is capable to resist the occurrence of permanent deformation play an important role. In the assessment of traffic load, the so-called fourth power law is based on research data from thick-paved roads and does not take into account the dynamic load effect caused by increasing traffic loading and consequent pumping of the water in the road structure and increase in pore water pressure in terms of poorly structured roads. Climate change and the consequent need to increase the size of transport units and the number of axles in them, will further increase the traffic and climatic stresses on road structures in a way that may not have been recognized with needed precision.
The computational analyzes carried out revealed that each calculation method chosen for the study had its own challenges and many development needs were recognized even with a small sample of test sites. Special problems were raised by taking into account seasonal variations in the modulus values describing the stiffness of structural layer materials and the effects of road moisture conditions. Weak interlayers and subsoils in the test sites also caused problems on realistic modeling of the load-bearing capacity with already existing methods. The new calculation method was created with PLAXIS-3D software as a new alternative and the results were promis- ing. PLAXIS modeling was able to describe the operation of the road structure under traffic load in a plausible way, although the results obtained were partly quantitatively incorrect. Based on PLAXIS modeling it was possible to describe the effects of moisture conditions in more detail than in other methods and it could be concluded that moisture conditions have a great effect on road structure performance. The results confirmed the comprehension that improving road drainage conditions is the most effective when considering frost or load resistance of a road structure.
PLAXIS modeling still has many identified, and certainly also unidentified drawbacks and prob- lems, but the priority for development would be to develop a load model so that the information obtained on deformations and stresses can be transformed into an unambiguous and uniform assessment of road structure load-bearing capacity.
Keywords: Loading durability, road structure, AASHTO, BISAR, Odemark, PLAXIS, modeling, permanent deformation, drainage
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on toteutettu yhteistyössä Tampereen yliopiston tutkimuskeskus Terran kanssa. Haluan kiittää työn tarkastajia professori Pauli Kolisojaa ja Nuutti Vuorimiestä laadukkaasta ohjauksesta ja lukuisista neuvoista tämän projektin aikana. Haluan kiittää myös kaikkia koekohteilla työskennelleitä. Ilman teitä työn toteutus olisi ollut mahdotonta.
Haluan osoittaa erityiset kiitokset opiskeluvuosista koulukavereilleni: Eero, JH, JV, Tommi ja Ville. Kiitos myös muille koulu- ja työkavereille, joilta olen matkan varrella op- pinut. Kiitos perheelle ja kaikille läheisille tuesta opintojen aikana.
Tampereella, 15.11.2020
Esa Ylitalo
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
2.TIERAKENTEIDEN KUORMITUKSET JA VAURIOITUMINEN ... 3
2.1 Ilmasto- ja liikennekuormitukset ... 3
2.2 Kuormitusten ja jännitysten jakautuminen tierakenteessa ... 4
2.3 Tierakenteen deformoituminen ja urautumistyypit ... 6
2.4 Kelirikko ja sen vaiheet ... 8
2.5 Kuivatuksen ongelmat ... 10
2.6 Ilmastonmuutos ja sen vastaisten toimien vaikutuksia ... 11
3.TIEN RAKENTEELLISEN KUNNON MITTAUSMENETELMÄT ... 13
3.1 Pudotuspainolaite ... 13
3.2 Dynamic cone penetrometer ... 15
3.3 Muita tien rakenteellisen kunnon mittausmenetelmiä ... 17
4.TIERAKENTEEN KUORMITUSKESTÄVYYSMITOITUS ... 21
4.1 Empiiriset ja mekanistiset menetelmät ... 21
4.2 Odemarkin kantavuusmitoitus ... 23
4.3 Kerrosrakennemallit ... 27
4.4 Elementtimenetelmä ... 30
4.5 AASHTO-method ... 33
4.6 Mechanistic-empirical design approach... 42
5.KOEKOHTEIDEN VERTAILEVA MITOITUS ... 45
5.1 Koekohteet ... 45
5.1.1 Koekohteiden yleispiirteet ... 45
5.1.2Mt 924 Simo (HCT-kohde) ... 46
5.1.3Mt 16863 Kyyjärvi (HCT-kohde) ... 48
5.1.4Mt 17429 Laihia, Havinneva-Tainuskylä (hydrofobikohde) ... 51
5.1.5Luken metsätiekohde ... 53
5.2 Vertailulaskelmat ... 57
5.2.1 Odemark ... 57
5.2.2 BISAR ... 63
5.2.3 PLAXIS ... 69
5.2.4 AASHTO ... 83
6. PÄÄTELMÄT JA JATKOTUTKIMUSTARPEET ... 84
6.1 Yleisiä havaintoja ... 84
6.2 Mitoitusmenetelmäkohtaisia havaintoja ... 85
6.3 Jatkotutkimustarpeet ... 88
7. LÄHTEET ... 89
LIITE A: MODUULIARVOT... 93
LIITE B: BISAR-LASKENTARAPORTIT ... 97
LYHENTEET JA MERKINNÄT
Lyhenteet:
AASHO American Association of State Highway Officials
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials
BCI Base Curvature Index
BISAR Bitumen Stress Analysis in Roads
DCP Dynamic Cone Penetrometer
ESAL Equivalent Single-Axle load
FEM Finite Element Method
GTK Geologian tutkimuskeskus
HCT High Capacity Transport
HS Hardening Soil
KKL Kuormituskertaluku
KVL Keskivuorokausiliikenne
MC Mohr-Coulomb
PAB Pehmeä asfalttibetoni
PEHKO Päällysteiden ennakoivan hoidon ja kunnostuksen ohjelmointi
PPL Pudotuspainolaite
SCI Surface Curvature Index
SN Structural Number
TPC Tyre Pressure Control
TS Tube-Suction
TSD Traffic Speed Deflectometer
Merkinnät:
E Akselikuorman vastaavuuskerroin, s. 3 Kimmomoduuli
Px Tarkasteltava akselikuorma
Pst Standardiakselikuorma
P Pyöräkuorma
𝜏 Leikkausjännitys
a Kuormituspinnan säde
h Mitoitettavan kerroksen paksuus Mr Resilient- eli jäykkyysmoduuli K1,2 Materiaaliparametrejä
θ Pääjännitysten summa
P0, pref Vertailujännitys (100 kPa)
∆q Deviatorisen jännityksen muutos
∆∈ea Palautuva suhteellinen muodonmuutos m Ajoneuvoluokkien lukumäärä, s. 35
Jännityseksponentti
Fi Ajoneuvoluokan vastaavuuskerroin
ni Ajoneuvoluokan liikennemäärä
a1,2,3 Materiaalikertoimia
D1,2,3 Materiaalikerrosten paksuuksia
L Leveyskerroin
c' Tehokas koheesio
Φ Leikkauskestävyyskulma (kitkakulma)
Ψ Dilataatiokulma
v Poisson luku
E50 ref Ensikuormituksen sekanttimoduuli
Eoed ref Ödometrimoduuli, esikuormituksen aikainen tangenttimoduuli
Eur ref Toistokuormituksen sekanttimoduuli
vur Toistokuormituksen Poisson luku K0nc Normaalikonsolidoituneen osan K0 arvo
Rf Murtosuhde
1. JOHDANTO
Tämän diplomityön tarkoituksena on vertailla erilaisia heikkorakenteisten teiden kuormi- tuskestävyyden laskennallisia malleja. Termillä ”heikkorakenteinen tie” tarkoitetaan tä- män työn yhteydessä tietä, jonka rakenteelliseen kestävyyteen päällysteen paksuudella ei ole oleellista merkitystä. Nämä tiet ovat tyypillisesti alemman tieverkon ohutpäällystei- siä tai päällystämättömiä vähäliikenteisiä teitä, joiden määrällinen osuus on Suomessa merkittävä.
Aiheen voidaan katsoa olevan hyvinkin ajankohtainen, vaikka osa laskentamenetelmistä on ollut käytössä jo pitkään. Kasvavat kuljetustarpeet ja jatkuva kaupungistuminen ai- heuttavat paineita tienpidon rahoituksen mahdollisimman tehokkaaseen kohdentami- seen. On ensiarvoisen tärkeää, että korjaustoimenpiteet kohdistetaan oikeisiin kohteisiin ja oikeaan aikaan niin että kokonaisuudessaan pystytään ylläpitämään riittävä palvelu- taso kustannustehokkaasti koko maassa. Alemman tieverkon merkitystä teollisuudelle ja maaseudun ihmisille ei tulisi aliarvioida, vaan se tulisi mieltää ”hiussuonistoksi”, joka pal- velee kaikkia siirtämällä teollisuuden kuljetuksia ja maaseudulla asuvia ihmisiä ylemmän tieverkon tiestölle. Ilmastonmuutos tulee aiheuttamaan tulevaisuudessa lisää haasteita teiden kunnossapidolle sademäärien kasvaessa ja syyskelirikkoajan pidentyessä. Tule- vaisuudessa saatetaan olla Suomessakin tilanteessa, jossa eteläisimmät rannikkoalueet välttävät routimisesta aiheutuvat rasitukset lähes kokonaan, mutta syyskelirikon ja sen aikaisen kuormituskestävyyden merkitys korostuvat entisestään.
Työ toteutetaan mallintamalla muutamia koekohteita työhön valituilla menetelmillä niin että niiden mahdolliset eroavaisuudet valituissa olosuhteissa voidaan todentaa. Mikäli eroavaisuuksia eri mallien välillä löytyy, pyritään erojen syyt selvittämään ja arvioimaan mallien käyttökelpoisuutta. Arvioinnissa pyritään olemaan kriittisiä, mutta ratkaisunhalui- sia. Valitut menetelmät edustavat erilaisia analyyttisiä, numeerisia ja empiiriseen koke- mukseen perustuvia laskentamenetelmiä ja niitä sovelletaan valittuihin kohteisiin, joissa käytetään pääasiassa perinteisiä tierakennusmateriaaleja ottaen huomioon kosteustilan vaikutukset. Routamitoitusta ei tämän työn yhteydessä laskennallisesti käsitellä, koska routimisesta seuraavien ongelmien ja liikennekuormituksen vaikutusten samanaikainen mallintaminen ei olisi kattavasti käsiteltävissä yhden diplomityön puitteissa.
Tämä työ pyrkii osaltaan edistämään käsitystä siitä, kuinka heikkorakenteisten tieraken- teiden kuormituskestävyyttä pitäisi arvioida. Oikean laskentamallin valinta ja käsitys sen
rajoitteista ovat hyvin keskeisessä roolissa tien- ja sen kunnossapidon suunnittelun eri vaiheissa. On myös hyvä muistaa, että suunnittelu- ja mallintamistyö vaativat resursseja, jolloin liian yksityiskohtaisten ja aikaa vievien laskentamallien käyttö saattaa olla perus- teetonta, mikäli yksinkertaisemmallakin mallilla päästään riittävän hyvään lopputulok- seen. Sama pätee toisaalta myös toiseen suuntaa eli liiaksi yksinkertaistettu malli voi jättää huomioimatta laskennallisesti kriittisiä tekijöitä, mikä edelleen voi johtaa käyttökel- vottomiin lopputuloksiin.
2. TIERAKENTEIDEN KUORMITUKSET JA VAURI- OITUMINEN
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 likimääräinen 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 routimisen 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. nastarengaskulutuksen 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 rakenne-
kerrosten kyllästymistä vedellä lämpiminä vuodenaikoina. Vedellä kyllästetyt rakenne- kerrokset eivät kestä samoja kuormituksia kuin kuivana pysyvät rakennekerrokset (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 havainnollistamaan, 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.
3. TIEN RAKENTEELLISEN KUNNON MITTAUS- MENETELMÄT
Kuormituskestävyysmitoitus tarvitsee lähtötiedoikseen tien rakennekerrosmateriaalien ominaisuuksia kuvaavat materiaaliparametrit. Lähtötietoina voidaan uuden tien rakenta- misen yhteydessä käyttää Väyläviraston ohjeessa 38/2018 ”Tierakenteen suunnittelu”
mainittuja E-moduuliarvoja. Vanhan tien kuntoarvioinneissa ja tierakenteen parantamis- hankkeissa joudutaan turvautumaan eri mittausmenetelmien avulla arvioituihin paramet- reihin. Seuraavassa on esitettynä heikkorakenteisten teiden mittausmenetelmiksi sopi- vat pudotuspainolaite ja dynamic cone penetrometer, DCP sekä lyhyesti muita mahdol- lisia tien rakenteellisen kunnon mittausmenetelmiä.
3.1 Pudotuspainolaite
Pudotuspainolaite, PPL, on mittauslaite, joka mittaa tien pinnan pystysuoraa siirtymää eli taipumaa. Tämä taipuma kuvaa tien rakennekerrosten ja kerrosmateriaalien käyttäy- tymistä liikennekuorman alla. Taipumaa mitataan kuormituslevyn alta sekä useasta koh- taa sen ympäriltä, ja näiden useiden taipumamittausten tuloksista saadaan ns. taipuma- suppilo. Taipumasuppilo kuvaa koko tierakenteen kimmoista vastetta simuloidun kuor- mituksen suhteen. Taipumasuppilon muodosta voidaan takaisinlaskennalla määrittää ra- kennekerrosten muodonmuutosparametrit (Spoof &.Petäjä 2000).
Pudotuspainolaite on yleisesti hyväksytty tierakenteen mekaanista kuormitusvastetta ku- vaava menetelmä, jota on tutkittu paljon ympäri maailmaa erilaisissa ympäristöissä ja käyttötarkoituksissa. Menetelmää käytetään paljon uusien teiden rakentamisen laadun- varmistuksessa ja vanhojen teiden vaurioanalyyseissä, vaikka saatavat tulokset ovatkin pistemäisiä. Mittauspisteiden määrällä ja sijainnilla voidaan vaikuttaa analyysin laatuun, mutta vaihteleva tierakenne ja muuttuvat pohjamaaolosuhteet lisäävät jatkuvatoimisen mittauslaitteiston tarvetta.
Kuva 7. Pudotuspainolaitteen toimintaperiaate (Spoof &.Petäjä 2000) Pudotuspainolaitteen periaatteena on, että paino pudotetaan kuvan 7 mukaisesti kumi- vaimentimen välityksellä pyöreälle kuormituslevylle. Taipuman mittausanturit mittaavat taipumaa. Painon massa ja pudotuskorkeus ovat säädettävissä, jolloin simuloitavan kuorman suuruuttakin voidaan vaihdella. Pudotuksia tehdään yleensä kaksi jokaisella mittauspisteellä. Toisella pudotuksella on tarkoitus mitata tierakenteen taipumia ja takai- sinlaskennalla määrittää tien kantavuutta kuvaavat parametrit. Ensimmäisen pudotuksen merkitys korostuu, kun halutaan arvioida tierakenteen tiiviyssuhdetta eli ensimmäisen pudotuksen ja toisen pudotuksen perusteella laskettujen moduuliarvojen suhdetta E2/E1, mikä on usein tärkeä tieto laadunvarmistuksen kannalta (Spoof &.Petäjä 2000 & Kalliai- nen et al. 2011). Tiiviyssuhdetta on erityisen tärkeää mitata ennen tierakenteen päällys- tämistä, jotta vältytään tilanteelta, jossa rakentamisen jälkeen sitomattomat rakenneker- rokset liikennekuormituksen myötä painuvat tai tiivistyvät aiheuttaen jännityksiä ja vauri- oita päällysteeseen.
Laitteen etuna on sen helppo liikuteltavuus ja nopeus, mutta haasteita aiheuttavat erityi- sesti mitattavan pinnan laatuun liittyvät tekijät. Pudotuspainolaite on alun perin kehitetty sidottujen kerrosten päältä tehtäviin mittauksiin, jolloin mittausalusta on yleensä tasai- nen. Sitomattomien kerrosten päältä tehtävissä mittauksissa mittausanturit eivät välttä- mättä asetu tasaisesti, mikä aiheuttaa virhettä mittaustuloksiin. Tämän lisäksi mene- telmä antaa rakenteen tiiviystarkkailussa kantavuusarvoon E2 10–15% lisän, kun verra- taan samasta kohtaa tehtävään levykuormituskokeen antamaan arvoon. Levykuormitus- kokeen tulosta pidetään tiiviystarkkailussa yleisesti luotettavana, joten pudotuspainolait- teen mittaustuloksiin on syytä suhtautua pienellä varauksella ja tarkemmat analyysit tu- lee jättää riittävän ammattitaidon omaaville (Kalliainen et al. 2011).
PPL-menetelmää on käytetty paljon päällystetyllä tieverkolla, mutta se soveltuu myös heikompirakenteisille sora- ja metsäteille, mikäli mitattavan pinnan laatu sen sallii. Pudo- tuspainolaitetta vedetään usein auton perässä erillisessä vaunussa. Auto joutuu pysäh- tymään jokaisen mittauspisteen kohdalla, mutta mittaus ei edellytä kuljettajaa nouse- maan autosta mittauksen ajaksi (roadex.org). Paikallaan tehtävät pistemäiset mittaukset liikenteen seassa aiheuttavat kuitenkin aina ilmeisen liikenneturvallisuusriskin.
Kuva 8. Pudotuspainolaite (kuva: West Coast Road Masters Oy, http://www.road- masters.fi/kalusto)
3.2 Dynamic cone penetrometer
Dynamic cone penetrometer, DCP, on hyvin yksinkertainen laite, jolla voidaan arvioida tierakenteen ominaisuuksia ja kuormituskestävyyttä. Laite on kevyt ja helposti liikutelta- vissa, minkä takia se sopii erinomaisesti heikkorakenteisten teiden kantavuuden mittaa- miseen. DCP-laitteella saatava data on helposti analysoitavissa ja testausten mobilisointi ja suorittaminen on suhteellisen halpaa. Kärjen tunkeuman ja materiaalijäykkyyden vä- lille on esitetty useita eri kokemusperäisiä yhteyksiä, vaikka laite itsessään mittaa ensi- sijaisesti maan lujuusominaisuuksia, eikä jäykkyyttä. Kuvassa 10 on muodostettu korre- laatio materiaalijäykkyyden ja laitteen kärjen tunkeuman välille perustuen Texasissa vuo- situhannen alussa tehtyihin tutkimuksiin (Kolisoja 2012 & Chen et. al 2005).
Kuva 9. DCP-laite (Kuva: Stacks, D. Texas Department of transportation, Pave- ment manual 2019)
Kuva 10. Materiaalijäykkyyden ja kärjen tunkeuman välinen korrelaatio E (MPa)=
537,76*PR-0,6645, R2=0,855 (Chen et al. 2005)
DCP- laitteella mitattaessa rekisteröidään pudotuksen aiheuttamaa kärjen tunkeutumis- syvyyttä. Pudotuksia jatketaan kunnes haluttu syvyys on saavutettu tai kun tunkeutumis- syvyys on 10 pudotuksen jälkeen pienempi kuin 3 mm per pudotus. Mittaustuloksista johdetaan CBR-luvut (California bearing ratio) eri tunkeumasyvyyksillä ja edelleen ra- kenteen muodonmuutosmoduulit kokemusperäisiin havaintoihin perustuen (roadex.org).
Menetelmää voidaan käyttää myös rakennekerrosten paksuuksien ja rakennekerrosten materiaalien leikkauslujuuksien arvioinnissa sekä roudan paikallistamisessa. DCP-lait- teen käyttöä rajoittavat tierakenteissa olevat suuren kivet ja lohkareet, jolloin menetelmä antaa käyttökelvottomia arvoja tai ei yksinkertaisesti pysty tunkeutumaan rakenneker- roksiin (roadex.org). Pehmeillä maalajeilla ongelmaksi saattaa muodostua laitteen liian
suuri läpäisykyky, jolloin pienemmät eroavaisuudet rakennemateriaalien ominaisuuk- sissa voivat jäädä huomioimatta (Kolisoja 2012).
3.3 Muita tien rakenteellisen kunnon mittausmenetelmiä
PPL- ja DCP-laitteiden lisäksi on olemassa useita muita mittausmenetelmiä, joilla saa- daan tietoa tierakenteen rakenteellisesta kunnosta. Useimmat ovat toimintaperiaatteil- taan edellä mainittujen kaltaisia, mutta eivät välttämättä sovi heikkorakenteisten teiden mittauksiin.
Loadman
Loadman on kannettava pudotuspainolaite. Pienen kokonsa ja keveytensä vuoksi sillä pystytään tekemään mittauksia pienissä tiloissa ja nopealla tahdilla. Sen heikkoutena on kuitenkin heikko syvyysulottuma eli tulosten epävarmuus kasvaa mentäessä raken- teessa alaspäin. Loadmanilla on tarkoitus mitata käytännössä vain rakenteen pintaosaa, jolloin tiedot alemmista rakennekerroksista jäävät saamatta. Laitteeseen liittyy myös muita mittausteknisiä ongelmia kuten laitteen heiluminen mitattaessa ja virheet laitetta asetettaessa pudotusten välillä takaisin mitattavaan kohtaan. Luonnonmateriaaleilla pu- dotuksesta jää selkeä jälki, jolloin laitteen uudelleenasettaminen on helpompaa, mutta karkearakeisilla materiaaleilla oikean kohdan paikallistaminen on hankalaa (Kalliainen et al. 2011).
Levykuormituskoe
Levykuormituskokeella saadaan kaiken tyyppisillä rakennemateriaaleilla luotettava tulos rakenteen kantavuudesta ja tiiviyssuhteesta. Selvänä heikkoutena on menetelmän hi- taus ja tilan tarve. Mittauksessa tarvitaan myös vastapaino varsinaisen koelaitteiston li- säksi, mikä ei ole kovin käytännöllistä liikennöitävillä teillä. Suuremmasta resurssien käy- töstä huolimatta levykuormituskokeella saadaan vain pistemäisiä tuloksia aivan kuten edellä mainituilla muillakin menetelmillä (Kalliainen et al. 2011).
Kuva 11. Vasemmalla kannettava pudotuspainolaite Loadman ja oikealla kaivin- kone levykuormituslaitteen vastapainona (Kalliainen et al. 2011) TSD-taipumamittaus
TSD-taipumamittauksen (Traffic Speed Deflectometer) tuloksena saadaan jatkuvaa ja oikeaan kuormitukseen perustuvaa taipumatietoa tutkittavasta tierakenteesta. TSD-tai- pumasta voidaan PPL-mittausten tapaan johtaa erilaisia rakenteen kuntoa ja vaurioitu- misriskiä kuvaavia parametreja ja indikaattoreita kuten esimerkiksi SCI (Surface Curva- ture Index), BCI (Base Curvature Index) ja päällysteen alanpinnan venymä. Korkea SCI- arvo on yleensä merkki tierakenteen pintaosan riittämättömästä leikkauslujuudesta ja tierakenteen alttiudesta tyypin 1 urautumiselle. Korkea BCI-arvo puolestaan indikoi tie- rakenteen alaosaan syntyviä pysyviä muodonmuutoksia ja riskiä tyypin 2 urautumiselle.
Mittauslaitteisto on asennettuna yksiakselisen puoliperävaunun sisälle, jolloin perävau- nun massa toimii tierakennetta kuormittavana voimana. Mittaukset pystytään tekemään tieliikennenopeudella, mikä on muihin menetelmiin verrattuna poikkeuksellista. Mene- telmä vaatii kuitenkin riittävää vastetta päällysrakenteelta, eikä siksi ole heikkorakentei- sille teille aina varteenotettava vaihtoehto. Ylemmän tieverkon taipumamittauksiin TSD:llä on selvää potentiaalia, kunhan menetelmä saadaan kunnolla tunnetuksi myös täällä pohjoisen periferian alueella (Mäki 2017).
Kuva 12. Periaatekuva TSD-laitteistosta (© Greenwood engineering)
Maatutkaus
Maatutkaus on rakennetta rikkomaton menetelmä, jolla saadaan jatkuva profiili tieraken- teesta ja pohjamaasta. Menetelmän selkeänä etuna on, että mittaukset voidaan TSD:n tapaan tehdä pysähtymättä aiheuttaen vähemmän häiriötä muulle liikenteelle. Maatut- kausta on käytetty paljon tierakenteiden analyyseissä mm. tierakenteen kosteustilan ja rakennekerrosten paksuuksien arvioimiseen sekä mahdollisten ongelmakohtien paikal- listamiseen. Mittauksen toimintaperiaatteena on, että maatutkan lähetinantennista lähe- tetään aaltopulssi, jonka ominaisuudet muuttuvat sen kohdatessa jonkin rajapinnan. Osa pulssin energiasta heijastuu rajapinnalta takaisin ja tämän syntyneen heijasteen kulku- aika ja amplitudi mitataan vastaanotinantennilla. Rajapinnasta läpi mennyt osa aaltopuls- sista heijastuu seuraavilta rajapinnoilta. Kun mittauksia tehdään useita peräkkäisissä pisteissä, saadaan tutkittavasta rakenteesta ns. tutkakuva (roadex.org).
Kuva 13. Ilmavaste- ja maavasteantennit kiinnitettynä mittausautoon (roadex.org)
Kairaukset
Erilaisilla kairausmenetelmillä kuten esimerkiksi siipikairauksella ja porakonekairauk- sella saadaan tietoa maaperäolosuhteista. Kairausten yhteydessä maaperän rakenne- kerrokset määritetään usein kairausvastukseen perustuen eri syvyyksillä. Kairausten yh- teydessä voidaan ottaa myös näytteitä, joista saadaan esimerkiksi ödometri- ja kolmiak- siaalikokeilla tietoa maan kokoonpuristumisominaisuuksista ja leikkauslujuudesta. Tätä tietoa hyödynnetään usein uuden tien rakentamisessa, kun arvioidaan pohjamaan kan- tavuutta ja mahdollisia painumia. Rakennekerroskairalla voidaan ikkunanäytteenotinta hyödyntäen tarkastella tien rakennekerroksia visuaalisesti. Kairausten tekeminen jo ole- massa olevaan tiehen rikkoo rakennetta, eikä sen vuoksi ole kovinkaan usein käytetty menetelmä vanhan tierakenteen kuormituskestävyyden arvioinnissa, mutta siitä voi olla
hyötyä esimerkiksi maatutkadatan referenssitietona. Laboratoriokokeiden ja näytteen- oton mobilisoinnin korkea hinta asettavat omat rajoituksensa kairausmenetelmien käy- tölle (Kolisoja 2012).
Kuva 14. Vas. Monitoimikaira (© Geopalvelu Oy) ja oik. rakennekerroskaira (©
West Coast Road Masters Oy)
4. TIERAKENTEEN KUORMITUSKESTÄVYYSMI- TOITUS
4.1 Empiiriset ja mekanistiset menetelmät
Kuormituskestävyysmitoitusmenetelmät voidaan jakaa karkeasti empiirisiin ja mekanis- tisiin menetelmiin. Empiiriset menetelmät perustuvat reaalimaailman havaintoihin ja koe- rakenteista saatuihin tietoihin, joita on yksinkertaista soveltaa niin kauan kun suunnitel- tava tierakenne edustaa riittävissä määrin jotain aikaisemmin testattua tai havainnoitua kohdetta. Mekanistiset menetelmät perustuvat teoriaan ja ennustavat tierakenteen käyt- täytymistä eri olosuhteissa. Mitä mekanistisemmaksi menetelmä menee, sitä monimut- kaisempia tilanteita voidaan tarkastella, mutta samalla suunnittelijalta vaadittavan tieto- taidon ja ymmärryksen taso myös nousee. Täysin mekanistiseen malliin ei voida tukeu- tua, eikä empiiristen menetelmien voida olettaa kattavan kaikkia tapauksia varsinkin kun otetaan huomioon jatkuvat muutokset ympäristöolosuhteissa ja liikennekuormituksessa.
Kuormituskestävyysmitoituksessa tulee huomioida valittavan menetelmän tai menetel- mien edut ja haasteet, jolloin usein päädytään mekanistis-empiiriseen ratkaisuun eli käy- tetään sekä empiirisiä että mekanistisia menetelmiä. Jako voitaisiin tehdä myös analyyt- tisiin- ja numeerisiin menetelmiin, mutta tämä jako ei kattaisi täysin empiiriseen koke- mukseen perustuvia menetelmiä.
Analyyttisillä tai ns. puolianalyyttisillä menetelmillä joihin luetaan mm. Suomessa sovel- lettava Odemarkin kantavuusmitoitus, saadaan suuntaa antavia ja nopeita arvioita tiera- kenteen kuormituskestävyydestä. Yksinkertaistuksia joudutaan kuitenkin tekemään melko paljon. Tapahtuvaa kuormitusta joudutaan yksinkertaistamaan, eivätkä mallit ota huomioon kuin lineaarielastisen materiaalimallin. Lisäksi useimmat analyyttiset mallit an- tavat tuloksia vain tietyissä kohdin tierakennetta, mikä rajoittaa menetelmien käytettä- vyyttä entisestään.
Numeeristen mitoitusmallien kuten FEM-mallien voidaan katsoa edustavan mekanistisia menetelmiä. Suurimpia ongelmia numeeristen analyysien kanssa ovat kasvavat las- kenta-ajat ja varsinaisen kestävyysmallin puuttuminen. Vielä ei ainakaan toistaiseksi ole olemassa kestävyysmallia, jonka avulla mallinnuksella saatu tieto muodonmuutoksista ja jännityksistä voitaisiin kaikissa tapauksissa muuttaa arvioksi tierakenteen kuormitus- kestävyydestä. Potentiaalia näillä mekanistisilla mitoitusmenetelmillä kuitenkin on. Jän- nitys-muodonmuutoskäyttäytymisestä saadaan iteroinnin avulla edustavia ratkaisuja ja
liikennekuormitusta voidaan mallintaa tarvittaessa hyvinkin todenmukaisesti ja vastauk- sia saadaan käytännössä mistä tahansa kohtaa tierakennetta. Suurena etuna numeeri- silla menetelmillä on myös mahdollisuus erilaisten materiaalimallien tarkasteluun. Mi- kään tierakentamisessa käytettävä materiaali ei edusta puhtaasti tiettyä materiaalimallia, vaan sijoittuu kahden tai useamman materiaalimallin välimaastoon. Esimerkiksi bitumilla on sekä elastisia että viskoosisia ominaisuuksia, eli se on viskoelastinen materiaali, mikä tuo mukanaan mm. virumisen ja väsymisen kaltaisia aikariippuvaisia ominaisuuksia (Eberhardsteiner 2018).
Eri mitoitusmenetelmien keskinäisessä vertailussa tulee kiinnittää huomiota tulosten ver- tailukelpoisuuteen. Tulokset ovat mitoitusmenetelmästä riippuen sidottuina kriittisiin jän- nityksiin, muodonmuutoksiin, esiintyvien vaurioiden todennäköisyyksiin tai standardiak- selien ylityskertoihin. Nämä pyritään asettamaan tämän työn yhteydessä ”samalle vii- valle” suunnitteluohjeiden mukaan niin että vertailukohtana on tilanne, missä kuormitus- kestävyys saavuttaa kriittisen pisteen ja suunnittelija joutuu tekemään muutoksia tai ai- nakin tiedostamaan kuormituskestävyyteen liittyvän ongelman. Kaikilla mitoitusmenetel- millä tämä ei ole aivan mahdollista, koska yhtenäinen linja tästä kriittisestä pisteestä puuttuu tai se on jatkuvassa muutoksessa menetelmien ja tierakennusmateriaalien ke- hittyessä.
Mitoitusmenetelmän valinnasta riippumatta rakenteen riittäväksi todettu kuormituskestä- vyys ei voi taata vaurioitumatonta ja palvelutasoltaan riittävää tierakennetta. Kuormitus- kestävyys on vain yksi osa kokonaisuutta ja toimivaan ratkaisuun päästäkseen tulee huomioida muutkin tekijät kuten esimerkiksi riittävä stabiliteetti, suurin sallittu routanousu ja painumat. On myös hyvä muistaa, että tierakenteiden mitoituksessa ei ole tiepenke- reen vakavuuden varmistamisen jälkeen yleisesti käytössä varmuuskertoimia, eikä riski- tai luotettavuusanalyysejä tehdä muuta kuin erityistapauksissa. Kuormituskestävyyden suhteen tämä merkitsee, että suunnitteluarvot edustavat 50 % varmuustasoa eli keski- määrin puolet suunnitelluista tierakenteista kestävät suunnitellun käyttöiän ajan arvioi- tuja liikennekuormituksia ilman merkittäviä ongelmia. Tältä osin tierakentaminen eroaa muista geotekniikan aloista ja talorakentamisesta, joilla varmuus- ja osavarmuuskertoi- mien käyttö on välttämätöntä ja oleellinen osa mitoituskäytäntöä. Syyt varmuuskertoi- mien vähäiselle käytölle liittyvät riskin konkretisoitumisesta seuraavien vahinkojen vähäi- syyteen ja taloudellisiin syihin (Kivikoski et al. 2002).
4.2 Odemarkin kantavuusmitoitus
Suomessa on jo pitkään käytetty ns. Odemarkin kantavuusmitoitusmenetelmää, joka pe- rustuu Nils Odemarkin vuonna 1949 kehittämään kaksikerros-mitoitusyhtälöön. Suo- messa käytettävä versio perustuu analyyttiseen Odemarkin kantavuusmitoituskaavaan ja kokemusperäisesti riittäviksi todennettuihin tavoitekantavuuksiin. Tavoitekantavuudet vastaavat keväällä kelirikkoajan jälkeen mitattuja levykuormituskokeiden tuloksia eri kuormitusluokkien teiltä. Odemarkin kantavuusmitoituksen eri vaiheet on esiteltynä Väy- läviraston ohjeessa 38/2018. Nämä eri vaiheet tulevat myös esimerkkirakenteiden myötä kappaleessa 5.2.1 konkreettisesti esille, mutta yksinkertaistetusti suunnitteluvaiheita voisi kuvata seuraavasti.
Kuormituskertaluvun- ja luokan määrittäminen:
Kuormituskertaluku (KKL) kuvaa standardiakselien ylityskertojen lukumäärää sovitun ai- kajakson aikana. Eri ajoneuvotyypeille on määritetty vastaavuuskertoimet, joiden avulla niiden rasitusvaikutukset muutetaan vastaamaan standardiakselin aiheuttamaa rasi- tusta. Kuormituskertaluku lasketaan ajosuuntakohtaisesti KKLsuunta ottaen huomioon suunnitteluohjeessa mainitut osatekijät kuten tien poikkileikkauksen parametrit ja lii- kenne-ennusteet. Kuormituskertaluvun perusteella määritetään kuormitusluokka. Kuor- mitusluokan perusteella määritetään tavoitekantavuus ja päällystekerroksen vähimmäis- paksuus, mikäli sellainen on annettu. Kuormitusluokkataulukot löytyvät samaisesta Väy- läviraston ohjeesta 38/2018. Tämän työn yhteydessä niistä tarvitaan mm. metsäteille so- veltuvaa kuvan 15 mukaista taulukkoa, sorateille soveltuvaa kuvan 16 taulukkoa ja pääl- lystetyille teille kuvien 17 ja 18 taulukoita.
Kuva 15. Kuormitusluokkataulukko puunkuljetus- ja varastointialueille (Väylävirasto 2018)
Kuva 16. Kuormitusluokkataulukko sorateille (muokattu, Väylävirasto 2018)
Kuva 17. Kuormitusluokkataulukko päällystetylle tielle, jonka kuormituskertaluku on enintään 0,3 miljoonaa standardiakselia (Väylävirasto 2018)
Kuva 18. Kuormitusluokkataulukko päällystetylle tielle, jonka kuormituskertaluku on enintään 5 miljoonaa standardiakselia (Väylävirasto 2018)
Päällystetyillä teillä on huomioitava, että tavoitekantavuutta mitataan nimenomaan kan- tavan kerroksen yläpinnasta, eikä päällystekerroksesta. Näin ollen Odemarkin kanta- vuusmitoituksessa päällystekerroksen tuoma lisä koko tierakenteen kantavuuteen jäte- tään huomioimatta.
Alusrakenneluokan määrittäminen:
Alusrakennetta arvioidaan sen kuivatusolosuhteiden ja tasalaatuisuuden perusteella.
Rakenne luokitellaan aina märäksi, ellei toisin voida todentaa. Tasalaatuisuus tai epäta- saisuus todennetaan yleensä paikan päällä asiantuntija-arvion pohjalta. Alusrakenne- materiaalin kelpoisuusluokka perustuu materiaalin rakeisuuskäyrään. Kun tiedot kelpoi- suusluokasta, tasalaatuisuudesta ja kuivatusolosuhteista ovat tiedossa, voidaan Väylä- viraston kulloinkin voimassaolevan suunnitteluohjeen perusteella määrittää alusraken- teen moduuli- ja routaturpoama-arvot. Alusrakenneluokilla A, B, C ja D ei tarvitse tehdä routamitoitusta, mutta muilla alusrakenneluokilla tulisi viimeistään tässä vaiheessa tar- kastaa, että laskennallinen routanousu ei ylitä suunnitteluohjeessa mainittua suurimman sallitun routanousun arvoa (Väylävirasto 2018).
Rakennekerrosten materiaalivalinnat:
Rakennekerrosten materiaalivalintoihin voidaan materiaalien saatavuuden ja resurssien puitteissa vaikuttaa. Usein kerrospaksuudet toimivat modifioitavina suureina, mutta esi- merkiksi pehmeiköille rakennettaessa rakennemateriaalien valinta ja erityisesti rakenne- materiaalien tilavuuspaino voivat toimia määräävinä tekijöinä liian suurien painumien välttämiseksi.
Tavoitekantavuuteen kerrospaksuuksia modifioimalla (Odemarkin kantavuus- kaava):
Kerrospaksuuksien mitoituksessa edetään rakennekerroksittain alhaalta ylöspäin Ode- markin kantavuusmitoitusyhtälöä (kaava 3, Väylävirasto 2018) hyödyntäen niin että jo- kaisen rakennekerroksen yläpinnassa saavutetaan voimassa olevan suunnitteluohjeen mukainen kantavuusarvo. Kerrospaksuus saa olla kaavaan sijoitettuna enintään 300 mm, ja tätä suuremmilla paksuuksilla tulee rakennekerros jakaa laskennallisesti useam- paan 150–300 mm paksuisiin kerroksiin. Tavoitekantavuuden toteutumisen osoittaminen tulee tehdä uuden tien rakentamisen yhteydessä perustuen todennettuihin kerrospak- suuksiin, eikä valmiin rakenteen päältä esimerkiksi pudotuspainolaitteen taipumatietoa hyödyntäen (Väylävirasto 2018).
𝐸𝑌 = 𝐸𝐴
(
1− 1
√1+0,81∗( ℎ0,15)2
)
∗𝐸𝐴
𝐸+ 1
√1+0,81∗( ℎ0,15)2
∗ (𝐸 𝐸𝐴)
2 3
, (3)
missä
EA mitoitettavan kerroksen alapinnan kantavuus (MPa) EY mitoitettavan kerroksen yläpinnan kantavuus (MPa) E mitoitettavan kerroksen materiaalin E-moduuli (MPa)
h mitoitettavan kerroksen paksuus (m)
0,15 kuormittavan pyörän kosketuspinnan laskennallinen säde (m)
Odemarkin menetelmä perustuu iteratiiviseen kokonaisjäykkyyden määritykseen, eikä ota huomioon tierakenteeseen liikennekuormituksen seurauksena aiheutuvia jännityksiä ja venymiä. Tätä voidaan pitää menetelmän selvänä heikkoutena verrattuna esimerkiksi monikerrosrakennemalliin tai elementtimenetelmään. Toisaalta Odemark antaa suhteel- lisen nopeasti ja pienillä resursseilla suuntaa antavia vastauksia, eikä vaadi monimut-
kaisten mallinnusohjelmien käyttöä. Vaiheet kuormituskertaluvun laskemisesta rakenne- kerrosten materiaalivalintoihin voidaan tehdä systemaattisesti Väyläviraston ohjeita nou- dattamalla ja mitoitus tavoitekantavuuteen tapahtuu yleensä yksinkertaisella Excel-las- kentapohjalla. Vaihtoehtoisesti voidaan myös käyttää Odemarkin yhtälön perusteella laadittuja valmiita mitoituskäyrästöjä, jolloin yli 300 mm rakennekerroksia ei tarvitse ja- kaa osiin. Mitoituskäyrästöjen käyttö on nykyään melko harvinaista, eivätkä nykyiset suunnitteluohjeet näitä sisällä.
4.3 Kerrosrakennemallit
Tämän työn yhteydessä kerrosrakennemallinnukset tehdään BISAR – ohjelmalla (Bitu- men Stress Analysis in Roads). BISAR on öljy-yhtiö Shellin Hollannissa kehittämä tiera- kenteiden suunnittelussa käytettävä analyyttinen ohjelmisto. Ohjelma soveltaa Burmis- terin teoriaa seuraavilla yksinkertaistuksilla (Zarghambour et. al 2001 & Ehrola 1996, s.297).
– Tierakenne muodostuu korkeintaan kymmenestä eri kerroksesta, joista alimpana oleva pohjamaa määritetään äärettömäksi ja homogeeniseksi puoliavaruudeksi.
– Kaikki kerrokset ovat pituus- ja leveyssuunnissa äärettömiä.
– Kerrosmateriaalien oletetaan olevan homogeenisia ja isotrooppisia, sekä käyttäytyvän lineaarielastisen materiaalimallin mukaan.
– Kerrosmateriaalien oma paino jätetään huomioimatta.
– Liikennekuormitusta pidetään tasaisesti jakautuneena ympyränmuotoisena kuormituk- sena.
– Kitka rakennekerrosten rajapinnoilla on täysin kehittynyt.
– Poisson luku oletetaan vakioksi rakennekerroksessa
BISAR-ohjelmalla lasketaan jännitysten ja venymien arvot ja suunnat eri rakennekerrok- sissa ja niiden rajapinnoissa. Näitä jännityksiä ja venymiä käytetään arvioitaessa raken- teen kuormituskestävyyttä. Suuret venymän arvot päällysteen alapinnassa ovat merkki päällysteen väsymisestä tai ainakin alttiudesta sille. Suuret venymän arvot sitomatto- mien rakennekerrosten yläpinnassa indikoivat puolestaan tierakenteen taipumusta tyy- pin 1 urautumiseen, kun vastaavasti pohjamaan yläpintaan muodostuvat suuret veny-
män arvot kertovat yleensä tierakenteen taipumuksesta tyypin 2 urautumiseen. Lähtö- tietoina BISAR-ohjelmisto tarvitsee tierakenteesta seuraavat tiedot (Zarghambour et. al 2001):
Rakennekerrosten lukumäärä ja paksuudet
Rakennekerrosmateriaalien moduuliarvot ja Poisson luvut
Rajapintojen välillä tapahtuvat muodonmuutokset/ liukupinnat
Kuormitusten määrä ja sijainti
Yhdistelmä kahdesta seuraavista kolmesta komponentista kuormituksen määrit- tämiseksi: pyöräkuorma, kosketuspaine ja kosketuspinnan säde.
BISAR-laskennassa mallintaminen aloitetaan määrittämällä kuormitukset. Kuormituksen määrittämiseksi tulee valita käytettävät komponentit ja niiden arvot. Kuormituksen voi määrittää itse tai käyttää valmista 80 kN standardiparipyöräakselikuormitusta. Standar- diparipyöräakselikuormituksen käyttö mahdollistaa yksityiskohtaisempien ja monimut- kaisempien jännitys-venymäprofiilien tarkastelun, mutta ei vastaa suuruudeltaan enää nykypäivän suurimpia sallittuja akselikuormituksia. Ohjelma myös antaa automaattisesti relevantit laskentapisteet standardiakselikuormitukselle, mutta käyttäjän itse määrittä- mälle kuormitukselle tulee laskentapisteet antaa manuaalisesti.
Kuormitusten määrittämisen jälkeen annetaan rakennekerrosten paksuudet, poisson lu- vut ja moduuliarvot. Sitomattomien rakennekerrosten materiaalien jäykkyyttä kuvaavan resilient-moduulin Mr eli jäykkyysmoduulin oletetaan yksinkertaisimmillaan riippuvan jän- nitystasosta kaavan 3 mukaisesti (Kolisoja 1997). Karkearakeisilla rakennekerrosmate- riaaleilla jäykkyys yleensä kasvaa jännitystilan kasvaessa tiettyyn pisteeseen asti. Hie- norakeisilla rakennekerrosmateriaaleilla jännitystilan kasvusta seuraava huokosveden- paineen kasvu laskee toistokuormitustilanteessa rakennekerrosmateriaalin jäykkyyttä.
Resilient-moduulien laskennan yhteydessä tulee kaavan 4 materiaaliparametrien lisäksi antaa arviot rakennekerrosmateriaalien tilavuuspainoista. Poisson luvun oletetaan pysy- vän vakiona, vaikka se todellisuudessa vaihtelee jännitystason mukaan.
𝑀𝑟 = 𝐾1∗ 𝑃0∗ (𝜃
𝑃0)𝐾2, (4)
missä
Mr resilient- eli jäykkyysmoduuli K1,2 materiaaliparametrejä θ pääjännitysten summa
P0 vertailujännitys, yleensä 100 kPa
Ensimmäisen laskentakierroksen jälkeen voidaan saatuja resilient-moduuleja tarkentaa iteroimalla eli suoritetaan toinen laskentakierros ensimmäisestä saaduilla resilient-mo- duulien arvoilla. Mikäli seuraavan iterointikierroksen resilient-moduulit eroavat merkityk- settömän vähän edellisen kierroksen vastaavista resilient-moduulien arvoista, voidaan todeta jännitystasoriippuvaisten resilient-moduulien olevan jännitystilaa vastaavia. Sito- mattomien rakennekerrosmateriaalien resilient-moduulit ovat siis käytännössä tällä ole- tuksella täysin riippuvaisia rakennekerrosmateriaalin tilavuuspainosta ja materiaalipara- metreistä K1 ja K2. Tällöin myös laskelmien luotettavuus on täysin riippuvainen siitä kuinka tarkkaan nämä parametrit pystytään arvioimaan.
Syklisellä kolmiaksiaalikokeella voitaisiin rakennekerrosmateriaalin resilient-moduuli määrittää deviatorisen jännityksen muutoksen ja palautuvan suhteellisen muodonmuu- toksen kautta kaavan 5 mukaisesti (Kolisoja 1997).
𝑀𝑟 = ∆𝑞
∆∈𝑒𝑎 , (5)
missä ∆𝑞 on deviatorisen jännityksen muutos ja ∆∈𝑒𝑎 palautuva suhteellinen muodon- muutos.
Ongelmana kolmiaksiaalikokeessa on erityisesti karkearakeisilla materiaaleilla se, että näyte on käytännössä aina häiritty. Edustavillakin häirityillä näytteillä materiaalikerrokset on rakennettava koetilanteessa siihen kosteus- ja tiiviystilaan, jossa materiaaliominai- suudet on määritetty. Kosteus- ja tiiviystilaan vaikuttavat myös mm. rakenteen ympäristö ja rakenteen sijoittuminen ympäristöön, joten todellisten olosuhteiden simuloiminen on hyvin haasteellista (Alkio et al. 2001).
Kerrosrakennemallia voidaan edellyttää tierakennushankkeissa tapauskohtaisesti, mutta lähtökohtaisesti sitä ei vaadita ja sen käytön suhteen tulee olla varauksellinen var- sinkin pienemmillä päällystepaksuuksilla. Mallilla saadaan odotetusti parempia tuloksia suuremmilla päällystepaksuuksilla ja kovemmilla asfaltti/ betonipäällystelaaduilla. Ker- rosrakennemallin vaatimukset ja käytettävät parametrit tulee tarkistaa kulloinkin voi- massa olevasta suunnitteluohjeesta (Tiehallinto 2004). Vuoden 2018 suunnitteluohjever- siossa kerrosrakennemalliin perustuvaa mitoitusta ei enää ole mukana, joten kerrosra- kennemallia sovellettaessa on tukeuduttava vanhempiin suunnitteluohjeisiin. Kerrosra- kennemallin käyttö heikkorakenteisten teiden tapauksessa on ongelmallista, koska ra- kenteen kriittisiksi vasteiksi oletetaan sidotun kerroksen eli yleensä bitumisen kerroksen alapintaan syntyvät vetojännitykset ja ylimmän sitomattoman kerroksen yläpintaan muo-
dostuvat puristusjännitykset (Belt et al. 2006). Kuten kappaleessa 2.2 mainittiin, heikko- rakenteisten teiden tapauksessa päällysteen osuus kuormituskestävyydestä on lähes olematon, eikä vetojännityksiä päällysteen alapintaan pääse merkittävissä määrin syn- tymään. On myös huomattava, että analyyseissä käytettävät väsymissuorat ovat käyttö- kelpoisia vasta riittävän suurien liikennemäärien tieosuuksilla. Kuormituskertaluvun liian hidas kertyminen johtaa väistämättä siihen, että päällysteen väsyminen ei ole tieraken- teen kuormituskestävyyden kannalta kriittisin tekijä. Väsymissuorien käytön sijaan pää- dyttiin tämän työn yhteydessä tekemään vertailut PEHKO-projektin mukaisilla venymän luokitteluilla, mikä mahdollisti myös pehmeiden asfalttibetonien tarkastelun. Kantavan kerroksen ja pohjamaan yläpintaan muodostuvien puristusjännityksien- ja muodonmuu- toksien arvioinnissa käytettiin Roadex-projektin mukaisia luokitteluja, jotka on arvioitu Roadex-demolaskurin tulosten perusteella. Roadex-projektin demolaskurissa on taus- talla BISAR-ohjelmistolla tehtyjä laskelmia, jotka edustavat vähäliikenteisiä ja heikosti rakennettuja teitä, joten käytettävät muodonmuutosten raja-arvot ovat tähän työhön so- veltuvia.
Pehko-projektin mukainen päällysteen alapinnan venymän luokittelu (Mäki 2017, alkuperäi- nen Roadscanners Oy)
Kantavan kerroksen ja pohjamaan yläpintoihin muodostuvien muodonmuutosten raja- arvot (Roadex.org):
Alhaisen riskin alue pysyville muodonmuutoksille 0–1000 µstrain
Lievä riski vaurioitumiselle 1000–2000 µstrain
Korkean riskin alue pysyville muodonmuutoksille 2000–3000 µstrain
Nopean vaurioitumisen alue 3000 ̶ > µstrain
4.4 Elementtimenetelmä
Finite Element Method on iteratiivinen laskentamalli, jossa numeerisesti lasketaan ele- menttien solmupisteissä tapahtuvia siirtymiä, jännityksiä ja kiertymiä. Laskennan tark- kuus on riippuvainen elementtien ja niitä yhdistävien solmupisteiden määristä. Kun ra- kenne jaetaan suurempaan määrään elementtejä, saadaan tarkempia tuloksia, mutta
