Titel: Dimensionering av tjälskydd i väg- semiriskanalys enligt VTlI-metoden.

Transkript

1 V7/notat Nummer: v 81 ' Datum: Titel: Dimensionering av tjälskydd i väg- semiriskanalys enligt VTlI-metoden. Författare: Lars Stenberg Avdelning: Vägavdelningen (materialsektionen) Projektnummer: _ Projektnamn: Tjäle- och tjälskydd Uppdragsgivare: Luleå Gatukontor Distribution: fri / lägränssak/ dh) ks, Statens väg- och trafikinstitut i,[vi?/zälctglrank. Pa: Linköping. Tel Telex VT/SGI S [14 Besök: Olaus Magnus väg 3Z Linköping

2 DIMENSIONERING AV TJÄLSKYDD I VTI-METODEN. VÄG- SEMIRISKANALYS ENLIGT av Lars Stenberg Statens väg- och trafikinstitut (VTI) Linköping, SWEDEN Abstract VTI metoden för dimensionering av tjälskydd har använts till en industriväg i Luleå kommun. Vägen uppvisade skador i form av tjälsprickor, ojämna tjällyftningar och bitvis skador till följd av nedsatt bärighet. Åtgärden beslöts bestå i tjälskydd. dels en förstärkning av överbyggnaden, dels inbyggande av ' VTI fick i uppdrag att beräkna erforderlig tjocklek av Styrofoam och hyttsten. Redovisningen omfattade en analys av tjällyftningsbelopp för olika tjocklekar på isolermaterialet, olika köldmängder samt inverkan av en dränering. Beställaren fick därmed ett underlag för att bedöma det mest ekonomiska alternativet tillsammans med konsekvenserna vid en underdimensionering.

3 FÖRORD Projektet utfördes på uppdrag av Gatukontcret i Luleå. Publiseringen i Notat-form är föranlett av ett uttryckt behov från avnämarsidan att få information om hur VTI-metod för dimensiønering av tjälskydd kan tillämpas. Notatet är endast avsett att belysa en sida av användningsområdena. Lars Stenberg

4 -1- DIMENSIONERING AV TJÄLSKYDD I VTI-METODEN. VÄG- SEMIRISKANALYS ENLIGT av Lars Stenberg Statens väg- och trafikinstitut (VTI) Linköping, SWEDEN Abstract VTI metoden för dimensionering av tjälskydd har använts till en industriväg i Luleå kommun. Vägen uppvisade skador i form av tjälsprickor, ojämna tjällyftningar och bitvis skador till följd av nedsatt bärighet. Åtgärden beslöts bestå i dels en förstärkning av överbyggnaden, dels inbyggande av tjälskydd. ' VTI fick i uppdrag att beräkna erforderlig tjocklek av Styrofoam och hyttsten. Redovisningen omfattade en analys av tjällyftningsbelopp för olika tjocklekar på isolermaterialet, olika köldmängder samt inverkan av en dränering. Beställaren fick därmed ett underlag för att bedöma det mest ekonomiska alternativet tillsammans med konsekvenserna vid en underdimensionering.

5 INLEDNING VTI har framtagit en metod till beräkning av tjällyftningsbelopp i en given vägkonstruktion och hydrogeologiska förutsättningar. Tjällyftningen kan beräknas för olika temperaturförlopp under vintern, dvs olika köldmängder. Denna beräkningsmetod har tillämpats för att förbättra beslutsunderlaget vid bedömning av olika konstruktionsalternativ till förstärkning och isolering av enindustriväg i Luleå kommun. Någon åtgärd av vägen i enlighet med VTI konstruktionsalternativ har ännu ej vidtagits, varför metoden i sig inte kan utvärderas. Detta inlägg skall därför endast betraktas som en presentation av föreslagen metodik vid val av konstruktion. Resultaten ger underlag till en jämförande bedömning av olika konstruktioner relativt varandra samt tjällyftningsbelopp för olika köldmängder. Härur kan byggherren se konsekvenserna i form av ökad tjällyftning vid underdimensionering av tjälskyddet, antingen det rör sig om vald isoler-tjocklek eller dimensionerande köldmängd. SKADEBILD OCH FÖRUTSÄTTNINGAR Ojämna tjällyftningar med sprickbildningar och delvis otillräcklig bärighet hade konstaterats. Orsakerna härtill har utretts av Luleå kommun genom grävning av ett flertal provgropar och höjdavvägning längs hela Vägsträckan under 3 vintrar. Härvid kunde konstateras att undergrundens material utgjordes av såväl silt som morän, maximalt uppmätt tjällyftning cm i de till tjälskyddsberäkningarna utvalda sektionerna och att överbyggnaden flerstädes innehöll olämpligt material eller var underdimensionerad med hänsyn till den ökade tunga trafiken. I flera fall kunde också högt grundvattenstånd iakttagas. Ett avsnitt av vägen genomströmmades av kylvatten från närliggande slagghögar. Detta avsnitt uppvisade också följdriktigt mycket små tjällyftningar. Detta kylvattenutsläpp kunde i framtiden förväntas upphöra, varför hänsyn härtill måste tas vid projekteringen. Vägsträckan är ca 2,5 km.

6 En förstärkning av vägen samtidigt nödvändig. med en tjälskyddsisolering ansågs VTI fick i uppdrag att utreda två isoleralternativ, nämligen hyttsten som finns nära tillgängligt och Styrofoam. ARBETSMETODIK Med hjälp av demarkundersökningar och fältmätningar Luleå kommun utfört, kunde de för tjällyftningsberäkningarna nödvändiga materialparametrarna beräknas. Fyra stycken punkter där tjällyftningsbelopp, grundvattennivå och jordlagerföljd var kända, valdes ut för dimensioneringsberäkningarna (figur 1). Påbyggnaden, 4 olika alternativ, skulle utföras på befintlig väg (figur 2). Klimatstatistik inhämtades och köldmängden jämfördes med utfallet de tre vintrar under vilka mätningar ägt rum (figur 3). Det är i sammanhanget viktigt att vid beräkningarna ge vintrarna ett temperaturförlopp som så nära möjligt överensstämmer med de förlopp man dimensionerar för. Två vintrar med samma köldmängder kan skilja en hel del i fråga om tjällyftningsbelopp och på vilken nivå under vägytan tjällyftningarna äger rum. En vinter kan vara mild i inledningsskedet och därmed ge upphov till vattenanrikning högre upp och den andra kan vara kall i början, vilket ger mindre risk för skador. VTI presenterade sina beräkningar för en medelvinter, F 50, den kallaste under en statistisk lo-årsperiod, F 10 och vintern 1984/85, vilken var kallare än F10 vintern. Utgående från de sista 40 årens temperaturmätningar, så är vintern 84/85 en F lo-vinter. Detta för att illustrera utfallet för det fall man hade åtgärdat vägen dessförinnan. RESULTAT Exempel på resultat av beräkningarna redovisas i diagramform (figur 4-8). Den för konstruktionen beräknade tjällyftningen har avsatts

7 som funktion av isolermaterialets tjocklek under inverkan av olika dimensionerande köldmängder. Ur diagrammet, figur 4-5, visande sektion 0/480 kan man utläsa att, om man tillåter 2 cm tjällyftning, vilket sällan leder till skador, skulle 10 cm hyttsten vara tillräckligt tjälskydd för varannan vinter. Inträffar en vinter typ 84/85, vilket statistiskt skulle ske ca vart 20:e år, skulle för 10 cm hyttsten ca 7 cm tjällyftning erhållas. Sådan tjällyftning leder med mycket stor sannolikhet till uppkomst av tjälsprickor. För att reducera lyftningen till 2 cm erfordras således 25 cm hyttsten. Är man beredd att ta risker ges det alltså härmed en möjlighet att bedöma denna. Går vi till sektion 1/980 så har i diagrammet, figur 6-7, också ritats in effekten av en sänkt grundvattenyta. ' RISKBEDÖMNING Projektören börjar med att bestämma risknivån. Vi förutsätter att vägen skall hållas tjälskadefri 40 år, att grundvattenytan ligger lm under vägytan, 50 cm uppmätt + 50 cm påbyggnad. Antag att 3 cm tjällyftning ej bedöms ge framtida skador, 5-7 cm ökar sannolikheten till ca 50%, vilket redan är alltför stor risk. I sektion 1/980 skulle 3 cm lyftning erhållas varannan vinter (F 50) med 30 cm hyttsten och 5 cm lyftning var 15:e vinter (F 7). Med förutsättningen 40 år kan man ta 50%-risken med 5 cm 2 vintrar under denna period. En sådan vinter är 84/85 (ca F 5). Vill man hålla fast vid att vara garderad för 3 cm lyftning vart 20:e år måste tjockleken ökas till ca 45 cm. På samma sätt kan man utläsa att mm Styrofoam ger samma tjälskydd, figur 8. SAMMANFATTNING VTI metod för beräkning av tjällyftningsbeloppet i en given vägkonstruktion, där hänsyn tas till undergrundens jordartssammansättning och lagerföljd samt grundvattenavstånd, tryckpåkänning vid tjälfronten och

8 köldmängd (eg. temperaturpâkänning under vintern), ger ett vik-tigt bidrag vid bedömning av risken för framtida tjälskador. Sedan denna risk bestämts kan också en säkrare bedömning av totala vägkostnaden göras för en bestämd tidsperiod.

9 BiIaga 1 Sek'r. 0/480 0/850 1/050 1/980 0"' / / /.////.z -- /á //A / ' \ o 0,0 _n- g. O ' oi.. 05'0 0..O 0 '0' 0 O 0\.o 'o -n-. '. c 0 _ 0 o' O _0- ' ' 0 \ 0' O' O \. so-b «0 -' o. ' ' '. *0 O \. \ 1 '. \ 1 0 t *-Å'. Ä ' f { Spnd+ _- ' _.. _. ".' *-'.'.' '3. - SM?- hnser o L T - ' ' -;' rnorün.' ;' **- Sufg sdhg '. lera 150. " ' momnx Figur 1 Befint1ig väg. Schematiserad 1agerfö1jd i de för beräkningarna utva1da sektionerna.

10 Bi1aga 2 A B CA CB HAB1OO IM /\./ N HYTTSTEN 10 HABMT* BGZZO / _"\\\_z) N HYTTSTEN HAB1OO IM B-lag SAND kmbmi BGZZO B-lag SAND Befvüg Befvüg /'_"**\._// r '"**\._z STYRDFDAM /\_/ STYROFDAM 10 SAND 10 SAND Befvüg Bef.vdg fjgg:_g A1ternativa överbyggnadskonstruktioner.

11 K W Bi1aga dygn 1, KÖLDMÄNGDSDIAGRAM F10 Dim.köldm.1650 F50 -u x Upp01kökhn.1984/85 o -u- 1983/84 A -u-g 1982/ * \\ 1500*.Ex (1 Figur 3 Dimensionerade kö1dmängder för Lu1eå och under mätsäsongerna uppmätta ackumu1erade kö1dmängder.

12 Biiaga 4 H A B Cm ' Seki..O/l 80 5 HABJOO IM x---x BG._. IM 8- xw XN HYTTSTEN. HYTTSTEN 6- Befvög I Befvdg Lq 2 _ I I 7 >X cm Figur 4 Diagram visande tjäiiyftningsbeioppet i angiven sektion som funktion av isoieriagrets tjockiek, x, i figuren iniagd påbyggnadskonstruktion. Grundvattenytan (gvy) har antagits iigga 1.0 m under vägytan. '

13 BiIaga 5 H cm Sekt 0/480 CA 10-5 HAB IM 8 _ a lag 0 HAB = ASPHALT 3 'x CONCRETE E 6* \_ 10 SAND IM=GROUTED ä: \ MACAD-AM :i \. N B-LAG = BASE counss ä 4 \\ X /'\ / BEF.VÄG= EXISTING ROAD \\ STYROFOAM Bef. väg I I I I I I i* x mm ISOLERTJOCKLEK _Eigg[_ Beräknad tjä11yftning, i sekt. 0/480 med angiven påbyggnad under en V1nter typ 1984/85, som funktion av Styrofoam- 1agrets tjock1ek.

14 Biiaga 6 H /. cm* x\ * Sek'r. 1/980 12a \\ x---x Gvy 1,0 m 0 -N- 1,5 m A 10" 5 HAB IM HAB=ASPHALT CONCRETE 0 8_ M m :GROUTED g MACADAM._Z_ X HYTTSTEN: BLAST FURNACE ä HYTTSTEN H SLAG (AIR COOLED) á 64 \ PBL/85 BEF.VAG=EXlSTING ROAD *2 % Bef. väg \\ 0 x\\' \\ L _ \. \ F 10 \ \. \X\ \0 \ \ \ Fa;;*<;s \&\\:::;;: I I T I I cm lsolertjocklek Figur 6 Beräknad tjä11yftning, i sekt. 1/980 med angiven konstruktion, för oiika vintrar och med oiika avstånd tiii grundvattenytan (GVY), som funktion av hyttsteniagrets tjockiek.

15 Bi1aga 7 H CA cm Sek'r. 1/980 5 HAB1OO A 10 * 10 IM TJALLYFTNING 15 B-lng 8 _ HAB = ASPHALT. CONCRETE \ 10 SAND IM=GROUTED MACADAM 6- rf" *\\,) B-LAG=BASECOURSE x N BEF.VÄG=EXlSTING ROAD F zø / / STYROFOAM. /F10 10 SAND \. ' Bef. väg 2 * /\\2 F mm ISOLERTJOCKLEK >X n -u - konstruktion och ' aknad t a11 ftn1ng, 1 sekt. 1/980 med ang1ven _ 5122:_1 :å: 01ika gintiar, som funktion av Styrofoam1agrets tjock1ek.

16