Vägars bärighet nära vägkanten

Transkript

1 Vägars bärighet nära vägkanten Nordisk metod för objektiv värdering Rapport nr. 04/2012 Fordon och Transporter

2 7

3 Författare: Titel: Serie: Foto: Johan Granlund, Vectura, Sverige. Sebastian Pettersson, Bergsskolan/Vectura, Sverige. Jan M Jansen, Vejdirektoratet, Danmark. Vägars bärighet nära vägkanten. NVF-rapporter Johan Granlund, Vectura Consulting, Sverige. Upplaga (evt.): Utgivningsort: Tryck: ISSN: Borlänge, Sverige Företag NVF-rapporterna kan beställas via respektive lands sekretariat per telefon, fax, e-post eller post. Se kontaktuppgifterna på näst sista sidan. En uppdaterad rapportförteckning finns på förbundets nordiska hemsida, 8

4 9

5 Vägars bärighet nära vägkanten Nordisk metod för objektiv värdering Rapport nr. 04/2012 Fordon och Transporter 10

6 Sammanfattning Denna rapport är en del av NVF Fordon och Transport arbetsområde på fordons växelverkan med väg. Traditionella analyser av vägars bärighet är baserade på ett antal antaganden, däribland att konstruktionen har oändlig utbredning (och saknar vägkant); s k "geometrisk kompatibilitet". Detta är för vägkonstruktioner med smal skuldra en allt för grov förenkling, vilket leder till systematisk underdimensionering. Behovet av en modell för analys av bärförmåga vid vägkanten påpekades redan 1956 av vägexperten Nils Odemark. Svaga vägkanter leder till snabb nedbrytning, resulterande i vägskador såsom spårbildning, sprickbildning och ojämnheter i det yttre (lastbils-)hjulspåret. Problemet med svaga vägkanter har fått mycket fokus i Finland, Sverige och Norge. Cirka 10 % av budgeten för underhåll av belagda vägar används till reparation av deformerade vägkanter. För yrkesförare av tunga fordon medför vägkantsskador allvarlig arbetsmiljörisk för olycka. Vältolyckan är den olyckstyp där flest lastbilschaufförer skadas. Den höga tyngdpunkten hos tunga lastbilar, och framförallt deras släp, gör ekipagen särskilt känsliga för sidkrafter så som från transient vibration vid färd med yttre hjulet på inhomogent deformerad vägkant. I de nordiska länderna sker årligen över vältolyckor med tunga lastbilsekipage. Ett stort antal av dessa ekipage transporterar farligt gods, vilket i händelse av läckage kan leda till allvarlig miljöförstörelse. Roll-relaterade knuffar i sidled är särskilt farliga på ishal vägbana. Detta eftersom de kan orsaka att lastbilen får sladd; alternativt att föraren genom felaktig manövrering utlöser sladd. För att kostnadseffektivt skapa hållbara vägkanter, behövs en relevant metod för analys av vägars bärförmåga vid vägkanten. En sådan metod har använts i Danmark under decennier. Den danska modellen har nu uppdaterats. Modellen visar att med vanlig 0,25 m stödremsa kan det yttre hjulspåret ha så lite som 45 % av bärigheten vid vägens mitt. Känslighetsanalys visar att nyckelfaktorer är innersläntens lutning ned mot diket, skuldrans bredd, dikets djup samt vägens bärighet (vid vägens mitt). Genom att tillämpa metoden även i andra nordiska länder väntas vägnäten på lång sikt få säkrare vägtrafik, samtidigt som behovet av dyr reparation av vägkantsskador minskas. 11

7 Yhteenveto Tämä raportti on osa PTL:n Ajoneuvot ja kuljetus jaoston aihepiiriä, jossa tutkitaan ajoneuvon vuorovaikutusta tiehen. Perinteiset teiden kantavuutta koskevat analyysit ovat perustuneet tiettyihin oletuksiin, mm. niin kutsuttuun geometriseen yhteensopivuuteen. Tämä on kapeapientareisille tierakenteille aivan liian karkea yksinkertaistus, joka johtaa systemaattiseen alimitoitukseen. Tieasiantuntija Nils Odemark osoitti jo 1956 tarpeen tiereunan kantavuuden analyysimallille. Heikot tienreunat johtavat nopeasti murtumisiin ja muihin tievaurioihin kuten urautumiseen, halkeilulle ja epätasaisuuksiin (kuorma-) auton ulommalla ajouralla. Heikkojen tienreunojen ongelma on saanut paljon huomiota Suomessa, Ruotsissa ja Norjassa. Päällystettyjen teiden kunnossapidon budjetista käytetään noin 10 % tienreunojen korjauksiin. Raskaan kaluston ammattikuljettajille tienreunojen haitat aiheuttavat vakavia onnettomuusriskejä. Kaatumisonnettomuus aiheuttaa kaikista onnettomuustyypeistä eniten loukkaantumisia kuorma-auton kuljettajille. Raskaiden kuorma-autojen korkea painopiste ja erityisesti niiden perävaunut, tekevät kuljetuksista erityisen herkän sivuvoimille. Pohjoismaissa tapahtuu vuosittain yli raskaan kaluston kaatumisonnettomuutta. Suuri osa näistä kuljetuksista on vaarallisten aineiden kuljetuksia, jotka vuotaessaan voivat johtaa vakaviin ympäristöongelmiin. Vierintään liittyvät sivuttaistärinät ovat erityisen vaarallisia jäisillä liukkailla teillä, koska ne voivat aiheuttaa kuorma-auton sivuluisumisen vaihtoehtoisesti kuljettaja väärällä ohjauksella voi aiheuttaa sivuluisumisen. Kestävien tienreunojen rakentamiseksi kustannustehokkaasti tarvitaan tienreunojen kantavuuden analyysimenetelmä. Tällainen menetelmä on ollut käytössä Tanskassa jo vuosikymmeniä. Tämä kyseinen tanskalainen menetelmä on nyt päivitetty. Menetelmä osoittaa, että tavallisella 0,25 m tukireunalla voidaan ulommalle ajouralle saada pienempi osuus tien kantavuudesta. Herkkyysanalyysi osoittaa avaintekijöiden olevan sisäluiskan kaltevuus, pientareen leveys, ojan syvyys ja tien kantavuus (tien keskiosan kantavuus). Soveltamalla menetelmää muissa Pohjoismaissa, odotettavissa olisi pitkällä aikavälillä turvallisempi tieverkosto samalla kun kalliit tiereunojen korjaustarpeet pienenisivät. 12

8 Summary This report constitutes a part of the NVF Vehicles and Transportation working area on vehicle-road interaction. Traditional pavement bearing capacity analysis is based on an assumption of infinite geometry without road edge; geometric compatibility. This is a simplification that leads to systematic under-dimensioned pavements at roads with narrow shoulders. The need for a model for analysis of bearing capacity at the road edge was in fact pointed out by Nils Odemark already in Weak edges exhibit fast deterioration, resulting in damages such as rutting, cracking and roughness in the outer (truck) wheel path. The problem of weak edges has been given much focus in Finland, Sweden and Norway. Some 10 % of budgets for maintenance of paved roads are spent on repair of edge deformations. For truckers, road edge damages bring serious risk for loss-ofcontrol crashes. The crash type where most truck drivers are injured is the rollover. The high CoG makes heavy trucks prone to lateral forces, such as from roll-vibration at nonuniform road edge deformations. In the Nordic countries, over truck rollovers occur every year. Numerous trucks are carrying Hazardous Materials that, in case of leakage, may lead to severe environmental impact. Roll-related lateral buffeting is particularly hazardous on ice-slippery surfaces, as it may cause the truck (or driver, by improper maneuvering) to skid. Sustainable road edges require a relevant method for analysis of bearing capacity. Such a method has been in use in Denmark for decades. The Danish method has now been updated. The model shows that with regular 0.25 m supporting gravel edge, the outer wheel path may have as little as 45 % of the bearing capacity at the road center. Sensitivity analysis shows that key factors are slope towards ditch, shoulder width, depth of ditch and pavement bearing capacity at the road center. By applying the method in other Nordic countries, the aim is that the Nordic road networks in the long run will be safer road traffic, while also reducing the need for costly repair of pavement edge damages. 13

9 NVF (NRA) Vehicles and Transportation Nordic Road Association s working group on Vehicles and Transportation (Nordiskt VägForum NVF Fordon och Transporter) is a knowledge-cluster within the Nordic countries. Our cluster aims for international harmonization of regulations for vehicles and transportation, and for Nordic coordination within the EU. We are in total 55 Nordic experts from departments, road administrations, universities and research organizations, control inspection bodies, regulatory authorities, transport industry, vehicle importers, vehicle manufacturers and suppliers. NVF Vehicles and Transport are, during the present NVF congress period ( ) focusing on the roads heavy users and commercial vehicles, divided into three working areas: 1. Best practice for heavy vehicles 2. Road-vehicle interaction 3. Vehicle inspection This report constitutes a part of the working area on vehicle-road interaction and reports a Nordic method for objective evaluation of road bearing capacity near the pavement edge. Road-vehicle interaction within NVF Vehicles and Transport is working on road wear and deformation, design of roads and vehicles for minimization of energy use and carbon dioxide emission, as well as tire/road noise. Hans-Olav Simonsen, Norge, is coordinator in the working area Road-vehicle interaction. His task includes assuring that the work is done in an efficient and result oriented way through collaboration within the Nordic countries. Efficient networks and efficient work requires that the members are being allocated the necessary time and resources from their employers. Responsible for reviewing this report in NVF Vehicles and Transport are: Mårten Johansson, Head Chairman Sweden, Sveriges Åkeriföretag Johan Granlund, Head Secretary Sweden, Vectura Asbjörn Johnsen, Chairman Norway, Vegvesenet Mads C. Oppegaard, Secretary Norway, Vegvesenet Hans Skat, Chairman Denmark, Dansk Transport och Logistik Juha Valtonen, Chairman Finland, Kommunikationsministeriet Bugvi Apol, Chairman The Faroes, Akstovan Daniel Arnason, Chairman Iceland, Vegagerdin I would like to sincerely thank Sebastian Pettersson, Johan Granlund and Jan M Jansen for drafting this report, Anne Ranta-Aho for summary in Finnish, and Granlund also for finalizing the official edition. Stockholm - Reykjavik, June 13, 2012 NVF Vehicles and Transportation Mårten Johansson Head Chairman 14

10 Innehållsförteckning Sammanfattning Yhteenveto Summary NVF (NRA) Vehicles and Transportation Inledning Farliga och dyra skador vid vägkanten Trafiksäkrare vägnät och sänkta kostnader för vägreparationer Kunskapsspridning och harmonisering i Norden Metodens bruksvillkor Vanlig metodik ger underdimensionerade vägkanter Modell för vägkantens bärighet Förutsättningar Variabler Benämningar Terzaghis bärighetsmodell Anpassning till analys av vägkantens bärighet Beräkning av bärighet Kommentarer till modellen Beräkning för modernt utformad vägkant (nybyggnation) Känslighetsanalys Diskussion Sätt att öka vägkantens bärighet Fördelar med bredare skuldra och flackare innerslänt Ökad bärighet Ökad säkerhet för fotgängare och cyklister Ökad säkerhet i motortrafiken Minskade köer på landsväg Andra konsekvenser av bredare skuldror Konsekvenser av alltför aggressiv dikesrensning Slutsatser Rekommendationer Referenser

11 1 Inledning 1.1 Farliga och dyra skador vid vägkanten En av de vanligaste skadetyperna på vägar med smal vägren och branta innerslänter är att vägkanten deformerats, ofta i form av så kallat kanthäng. Kanthäng leder till allvarliga problem både för trafikanter och för väghållare. Eftersom vägkantens deformationer normalt varierar utmed vägen, uppstår krängningar som knuffar fordon i sidled. I fordon med hög tyngdpunkt kan krängningarna bli så kraftiga att de påverkar förarens trygghetskänsla, förarens körbeteende samt även risken för trafikolycka i synnerhet på ishal vägbana. Kanthäng försvårar väghållningen vintertid och dessa vägskador kostar också mycket pengar att laga. Om lagningen innebär att endast det yttre hjulspåret omasfalteras, kan skillnader i vägytans färg och textur (skrovlighet) leda till risk för Split friction 1 vid vissa väglag och därmed till extremt hög risk för sladdolycka vid hård bromsning. Grundorsaken till kanthäng är en kombination av belastning från tunga fordon och att många vägar av tradition byggts så att de har avsevärt sämre bärighet nära vägkanten. Problemet med trafikfarligt instabila vägkanter är vetenskapligt dokumenterat sedan mer än 50 år. Vägmyndigheter i flera nordiska länder har tyvärr inte tagit fram någon metod för att hantera det vägtekniska grundproblemet. Vid ett möte i NVF Fordon och Transporter diskuterades problemet med instabila vägkanter och behovet av en beräkningsmetod. Vid mötet informerade Danmarks representant Jan M Jansen att en metod för värdering av vägkantens sidostöd (bärighet) finns i de danska Vejreglerna sedan ca 30 år. NVF Fordon och Transporter granskade den danska metoden. Utskottet valde därefter att översätta metoden till svenska, att dokumentera hur den är härledd från Terzaghis klassiska bärighetsteori, förfina enligt Vesic s nyare rön, komplettera med figurer samt att införa referens till den nya Eurocode 7 för geoteknisk dimensionering. Denna NVF-rapport redovisar den uppdaterade metoden och hur den är härledd. Resultatet baseras på ett examensarbete utfört av Sebastian Pettersson vid Bergsskolan i Filipstad, Sverige. Arbetet har handletts av Johan Granlund, Vectura, samt genomförts med stöd från Trafikverket i Sverige. 1.2 Trafiksäkrare vägnät och sänkta kostnader för vägreparationer Denna skrift presenterar en metod för värdering av risken för deformerade vägkanter. Metoden kan användas för att utforma stabila vägkanter, både vid nybyggnation och vid förbättring av befintliga vägar. Metodiken är beprövad; i Danmark är kanthäng inte ett stort problem, eftersom Vejdirektoretet sedan länge tillämpat vägregeln om dimensionering av vägkanters bärighet. Genom att tillämpa metoden även i andra nordiska länder, är syftet att de Nordiska vägnäten på lång sikt ska bli trafiksäkrare och att kostnaderna för reparation av vägars kanthäng ska minska. 1 Split friction är när höger och vänster däck har trafikfarligt olika friktion mot vägytan. 16

12 1.3 Kunskapsspridning och harmonisering i Norden Denna rapports utgångspunkt är ett avsnitt i den danska normen Vejregler, uppdaterat med referens till nu gällande Eurocode 7 för geoteknisk dimensionering. Det långsiktiga målet är att modellen implementeras i de nordiska ländernas vägstandarder, efter förebild i Danmark. De fördelar som modellen demonstrerar, ska förhoppningsvis få väghållare att investera i vägkonstruktioner som har tillräcklig bärighet ända ut till kanten, så som illustrerat med fotografiet i Figur 1. Figur 1 Stabil dansk vägkant med sidostöd från belagd vägren och bred gräsklädd skuldra 1.4 Metodens bruksvillkor Modellen är utvecklad för normaldränerad vägkropp. Detta innebär att vägen måste vara så bra dränerad, att grundvattenytan ligger minst 3 dm under terrassytan (i denna rapport är terrassytan kallad grundläggningsnivån ). 17

13 2. Vanlig metodik ger underdimensionerade vägkanter Konsten att dimensionera vägkonstruktioner har utvecklats från empirisk trial and error, via instrumenterade provvägar, till metoder som i allt högre grad bygger på mekanistiska modeller. Analytiska modeller bygger på tre grundläggande antaganden: Statiska antaganden om egenvikt; konstruktionens lager har homogen densitet. Geometriska antaganden om kompatibilitet; konstruktionen är oändligt bred. Fysiska antaganden; vägmaterialen beter sig linjärelastiskt enligt Hookes lag. Det geometriska antagandet om att vägkonstruktionen skulle ha oändlig utbredning är rimligt vid vägens mitt. Emellertid medför det en allvarlig överskattning av vägens bärighet nära vägkant utan bred skuldra. Enligt beräkningar i denna rapport, kan traditionellt utformade vägkanter ge sämre än 45 % bärighet nära vägkanten, jämfört vid vägens mittlinje. I Sverige, Finland och på Island består de statliga vägnäten till över 90 % av vägar med smal skuldra 2. Norges vägar är regelmässigt ännu smalare. Detta innebär att majoriteten av vägarna i Norden är allvarligt underdimensionerade nära vägkanten. I sektioner där körbanan har sidostöd från sidoytor så som korsningar, infarter, parkeringsfickor och busshållplatser uppvisar vägkanten mycket sällan deformation, till skillnad från intilliggande sektioner utan stöd från sidoytor. Skillnaden i deformation före, vid och efter sidoytor, resulterar i att fordon i trafik sätts i krängning. Krängningarna är särskilt påtagliga i fordon med hög tyngdpunkt. Fenomenet med krängning före och efter sidoytor kallas bland vägingenjörer för Infartssjuka. Fenomenet Infartssjuka bekräftar handfast betydelsen av att vägkanten stöttas av en stabil skuldra. Reparation av deformerade vägkanter är inte bara dyrt. Olämpligt utförd kantlappning kan resultera i skillnad hos färg och textur mellan vänster och höger hjulspår. Vid vissa väderförhållanden leder detta till s k split friction och därmed extrem risk för sladdolycka vid hård bromsning. Detta innebär att förebyggande av skador vid vägkanten även innebär förebyggande av trafikolyckor. Avsikten är att den rapporterade metoden ska ge stöd till att objektivt värdera bärighet nära vägkanten, så som i det yttre hjulspåret på vanliga smala vägar, samt till att dimensionera förstärkning av befintliga vägars kanter liksom till att dimensionera nya vägar. Den teori som ligger bakom beräkningarna i denna modell är Terzaghis klassiska bärighetsteori för kvadratiska fundament. Det kan argumenteras för att istället välja Terzaghis teori för långsträckt fundament, motiverat med trögheten i den trafikrelaterade belastning som påverkar vägbanan. Skillnaden är i många beräkningsfall inte stor. Den danska standarden Vejregler utgår från analys av ett kvadratiskt fundament; därför anammas samma ställningstagande även här. 2 Med skuldra (Eng: Shoulder) avses här sammanlagd bredd hos vägren och stödremsa. På största delen av det svenska vägnätet är skuldran = 0.5 m eller smalare. 18

14 3. Modell för vägkantens bärighet 3.1 Förutsättningar Vid värdering enligt denna metod försummas vilotryckets horisontella komposant. Vidare antas att vägen är normaldränerad, så att grundvattenytan ligger långt under grundläggningsnivån. Vägsektionens geotekniska förhållanden är avgörande för valet av skrymdensitet, hållfasthetsparametrar o s v. Där objektspecifika provresultat saknas, kan parametrarnas värden uppskattas med vägledning av exempel i denna rapport. 3.2 Variabler A Area hos "fundamentet" (= B * L), [m 2 ]. "Fundamentet" är det område av terrassytan, vilket belastas av en given last på beläggningens yta B Bredd hos "fundamentet", [m] L Längd hos "fundamentet", [m] N c, N q, N Bärighetsfaktorer Q Last, [N] q Vertikal effektivspänning i grundläggningsnivå, bredvid "fundamentet", [kpa] Innersläntens lutningsvinkel mot horisonten (se Figur 4), [ ] Effektiv skrymdensitet hos jordmaterialet, [kg/m 3 ] Jordmaterialets friktionsvinkel, [ ] 3.3 Benämningar Bärighet Högsta last, enstaka eller ackumulerad, som kan accepteras med hänsyn till uppkomst av sprickor eller deformationer. Skuldra Området mellan det yttersta körfältets yttre kant och innerslänten (Se B * N q i Figur 4). Skuldra = Vägren + Stödremsa. Kanthäng En typ av vägskada där den yttersta delen av vägen hänger jämfört med resten av vägöverbyggnaden, vilket bl a medför att stora sprickor kan uppstå (se omslagsfoto). Fundament Den area på undergrund/terrassnivå som påverkas av hjulets last, via tryckspridning (se Figur 3, där lasten sprids från däckets kontaktyta med vägen ner till punkterna A och C). 19

15 3.4 Terzaghis bärighetsmodell Terzaghi (1943) var den förste att lägga fram en teoretisk modell för beräkning av bärigheten hos grunda fundament, dvs där grundläggningsdjupet är maximalt lika med fundamentets bredd. Med Terzaghis bärighetsteori (Das, 1995) kan man beräkna den maximala bärigheten för grunda fundament. Figur 2 illustrerar Terzaghis bärighetsteori, där belastningszonen delats upp i tre belastningsfall; ACD, en triangulär zon direkt under fundamentet. AFD och CDE, radiella skjuvzoner där kurvorna DE och DF är bågar av en logaritmisk spiral. AFH och CEG, två triangulära Rankine passiva zoner. Jorden i dessa zoner påverkas av tryck från de intilliggande AFD och CDE och därmed förskjuts de i riktning upp mot ytan. Figur 2 Terzaghis bärighetsmodell (Das, 1995) Vinklarna V1, V2, V5 och V6 har alla storleken 45 - /2. Vinklarna V3 och V4 hade enligt Terzaghi storleken φ. En annan forskare, Vesic, kontrollerade detta närmare och fann att 45 + /2 var ett exaktare värde på vinklarna V3 och V4. I det följande tillämpas Vesic förbättrade värde för V3 och V4. Terzaghis modell för kvadratiska fundament beskrivs med Formel 1 (Das, 1995). Formel 1 Modell för bärighet hos kvadratiskt fundament på undergrund utan vägkant Q/A = 1.3 * c * N c + q * N q * * B * N 20

16 Kohesionen c sätts för friktionsjord till 0, vilket ger samband enligt Formel 2 Formel 2 Bärighet vid kvadratiskt fundament på undergrund av friktionsjord och utan vägkant Q/A = q * N q * * B * N Formel 1 och Formel 2 anger maximal bärighet på terrassytan. Betydelsen för de olika variablerna är redovisad i avsnittet Variabler. 3.3 Anpassning till analys av vägkantens bärighet Figur 2 ger inte en rättvis modell av en väg med smal skuldra. För det första ligger figurens belastning i mitten på vägkonstruktionen, inte ute vid den belagda vägens kant. Dessutom förekommer ingen slänt, utan figuren liknar ett fall där marken är långsträckt i båda riktningarna. Därför skapas en mer rättvisande modell, se Figur 3, där belastningen är ute vid vägkanten och en innerslänt ned mot diket är inritad. En konsekvens är att brottytan CEG nu hamnar ute i slänten och får helt annan geometri än i Figur 2. Detta påverkar förstås bärigheten. Den modifierade och mer rättvisande beräkningen ger i många fall väsentligt lägre bärighet än den traditionella modellen, vilken alltså felaktigt inte tar hänsyn innerslänt och dike. Figur 3 Anpassad modell med belastning nära vägens kant och dess innerslänt För att Formel 1 och Formel 2 ska gälla, krävs att ett bruksvillkor är uppfyllt. Nämligen att fundamentet befinner sig på ett avstånd av minst B * N q från innerslänten 3. Om inte detta villkor är uppfyllt, måste den beräknade bärigheten minskas genom multiplikation med faktorn 4 1-sin(2β). Vinkeln β är definierad i beräkningsexemplet i Figur 4. I Tabell 2 3 Detta samband är taget ifrån de danska Vejreglerna. 4 Även detta samband är hämtat från de danska Vejreglerna. 21

17 och i Tabell 3 finns faktorn 1-sin(2β) angiven för flera olika bredd på skuldran, dikesdjup och släntlutningar. Värden för bärighetsformelns faktorer N c, N q samt N som funktion av friktionsvinkel φ redovisas i Tabell 1. Terzaghis modell är här förbättrad med resultat från Vesic, vilket innebär att vinkeln α inte är lika med friktionsvinkeln φ, utan ligger närmare 45 + φ/2. Tabell 1 Bärighetsfaktorer N, korrigerade enligt Vesic (Das, 1995) 22

18 3.6 Beräkning av bärighet I detta exempel betraktas ett tungt fordon med parmonterade hjul. Vägen har 0,5 meter tjock överbyggnad enligt Figur 4, bestående av: 10 cm asfalt γ = 22,5 kn/m 3 15 cm obundet bärlager γ = 21,0 kn/m 3 25 cm förstärkningslager γ = 20,0 kn/m 3 Figur 4 Illustration till beräkningsexempel I EU tillåts 11.5 ton på drivande axel, medan 10 ton tillåts på övriga axlar. Den dimensionerande hjullasten sätts till 60 kn, dvs 6 tons last. Det motsvarar hjullast på drivande axel, plus en liten marginal för snedfördelning på axeln. Jämfört med högsta tillåtna hjullast på odrivna axlar ger det 20 % marginal. Beräkningen avser bärighet på terrassnivå. Tvillingdäckens kontaktyta med vägbanan kan, för betraktelser djupt nere i överbyggnaden, anses vara kvadratisk med måtten 0.3 * 0.3 m = 0.09 m 2. Här antas att ytans tryckbelastning 60 / 0.09 = 670 kpa sprids med ca 45, det vill säga att trycket sprids 1 m utåt för varje 1 m nedåt. Detta ger en belastningsyta på 0.8 * 0.8 = 0.64 m 2 på terrassen (notera att bredden B hos fundamentet därmed är 0.8 m). Vägöverbyggnadens egentyngd är q = 0.1 * * * 20 = 10.4 kn. Den sammanlagda belastningen av trafiklast och egentyngd på fundamentet blir då ( ,4) / 0.64 = 110 kpa. Vårt fundament vilar på sand (γ = 20,0 kn/m 3 ) med friktionsvinkel = 30. För denna friktionsvinkel blir, enligt Tabell 1, bärighetsfaktorerna N = 22.4 och N q = Med bärighetsfaktorerna insatta i Formel 2 fås: Q/A = q * N q * * B * N = 10.4 * * 20 * 0.8 * 22.4 = = 334 kpa För att vara på säker sida, räknas med effektivspänning bredvid det tänkta fundamentet under skuldran. Här slutar alltså traditionell dimensionering, och beräkningsresultaten innebär att säkerheten mot brott är F S = 334 / Den danska metoden, anpassad för vägkantens inverkan, fortsätter dock med att kontrollera att bruksvillkoret är uppfyllt. Är skuldran smalare än 0.8 * m (den bärighetsberoende minsta sträckan) ska bärigheten reduceras. För olika kombinationer av 23

19 skulderbredd, dikesdjup och släntlutning redovisas den reducerade bärigheten i Tabell 2 (brant innerslänt) och Tabell 3 (flack innerslänt), samt i Figur 5 (brant) och Figur 6 (flack). Observera att i flera fall är bärigheten vid vägkanten lägre än den dimensionerande hjullasten 110 kpa. Med 1 m skuldra, 1:2 slänt och djupt dike är vägkanten på brottgränsen. Tabell 2 Bärighet vid olika kombinationer av skulderbredd, dikesdjup och brant släntlutning Figur 5 Bärighet för sektioner med brant innerslänt, enligt Tabell 2 24

20 Tabell 3 Bärighet vid olika kombinationer av skulderbredd, dikesdjup och flack släntlutning Figur 6 Bärighet för sektioner med flack innerslänt, enligt Tabell 3 25

21 3.6.1 Kommentarer till modellen Lastförmågorna i Tabell 2 och Tabell 3 bör reduceras ytterligare, baserat på ackumulerad trafikbelastning och inverkan av dynamisk last. Oavsett detta, visar tabellvärdena tydligt att brant innerslänt / smal skuldra / djupt dike leder till försämrad stabilitet och nedsatt bärighet vid vägkanten. I exemplen används släntlutningar och nivåskillnader som kan förekomma på gamla vägar, men ändå utgör risk att fordon välter. I regelverk för vägar och gators utformning visas trafiksäkra utformningar vid nybyggnad och vägförbättring. 3.7 Beräkning för modernt utformad vägkant (nybyggnation) För att ge en uppfattning om bärighet vid vägkant på nybyggda vägar, ges här exempel med parametrar föreskrivna i svenska regelverket AMA Anläggning 07 för en typisk låg- /medeltrafikerad väg. Skuldran (stödremsan) är 0.25 m och innersläntens lutning är 1:3. Dikesdjupet sätts till 1 m. Belastningen är samma som i föregående exempel, 110 kpa. Bärigheten på terrassen är också samma som i tidigare fall, 334 kpa. Även övriga variabler är samma som i det tidigare exemplet. Skillnaden i nybyggnadsexemplet består i ändring av reduktionsfaktorn 1 - sin(2β). β= tan -1 (1/3.25) = 17, sin(2β) = 1 sin (2*17,10) 0,44 Bärigheten på terrassnivå vid vägkanten blir därmed: 334 * 0,44 = 147 kpa Detta innebär att för just det här fallet med 12 tons axellast (110 kpa på terrassytan) är bärigheten tillräcklig för att inte momentant brott ska uppstå. Anmärkningsvärt är att bärigheten vid vägkanten är endast 44 % av bärigheten vid vägens mitt. Säkerhetsfaktorn mot brott vid vägkanten är drastiskt försämrad, då den har sjunkit från 3 till ca 1.3 pga smal skuldra. 26

22 4. Känslighetsanalys De tre variablerna skulderbredd, dikesdjup och släntlutning ingår alla i uträkningen av vinkeln β (se Figur 4). Ju flackare β är, desto mindre blir reduktionsfaktorn 1 sin(2β). För att illustrera de olika parametrarnas inverkan på bärigheten, studeras nedan uträkningen av vinkeln β. Man kan i Figur 4 se den streckade linjen som hypotenusan i en rätvinklig triangel. Eftersom båda kateterna i denna triangel är kända, räknas vinkeln β räknas ut med hjälp av tangens för vinkeln. Dvs tan β = motstående/närliggande, där motstående är dikesdjup och närliggande är skulderbredd + (dikesdjup/släntlutning). För att illustrera ekvationen följer uträkning av β i fallet som står överst i Tabell 3: tan (β) = dikesdjup / (skulderbredd+(dikesdjup/släntlutning)) = 1/(1+1/(1 2)) = 1/3. β blir därmed tan -1 (1/3) 18,4. Den viktigaste variabeln är släntlutningen, då den har en multiplicerande effekt på faktorn för bärighetsreduktion. En flack innerslänt medför dessutom att avåkningar blir mindre farliga. Är slänten tillräckligt flack och bärig, kan den också användas vid vägarbete eller i nödsituation för trafik eller för tillfällig uppställning av fordon (bensinstopp o s v). 5. Diskussion 5.1 Sätt att öka vägkantens bärighet Denna rapport fokuserar på inverkan av skulderbredd, släntlutning och dikesdjup. Det går även att öka bärigheten genom att förbättra andra parametrar. Ett exempel är de ingående vägmaterialens kvalitet. Ett grusigare material ger ökad bärighet, vilket i modellen visas genom att man får räkna med ökad friktionsvinkel och därmed högre värden på bärighetsfaktorerna N (se Formel 2). Belagda skuldror och/eller ökad konsolidering (packning) under vägbanan kommer också öka bärigheten. Beläggningens styvhet ökar lastspridningen och minskar därmed påkänningen på terrassytan. Ökad konsolidering ökar densiteten i jorden (γ i Formel 2) och därmed den beräknade bärigheten. 27

23 5.2 Fördelar med bredare skuldra och flackare innerslänt Ökad bärighet Det primära målet med att använda den här analysmetoden är att skapa vägar med bättre livslängd genom högre bärighet vid vägkanten. Ökad bärighet minskar risken för deformerad och sprucken vägkant; se bild med skadad vägkant på omslaget. I avsnittet Känslighetsanalys granskas hur ökad bredd hos skuldran ger ökad bärighet, genom att vinkeln β, och därmed den reducerande faktorn 1 sin(2β), minskar. Det kostar pengar att bygga bredare skuldror. Å andra sidan medför den ökade bärigheten att vägbanan håller längre och inte behöver omasfalteras lika ofta, vilket sparar pengar för väghållaren. Ökad bärighet vid vägkanten medför inte bara kraftigt minskad risk för skador vid vägkanten, utan även minskat behov för vägkantslappning och därmed minskad risk för livsfarlig split friction vid hård (nöd-)bromsning på vissa väglag. När vägkanten deformeras kommer inte körbanan längre vara plan, detta skapar krängningar som framför allt hos förare av lastbilar och andra höga fordon skapar obehag. När bärigheten ökar minskar risken för denna deformation. Både kanthäng och andra typer av deformationer i vägen som uppstår på grund av dålig bärighet försvårar arbetet vid snöröjning Ökad säkerhet för fotgängare och cyklister Många vägar har så smal skuldra att oskyddade trafikanter hamnar mycket nära motortrafiken. I Sverige används enligt AMA 2007 regelmässigt stödremsa med bredd 25 cm. Smala skuldror är trafikfarliga, och om hela vägen är smal kan det bli mycket trångt för oskyddade trafikanter när breda motorfordon möts. En speciell olycksrisk för cyklister är att de kan vingla pga vindbyar från passerande tunga fordon. Med bred skuldra uppnås större säkerhetsavstånd mellan fotgängare och trafik Ökad säkerhet i motortrafiken Singelolyckan är den olyckstyp som tar flest liv bland motorfordonsåkande. En undersökning av dödliga singelolyckor har visat ytterkurvor är kraftigt överrepresenterade i dödsolyckorna. Olycksfrekvensen i ytterkurvor är särskilt hög på lågtrafikerade vägar (Lindholm, 2002). Anmärkningsvärt är också att 35 % av avåkningar i ytterkurva har skett åt vänster, dvs över mötande körfält. En vanlig situation är att vägens bredd inte räcker när föraren försöker återta kontroll över fordonet. När fordonets yttre hjul kommit utanför den tvära asfaltkanten är det svårt att få upp hjulet igen. I detta läge är det vanligt att förare vrider för mycket på ratten, med resultat att när väl hjulet kommer upp på asfalten överstyr fordonet våldsamt och kör av på vänster sida i färdriktningen. En bredare belagd skuldra liksom mjukt avrundad asfaltkant och stödremsa med hårdpackat grus ända upp till asfaltytan skulle underlätta för föraren att återta kontrollen över fordonet. I tvära innerkurvor saknas ofta det utrymme som krävs för att bredda skuldran. Emellertid sker alltså flest olyckor i ytterkurva, varför breddökning på denna sida kan vara oväntat effektivt. 28

24 En annan fördel med bredare skuldra är att bilar som av någon anledning tvingats stanna vid vägkanten kommer bort från trafiken och därmed minskar risken att bli påkörda bakifrån Minskade köer på landsväg Med en bredare skuldra kan långsamt körande fordon lättare släppa förbi fordon som ligger bakom och på så sätt minska risken för köbildning. Det är särskilt bra då den frustration som uppstår hos en del förare som hamnar bakom till exempel traktorer kan leda till farliga omkörningar. 5.3 Andra konsekvenser av bredare skuldror Breda skuldror kan byggas i olika utföranden, så som grusklädd, gräsklädd eller asfalterad. Om skuldran inte är belagd, kan trafik riva loss och föra ut grus, jord och smuts på vägbanan, i synnerhet i kurvor. Grus och smuts på vägen medför risk för halkolycka (särskilt tvåhjuliga motorfordon) främst i innerkurvor samt stenskottsskador. Ett annat problem är att bredare vägar kan öka risken för fartblindhet och därmed fortkörning. Detta kan motverkas på flera sätt, t ex med fartkameror och andra former av hastighetsövervakning. 5.4 Konsekvenser av alltför aggressiv dikesrensning Vägens diken slammas med tiden igen av sandningssand, förmultnat gräs och dylikt. Vatten är ett stort hot mot vägens bärighet, varför dikena kontinuerligt måste hållas i gott skick. Vid dikesrensning finns dock risk att arbetet utförs alltför aggressivt mot vägkroppen. Dvs delar av vägens sidostöttande jordmassor grävs bort, i synnerhet där vägen gränsar mot tomtmark och konflikt med markägare kan uppstå om arbetet vidgar diket något i bakslänt. Den redovisade modellen visar att vägkantens bärighet kan sjunka kraftigt om skulderbredden minskar, innersläntens lutning ökar samt diket fördjupas. Avsnittet Känslighetsanalys visar att alla dessa förändringar medför att vinkeln β ökar, liksom därmed även faktorn 1-sin(2β), vilken i sin tur minskar bärigheten. På rapportens omslag visas foto av svåra vägskador som skett sedan landsvägens dike rensats alltför aggressivt. Dikesrensning är alltså i högsta grad viktigt för att vägen ska ha god bärighet. Men om rensningen medför att vägkantens sidostöd grävs bort, då kan rensningen göra mer skada än nytta. Ett alternativ till öppet dike är täckt dräneringsledning. Detta är dyrare att utföra. Tidigare har många täckdiken inte heller renspolats, då det varit svårt att hålla koll på var ledningens spolbrunnar finns. Idag är detta ett mindre problem, genom att brunnarnas x,ypositioner kan läggas in i väghållarens geografiska informationssystem. Ett annat alternativ till öppet vägdike vid t ex tomtmark är installation av mellandjup plastfilterdränering, så som Hydraway Drain (Lindgren, 2003). 29

25 6. Slutsatser En ursprungligen dansk metod för analys av bärighet nära vägens kant har uppdaterats. Bärighetens känslighet för olika faktorer har studerats. Den design av vägkanten som ger högst bärighet ger många fördelar. Trafiksäkerheten ökar på flera sätt, för tunga fordon, övriga motorfordon samt oskyddade trafikanter. Risken för rundslagna tankbilar och därmed läckage av farliga ämnen minskar. Väghållaren får minskade kostnader för både vinterdrift och beläggningsunderhåll. Obehagliga krängningar i fordon med hög tyngdpunkt förebyggs, vilket medför förbättrad arbetsmiljö för yrkesförare. En nackdel är att det krävs en engångsinvestering i marklösen, vägmaterial samt byggarbete. Den viktigaste faktorn för att öka bärigheten, förutom den mest uppenbara - att öka skulderbredden, är att ha en flackt lutande innerslänt. Vägar måste hållas väldränerade, eftersom vatten i vägkroppen drastiskt minskar dess livslängd. Den redovisade analysmetoden förutsätter också att vägen är så bra dränerad, att grundvattenytan ligger minst 3 dm under terrassytan. Vid sämre dränering blir vägkantens bärighet kraftigt försämrad. Alltför aggressiv dikesrensning i innerslänt kan emellertid minska vägkroppens sidostöd och därmed vägkantens bärighet. Alternativa åtgärder i känslig miljö, t ex förbi tomtmark, kan vara täckt dränering liksom plastfilterdränering så som Hydraway Drain. 7. Rekommendationer Samtliga Nordiska länders nationella väghållningsmyndigheter bör överväga att införa den rapporterade metoden i sina regelverk för utformning och dimensionering av vägar. I Danmark ingår den ursprungliga metoden sedan decennier i Vejdirektoratets Vejregler. Processen och kostnaden för marklösen varierar mellan de Nordiska länderna. Fr o m 2013 kommer Sverige att ha en kraftigt förenklad process, tack vare de av Sveriges Riksdag beslutade effektiviseringarna i Väglagen. Även med enklare process och lägre kostnader finns behov av en tillämpad nyttokostnadskalkyl, för vägledning vid val av utformning av vägkanten beroende av hur dyr marklösen är i olika vägsektioner. 30

26 Referenser Aksnes, J. (2002). A study of Load Responses towards the Pavement Edge. PhD thesis. NTNU, Trondheim. AMA Anläggning 07 (2009). Andra tryckningen. ISBN Das, B.M. (1995). Principles of foundation engineering. Tredje upplagan. PWS Publishing Co., Boston. ISBN Granlund, J. (2000). Bearbetning av deflektionsmätdata, erhållna vid provbelastning av väg med FWD-apparat. Vägverkets metodbeskrivning 114, Vägverket publ 2000:29. ISSN Granlund, J. (2010). Reducing Health and Safety Risks on Poorly Maintained Rural Roads. 11 th International Heavy Vehicle Transport Technology symposium, Melbourne, Australia. Internet: Hæfte 4. Vedligehold af færdselsarealet (2004). Vejdirektoratet, Vejregelrådet. ISSN X, ISBN Lindgren, Å. (2003). Vägdikenas funktion och utformning En beskrivning av multifunktionella diken. Vägverket. VV publ 2003:103. Internet: Lindholm, M. (2002). Analys av singelolyckor med dödlig utgång på det statliga vägnätet, exklusive motorvägar Borlänge. Vägverket publikation 2002:109. Internet: et_exklusive_motorvagar_1997_2000.pdf SS-EN :2005, Eurokod 7: Dimensionering av geokonstruktioner Del 1: Allmänna regler. Vejregel Udkast til review Dimensionering af befaestelser og forstaerkingsbelaegninger. Anlaeg og planlaegning. Vejdirektoratet, Denmark. Internet: Weydahl, M. (2011). Vegutformingens betydning for bæreevne og skadeutvikling nær vegkant. Masters thesis. NTNU, Trondheim. Wågberg, L-G. (2003), Bära eller brista. Svenska Kommunförbundet. ISBN

27 NVF Vejdirektoratet Niels Juels Gade 13 Postboks 9018 DK-1022 København K Danmark Telefon telefax E-post: nvf@vd.dk NVF c/o Trafikverket - Liikennevirasto Postbox 33 FIN Helsingfors Finland Telefon telefax E-post: nvf@trafikverket.fi NVF c/o Landsverk Box 78 FO-110 Torshavn Færøerne Telefon telefax E-post: lv@lv.fo NVF c/o Vegagerdin Borgartun 7 IS-105 Reykjavik Island Telefon telefax E-post: nvf@vegagerdin.is NVF c/o Vegdirektoratet Postboks 8142 Dep NO-0033 Oslo Norge Telefon telefax E-post: publvd@vegvesen.no NVF c/o Trafikverket SE Borlänge Sverige Telefon telefax E-post: nvf@trafikverket.se NVF-rapporterna kan beställas via respektive lands sekretariat per telefon, fax, e-post eller post. Se kontaktuppgifterna på näst sista sidan. En uppdaterad rapportförteckning finns på förbundets nordiska hemsida, 32

28

29