Tjäle i teori och praktiken Luleå 28 mars, 2012 Sven Knutsson Professor i geoteknik sven.knutsson@ltu.se
Termiskt problem Tjäldjup, vattenledningar Tjällyftningsproblem Lyftning, sönderbrytning av vägar, hus, stenlyftning, rännstensbrunnar Tjällossningsproblem Bärighet, potthål etc
Tjäldjup beror av: Lufttemperatur Årsmedeltemperatur Köldmängd Typ av markyta Markförhållanden Ytstruktur Latitud mm
Temperaturvariation i mark Konstant temp ca 5-6 m djup Temperatur ung årsmedeltemperatur
Köldmängd Medelköldmängd Maximiköldmängd Baserad på sannolikhet
Köldmängd (gradtimmar) Köldmängd i Luleå F 100 Köldmängd i Luleå F 10 45000 40000 35000 F 2 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 81/82 83/84 85/86 87/88 89/90 91/92 93/94 95/96 97/98 99/00 01/02 03/04 Vinter
Tjäldjup Nov. 1 May 1 Time 10% Maximum frost depth: 1,5 m -- 2,5 m Depth
2 2 Höjd (m) Beräkning av tjäldjup Stefans lösning (1890-talet) Neumann mm Trafikverkets metoder i PMS objekt Numeriska metoder FEM med tex Temp/W TEMPERATURFÖRDELNING EFTER 168 DYGN (GRADER C, VID VINTERNS SLUT) Ballast (B) - 0.5m hög Underballast (UB) - 5m hög Initiell temperaturfördelning: årscykel på ovansidan (B, UB, terrass) och +2 grader C på undersidan (terrass) Vintertemperatur: F10-vinter (ovansidan), +2 grader C (undersidan) 12 11 10 9 8-5 7 6 5 4 3 2 1-7 -4-3 -2-1 0.5 0 1 1.5-6.5-4.5-4 -3-2 -1-4.5 0 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Stefans formel Endimensionella förhållanden Tjäldjup eller upptiningsdjup X = 2 L' F eller X = t
Empiriska överslag X(t)= F där X(t) tjäldjupet (m) F köldmängden (dygnsgrader) faktor som beror av jord mm
Proportionality factor, (m/graddagar ½ ) Soil material Lower value Mean value Upper value Sand 4,7 10-2 5,2 10-2 5,9 10-2 Gravel- Coarse sand 5,4 10-2 6,0 10-2 6,4 10-2 Moarain 4,9 10-2 5,5 10-2 6,2 10-2 Gravely, coarse moraine 6,8 10-2 7,3 10-2 7,8 10-2 Silt (medium frost susceptible) Silt (highly frost susceptible) 4,2 10-2 5,0 10-2 5,3 10-2 3,8 10-2 4,2 10-2 4,7 10-2 Clay 3,4 10-2 3,9 10-2 4,6 10-2 Mud 2,1 10-2 2,3 10-2 2,7 10-2 Peat 1,7 10-2 1,9 10-2 2,2 10-2
Tjällyftning Frysning av vatten som finns i jordens porsystem innan frysning (9% volymökning) Vatten som kommer till när jorden fryser Tillsamman ger det tjällyftning (ca 25% resp 75%)
Tjällyftning Frystemperaturer Vatten!! Finkornig jord Ice lens
Tillkommande vatten? Varför vattentransport uppåt? Water Tjälgräns
VATTEN I FINKORNIG JORD Bound water Free water Grain
VATTEN I FINKORNIG JORD Energitillståndet I bundet och fritt vatten är olika Adsorberat vatten har lågt energitillstånd Svårt att avlägsna Fritt vatten påverkas inte av partikelytorna Adroberat vatten fryser som funktion av temperaturen Mer bundet vatten fryser vid låga temperaturer
Unfrozen watre content (%) Vattenkvot ofruset vatten Sug i ofruset vatten Alltid sug vid temperaturer < 0 C Permeabilitet i ofruset vatten Påverkar bl a hållfastheten i frusen jord Hållfastheten är inte en funktion av mängden is i jorden Unfrozen water content 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00-10 -8-6 -4-2 0 Temp (C)
Sug (undertryck) och permeabilitet Stort sug vid låga vattenkvoter ofruset vatten Litet sug vid hög mängd ofruset vatten Inget sug om vattenkvoten ofruset vatten är lika med den totala vattenkvoten Låg permeabilitet vid låga vattenkvoter ofruset vatten Hög permeabilitet vid höga vattenkvoter ofruset vatten
Rytmisk islinsbandning Optimala förhållanden för islinsbildning Sug Hydraulisk konduktivitet Värme måste bort f ff u Temp prof T c T b T w p w Suction prof p u
Stationär tjälfront med växande Stor vattentillgång Värmeflödet måttligt islins Inkommande energi balanseras med utgående Stationär frysfront med växande islager Skiktgränser
Expansionstryck Maximalt tryck ca 11 MPa/grad -2 C ger 22 MPa Ca 1000 m fyllning!!! Man kan inte motverka lyftningen Man kan fördröja den I tid
Ojämna tjällyftningar Water Ground surface Frost line Capillary rise Freezing temperatures Frost line GW level Rock
Klassificering
Beräkna tjällyftning Trafikverket i PMS objekt Segregation Potential Theory
Beräkning av tjällyftning Permeabiliteten i frozen fringe reducerar vattenflödet till den växande islinsen v 0 = SP grad T f (vattenflöde in i frusen jord) SP=SP 0 e -aσ SP function of pressure etc.
SP-värdet kan bestämmas genom: Material parameter som är kopplingen mellan värmeflöde och massflöde (vatten); jfr PMS-objekt Lab försök Korrelation mellan SP värde och kornkurva, lerhalt, etc. Erfarenhet (tex från PMS-objekt) Relation till tjällyftningsklassificering
Frozen fringe Aktiva zonen vid tjällyftning är området mellan varmaste islinsen och tjälgränsen Varmast is lins water Unfrozen water content ice Temp Permeability Suction Frost front
Laboratoriearbete Komponenter av tjäle upplyftning test Kyltermostat Sensorer: -temperatur (termoelement eller Pt100) -LVDT rörelsegivare Tjäleupplyftning apparat Mätningsprogram Värmetermostat Datalogger
Vanliga skador
Tjällossning
Tjällossning Var kan vatten dräneras under upptiningen? Ner? Sidorna? Upp? 90% tinar uppifrån och ner
Tjällossning Is till vatten Ingen dränering ger låga effektivtryck och reducerad hållfasthet Dränering ger minskad volym och sättningar Upptiningshastigheten viktig Långsam ger möjlighet till dränering Snabb gör att dränering är svår
Material som är isolerande Minskat tjäldjup & i regel mindre tjällyftning Mindre tjällossning sproblem
Teoretisk modell If surface temperature constant X = 2 L' F and X = t
Teori
Tjällossningsfaktor R anger relationen mellan upptiningshastighet och dränering (konsolidering)
Alternativa material är ofta mer eller mindre isolerande Järnsand Masugnsslagg Askor av olika typ Krossad betong Etc
Exempel; slagg
BI AREA Prognos för nedsatt bärförmåga Ytuppmjukning är svårt att ge prognos för. Snabba temperaturväxlingar 20 900 18 800 16 14 12 700 600 500 10 8 6 4 BI AREA 400 300 200 2 100 0 01-11- 21-31- 10- mar mar mar mar apr 20- apr 30- apr 10-20- 30-09- maj maj maj jun 19- jun 29- jun 09- jul 19- jul Datum 29- jul 08-18- 28-07- 17-27- 07- aug aug aug sep sep sep okt 17- okt 27- okt 0 06-16- 26- nov nov nov
MPa TIack Prognos för nedsatt bärförmåga Djupuppmjukning kan bättre förutsägas eftersom tempväxlingarna är långsammare 500 450 400 Undergrundsmodul TIack Gränsvärde TIack 60 50 350 40 300 30 250 200 20 150 10 100 50 0 0-10
Jord ändrar struktur vid frysning och tining Frysning skapar ett undertryck; ökade effektivspänningar Detta skapar konsolidreing Uppenbara efter tining
Packning?? Fryseffekter
Tätskikt tex Permeabilitet Kan bli högre efter frysning och tining (Faktor 10-100) Kan bli lägre (Faktor 10-500)
Stenlyftning
Mekanism I en tjällyftande jord lyfts objekt med ca. 5-10 mm/year
Tack och frågor?
Eller om belastningen konstant u är porvattenövertryck Beskriver utjämning av porvattenövertryck i tid och rum
Tjälgränsen Vid upptiningen bildas vatten vid tjälgränsen av smältande is. Vattnet strömmar uppåt samtidigt som en kompression sker. Effektivspänningen vid tjälgränsen blir