EXAMENSARBETE. Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten. Jämförande studie mellan dimensionering och utfall

Transkript

1 EXAMENSARBETE Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Jämförande studie mellan dimensionering och utfall Lajla Sjaunja 2013 Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2 EXAMENSARBETE UPPFÖLJNING AV TJÄLÅTGÄRDER PÅ LÅGTRAFIKERAT VÄGNÄT I NORRBOTTEN JÄMFÖRANDE STUDIE MELLAN DIMENSIONERING OCH UTFALL Lajla Sjaunja Luleå 2013 Avdelningen för Geoteknik Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Luleå tekniska universitet LULEÅ

3

4 Sammanfattning Sammanfattning De lågtrafikerade vägarna i norra Sverige och andra nordliga delar av världen är mycket utsatta för tjäle. Tjälen i en vägkonstruktion kan vara problematisk i de fall den orsakar ojämna tjällyftningar vintertid eller under våren när tjälen lossnar och sänker bärigheten på vägen. En av Trafikverkets dimensioneringsmetoder mot tjäle baseras på beräkningsverktyget PMS Objekt där man med givna materialegenskaper, lagertjocklekar och klimatdata kan beräkna det förväntade tjällyftets storlek och tjälnedträngningen i en angiven vägkonstruktion. Grundat på tidigare erfarenhet så har man dock upptäckt att dessa beräknade resultat i vissa fall inte motsvarar verkligheten. Den direkt efterföljande konsekvensen blir att fel åtgärder riskerar att utföras för vägen. Syftet med detta examensarbete är att studera hur beräkningsresultat från tjälmodellen i PMS Objekt överensstämmer med verkligheten samt att försöka se om det går att urskilja i vilka situationer problemen med missvisande resultat uppstår. Resultatet från examensarbetet är tänkt att fungera som ett inspel till en framtida uppdatering av tjälmodellen. Fem vägobjekt lokaliserade i Norrbotten ingår i studien. Huvuddelen av examensarbetet bedrivs praktiskt genom tjälskadeinventeringar, insamling av data från utförda vägåtgärder och dimensionering i PMS Objekt. Beräkningsresultatet från PMS Objekt och utfallet från de tidigare utförda tjälåtgärderna binds så småningom samman och jämförs mot varandra. Examensarbetet innefattar också en kortare litteraturstudie avseende tjäle, väg och tjälens påverkan på en vägkonstruktion. I

5 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Resultatet från tjälskadeinventeringen visar en varierande skadebild mellan de olika objekten i studien. Dock så har alla objekt utom ett i någon omfattning drabbats av tjälskador igen på de tidigare tjälskadeåtgärdade vägavsnitten. Det med PMS Objekt beräknat nödvändiga utskiftningsdjupet jämförs med det enligt handlingarna utskiftade djupet. Det nödvändiga utskiftningsdjupet tas fram med ett kriterium på ett maximalt tillåtet tjällyft på 100 mm vilket antas vara en rimlig utskiftningsåtgärd baserat på erfarenhet från Trafikverket. För 3 av de 5 objekten som ingår i studien har utskiftning skett till ett större djup än det teoretiskt nödvändiga enligt PMS Objekt, ändå förekommer skador i områdena för flera av dessa utskiftningar. Det objekt som återfått flest skador har återfått skador i 13 av 25 utförda utskiftningar vilket tydligt visar att åtgärderna endera varit otillräckliga eller felaktiga. Flertalet osäkerheter och svårigheter kring tolkningen av resultatet diskuteras i rapporten såsom exempelvis inventeringsosäkerheter, jordartsskattningar m.m. Vad gäller beräkningsmodellen i PMS Objekt identifieras speciellt två betydande faktorer för beräkningsresultaten: terrassmaterialets maximala lyfthastighet och valet av VViS station. VViS stationerna visar sig i denna studie ge stor skillnad i resultat och problematiken med att utse en representativ framgår tydligt. Studien som helhet visar att utskiftningsdjupen som beräknas med PMS Objekt i många fall inte är tillräckliga och att det således finns ett behov att uppdatera tjälmodellen eller alternativt se över kriterierna för maximalt tillåtna tjällyft. I och med denna studie gick det inte att identifiera någon särskild situation där problemen med återkommande skador var mer förekommande. II

6 Abstract Abstract Seasonally frozen ground is a common condition in northern parts of the world and especially low traffic roads are extensively exposed to large amounts of frost damage every year. Problems occur when the construction of the roads are affected by uneven frost heaves during wintertime or during spring under the thawing process. PMS Object is a calculation program which the Swedish Transport Administration, Trafikverket, provides for road construction. The program contains a model for calculation of frost depth and the expected frost heave within a specified road embankment. The calculations require input data as given material properties of the soil, layer thicknesses and climate data. The results however, based on past experience, has in some cases been discovered to not correspond to reality. The subsequent consequences might be that wrong measures for reparation and/or improvement of the roads are carried out. The purpose of this thesis is to study how the calculated results from PMS Object corresponds to reality and try to distinguish certain situations in which the problems of misleading results arise. The results from this study are intended to serve as a prelude to future updates of the frost calculation model which is a part of PMS Object. Five road objects located in Norrbotten were selected for the study. The main part of the study was accomplished through practical work consisting of frost damage inventorying, collection of data from archived construction documents and also by performing frost heaving calculations using PMS Object. Later on, the calculation results and outcomes from the inventory and data collection are bound together and compared against each other. The thesis also includes a III

7 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten brief literature study regarding frost, road construction and frost impact on roads. The inventory shows a varied impact degree regarding frost damage between the different objects of study. However, all but one of the selected objects was affected by frost damage at many of the recently improved road sections. The necessary excavation depths which first are calculated using PMS Object compares to the excavation depths which were performed during the latest improvements according to existing construction documents. The necessary excavation depth is calculated with a criterion of a maximum allowable frost heave of 100 mm, this assessment corresponds to a reasonable measure against frost based on experience from Trafikverket. For three out of five possible objects included in the study, the results showed that the excavation depth surpassed the required theoretical depth calculated by PMS Object, yet several of the excavated areas had acquired frost damage. The object most affected was damaged in 13 out of 25 excavated areas which clearly show that improvement measures have either been inadequate or incorrect. Many uncertainties and difficulties which occurred during interpretation of the results are discussed in the report. This is for example inventory uncertainties, difficulties regarding soil classifications etc. Regarding the calculation model included in PMS Object there are especially two significant factors identified with great impact on the out coming results: the maximum lifting rate of the terrace material and also the choice of weather station which the climate data is retrieved from. In the report it is shown that small changes of these factors leads to great differences in the results and furthermore it clearly points out the difficulties concerning the decision of which weather station is the best one to use. The study as a whole shows that the excavation depths calculated with PMS Object in many cases are insufficient and that there exists a need to update the model for frost calculations. Alternatively one course of action might be to review the criteria for maximum allowable frost heave. In the study it was not possible to identify any particular situation in which the problems of recurrent frost damages were more prevalent. IV

8 Innehållsförteckning FÖRORD INLEDNING Bakgrund Syfte och mål Utförande Avgränsningar TJÄLE OCH VÄGAR Tjäle Tjälningsprocessen Överbyggnaden en Nedbrytning av vägar Tjälens påverkan på vägkonstruktionen Dimensionering av vägar Krav vid dimensionering av vägar Krav på tjälskydd Beskrivning av tjälförebyggande åtgärder Dimensionering av vägar med PMS Objekt Tjälberäkningsmodellen i PMS Objekt METOD Val av objekt Tillståndsbeskrivning Tjälskadeinventering Insamling av projektspecifik data

9 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Bearbetning av data Dimensionering i PMS Objekt Resultatpresentation Utvärdering/analys OBJEKTBESKRIVNING Väg 579 Klubbenvägen Väg 545 Koler-Kutaliden Väg 543 Kolerträsk-Koler Väg 563 Arnemark-Sjulsmark Väg 563 Sjulsmark-Ersnäs TJÄLSKADEINVENTERING Längdmätning Väg 579 Klubbenvägen Väg 545 Koler-Kutaliden Väg 543 Kolerträsk-Koler Väg 563 Arnemark-Sjulsmark Väg 563 Sjulsmark-Ersnäs RESULTAT PMS OBJEKT Allmänt om dimensioneringsförutsättningar Resultatredovisning ANALYS Allmänt Väg 579 Klubbenvägen Väg 545 Koler-Kutaliden Väg 543 Kolerträsk-Koler Väg 563 Arnemark-Sjulsmark Väg 563 Sjulsmark-Ersnäs Sammanställning DISKUSSION SLUTSATS OCH FORTSATTA STUDIER REFERENSER BILAGOR

10 Förord Fem års studier på Väg och Vattenprogrammet vid Luleå Tekniska Universitet börjar närma sig sitt slut och detta examensarbete på 30 hp är det avslutande momentet för att nå min civilingenjörsexamen. Examensarbetet som har genomförts på uppdrag av Trafikverket påbörjades i april 2012 där största delen av arbetet har utförts under hösten Jag är djupt tacksam till alla som avsatt en del av sin tid för att bidra med sin hjälp och kunskap till detta examensarbete och några personer förtjänar ett särskilt tack. Först och främst så vill jag tacka professor Sven Knutsson för att du hjälpte mig att ta fram ämne för examensarbetet vilket mynnade ut i detta intressanta projekt. Vidare så vill jag rikta ett stort tack till mina två handledare, Johan Ullberg från Trafikverket samt Tommy Edeskär från LTU för att ni varit behjälpliga och handlett mig genom hela processen. Ytterligare två personer som jag vill rikta ett särskilt tack är Virgilio Peréz på RST Ramböll samt Sofia Aldebo på Trafikverkets Arkivcenter. Virgilio för att du gladeligen bistått med din stora erfarenhet och kunskap från väginventeringar och låtit mig åka med och lära under dina tjälinventeringar. Sofia Aldebo för att du tålmodigt hjälpt mig leta fram arkivhandlingar och scannat hundratals sidor av dokument för att sedan skicka i mejl efter mejl åt mig. Inte att förglömma är vänner och familj, inte minst mamma, pappa och min sambo Tony som stöttat och peppat mig inte bara under examensarbetet utan också under hela min studietid, ni är guld värda! Sist men inte minst min ständiga följeslagare och vän, vår hund Haylie som alltid bidrar med glädje i vardagen! Lajla Sjaunja 3

11 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten 1 INLEDNING Detta inledande kapitel av rapporten beskriver bakgrunden och den problemformulering som lett fram till examensarbetet samt syfte och mål med studien. Här redovisas också de avgränsningar som gjorts för studien. 1.1 Bakgrund Från och med den dag en nybyggd väg börjar trafikeras sätter en kontinuerlig nedbrytning av vägen igång (Wågberg, 2003). Denna ständigt pågående nedbrytning tillsammans med ett mycket stort befintligt vägnät har till följd att majoriteten av alla vägprojekt idag handlar om åtgärder på befintlig väg snarare än nybyggnad av vägar (Trafikverket, 2012). I synnerhet det lågtrafikerade vägarna i norra Sverige och andra nordliga regioner i världen lider av skador som kan hänföras till tjäle. Tjäle i en vägkropp ger bland annat upphov till problem i form av ojämna lyftningar på vintern och bärighetsproblem under vårens tjällossningsperiod (Knutsson, 1999). Konsekvenserna av tjälningsprocessen påverkas förutom av klimatet också av faktorer som vattentillgång, överbyggnadens, undergrundens beskaffenhet samt trafiklasten under tjällossningsperioden varvid dimensionering av vägkonstruktionen bör ske med hänsyn till dessa. 4

12 Inledning Trafikverkets beräkningsmodell för tjällyftning och tjälnedträngning i en vägkonstruktion finns implementerad i PMS Objekt som är ett datorbaserat dimensioneringsverktyg. I beräkningsmodellen används givna klimatdata, materialegenskaper och lagertjocklekar för att beräkna tjällyftningen. Modellen har som helhet visat sig stämma bra överens med verkligheten, överfört till de åtgärder som vidtagits för att åtgärda problemen. Men det har också förekommit situationer där man har upptäckt att resultaten från beräkningarna utförda i PMS Objekt ger svar som erfarenhetsmässigt inte motsvarar verkligheten. Konsekvensen blir då att fel åtgärder för vägen utförs, antingen i form av onödigt kraftiga åtgärder, eller om tjälproblemen underskattas att vägkonstruktionen snabbt drabbas av tjälskador igen på grund av otillräckliga åtgärder. Frågan kan också anses vara ett upphandlingsproblem om de beräkningsverktyg som Trafikverket tillhandahåller inte är pålitliga vid exempelvis totalentreprenader. 1.2 Syfte och mål Studien har som syfte att värdera tjälmodellen ingående i PMS Objekt genom att utreda i vilken omfattning beräkningsresultaten ej överensstämmer med verkligheten. Detta utförs genom att studera hur beräknade resultat från PMS Objekt förhåller sig till utförda förstärkningsåtgärder på vägen samt jämföra det med hur skadebilden på åtgärdade partier ser ut idag. Vidare så görs försök att observera i vilka situationer problemet med missvisande resultat uppstår, till exempel genom att försöka se om det är någon särskild typ av terrass som är mer problematisk. Resultatet från studien är främst tänkt att fungera som ett inspel till en eventuell uppdatering av tjälmodellen men ytterligare en funktion kan vara som underlag för vilka förhållanden som kräver extra uppmärksamhet och noggrannare tjälberäkningar vid vägåtgärder. 1.3 Utförande Projektet innefattar ett antal undersökningsobjekt som väljs ut i samråd med Trafikverket. I ett första skede görs en tjälskadeinventering genom okulär besiktning av alla i projektet ingående sträckor. Detta utförs under våren med syfte att studera uppkomna skador i form av tjälsprickor och ojämnheter. Vidare söks befintlig information om vägen i databaser och arkiv och med den insamlade datan om vägarnas konstruktion utförs dimensionering i PMS 5

13 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Objekt. Därefter utförs en jämförande studie av resultatet från PMS Objekt och resultatet erhållet från tjälskadeinventeringen. 1.4 Avgränsningar Inventeringen omfattar endast tjälsprickor och ojämnheter på beläggningsytan och således har ingen inventering avseende diken eller sidoterräng utförts. Analysen och utvärderingen av de valda observationssträckorna baseras på tillgänglig information om vägkroppens och geologiska förhållanden i omgivningen. 6

14 Tjäle och vägar 2 TJÄLE OCH VÄGAR Följande kapitel innehåller utvald bakgrundsteori som är relevant för examensarbetet. Kapitlet inleds med kortfattade beskrivningar om tjäle och väg samt fortsätter med hur tjälen påverkar vägkonstruktionen och vad de skapar för krav på dimensioneringen av vägen. Avslutningsvis beskrivs beräkningsmodellen för tjäle som används i PMS Objekt. 2.1 Tjäle Tjäle uppstår där kyla, vatten och tjälfarlig jord kan samverka och är därför främst ett problem i de kalla nordliga regionerna i världen. Tjälen leder till skador för olika typer av markkonstruktioner däribland våra vägar. Problemen som uppstår kommer av ojämna tjällyftningar med efterföljande sprickbildning under nedfrysningen samt bärighetsnedsättningar vid upptiningen, den så kallade tjällossningen. Två typer av frusen mark förekommer: säsongsfrusen mark och varaktigt frusen mark s.k. permafrost. Vid säsongsfrusen mark följer det övre lagret av jorden årstiderna med perioder av nedfrysning och upptining, den del av jorden som under vintern har en temperatur under 0 C för att sedan under sommaren tina upp helt igen brukar benämnas det aktiva lagret. I permafrostområden hinner marken aldrig tina upp helt innan det blir kallt igen, endast jorden närmast markytan tinar upp emedan jorden under fortsätter att vara frusen. I permafrostområden utgörs det aktiva lagret av den del av jorden som tinar upp under sommarmånaderna. Det är i det aktiva lagret som tjälproblemen som lyftning, bärighetsnedsättning och sättningar uppstår (Berglund, 2009). 7

15 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Tjälningsprocessen Under tjälning bildas islinser i tjälfarlig jord. Då lufttemperaturen blir lägre än 0 C skapas ett värmeflöde från den varmare markytan som leder till nedfrysning av marken. Den negativa temperaturen i marken gör det möjligt för iskristaller att bildas vilka senare växer ihop till plana islinser vanligen orienterade parallellt markytan. För att islinserna ska bildas krävs markvatten som rör sig uppåt genom jordprofilen mot den frusna zonen. Vid litet värmeflöde kommer tjälfronten stå stilla eftersom all kyleffekt används för att frysa vattnet som kommer underifrån, islinserna kommer då ha möjlighet att växa sig tjocka. Tvärt om vid stort värmeflöde kommer tjälfronten röra sig neråt i marken eftersom den förhöjda kyleffekten kan frysa mer än det uppåtströmmande vattnet och islinserna som bildas blir tunnare. Tjäldjupet kommer därför bero av köldmängden på den specifika platsen men utöver det så påverkar även den aktuella jorden och dess termiska egenskaper (Berglund, 2009). 2.2 En vägkonstruktion består av flera olika delar, innefattande vägkropp, undergrund, diken, slänter och avvattningsanordningar. Vägkroppen delas in i överbyggnad samt eventuell underbyggnad. Gränsen mellan överbyggnaden och undergrunden, eller i förekommande fall underbyggnaden, kallas för terrassyta. För schematisk bild av vägkonstruktion, se Figur 1. Figur 1. Vägkonstruktion i genomskärning (Trafikverket, 2011a) 8

16 Tjäle och vägar Överbyggnaden Överbyggnaden byggs upp i olika lager som vart och ett uppfyller ett syfte i konstruktionen. Överbyggnadens huvudsakliga uppgift är att fördela lasten från vägtrafiken och skydda undergrunden från överbelastning. Det finns olika typer av överbyggnader, vilka kan delas in i två grupper: flexibla respektive styva överbyggnader. I en flexibel överbyggnad är lagren bitumenbundna och/eller obundna och trycket fördelas genom lastspridning från kontaktytan. En styv överbyggnad innehåller minst ett cementbundet lager och fördelar last genom en styv platta. Figur 2 visar en schematisk bild på en grusbitumenöverbyggnad (GBÖ) som är en vanlig flexibel överbyggnad. Den används vanligtvis till små och medelstora vägar (Isacsson, 2004a). GBÖ är uppbyggd av ett bituminöst slitlager som översta lager, ett eventuellt efterföljande bitumenbundet bärlager, därefter ett obundet bärlager, ett förstärkningslager samt ett eventuellt skyddslager (Trafikverket, 2011c) Figur 2. De olika lagren i en grusbitumenöverbyggnad. (Trafikverket, 2011c) Bituminösa beläggningar, de som kallas asfalt, framställs genom blandning av stenmaterial och bituminöst bindemedel. Fördel med bituminösa beläggningar är att det är mer eftergivliga om det uppstår rörelser i undergrunden än vad betong som är ett mycket styvt material är. Ett bitumenbundet slitlager kan ta upp stora laster utan att deformeras samt att de tillåter viss rörelse i undergrunden utan att det spricker. Då slitlagret ofta är det dyraste lagret i vägkroppen görs detta ofta tunt. Slitlagrets funktion är att bilda en jämn och tät yta som ger bra komfort för trafikanter samt skyddar underliggande lager i vägen. Ett tätt slitlager utan sprickor förhindrar vatten från att komma in i underliggande obundna lager och orsaka skada på vägen (Isacsson, 2004a). 9

17 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Bär- och förstärkningslagrets huvudsakliga funktion är att fördela lasterna från trafiken och begränsa deformationer i undergrunden. Bärlager kan delas in i bundet och obundet bärlager. Bärlagret ska precis som namnet antyder bära upp beläggningen samt vara det lager som tar upp och fördelar de största lasterna och därför är det stora krav på kvalitet hos stenmaterialet. Ju längre ner i konstruktionen ett lager ligger så minskar påkänningarna på materialet, därmed tillåts kvaliteten för materialet avta en aning. Till följd av detta behöver förstärkningslagret inte hålla lika hög kvalitet som bärlagret och kan därför ofta väljas efter vad som finns tillgängligt nära den aktuella byggarbetsplatsen. Om vägen belastas av mycket trafik eller utsätts för stora köldmängder kan ytterligare ett lager kallat skyddslager vara nödvändigt. Skyddslagret består ibland av samma material som förstärkningslagret men kan också utföras med sämre kvalitet så länge det består av icke tjälfarlig friktionsjord (Isacsson, 2004a). och skyddslager hör till de obundna lagren i vägkonstruktionen. Eftersom övervägande del av överbyggnaden består av stenmaterial finns en mängd parametrar för karakterisering av stenmaterialets egenskaper. Exempel på dessa är till exempel kornform, ytstruktur och kornstorleksfördelning. Kornstorleksfördelningen till exempel påverkar stabiliteten, dräneringsförmågan och tjälfarligheten hos materialet (Isacsson, 2004a) en Den ursprungliga marken som vägkroppen är anlagd på kallas för undergrund. Den kan bestå av den naturliga marken på ursprunglig nivå alternativt botten i en skärning efter schaktning eller sprängning. I de fall som underbyggnad utförs på undergrunden tillförs jord- och bergmassor för bildandet av vägbankar (Isacsson, 2004a). Arbetena med undergrund och underbyggnad går under den gemensamma benämningen terrasseringsarbeten och innebär att de i huvudsak naturliga jord- och bergmassorna i väglinjen planeras. Det är på den färdiga terrassytan som överbyggnaden sedan uppförs (Trafikverket, 2011c). s- och terrassmaterial Eftersom terrassen huvudsakligen består av materialet som finns i väglinjen så är jordartsförhållandena på platsen av största vikt att känna till för att skapa förutsättningar att kunna ta fram en korrekt dimensionerad överbyggnad. Nedan följer en kort allmän beskrivning av några jordarters egenskaper. 10

18 Tjäle och vägar Lera: Leran är en jordart med hög kapillaritet men uppsugningen av vatten sker mycket långsamt (Sveriges geologiska undersökning, 2012). Lera hör till måttligt tjälfarliga jordar trots mycket stort vatteninnehåll och hög kapillaritet, detta förklaras av att permeabiliteten är väldig låg och därmed sker vattentransporten till tjälfronten mycket sakta. Vid säsongsbunden tjäle hinner inte så mycket islinser bildas innan det börjar tina igen (Trafikverket, 2011b). Organisk jord: Gyttja är en organisk jordart som består av djur- och växtrester som sönderdelats. Jordarten har en hög vattenhållande förmåga och innehåller generellt mycket vatten med låg hållfasthet som följd. Torv är en annan organisk jordart innehållande mycket vatten. Jordarten bildas av förmultnade växtrester. Torvens karaktär beror av förmultningsgrad och vilken typ av växtlighet den är uppbyggd av. Lågförmultnad torv har hög permeabilitet medan högförmultnad har låg permeabilitet (Trafikverket, 2011b). Silt: Silt suger snabbt upp vatten och har stor vattenhållande förmåga. Silt är ett mycket tjälfarligt material då det faller inom kategorin av material som både har stort vatteninnehåll, hög kapillaritet och hög permeabilitet vilka är de farligaste materialen ur tjälsynpunkt. Sand/grus: Sand och grus är så kallade friktionsjordar vilka är lättdränerande jordarter som torkar snabbt. Grovkorniga jordar har hög permeabilitet, men den låga kapillariteten och det låga innehållet av vatten i grovkorniga jordar gör att det inte finns något vatten som kan orsaka stora tjällyftningar (Trafikverket, 2011b). Morän: Morän som är fast och hård kallas pinnmo och är vår vanligaste jordart. Morän består ofta av material från alla kornstorlekar, från små lerpartiklar till stora block. Moräner med stort innehåll av silt är mycket tjälfarliga (Sveriges geotekniska institut, 2012). Indelning i materialtyp och tjälfarlighetsklass Jordarterna delas beroende på sammansättning in i materialtyp 2-7 enligt Tabell 1 nedan. Materialtyp 1 består av berg. I Sverige hänförs materialtyperna till fyra olika tjälfarlighetsklasser med hänsyn till deras tjällyftande egenskaper, se Tabell 2. Klassificeringen i tjälfarlighetsklasser sker utefter kornstorleksfördelningen hos jordarten (Trafikverket, 2011c). 11

19 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Tabell 1. Indelning av jord och berg i materialtyper (Trafikverket, 2011c). 12

20 Tjäle och vägar Tabell 2. Indelning i tjälfarlighetsklasser (Trafikverket, 2011c). 2.3 Nedbrytning av vägar En väg utsätts kontinuerligt för olika sorters nedbrytning vilket leder till skador av varierande slag. De nedbrytande faktorerna kan delas in i: Byggtekniska: Hur vägen konstruerats, till exempel avseende materialval och tjocklekar på lager, material i undergrund, avvattningsanordningar m.m. Klimatberoende: Klimatfaktorer som nederbörd, grundvattennivå och temperatur på den aktuella platsen. Trafikberoende: Belastning av fordon avseende vikt, antal och dess hastighet. Nötning orsakad av dubbdäckstrafik (Isacsson, 2004b). Vidare delas de processer som påverkar vägens nedbrytning in i: 13

21 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Ytligt slitage: Nötning från dubbdäck, åldring av beläggningsytan. Strukturella förändringar: Plastisk deformation i beläggningslagren, bärighetsberoende nedbrytning, tjäl- och markprocesser i undergrunden, otillräcklig dränering Ingrepp i vägkonstruktionen: exempelvis vid uppgrävning av valedningar Skadorna som uppträder på vägytan till följd av denna ständigt pågående nedbrytning är till exempel sprickor, ojämnheter, spårbildning, förändrad beläggningsyta m.m. (Wågberg, 2003). Fortsättningsvis kommer enbart skador som kan hänföras till tjälprocesser behandlas i denna rapport Tjälens påverkan på vägkonstruktionen Tjällyftning Tjällyftningen uppstår främst genom islinsbildningen vilken i sin tur möjliggörs av tre faktorer; temperaturen i jorden, tillgängligt vatten i jorden samt jordens kapillaritet. Islinser bildas enbart i finkornig jord vilken tillåter kapillär vattentransport. Om hela vägkonstruktionen lyfter lika mycket uppkommer av förklarliga skäl inga ojämnheter. Problemet vid tjällyftning uppstår då lyftningen sker ojämnt. Detta skapar förutom allmänna olägenheter med en ojämn vägyta att sprickor och krackelering av ytskiktet kan uppstå vilket bland annat får till följd att det skapas en öppen väg för vatten att ta sig ner i överbyggnaden (Berglund, 2009). Tjällossning Under tjällossningsperioden kommer vatten som förekommit som is i den tidigare frusna jorden att frigöras som smältvatten. Detta leder till risk för höga porvattentryck om vattnet inte snabbt kan dräneras bort. Höga porvattentryck innebär minskad effektivspänning och minskad skjuvhållfasthet i jorden. Problemen som kan uppstå i och med tjällossningen är sättningar som utbildas om vägkonstruktionen utsätts för tung trafik när den är vattenmättad (Berglund, 2009). 14

22 Tjäle och vägar 2.4 Dimensionering av vägar För att vägen ska fylla sin funktion måste dimensionering, anläggning och underhåll ske med utgångspunkt från de trafik- och klimatbelastningar den utsätts för under dimensioneringsperioden. Klimatets påverkan på vägkonstruktionen beror av det geografiska läget för vägen och framförallt för vägar med låga trafikmängder har väder och vind en betydelsefull påverkan (Isacsson, 2004b). I Sverige tas klimatpåverkan till hänsyn vid dimensionering genom att landet är uppdelat i fem klimatzoner med olika längd på klimatperioderna (Trafikverket, 2011c). Indelningen i klimatzoner presenteras i Figur 3, klimatzon 5 är längst. Figur 3. Klimatzonernas indelning (Trafikverket, 2011c) Krav vid dimensionering av vägar Tekniska krav för dimensionering av vägar finns i Trafikverkets dokument TRVK Väg, dokumentet ska användas tillsammans med TRVR Väg som innehåller tekniska råd samt TK Geo som är en teknisk beskrivning innehållande krav och råd för geokonstruktioner. 15

23 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Krav på tjälskydd Kraven som ställs vid vägbyggnad varierar beroende på typ av väg samt om det handlar om nybyggnad eller åtgärder på befintlig väg. Vid bärighetsförbättring av en lågtrafikerad väg gäller följande värden för största tillåtna tjällyftning baserat på vägens referenshastighet, se Tabell 3. Kraven har hämtats ur bilagan till IFS 2008:1 Vägverkets interna föreskrifter om tekniska egenskapskrav vid byggande av vägkonstruktion. Tabell 3. Största tillåtna tjällyftning vid bärighetsförbättring, lågtrafikerad väg Referenshastighet VR (km/h) Tillåten tjällyftning (mm) (klimatzon 3-5) (eller lägre) 320 Överbyggnadens tjocklek med avseende på tjällyftning ska beräknas enligt TRVMB 301. Förutsättningar för dimensionering är att tjälfarlighetsklass hos terrassmaterialet undersöks och bestäms ned till utskiftningsdjupet, d, under vägyta. Vid beräkningar ska säsongen som ger störst tjällyft för en vald VViSstation anses vara dimensionerande. PMS Objekt är likvärdigt med TRVMB 301 (Trafikverket, 2011c). Nedan listas och förklaras de i huvudsak förekommande tjälförebyggande åtgärderna vid vägbyggnad: Beskrivning av tjälförebyggande åtgärder Utskiftning En åtgärd för att förhindra ojämna tjällyft på vägsträckor med varierande tjälegenskaper är materialutskiftning vilket innebär att tjälfarligt material grävs ut och ersätts med annat icke tjälfarligt material. Figur 4 visar utformning av utskiftning i ett tvärsnitt av vägen. Om tjälfarligheten i terrassmaterialet är i 16

24 Tjäle och vägar klass 2-4 ska utskiftningen avslutas med utspetsning av jord i vägens längsriktning, se stycket om utspetsning nedan. Material som används för återfyllning ska bestå av materialtyp 1 eller 2, d.v.s. icke tjällyftande mineraljord (Trafikverket, 2011c). Figur 4. Utformning av utskiftning (Trafikverket, 2011c) Utskiftningsdjupet, d kan beräknas med PMS Objekt alternativt tas från en tabell ur Trafikverkets rådsdokument, TRVR Väg, se Tabell 4. Detta utskiftningsdjup utgår från ett maximalt tjällyft enligt TRVK Väg på 20 mm eller mindre. Enligt TRVR Väg kan värdena som fås vid beräkning i PMS Objekt ibland behöva ökas upp enligt denna tabell då de anses för små, detta är förhållanden som har upptäckts i länen norr om Dalälven. Tabell 4. Utskiftningsdjupet, d (Tabell 3.1-1, TRVR Väg) Isolerad terrass På sträckor med varierande tjälegenskaper är ett annat alternativ för att förhindra ojämna tjällyftningar att utföra isolering av terrass. Isolering kan ske med cellplast eller lättklinker. Figur 5 visar hur isolering med cellplast ska utformas. 17

25 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Figur 5. Utformning av isolering med cellplast (Trafikverket, 2011c). Isoleringen ska sluta minst 1,0 m in på terrass av berg eller jord med tjälfarlighetsklass 1, vid terrass av jord med tjälfarlighetsklass 2-4 och homogena tjälegenskaper ska avslutning ske genom utspetsning av isoleringsmaterial i vägens längsriktning enligt stycket om utspetsning nedan. Vid isolering med cellplast ska en isolerbädd av jord på minst 0,1 m utföras (Trafikverket, 2011c). Utspetsning Vid övergångar mellan terrasser av olika tjälfarlighetsklasser används utspetsning för klimatzonerna 2-5. Utspetsning utförs med icke tjällyftande mineraljord, materialtyp 1 eller 2 samt påbörjas och avslutas vinkelrätt vägens längsriktning. Utspetsningens maximala djup ska vara lika med utskiftningsdjupet, d, och med samma bredd som för utskiftning, se Figur 4. Spetslängden ska vara 16 m i jorden med högre tjälfarlighetsklass respektive 8 m i jorden med lägre tjälfarlighetsklass, se Figur 6 (Trafikverket, 2011c). Figur 6. Utformning av utspetsning (Trafikverket, 2011c) 18

26 Tjäle och vägar Sten- och blockrensad terrass Om tjällyftningarna i huvudsak beror av uppfrysande stenar och block ska terrassen rensas på stenar och block av volymen 0,1-2,0 m 3. Rensning sker ned till utskiftningsdjupet, d, för materialtyperna 3-5 (Trafikverket, 2011c). Tjälskydd av trumma Även trummor och andra ledningar som grundläggs på tjälfarlig jord måste utformas så att tjällyftningar inte skadar konstruktionerna. Tjälskydd av trummor samt utspetsning ska utföras genom termisk isolering eller utskiftning av den tjälfarliga jorden mot icke tjälfarlig jord, materialtyp 1 eller 2. Utspetsning för trummor är nödvändigt om erforderligt utskiftningsdjup, d, hamnar inom röret eller djupare (Trafikverket, 2011c) Dimensionering av vägar med PMS Objekt PMS Objekt är ett datorbaserat hjälpmedel utvecklat för dimensionering av vägar enligt ATB VÄG. Enligt manualen för PMS Objekt används programmet för följande beräkningar: Trafikberäkning: Beräkning av ekvivalent antal standardaxlar som vägen kommer att trafikeras av under dimensioneringsperioden. Bärighetsberäkning: För att kontrollera att vägkonstruktionen klarar förväntad trafik under dimensioneringsperioden. Tjälberäkning: Beräkning för att kontrollera om det teoretiska tjällyftet är mindre än kravet baserat på referenshastighet och ojämna tjällyft Tjälberäkningsmodellen i PMS Objekt Tjälmodellen i PMS Objekt beräknar tjälnedträngningen och teoretiskt tjällyft för den konstruktion som anges. För värmeflödesberäkning används klassiska värmeledningsekvationer för att beräkna det vertikala värmeflödet genom en jordprofil, emedan horisontalplanet antas ha konstanta förhållanden. Modellen delar in vägkonstruktionen i celler för vilka värmeledning och tjällyftningshastighet bestäms i varje ögonblick. Cellerna närmast ytan är 19

27 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten vanligen tunnare än cellerna längre ner precis som de olika lagrenas tjocklek ofta är tunnare högre upp i konstruktionen. För varje simulerad timme beräknas temperaturen i varje cell flera gånger och varje ny beräkning tar hänsyn till temperaturer i omgivande celler samt värmeledningsförmågan i aktuellt skikt. Då tjälen når ner till tjälfarligt material initieras lyftningen. Vattnet vid tjälfronten antas frysa vid 0 grader. I tjälfarliga material bildas då ett porvattenundertryck som för att jämna ut trycket suger till sig närliggande vatten underifrån, därmed kommer det att bildas is utanför porerna i form av linser. Genom värmeflödesberäkningen beräknas den rådande kyleffekten, vid liten kyleffekt fryser enbart det uppåtströmmande vattnet och därmed står tjälfronten stilla med tjock islinsbildning och lyftning av markytan som följd. Vid högre kyleffekt fryser även porvattnet och då kommer tjälgränsen att röra sig nedåt i profilen med tunnare islinser som följd. I modellen har lyftningen högre prioritet än tjälnedträngningen och kyleffekten används därför först till lyftningen och kommer endast vid högre effekter orsaka djupare tjäle. Vid negativ kyleffekt börjar det frusna materialet tina från både vägytan och från tjälgränsen (Trafikverket, 2011b). Indata För tjälberäkningen använder programmet klassiska värmeledningsekvationer tillsammans med jordmaterialens vattenflödes- och fuktvandringsegenskaper. Beräkningsresultatet ges i form av förväntad tjällyftning för konstruktionen under givna klimatdata. Indata för att PMS ska kunna utföra beräkning av tjällyftning är materialegenskaper och tjocklekar för ingående lager i vägkonstruktionen samt klimatförhållandena för det aktuella avsnittet (Trafikverket, 2011b). Materialegenskaper Parametrarna för materialegenskaper hos överbyggnadsmaterial och undergrundsmaterial är av största betydelse för att beräkningsmodellen ska komma med tillförlitliga resultat. Dessa parametrar är vattenhalt, torrdensitet, porositet, vattenmättnadsgrad, tjälfarlighetsklass och maximal lyftningshastighet samt den ofrusna och frusna värmeledningsförmågan hos materialet. Dessa parametrar med föreslagna värden finns tabellerade för ett antal vanliga vägbyggnadsmaterial i ATB Väg och finns även inprogrammerade i PMS Objekts databas. Dessa förinställda värden bör betraktas som riktvärden som vid behov och underlag kan justeras. 20

28 Tjäle och vägar Lagertjocklekar Tjockleken hos varje lager i konstruktionen måste vara känd för att beräkning av tjällyft ska kunna ske. Ökade lagertjocklekar i överbyggnaden medför minskade lyft för konstruktionen om terrassen består av tjälfarligt material. Klimatdata Som indata till värmeflödesberäkningen innehåller PMS Objekt klimatfiler med uppmätta timvärden för vägytans temperatur. Temperaturerna har mätts upp från så kallade VViS (Vägväderinformationssystem) stationer (Trafikverket, 2011b). Förutom vägytans temperatur mäts också lufttemperatur, luftfuktighet, nederbörd samt vindens hastighet och riktning dygnet runt av dessa stationer. Det finns ungefär 775 VViS stationer utspridda längs allmänna vägar i hela landet, ca en tredjedel av dessa är försedda med kameror som fotograferar väglaget och en del av dem har särskilda tjäldjupsmätare (Trafikverket, 2012). PMS Objekt innehåller en temperaturfil från varje VViS station som ska representera en lämplig vinter vid den stationen, vanligtvis 20 års vintern. Dock innehåller många stationer inte mätdata från 20 vintrar ännu och därav är det viktigt att beakta mängden dataunderlag som finns för den aktuella stationen. Vid nyare stationer där dataunderlaget är tunt blir den givna dimensionerande vintern ofta felaktig, då kan det vara aktuellt att istället välja en närliggande station som innehar mätvärden från fler (Trafikverket, 2011b). 21

29 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten 3 METOD I detta kapitel beskrivs hur examensarbetet har genomförts, detta innefattar val av objekt, utförande vid inventering, hur insamling och bearbetning av data skett, tillvägagångsätt vid dimensionering samt hur resultat presenteras och används. 3.1 Val av objekt Ett antal lämpliga vägobjekt valdes ut för studien i samråd med Trafikverket. Objekten är alla lågtrafikerade vägar belägna i Norrbottens län och ligger inom samma klimatzon. Urvalet av sträckor gjordes på basis av att olika materialtyper och tjälfarlighetsklasser för terrassen skulle finnas representerade i studien samt att det förflutit några år från senaste åtgärd. De objekt som valdes ut för studien presenteras i Tabell 5. Under arbetets gång visade det sig dock att handlingarna för vissa av dessa objekt inte gick att få fram eller att de erhållna handlingarna var allt för knapphändiga för att kunna användas, därav fick de tre sist angivna objekten i tabellen uteslutas och endast de fem översta objekten har ingått i studien. Lokaliseringen av de fem kvarvarande objekten framgår av kartan i Figur 7. där vägsträckorna målats ut i olika färger. 22

30 Metod Tabell 5. Objekten som valdes ut för studien Väg Objektets namn Start Slut Längd (m) Belag d bredd (m) Hastighet (km/h) Klimat zon Senast e åtgärd 579 Klubben- 0/1 4/595 4/ vägen 545 Koler- 0/450 6/884 6/ Kutaliden 543 Kolerträsk- 0/4 2/982 2/ Koler 563 Arnemark- 1/387 16/473 15/ Sjulsmark 563 Sjulsmark- 16/473 31/315 14/ Ersnäs 835 Jockfall- 5/851 20/451 14/ Gustavsberg Figur 7. Objektens geografiska placering, karta hämtad från Eniro.se 23

31 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten 3.2 Tillståndsbeskrivning Med avsikt att tillståndsbeskriva de utvalda objekten avseende och skadebild, har först en tjälskadeinventering utförts, vilken har följts av ett omfattande arbete med insamling och bearbetning av befintlig information om vägobjekten Tjälskadeinventering Tjälskadeinventeringen utfördes under maj månad 2012 och syftade till att klargöra hur vägarna ser ut idag beträffande tjälsprickor och ojämnheter. Före de egna objekten inventerades fick författaren möjlighet att medverka vid en tjälskadeinventering genomförd av en erfaren konsult. Konsultens inventeringsutrustning innefattande fordonsmonterande kameror och PCbaserade inventeringsprogram skiljde sig dock från författarens något enklare inventeringshjälpmedel. För den egna inventeringen lånades en av Trafikverkets bilar utrustad med digital trippmätare för längdmätning. Den digitala trippmätaren har en inventeringsupplösning av en meter och inför varje inventeringsdag kalibrerades denna på en av Trafikverket uppmätt kalibreringssträcka vid F21 i Luleå. Övriga hjälpmedel som användes var laptop med ett förberett excelark för protokollföring, digitalkamera och tumstock. Inventeringsförfarandet bestod i att vardera objekt kördes över en gång och genom okulär bedömning noterades tjälrelaterade sprickor och ojämnheter i det medhavda protokollet. Fotografering av förekommande tjälskador skedde med jämna mellanrum för att utgöra underlag till resultatredovisningen. Tillvägagångsättet för den okulära bedömningen följer den rekommenderade i handboken Bära eller brista. Bära eller brista är utarbetad för att frambringa ett mer enhetligt bedömningssätt vid okulära bedömningar, eftersom det är en bedömningsmetod som baseras på subjektiva bedömningar. Handboken är utformad som en skadekatalog och anger hur klassificering i svårighetsgrader och utbredning av skador kan göras. Klassificering av tjälsprickor Tjälrelaterade sprickor kan vara orienterade hur som helst men tenderar att ha en utsträckning längs med vägen, antingen parallellt eller diagonalt. Sprickorna uppträder ofta i kanterna av smalare vägar med bredd mellan 5-6 m och i 24

32 Metod mitten på vägar med bredd 7-9 m (Wågberg 2003). Figur 8 visar utseendet hos en typisk tjälspricka. Figur 8. Tjälsprickor på väg, väg 571 Bära eller brista delar in tjälsprickor i tre svårighetsgrader enligt Tabell 6 nedan: Tabell 6. Tjälsprickors indelning i svårighetsgrader enligt Bära eller Brista Svårighetsgrad Klass 1 Klass 2 Klass 3 Bedömningskriterier Sprickor mindre än 5 mm. Inget material har lossnat och ingen förekomst av sidosprickor. Sprickor mellan 5 mm och 15 mm. Material kan ha lossnat från sprickans kanter. Sprickor bredare än 15 mm. Material har lossnat från sprickans kanter. Sidosprickor och krackeleringar kan förekomma. 25

33 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Utbredningen för förekommande tjälsprickor anges per längdmeter väg enligt Tabell 7 nedan: Tabell 7. Klassificering av tjälskadors utbredning enligt Bära eller brista Utbredning Lokal Måttlig Generell Förekomst Förekommer på mindre än 20 % av vägavsnittets längd Förekommer på % av vägavsnittets längd Förekommer på mer än 50 % av vägavsnittets längd Med vägavsnitt avses här homogent uppbyggda sträckor längs vägen, dvs. ett avsnitt består av samma åtgärdsmetod och samma materialtyp i undergrund längs hela avsnittet. Vid inventeringen av tjälsprickor noterades svårighetsgrad, läge i längsled med start- och slutpunkt samt sprickans placering på vägen i protokollet. I händelse av sprickor med olika svårighetsgrader har den högst förekommande svårighetsgraden för aktuell spricka registrerats. Klassificering av tjälrelaterade ojämnheter Ojämnheter relaterade till tjäle beror på ojämna tjällyftningar. Vid korsande trummor syns ofta ojämna tjällyftningar så kallade trumslag. Ett annat vanligt fenomen orsakat av tjäle är uppfrysande stenblock. Dessa uppträder om det i tjälfarlig jord förekommer stenar och block som förflyttas uppåt med tjällyftningen och efter ett antal vintrar når vägytan (Wågberg, 2003). Nedan ses bilder på ojämnheter orsakade av tjäle i Figur 9 och Figur 10. Figur 9. Trumslag på väg, väg

34 Metod Figur 10. Ojämnheter orsakade av uppfrysande block, väg 543 Även ojämnheter delas in i tre svårighetsgrader enligt Bära eller brista men här är dock reglerna mer oklara för hur de ska beskrivas vilket därmed öppnar upp för mer subjektiva bedömningar, se Tabell 8 nedan: Tabell 8. Indelning av ojämnheter i svårighetsgrad enligt Bära eller brista Svårighetsgrad Klass 1 Bedömningskriterier Ojämnheter som bedöms påverka körkomforten i ringa grad. Klass 2 Ojämnheter som bedöms påverka körkomforten negativt. Nedsatt framkomlighet och risk för skador på gods och fordon föreligger. Klass 3 Ojämnheter som bedöms påverka körkomforten mycket negativt. Nedsatt framkomlighet och risk för skador på gods och fordon föreligger. Utbredningen för ojämnheter klassificeras på samma sätt som utbredning av tjälsprickor, se Tabell 7 i föregående avsnitt. 27

35 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten Under inventeringen av objekten registrerades ojämnheter som punktojämnheter i de fall de rörde sig om trumslag eller blockupptryckningar och i annat fall med start och slutpunkt. Svårighetsgraden bedömdes enligt ovan men i väldigt låg hastighet vilket kan ha påverkat bedömningen Insamling av projektspecifik data Nästa steg av betydelse i studien var att ta reda på hur dessa vägar som inventerats är uppbyggda, detta moment bestod av insamling av befintligt material som: Bygghandlingar/relationsritningar: ger information om vägens konstruktion, förstärkningsår och typ av åtgärd, utförda byggkontroller m.m Utförda geotekniska undersökningar, jordartskartor och eventuella georadarmätningar eller fallviktsmätningar: ger information om undergrundsförhållanden efter vägen, lagertjocklekar och material i vägen. Vägtillståndsdata: Exempelvis vägytemätningar för att studera IRI tillväxt och skillnader i IRI-värden på vinter- och sommarmätningar. Dimensioneringsdata: Historiska data från VViS-stationer och trafikdata. Information har fåtts fram i varierande grad för de olika objekten varav följande informationskällor har använts: Trafikverkets arkivcenter: Trafikverkets centrala arkiv i Mölndal har varit behjälpliga med att ta fram bygghandlingar. I varierande grad erhölls också underlag från geotekniska undersökningar, materialprovtagningar m.m. för några av objekten. Kopior på originalhandlingar mottogs via e-post. PMS-databas: Från Trafikverkets interna PMS-databas kan beläggningshistorik och resultat från vägytemätningar tas fram. För detta projekt var vägytemätningar i form av IRI-värden av intresse att studera, detta för att se hur dessa varierar under sommar och vinter samt från år till år. IRI är ett mått på vägens längsojämnhet. SGU: I de fall ett objekt saknat geotekniska undersökningar har SGUs hemsida kunnat nyttjas för att ta fram jordartskartor över området för skattning av terrassens egenskaper. 28

36 5/3 5/0 5/ 5/4 5/460 5/4 5/500 5/520 5/5 5/560 5/5 5/600 5/620 5/6 5/660 Metod Trafikverkets hemsida: Trafikverket tillhandahåller vägtrafik och hastighetsdata för statliga vägar via sin hemsida, här har en trafikflödeskarta kunnat användas för att ta fram ÅDT för vägarna. Via hemsidan går det också att komma åt den nationella vägdatabasen (NVDB) vilken innehåller en mängd grundläggande vägdata. Personliga kontakter: Projektledare för objekten eller projekterande konsult har i vissa fall kunnat ta fram handlingar eller svara på frågor om objekten Bearbetning av data Då omfattning och kvalité på erhållen insamlad data varit av varierande grad har det medfört att sammanställningen av data har gjorts efter förutsättningarna för varje objekt. För sammanställning av insamlad befintlig information och resultat från tjälinventeringen har kalkylprogrammet Excel uteslutande använts. Tjälskadornas förekomst och placering på vägen har tillsammans med en av vägen och jordartsvariationer längs vägen sammanställts för att överskådligt visa hur förhållandena varierar med längdmätningen, se exempel i Figur 11. För redovisning av tjälskadornas svårighetsgrad har gul färg använts för klass 1, orange färg för klass 2 och röd färg för klass 3. Denna sammanställning har sedan använts som dimensioneringsunderlag till PMS Objekt. Väg 563 Arnemark- Sjulsmark 460 (11 %) km/h Bundet bärlager 824 Morän Silt 3B / 2 -- lagning 5A / 4 Figur 11. Sammanställning av data I avsnitten med utskiftningar har en utspetsningslängd på 20 m i båda riktningar i vägens längdled tagits med och ritats ut som fullt utskiftningsdjup, 29

37 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten men i själva verket har utspetsningen en kontinuerligt avtagande tjocklek, se skissen i Figur 12. Skissen är ej skalenlig. Figur 12. Ej skalenlig skiss på utformningen av utskiftning och utspetsning i vägens längdriktning. 3.3 Dimensionering i PMS Objekt Med kännedom om de olika objektens åtgärdskonstruktioner, dvs. hur vägarna är byggda enligt handlingarna har PMS Objekt använts för dimensionering avseende tjäle. Som första steg delades varje objekt in i olika avsnitt, i homogena delsträckor för vilka överbyggnad och undergrund är den samma för hela avsnittets längd, varefter dimensionering utförts för varje avsnitt. För de kortare objekten efter väg 579, väg 543 och väg 545 utfördes dimensioneringen för hela objektets längd medan endast problemområden och tjälåtgärdspartier analyseras för de två objekten längs väg 563. Nedan följer beräkningsgången i programmet. I ett första steg i PMS Objekt anges avsnittsegenskaper vilka innefattar klimatzon, län, referenshastighet, skadegrad och överbyggnadens dräneringsgrad. Här väljs också om det handlar om nybyggnad eller en förstärkningsåtgärd. I detta projekt har i huvudsak förstärkningsmodulen använts förutom i de fall där åtgärden av vägen innefattat en ny vägsträckning varav nybyggnadsmodulen istället använts. Skadegrad och överbyggnadens dräneringsgrad har för alla objekten satts till 5 respektive 2. Resonemanget för antagandet är att detta är vägar som har åtgärdats, en skadegrad mellan 1-4 leder sällan till åtgärd eftersom vägen då inte anses tillräckligt skadad. Dräneringsgraden 2 antas föreligga eftersom vägen då inte har en fullgod dränering men heller inte saknar dränering. I steg två utförs trafikberäkning. Här utförs inga historiska beräkningar för passerad trafik eftersom ingen återstående livsläng hos beläggningen behöver 30

38 Metod beräknas. Beräkning av ekvivalent antal standardaxlar utförs men kommer inte påverka beräkningen eftersom det i detta fall enbart utförs tjälberäkningar på en given konstruktion och ingen hänsyn tas till bärighetsberäkningen. I nästa steg anges den befintliga konstruktionen, vilken är den ursprungliga konstruktionen före åtgärden. I de fall där provtagning av befintlig överbyggnad före åtgärd funnits att tillgå har dessa använts för att definiera olika lager och i annat fall har en generellt antagen överbyggnad använts. Den generellt antagna överbyggnaden har antagits bestå av 5 cm bitumenbundet slit och bärlager, 10 cm obundet bärlager samt 30 cm förstärkningslager av sandigt material. smaterialet har i förekommande fall tagits från geotekniska undersökningar och där sådana ej funnits att tillgå har det skattats från av SGU erhållna jordartskartor. Härefter anges åtgärden. Åtgärden har i detta projekt tagits direkt ur bygghandlingarna. Först anges vilka lager eller delar av lager från den befintliga konstruktionen som är kvar, därefter tillförs de nya lagren i åtgärdskonstruktionen. Den befintliga beläggningen antas schaktas eller fräsas bort då inget annat anges i handlingarna, exempelvis infräsning av befintlig beläggning. Infräsning av befintlig beläggning i ett äldre bärlager antas ge ett bärlager med egenskaper motsvarande ett nytt bärlager. Avslutande steget är att utföra tjälberäkningen för det aktuella avsnittet (i detta projekt tas ingen hänsyn till bärighetsberäkningen). Här väljs först den VViS station som är mest representativ för vägsträckan. Programmet hämtar då klimatvärden för den dimensionerande vintern men möjlighet finns att utföra beräkningar även för andra vintrar som innehar mätvärden. Ur beräkningen fås det dimensionerade avsnittets tjällyft samt hur djupt tjälen når i aktuell konstruktion. Utskiftningsdjupet beror av största tillåtna tjällyftet baserat på referenshastighet, ett större tillåtet tjällyft leder naturligtvis till mindre utskiftningsdjup. För att ha något att jämföra djupen på utförda utskiftningar med gjordes också beräkningar för att ta fram nödvändigt utskiftningsdjup relaterat till tillåtet tjällyft för de olika terrasserna på respektive väg. Dessa beräkningar gjordes genom att vägarnas överbyggnad med dess givna tjocklekar på beläggning, bärlager och förstärkningslager användes och endast tjockleken på skyddslager varierades. Generellt genom hela beräkningsprocessen i PMS Objekt har uteslutande de i programmet fördefinierade materialen och materialegenskaperna använts för 31

39 Uppföljning av tjälåtgärder på lågtrafikerat vägnät i Norrbotten beräkningarna eftersom inga noggrannare materialundersökningar funnits att tillgå. Den version av PMS Objekt som använts är vilken innehar klimatvärden fram till år Då författaren funnit det intressant att även studera hur klimatet sett ut efter år 2006 fram till idag har VViS databasen med mätvärden fram till 2012 erhållits separat från Trafikverket. I den separata VViS databasen anges dock samma säsonger som dimensionerande även för den nya versionen, version 5.0.1, av PMS Objekt. De VViS stationer som ingått i beräkningar för detta projekt redovisas i Tabell 9. Tabell 9. Använda VViS stationer Namn Stationsnr Antal mätsäsonger Dim. säsong Övrigt Ersnäs /03 Klöverträsk /02 Ganska öppet, höjdläge vid mindre sjö, nederbörd- och halkzon. Väg 94. Önusberget /01 Väg 373 Lauker /04 Väg 94 Stationerna har valts ut efter sin geografiska placering, där Ersnäs station har använts vid beräkningarna för väg 579 och väg 563. För sträckan Arnemark- Sjulsmark på väg 563 gjordes även beräkningar med Klöverträsk station för jämförelse. Vid väg 545 och 543 finns ingen VViS station placerad direkt i närheten så här valdes de tre närmast placerade stationerna, Klöverträsk, Önusberget och Lauker ut. Vilken som är mest representativ är inte helt lätt att avgöra så beräkningar gjordes för alla tre och för att inte underskatta tjälproblemen valdes den som gav värsta fallet ut. 3.4 Resultatpresentation Redovisning av beräkningsresultaten för aktuell konstruktion sker med en grafiskt modell enligt Figur 13. Här redovisas beräknat tjällyft för aktuell konstruktion med röd dragen linje där den rosa skuggade delen bakom visar det tillåtna tjällyftet baserat på skyltad hastighet enligt Trafikverkets IFS. Det beräknade tjäldjupet för aktuell konstruktion redovisas med blå dragen linje. I diagrammet redovisas också avsnittens längd, tjocklek på överbyggnad och i förekommande fall utskiftat djup, typ av terrass samt tjälskadornas omfattning 32

40 Metod i procent av avsnittets längd. Tjälskadeklasserna är precis som tidigare representerade av olika färger där Tjälskadeklass 1 har gul färg, tjälskadeklass 2 orange färg och tjälskadeklass 3 röd färg. Om flera tjälskadeklasser förekommer inom ett avsnitt redovisas även den totala tjälskadeomfattningen med vit stapel. Punktojämnheter har noterats med kryss i de avsnitt de förekommer. Beräkningarna av tjällyft vs utskiftningsdjup presenteras i diagramform. Figur 13. Beräkningsresultat befintlig konstruktion 33