Tjäle i teori och praktiken

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Tjäle i teori och praktiken"

Julia Åström
för 7 år sedan
Visningar:

1 Tjäle i teori och praktiken Luleå 28 mars, 2012 Sven Knutsson Professor i geoteknik sven.knutsson@ltu.se

2 Termiskt problem Tjäldjup, vattenledningar Tjällyftningsproblem Lyftning, sönderbrytning av vägar, hus, stenlyftning, rännstensbrunnar Tjällossningsproblem Bärighet, potthål etc

3 Tjäldjup beror av: Lufttemperatur Årsmedeltemperatur Köldmängd Typ av markyta Markförhållanden Ytstruktur Latitud mm

4 Temperaturvariation i mark Konstant temp ca 5-6 m djup Temperatur ung årsmedeltemperatur

5 Köldmängd Medelköldmängd Maximiköldmängd Baserad på sannolikhet

6 Köldmängd (gradtimmar) Köldmängd i Luleå F 100 Köldmängd i Luleå F F /82 83/84 85/86 87/88 89/90 91/92 93/94 95/96 97/98 99/00 01/02 03/04 Vinter

7 Tjäldjup Nov. 1 May 1 Time 10% Maximum frost depth: 1,5 m -- 2,5 m Depth

2 2 Höjd (m) Beräkning av tjäldjup Stefans lösning (1890-talet) Neumann mm Trafikverkets metoder i PMS objekt Numeriska metoder FEM med tex Temp/W TEMPERATURFÖRDELNING EFTER 168 DYGN (GRADER C, VID

8 2 2 Höjd (m) Beräkning av tjäldjup Stefans lösning (1890-talet) Neumann mm Trafikverkets metoder i PMS objekt Numeriska metoder FEM med tex Temp/W TEMPERATURFÖRDELNING EFTER 168 DYGN (GRADER C, VID VINTERNS SLUT) Ballast (B) - 0.5m hög Underballast (UB) - 5m hög Initiell temperaturfördelning: årscykel på ovansidan (B, UB, terrass) och +2 grader C på undersidan (terrass) Vintertemperatur: F10-vinter (ovansidan), +2 grader C (undersidan)

9 Stefans formel Endimensionella förhållanden Tjäldjup eller upptiningsdjup X = 2 L' F eller X = t

10 Empiriska överslag X(t)= F där X(t) tjäldjupet (m) F köldmängden (dygnsgrader) faktor som beror av jord mm

11 Proportionality factor, (m/graddagar ½ ) Soil material Lower value Mean value Upper value Sand 4, , , Gravel- Coarse sand 5, , , Moarain 4, , , Gravely, coarse moraine 6, , , Silt (medium frost susceptible) Silt (highly frost susceptible) 4, , , , , , Clay 3, , , Mud 2, , , Peat 1, , ,2 10-2

12 Tjällyftning Frysning av vatten som finns i jordens porsystem innan frysning (9% volymökning) Vatten som kommer till när jorden fryser Tillsamman ger det tjällyftning (ca 25% resp 75%)

13 Tjällyftning Frystemperaturer Vatten!! Finkornig jord Ice lens

14 Tillkommande vatten? Varför vattentransport uppåt? Water Tjälgräns

15 VATTEN I FINKORNIG JORD Bound water Free water Grain

16 VATTEN I FINKORNIG JORD Energitillståndet I bundet och fritt vatten är olika Adsorberat vatten har lågt energitillstånd Svårt att avlägsna Fritt vatten påverkas inte av partikelytorna Adroberat vatten fryser som funktion av temperaturen Mer bundet vatten fryser vid låga temperaturer

17 Unfrozen watre content (%) Vattenkvot ofruset vatten Sug i ofruset vatten Alltid sug vid temperaturer < 0 C Permeabilitet i ofruset vatten Påverkar bl a hållfastheten i frusen jord Hållfastheten är inte en funktion av mängden is i jorden Unfrozen water content 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Temp (C)

18 Sug (undertryck) och permeabilitet Stort sug vid låga vattenkvoter ofruset vatten Litet sug vid hög mängd ofruset vatten Inget sug om vattenkvoten ofruset vatten är lika med den totala vattenkvoten Låg permeabilitet vid låga vattenkvoter ofruset vatten Hög permeabilitet vid höga vattenkvoter ofruset vatten

19 Rytmisk islinsbandning Optimala förhållanden för islinsbildning Sug Hydraulisk konduktivitet Värme måste bort f ff u Temp prof T c T b T w p w Suction prof p u

20 Stationär tjälfront med växande Stor vattentillgång Värmeflödet måttligt islins Inkommande energi balanseras med utgående Stationär frysfront med växande islager Skiktgränser

21 Expansionstryck Maximalt tryck ca 11 MPa/grad -2 C ger 22 MPa Ca 1000 m fyllning!!! Man kan inte motverka lyftningen Man kan fördröja den I tid

23 Ojämna tjällyftningar Water Ground surface Frost line Capillary rise Freezing temperatures Frost line GW level Rock

24 Klassificering

25 Beräkna tjällyftning Trafikverket i PMS objekt Segregation Potential Theory

26 Beräkning av tjällyftning Permeabiliteten i frozen fringe reducerar vattenflödet till den växande islinsen v 0 = SP grad T f (vattenflöde in i frusen jord) SP=SP 0 e -aσ SP function of pressure etc.

27 SP-värdet kan bestämmas genom: Material parameter som är kopplingen mellan värmeflöde och massflöde (vatten); jfr PMS-objekt Lab försök Korrelation mellan SP värde och kornkurva, lerhalt, etc. Erfarenhet (tex från PMS-objekt) Relation till tjällyftningsklassificering

28 Frozen fringe Aktiva zonen vid tjällyftning är området mellan varmaste islinsen och tjälgränsen Varmast is lins water Unfrozen water content ice Temp Permeability Suction Frost front

29 Laboratoriearbete Komponenter av tjäle upplyftning test Kyltermostat Sensorer: -temperatur (termoelement eller Pt100) -LVDT rörelsegivare Tjäleupplyftning apparat Mätningsprogram Värmetermostat Datalogger

30 Vanliga skador

32 Tjällossning

33 Tjällossning Var kan vatten dräneras under upptiningen? Ner? Sidorna? Upp? 90% tinar uppifrån och ner

34 Tjällossning Is till vatten Ingen dränering ger låga effektivtryck och reducerad hållfasthet Dränering ger minskad volym och sättningar Upptiningshastigheten viktig Långsam ger möjlighet till dränering Snabb gör att dränering är svår

35 Material som är isolerande Minskat tjäldjup & i regel mindre tjällyftning Mindre tjällossning sproblem

36 Teoretisk modell If surface temperature constant X = 2 L' F and X = t

37 Teori

38 Tjällossningsfaktor R anger relationen mellan upptiningshastighet och dränering (konsolidering)

39 Alternativa material är ofta mer eller mindre isolerande Järnsand Masugnsslagg Askor av olika typ Krossad betong Etc

40 Exempel; slagg

41 BI AREA Prognos för nedsatt bärförmåga Ytuppmjukning är svårt att ge prognos för. Snabba temperaturväxlingar BI AREA mar mar mar mar apr 20- apr 30- apr maj maj maj jun 19- jun 29- jun 09- jul 19- jul Datum 29- jul aug aug aug sep sep sep okt 17- okt 27- okt nov nov nov

42 MPa TIack Prognos för nedsatt bärförmåga Djupuppmjukning kan bättre förutsägas eftersom tempväxlingarna är långsammare Undergrundsmodul TIack Gränsvärde TIack

43 Jord ändrar struktur vid frysning och tining Frysning skapar ett undertryck; ökade effektivspänningar Detta skapar konsolidreing Uppenbara efter tining

44 Packning?? Fryseffekter

45 Tätskikt tex Permeabilitet Kan bli högre efter frysning och tining (Faktor ) Kan bli lägre (Faktor )

46 Stenlyftning

47 Mekanism I en tjällyftande jord lyfts objekt med ca mm/year

48 Tack och frågor?

50 Eller om belastningen konstant u är porvattenövertryck Beskriver utjämning av porvattenövertryck i tid och rum

51 Tjälgränsen Vid upptiningen bildas vatten vid tjälgränsen av smältande is. Vattnet strömmar uppåt samtidigt som en kompression sker. Effektivspänningen vid tjälgränsen blir

Relevanta dokument

TRVMB 301 Beräkning av tjällyftning

TRVMB 301 Beräkning av tjällyftning Beräkning av tjällyftning Trafikverkets metodbeskrivningar TRV 2011:084 TDOK 2011:315 Anläggningsstyrning Titel: Beräkning av tjällyftning Kontaktperson: Tomas Winnerholt Uppdragsansvarig: Per Andersson