fy" htrafile id,i ag:ac ra I å Pa: Linköping. Tel Telex VTISGIS m Statens väg- och trafikinstitut VZfnotat

Transkript

1 VZfnotat Nummer: V 45 Datum: Titel: Beräkning av tjälisolerande effekten hos alternativa överbyggnadskonstruktioner - Författare: Rune Gandahl Avdelning: Vägavdelningen (Vägkonstruktionssektionen) Projektnummer: _ Projektnamn: Beräkning av tjällyftning vid tjälisolerande överbyggnader Uppdragsgivare: Vägverket Distribution: fri / begränsad / m Statens väg- och trafikinstitut fy" htrafile id,i ag:ac ra I å Pa: Linköping. Tel Telex VTISGIS IStltlltet Besök: Olaus Magnus väg 37 Linköping

2 FÖRORD Vid VTI har framtagits en beräkningsmetod för att bestämma tjällyftningens storlek för alternativa överbyggnadskonstruktioner med samma klimatiska läge och undergrundstyp. Metoden är under intrimning och föreliggande VTI-notat är en blänkare om metodens möjligheter. Här redovisade beräkningsresultat har utförts med bidrag från Vägverket. Linköping i oktober 1987 Rune Gandahl

3 Beräkning av tjälisolerande effekten hos alternativa överbyggnadskonstruktioner av Rune Gandahl Tjälisolering är en metod att mildra eller förhindra tjälens skadliga verkningar i vägar. Man inför 1 överbyggnaden ett lager som antingen består av frysmotståndsmaterial eller av värmeisolerande material. Ett frysmotståndsmaterial är tjälisolerande på grund av sitt stora vatteninnehåll, som gör att det erfordras stora "köldmängder" för genomfrysning. Det värmeisolerande materialet erbjuder direkt motstånd mot värmeströmningen mellan väg och undergrund. I bägge fallen blir följden en reducerad eller eliminerad tjälning i den tjälfarliga undergrunden. Konventionella material såsom sand och grus etc verkar både som frysmotståndsmaterial och värmeisolerande material och i större tjocklekar har de tjälisolerande verkan även om de inte direkt kan karakteriseras som tjälisolerande material. Ej tjälisolerad överbyggnad kan för en viss antagen köldmängd (definition av köldmängd se Fellenius-Rengmark /l/) dimensioneras så att den ger ett hundraprocentigt tjälskydd, dvs så att den fullständigt hindrar tjälning i den tjälfarliga undergrunden. Man kan säga att överbyggnaden vid den aktuella köldmängden uppnår sin köldmagasinerande kapacitet. R Gandahl har systematiskt bestämts den köldmagasinerande kapaciteten för ett antal typer av överbyggnadskonstruktioner. Se R Gandahl /2/. Metodiken för beräkning av köldmagasinerande kapaciteten är den som 5 Skaven-Haug sammanställt /3/. Figurl visar beräkningsresultatet för tre stycken skilda överbyggnadstyper, nämligen grus-sandöverbyggnad samt överbyggnader med de värmeisolerande materialen lättklinker och styrencellplast. Beräkningarna är utförda för en medelköldmängd av 1000 dygnsgrader, som samtidigt antagits vara den di-o mensionerande. Beräkningsresultaten kommer att skilja sig från de presenterade om andra medelköldmängder väljes. Huvudorsaken till detta är att sommarvärmemagasinet, som under vintern bromsar tjälningen, varierar omvänt mot köldmängden. Sommarvärmemagasinet in-

4 går i beräkningarna som en temperaturgradient för värmeströmningen underifrån. Köldmöngd C-dygn Freezing index C-days A :0,1 kcal/rn 'Ch Bit bel. Bitsurfoc:,,' 2000 Grus Grovel 54-' -' 9"* / 1900_ Sand Sand '_ :-_ :;.E f -, Isolernwg ' Insuldtion 1700' ' / W 1600"* I I I I / /,I 1400-,I / Ã :0,2 I ' ' I // z' = / I :070) / 00- Fdim :1000 'C-doys 4' _/ 1000 I /.'/ 900- / 800d, / 700- I /'. / // 600 'I Å:0,5 / a' ' l// / / -i / ' / I /4 _.r/. r o/ //l, / -/ / / / a 300' " l / 200-/' 100 " T I I T r I. _ cm _ cm ' cm lsolenngens tjocklek, cm Thlckness of nnsulcmon, cm Grussondlogrets tjocklek, cm Thlckness of sand ond grovel,cm Figurl Sammanställning av köldmagasinerande kapaciteten hos några olika typer av överbyggnader, som funktion av överbyggnadstjocklek resp isolertjocklek. I figur 2 visas hur isolertjockleken vid köldmängden 1000 dygnsgrader varierar med de dimensionerande köldmängderna (= medelköldmängderna) på 600, 1000 och 1200 dygnsgrader för en cellplastisolerad överbyggnad. Man avläser i samma ordning de erforderliga isolertjocklekarna 4,8, 5,3 och 6,8 cm. Detta innebär att för en och samma köldm'a'ngd i ett sydligt läge erfordras tunnare lager än i nordliga lägen för att den köldmagasinerande kapaciteten skall ha uppnåtts.

5 Köldmcingd 'C dygn Freezrng index 'C'dygn ngm = 600 C dygn A / C'dClyS / "I H u- 900 "* 800 " Grus Grove! 25 cm 700. Isolering lnsulation. I / Sand Sand.. '0.1,., 30 cm / 500 r T I I I I = lnsolenngens tjocklek, cm Thickness of msulatxon, cm Figur 2 Köldmagasinerande kapaciteten hos en cellplastisolerad överbyggnad för olika dimensionerande köldmängder som funktion av isolertjockleken. Vid bestämning av den köldmagasinerande kapaciteten hos en vägöverbyggnad utgår man från ortens köldmängd. Hur denna fördelar sig över landet framgår av kartan i figur 3. Som synes varierar medelköldmängden från 100 till 1900 dygnsgradenfrån söder till norr. Nu visar kartan emellertid endast medelköldmängderna. Aktuella vintrars köldmängder kommer att sprida sig kring detta medelvärde, så som framgår av diagrammet i figur 4.

6 .- 4 a 4 no X V _q-. 1/ 5 1,1* L, A1 im» '<' :I-».-,syr,1..L..»-' _r- _. --. I I 1 MEDELKOLDMÅNGQ 1901/ / 76 in 'IP 3, 'EGreenw 1'2' 1 14, ;N L 4 Ö 16' 15' 20' 1 Figur3 Kurvor avseende medelköldmängd angiven i (neg) dygnsgrader (doc). (Efter SMHI).!

7 2500 0,, 1 10 / E / 'é 30 / O 1 ' E / 50-/ / v. 70'/ 1500 Us /, 1/ t U' 2 'U.2 / 1000 år' / "mi C 500 / / i 7 'o 2' ( 3\ E n / Medelköldmöngdfüd ' Figur 1; Sammansatt diagram visande köldmängdspridningen kring medelköldmängden. Ur diagrammet kan man för varje vald medelköldmängd avläsa den köldmängd, som uppnås under en viss procentdel av vintrarna. Vid medelköldmängden (100-%- kurvan) 1000 C.dygn är således den minsta köldmängd, som kan inträffa 300 C.dygn och den största lsoooc.dygn (0-%- kurvan). Man kan ur figuren utläsa hur st0r köldmängd, som återstår, sedan en överbyggnad genomtjälats efter det dess köldmagasinerande kapacitet uppnåtts. Antag att den köldmagasinerande kapaciteten är 1000 dygnsgrader motsvarande medelköldmängden på orten. Enligt diagrammet är exempelvis den köldmängd, som uppnås var 10:e vinter ca 1500 dygnsgrader, dvs 500 dygnsgrader är tillgängliga för tjälning i undergrunden. Enligt den statistik över tjällyftning och köldmängd som bearbetats av R Gandahl /4/, skulle ett sådant köldmängdsvärde betyda en tjällyftning på 10 cm när 50 dygnsgrader ger lcm tjällyftning. För översiktlig

8 uppskattning av tjällyftningen efter genomtjälning är förfarandet acceptabelt. Vill man göra en strängare utvärdering och en jämförelse mellan olika överbyggnadstyper i olika delar av landet finns numera en metod för beräkning av tjällyftningen som framtagits av S Fredén /5/. Beräkningsmetoden har möjliggjorts genom att man kunnat få tillgång till siffervärden på ett par viktiga tjällyftningsparametrar som bestämts i en frysförsöksapparatur, som är beskriven av L Stenberg /6/. För att exemplifiera den praktiska möjligheten att utnyttja beräkningsmetodiken har tjällyftningen beräknats för några överbyggnadstyper, se figur 5, överbyggnad A-D. Tjällyftningen är avsatt som funktion av tjockleken hos vissa lager, i falla med grus-sanduppbyggnad = den totala överbyggnaden och de övriga överbyggnadsexemplen av tjockleken av de isolerande lagren av bark, lättklinker och styrencellplast. Vintern har antagits motsvara en normalvinter med medelköldmängden 1000 dygnsgrader. I övrigt har använts standardvärden' på materialegenskaperna, som vattenhalt, värmeledningsförmåga etc. Resultatet av beräkningarna framgår av figur 6. Man kan ur figuren avläsa de erforderliga tjocklekarna för att tjällyftningen skall gå upp till högst ett visst valt värde. Som exempel tas tjällyftningsvärdet 3 cm. För att tjällyftningen skall uppgå till högst detta värde under den antagna normalvintern på 1000 dygnsgrader gäller tjocklekarna, för grus-sandöverbyggnaden (A) 145 cm, för barkuppbyggnaden barklagertjockleken 38 cm, för lättklinkeruppbyggnaden lättklinkertjockleken 17 cm och för uppbyggnaden med styrencellplast en tjocklek hos cellplastlagret på 3 cm.

9 ÖVERBYGGNADSTJOCKLEK lrelatlvt) v10 OLIKA TJALSKYDDSMETODER THlCKNESS OF BASE SlFlELATlVELY) BY DIFFERENT FROST PROTECTION METHOD Grus-sand Grovel Sand Lallkllnker Lughl weight aggregoles Cellplast Plosllc loom Grusrned lottkunker Grovel Wltâh llélçt weight aggregotes ' i u i ' '. KonvenhoneH Överbyggnod Convenlmnol base _.40-5Å-..4.A.. *0.5 O i 0 i 0 O O O O O O O // =// :// : //=// =//: 1.0 O 0 o c. 4 L'1.5 9 O O c a n -2.0m Figur 5 Överbyggnadstjocklek (relativt) vid olika tjälskyddsmetoder.

10 Tjallyftmng Cm Lugertjocklek vid 20 1 Köldm'dngd 1000 'c- dygn tjöllyftning 0 cm 3 cm A: grus 200 cm 145 cm 16'" A 8: burk 50 cm 38 cm C = löttklinker 40 cm 17 cm ' D = cellplast 6 cm 3 cm 3) å r I 1 7 r 1 1 I Figur 6 Beräknade värden på tjällyftningen vid olika tjocklekar hos lager i konstruktionerna enligt figur 5. Vid beräkningarna har använts vissa valda standardvärden på materialegenskaperna. Efter 5 Fredén. 200 Tjocklek,cm Beräkningarna ovan är utförda för en hel vinter, normalvintern med 1000 dygnsgrader. Om vintern blir kallare kommer samtliga tjällyftningsvärden att öka, men ej helt i samma takt. I figur 7 presenteras resultat från beräkningar, där tja'llyftningsökningen satts som funktion av den ökande köldmängden under vintern. Beräkningarna har i detta fall skett med utgångspunkt från en köldmagasinerade kapacitet motsvarande medelköldmängden 600 dygnsgrader. Vid utgångspunkten har alltså ingen tjällyftning skett. Den inträder först då den köldmagasinerande kapaciteten överskrides. Kurvorna i figur 7 beskriver alltså tjällyftningsförloppet efter denna tidpunkt.

11 Tjallyftnmg cm 20- Tj'cillyftning vid Tj'cillyftningskvot SVC-dygn C dygn/cm * A.-. grus 7, B = bark 10,6 80 C = lattkllnker 3,4 250 ' D = cellplast 5,8 147 / 12<, / _ / / B 8 d / _ D /.. // /7 I 100 ' ' ' 500 ' ' ' ' 'C-dygn Figur 7 Beräknad tjällyftsökning vid ökning av köldmängden från 600 till 1450 dygnsgrader under förutsättning att tjällyftningen vid 600 dygnsgrader är noll. Jämför figur 6. Efter 5 Fredén. I figuren ges en tabell över tjällyftningsvärdena vid en uppnådd köldmängd av 1450 dygnsgrader. Genom att dividera köldmängden med tjällyftningen erhåller man tjällyftningskvoten. Denna är lägst för barkuppbyggnaden (80 C.dygn/cm) och högst för lättklinkeruppbyggnaden (ZOOOC.dygn/cm). En väg med tjälisolerande barklager, som genomtjälat vid 600 dygnsgrader, tjällyfter alltså 3 gånger så mycket som en motsvarande väg med lättklinker vid den fortsatta genomtjälningen vid högre köldmängder än 600 dygnsgrader. Känsligheten vid genomtjälning av den cellplastisolerade vägen är större än för den lättklinkerisolerade. Man hade här kunnat väntat sig att den cellplastisolerade vägen skulle vara mindre känslig eftersom cellplastens värmeledningsförmåga är mindre än lättklinkerns. Förklaringen till förhållandena än den isolerbädd av grus-sand som underlagrar cellplastlagret, som visserligen bidragit starkt till en hög köldmagasinerande kapacitet, men efter genomtjälning har mindre tjällyftningshindrande effekt på grund av sin låga värmeisolerande verkan i fruset tillstånd.

12 10 Den använda beräkningsmetoden för bestämning av tjällyftningen hos skilda konstruktioner är fullt användbar då det som här är fråga om att jämföra ett antal konstruktioner. Å andra sidan kan man f n inte utgå ifrån att man helt korrekt kan räkna fram tjällyftningsvärden för en speciell enskild konstruktion i visst klimat och terrängläge. Beräkningsresultatet kan inte bli bättre än uppskattningarna av deingående parametrarna (vägytetemperatur, densiteter, värmeledningsförmåga, tjällyftningsegenskaper), vilka inte alltid är så lätta att göra. Att kunna jämföra de tjällyftande egenskaperna hos ett antal definierade konstruktioner, tex vägöverbyggnader, betyder att ett underlag finns för att kunna välja bland dem. Eftersom konstruktionerna är dimensionerade så att de ger samma tjälskyddsgrad, blir nästa steg att bedöma möjligheterna till tekniskt utförande avde skilda konstruktionerna och kostnaderna för detta. Ytterligare några beräkningar har utförts. Denna gång för att bestämma effekten av en grundvattensänkning på tjällyftningen i olika undergrunder. I figur 8 redovisar Fredén den beräknade tjällyftningen som en funktion av grundvattenavståndet vid en konventionell väg med 65 cm överbyggnadstjocklek för olika undergrundstyper, där grundvattentillförseln antagits obegränsad. Några intressanta iakttagelser kan göras i diagrammet. Tjällyftningen för "finmjälan" = en finmjälafraktion är mycket liten och starkt beroende av grundvattenavståndet. Detta överensstämmer med förhållandena i fält där denna typ av finsilt på grund av mycket liten permeabilitet föranleder endast små tjällyftningsbelopp. Den starkast tjällyftande jorden, en lerig mjäla (= fortfarande finsilt) är mer genomsläpplig och ger också större och mycket höga tjällyftningsvärden. Känsligheten för grundvattenavståndet är också mycket stor. En neddragning av grundvattenytan från 1 m till 2 m under vägbaneytan ger en minskning av tjällyftningen från 29 cm till 21 cm. Tjällyftningarna gäller för en köldmängd av 1500 dygnsgrader. Man erhåller då att tjällyftningskvoten höjs från 52 till 71 dygnsgrader/cm vid sänkningen av grundvattenytan på 1 m. De två testade moränjordarna visar också

13 11 stor känslighet för en grundvattenstândssänkning. Tjällyftningsbeloppen är emellertid för dessa jordarter naturligen lägre. Tjallyftmng m A 1500 C'C )'9 Scm s. \ ' cm mmrmss 0,2 \Lerig mjüla \ 0,1 \\ \ /, Mor'dn 2 Mortin 1 Finmj'dln \ 0 > Djup tull gvy från vbgbaneytan, rn Figur 8 Tjällyftningen som funktion av grundvattenavståndet i olika undergrunder. Efter 5 Fredén.

14 12 REFERENSER /l/ Fellenius B och Rengmark F: Köldmängdskartor över Sverige. SVI Meddelande 91. Stockholm / 2/ Gandahl R: Tjälisolerande effekten hos några överbyggnadskonstruktioner. VTI Rapport 215. Linköping /3/ Skaven-l-Iaug: Frostfundamenters dimensionering. Frysevarme och jordvarme. Frost i Jord, nr 3. Oslo /4/ Gandahl R: Frost heaving on roads in relation to freezing index. International Symposium on Frost Action in Soils. Luleå /5/ Fredén S: Metod för beräkning av tjällyftning. VTI Meddelande 274. Linköping /6/ Stenberg L: Laboratorieutrustning för tjällyftningsstudier. Del I. Frysförsök avseende provberedning. VTI Meddelande 248. Linköping 1981.

15