Utskiftningsdjup i Region Norr

EXAMENSARBETE 2006:179 CIV Utskiftningsdjup i Region Norr MARTIN NILSSON CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Geoteknologi 2006:179 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 06/179 - - SE

FÖRORD Detta examensarbete är det avslutande momentet i min civilingenjörsutbildning i väg- och vattenbyggnadsteknik vid Luleå tekniska universitet. Arbetet omfattar 20 högskolepoäng och har genomförts under vårterminen 2006. Examensarbetet är utfört på Avdelningen för geoteknik vid Institutionen för samhällsbyggnad. Projektet är initierat av Vägverket Region Norr i Luleå och det är även där som största delen av arbetet har utförts. Arbetet har bestått i att beräkna till vilket djup urgrävningarna i våra vägar bör göras för att minska tjällyftningarna. Resultatet presenteras på en karta som omfattar hela Region Norr. Jag vill först och främst tacka min handledare på Vägverket Region Norr, Johan Ullberg för hans engagemang och hjälpsamhet genom hela projektet. Jag vill även tacka min examinator, Sven Knutsson för god handledning. Tack också till alla de personer som delat med sig av sin erfarenhet och sina åsikter, ingen nämnd och ingen glömd. Sist av allt skulle jag vilja tacka alla berörda på Vägverket Region Norr i Luleå för ett vänligt och trevligt bemötande under min tid hos Er. Luleå, maj 2006 Martin Nilsson II

SAMMANFATTNING Ett vanligt och kostsamt problem i nordliga trakter av världen är tjällyftningar i vägar. Ojämna tjällyftningar bryter sönder och förstör vägarna, dessutom försämras åkkomforten och säkerheten avsevärt. För att åtgärda dessa problem görs vanligtvis utskiftningar, det vill säga att gräva bort tjälfarligt material och ersätta detta med ett mindre tjällyftande material. Inom Vägverket Region Norr används i dagsläget en schablonkostnad per meter väg vid planering av framtida vägåtgärder. Denna schablon är relativt grov och innehåller inte alltid alla nödvändiga förutsättningar. Syftet med detta examensarbete är att försöka förbättra planeringsunderlaget genom att ta fram ungefärliga utskiftningsdjup inom regionen, utifrån det geografiska läget. Arbetet har genomförts genom att göra tjällyftsberäkningar i programmet PMS- Objekt. För beräkningarna har vägytetemperaturer från de drygt 100 väderstationer som finns utplacerade längs vägarna i Norrbottens- och Västerbottens län använts som indata. Resultatet från beräkningarna presenteras på en karta med isolinjer som definierar områden med likvärdiga utskiftningsdjup. Utskiftningsdjupen varierar generellt från 1,3-2,0 m (se figur 6-1). Utskiftningsdjupen stiger ju längre norrut i landet man kommer. Närmast kusten är djupen som lägst och i inlandet hittar vi de största värdena. Examensarbetet omfattar en litteraturstudie som behandlar ämnesområdet jordarter och dess egenskaper. Litteraturstudien beskriver hur själva tjälningsprocessen går till samt några förenklade metoder för att beräkna tjäldjup och tjällyftningar. Examensarbetet innehåller även ett litet tjälinventeringsarbete på några vägar i norrbotten. III

ABSTRACT A common and expensive problem in the northern parts of the world is frost heaving in roads. Uneven frost heaving s breaks and destroys the roads, besides that it has a considerable negative effect at the comfort and safety. To attend these road damages it s common to do excavations, which means that you dig away bad material and replace it with better material regarding frost heave. Today when the Swedish Road Administration, Vägverket in the northern region are planning for future road measurements they use a cost model per meter road. This cost model is relatively unsure and it doesn t always contain all necessary conditions. The purpose with this master thesis is to improve the basis for planning by showing approximately depth for these excavations. The project has been done by doing frost heaving calculations in the program, PMS-Objekt. Data collection for these calculations is taken from over 100 weather stations which are located along roads in Norrbotten- and Västerbottens County. The result from the calculations is shown in a map with lines that define areas with similar depth for excavations. These depth vary usually between 1, 3-2, 0 m, the depth increase from south to north (see figure 6-1). The lowest depths are in the areas near the coast and de biggest depths are in the inland. This thesis includes a literary study that concentrates to the parts of geology and soil mechanics that handle the subject area soil and its properties. The literary study describes the freezing process in soil and a simplified way to calculate frost depth and the size of frost heaving. The thesis also includes results and descriptions from a small inventory of some roads in Norrbotten, considering frost heaving. IV

INNEHÅLLSFÖRTECKNING FÖRORD... II SAMMANFATTNING... III ABSTRACT...IV INNEHÅLLSFÖRTECKNING... V 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 MÅL... 1 1.3 METOD... 1 1.4 AVGRÄNSNINGAR... 2 2 GEOLOGI... 3 2.1 ALLMÄNT... 3 2.2 KVARTÄRGEOLOGI... 3 2.3 LÖSA AVLAGRINGAR- JORDARTER... 6 2.3.1 KLASSIFICERING AV JORDAR... 7 2.3.2 JORDARTERNAS BESTÅNDSDELAR... 15 2.3.3 JORDPARTIKELNS UTSEENDE... 16 2.3.4 JORDS STRUKTURELLA UPPBYGGNAD... 17 2.3.5 JORDARTERNAS EGENSKAPER... 17 2.4 JORDARTSOMRÅDEN I REGION NORR... 19 3 TJÄLE... 21 3.1 ALLMÄNT... 21 3.2 TJÄLNINGSPROCESSEN... 22 3.3 TERMISKA EGENSKAPER... 28 3.4 KLIMATETS PÅVERKAN... 31 3.5 ÅTGÄRDER FÖR ATT MINSKA TJÄLLYFTNINGAR... 33 3.6 METODER FÖR BERÄKNING AV TJÄLDJUP OCH TJÄLLYFTNING. 37 3.6.1 BERÄKNINGSMODELLEN SOM ANVÄNDS I PMS-OBJEKT... 44 4. BERÄKNINGAR AV UTSKIFTNINGSDJUP... 46 4.1 VVIS-STATIONER... 46 4.2 FÖRUTSÄTTNINGAR OCH GENOMFÖRANDE... 47 5 TJÄLSKADEINVETERING... 53 6 RESULTAT... 60 7 DISKUSSION... 62 7.2 FÖRSLAG TILL FORTSATTA STUDIER... 63 8 SLUTSATSER... 65 REFERENSER BILAGEFÖRTECKNING V

1 INLEDNING Detta kapitel beskriver bakgrund, mål, metod och avgränsningar för examensarbetet. 1.1 BAKGRUND När Vägverket Region Norr planerar framtida beläggnings- och förstärkningsåtgärder samt bärighetsåtgärder används vid budgeteringen en schablonkostnad per meter väg. Denna schablon har visat sig vara relativt grov, det vill säga det finns inte alltid alla förutsättningar med. De allt högre kraven på kostnadsprognoser har gjort att ett behov av förfining uppstått. En viktig del som kan påverka kostnaden är utskiftningar. Det är då dels antalet utskiftningar inom ett objekt och dels nödvändigt utskiftningsdjup som påverkar kostnaden. I ett tidigt planeringsskede är det inte realistiskt att studera andelen utskiftningar i specifika objekt. Det som då återstår att undersöka är utskiftningsdjupet och hur det skiljer sig utifrån det geografiska läget. 1.2 MÅL Examensarbetets mål är att försöka bestämma nödvändigt utskiftningsdjup för förbättringsåtgärder i Norrbottens- och Västerbottens län. Utskiftningsdjupen skall presenteras på en karta med isolinjer som definierar zoner med likvärdiga utskiftningsdjup. Det övergripande målet är att med hjälp av kartan förbättra prognostiserad kostnad i ett tidigt planeringsskede. 1.3 METOD Examensarbetets första skede bestod av en materialinsamling och litteraturstudie inom området tjäle. Detta för att förstå hur tjälningsprocessen fungerar, vilket var viktigt för det kommande arbetet. Nästa steg var att ta kontakt med Vägverket Region Mitt som tidigare utfört ett liknande projekt. Jag reste ner till Härnösand och fick här många matnyttiga tips som gjorde att jag lättare kom igång med mitt arbete. Den tidsmässigt största delen av arbetet var sedan att utföra tjällyftningsberäkningarna för att ta fram utskiftningsdjupen. Beräkningarna utfördes på samtliga VVIS-stationer i region norr (drygt 100 mätstationer) med hjälp av programmet PMS-Objekt. När alla beräkningar var gjorda återstod att analysera resultatet och presentera utskiftningsdjupen på en karta med isolinjer som definierar områden med liknande 1

utskiftningsdjup. Kartan stämdes sedan av med rutinerade projektledare och geotekniker. 1.4 AVGRÄNSNINGAR Arbetet har begränsats till att omfatta utskiftningsdjupen i Region Norr, det vill säga i Norrbottens- och Västerbottens län. Vidare har undergrundsmaterialen som beräkningarna baseras på begränsats till de tjällyftningsbenägna materialen silt och blandkornig jord. Examensarbetet omfattning begränsas även till en litteraturstudie och ett litet tjälinventeringsarbete. 2

2 GEOLOGI Detta kapitel består av en teoridel som behandlar vissa utvalda delar av ämnet geologi. Här behandas de delar av geologin som jag anser intressanta och viktiga utifrån detta examensarbete. Först beskrivs kortfattat hur våra jordarter kom till och fick sin form under inlandsisens verkningar. Sedan beskrivs jordarternas indelningar, beståndsdelar, utseende, uppbyggnad och egenskaper. 2.1 ALLMÄNT Ordet geologi betyder läran om Jorden. Begreppet används dock vanligtvis inom den del av naturvetenskapen som är inriktad mot jordskorpans uppbyggnad, sammansättning, historia samt de förlopp som präglat dess utveckling (Loberg, B) 2.2 KVARTÄRGEOLOGI Kvartärtiden är den tid vi nu lever i och den utgör den sista delen av den Kenozoiska eran. Kvartärtidens historia kännetecknas av växlingar mellan kallt klimat under glacialtider och varmare klimat under interglacialtider. (Kvartärgeologi) I Sverige har i princip alla jordarter bildats under den senaste nedisningsperioden, Weichsel och under tiden därefter. För att känna igen jordarterna och förstå de spår som lämnats av landisen krävs förståelse om hur glaciärer rör sig och smälter av samt hur de transporterar och avlagrar jordmaterial (Kvartärgeologi). En glaciär bildas genom att snö byggs på från år till år. Snökristallerna packas ihop dels av sin egen tyngd samt genom smältning och återfrysning. Isen växer i de övre delarna, där det är överskott på snö. Ismassorna strömmar långsamt ut likt en högviskös vätska från de centrala delarna ut mot isens kanter. När tillförseln av snö under vintern är större än avsmältningen under sommaren växer istäcket. Vid ismassans rörelse ut mot isfronten kommer det fastfrusna bergmaterialet i isens bottenzon att forma och repa den underliggande berggrunden. De spår som uppkommer visar i grova drag hur isen rört sig i området (Kvartärgeologi). När klimatet förändras så att avsmältningen under sommaren är större än snötillförseln under vintern kommer isens front att förflyttas bakåt. Avsmältningen av isen kan ske på en mängd olika sätt. Isfronten mynnar och smälter ofta i vatten. Den är ofta utbildad som en lodrät hög vägg från vilket stora isberg eller mindre isstycken bryts loss vid avsmältningen. Vid landisens rörelse framåt kommer den i sina undre delar att ta upp lösa avlagringar och bryta loss och ta upp bergfragment direkt ur berggrunden. Det material som på detta sätt transporteras i de undre delarna av isen krossas och kantavrundas av isens rörelse och tyngd. Material transporteras även på isens överyta och inuti isen. Materialen som transporteras i isen koncentreras ofta i skikt, mellan skikten kan isen vara helt ren. Vid avsmältningen kommer det material som transporterats med isen att avlagras. 3

Enstaka block har på detta sätt transporterats långa sträckor. Delar av materialet som transporterats vid botten avlagras redan under isen, som bottenmorän. När isavsmältningen sker i vatten kommer materialet som transporterats högre upp i isen att lossna och sjunka genom vattnet ned till botten (Kvartärgeologi). Den senaste istiden, Weichsel var mycket komplex med flera nedisningar och mellanliggande varmare perioder. Den äldsta fasen av Weichsel, Tidig Weichsel började för ungefär 117 000 år sedan när glaciärer växte till i fjällkedjan. Först under Sen Weichsel som började för 25 000 år sedan expanderade isen och för ca 20 000 nådde den sin största utbredning. I figur 2-1 visas isens maximala utbredning under Weichsel (streckad linje). Isräfflor med olika åldrar visar att isens högsta punkt till en början låg i skandinaviska fjällkedjan för att sedan förskjutas mot öster, kanske försköts den ända ned till Bottenviken (Kvartärgeologi). Figur 2-1 Den maximala utbredningen av is under kvartärtiden (heldragen linje) och den maximala utbredningen under Weichsel (streckad linje) i Europa (Kvartärgeologi). 4

Genom landisens tyngd pressar den ned den underliggande jordskorpan. Jordskorpan som mest varit nedtryckt 500-800 m. När sedan isen smälter bort strävar jordskorpan efter att återgå till sitt utgångsläge. Landet kommer i och med detta att höja sig, landhöjning. Denna process är väldigt trög och pågår fortfarande i större delen av Sverige. Tiden närmast efter att isen avsmält var landhöjningen mycket snabb, flera meter per århundrade. Landhöjningen avtog med tiden och nu uppgår den till endast några mm per år Figur 2-2 visar den landhöjning som i dagsläget sker i Norden (Kvartärgeologi). Figur 2-2 Karta över den nutida landhöjningen i Norden (Kvartärgeologi). 5

Vid avsmältningen av ismassorna frigjordes stora vattenmängder vilket medförde stigning av havsytan. Havsnivån steg utan fördröjning till skillnad från landhöjningen vilket medförde stora översvämningar. En högsta nivå till vilket havet nått, högsta kustlinjen utbildades under detta tillfälle, se figur 2-3. Högsta kustlinjen, HK är ur jordartsynpunkt en mycket viktig gräns eftersom de finkorniga jordarterna till största delen finns upp till denna nivå. HK är den översta gränsen till vilket vågorna bearbetat och omlagrat tidigare avsatta jordarter vilket gav upphov till t.ex. ler- och siltjordar. Det är dessa finkorniga material som är mest problematiska ur tjällyftningssynpunk, vilket innebär att de största problem med tjällyftningar oftast finns i områdena under HK (Kvartärgeologi). Figur 2-3 Karta över högsta kustlinjen i Sverige (www.srv.se). 2.3 LÖSA AVLAGRINGAR- JORDARTER Med jordart menas en lös geologisk avlagring som består av organiska eller oorganiska beståndsdelar (Kvartärgeologi). 6

2.3.1 KLASSIFICERING AV JORDAR För att förenkla bedömningen av egenskaperna hos jord har man tagit fram ett antal klassificeringssystem. I dessa klassificeringssystem har man delat in jordar som har något eller i några avseenden likartade egenskaper i grupper. Det vanligaste amerikanska systemet för att klassificera jordar kallas USCS (Unified Soil Classification System). Det togs fram 1948 av Casagrande, A. Systemet som visas i tabell 2-1 har dock genomgått många modifieringar sedan dess. USCS systemet delar in jordar i tre huvudgrupper: 1. coarse-grained soil 2. fine-grained soil 3. high organic soil Tabell 2-1 Unified Soil Classification System (Phukan, A). 7

Klassificeringen är framtagen på material som passerar sikten 75 mm. Jordar där över 50 % av materialet stannar kvar i sikten 0,074 mm hamnar i grupp 1. Jordar där över 50 % passerar sikten 0,074 mm hamnar i grupp 2. De organiska jordarna kan generellt identifieras okulärt beroende på deras organiska innehåll. Huvudgrupperna delas vidare in i undergrupper som beskrivs nedan: Grupp 1 delas in i två undergrupper: G, gravels and gravelly soils (grus och grusiga jordarter) (< 50 % passerar sikten 4,75 mm) S, Sand and sandy soils (sand och sandiga jordarter) (> 50 % passerar sikten 4,75 mm) Förutom denna indelning delas sand och grus in enligt följande: W: well graded (välgraderad) P: gap graded or poorly graded (språnggraderad eller dåligt graderad jord) GM, SM: Coarse material containing silt binder (grovkornig jord med inslag av silt) GC, SC: Coarse material containing clay binder (grovkornig jord med inslag av lera) Grupp 2 delas in i tre undergrupper: M, inorganic silt (oorganisk silt) C, Inorganic clay (oorganisk lera) O, Organic silts and clays (organisk jord med silt och lera) Jordarna i grupp 2 indelas även enligt följande: L: liquid limits less than 50 (flytgräns mindre än 50) H: liquid limits greater than 50 (flytgräns store än 50) 8

Vägverket har ett system att dela in jord och berg i olika materialtyper. Jord och berg i underbyggnad och undergrund indelas för dimensionering av överbyggnad i materialtyper enligt tabell 2-2. Tabell 2-2 Vägverkets indelning av berg och jord i materialtyper (ATB VÄG). Jordar indelas huvudsakligen efter kornstorlek och kornstorleksfördelning. Andra klassificeringssystem som används är indelning efter organisk halt, hållfasthets- och deformationsegenskaper, konsistens, tjälfarlighet samt efter bildningssätt (Axelsson, K). Kornstorlek Vid indelningen efter kornstorlek grupperas jorden i olika kornfraktioner. Fraktionsindelningen skiljer sig åt mellan olika länder. Inom geotekniken i Sverige används fraktionsindelningen som visas i tabell 2-3. Tidigare användes ett äldre system där fraktionerna delades in i: Ler, Mjäla, Mo, Sand, Grus, Sten och Block. 9

Fraktionsgrupp Fraktion Kornstorlek, mm Block och sten Block >600 Sten 600-60 Grovjord Grus 60-2 Sand 2-0.06 Finjord Silt 0,06-0,002 Ler <0.002 Tabell 2-3 Sveriges fraktionsindelning för mineraljordarter (Axelsson, K). Kornfördelning Mineraljord kan uppträda i mycket ensgraderad form t.ex. i sedimentationsskikt med bara enstaka fraktioner. Jorden kan även omfatta samtliga fraktioner från väldigt små lerpartiklar till stora block t.ex. i en morän. Bestämning av en jords kornfördelning görs genom siktning och sedimentationsanalys. Resultatet av detta redovisas i ett siktdiagram, se figur 2-4. I siktdiagrammet visas kornfördelningskurvan hos jordarten. Om kurvan är flack innehåller jorden fler fraktioner och omvänt så är jorden mer ensgraderad om kurvan är brant. Graderingstalet, Cu representerar kornfördelningskurvans lutning. Cu= d60/d10 Figur 2-4 Kornfördelningskurva (Axelsson, K). d60 och d10 anger de kornstorlekar som svarar mot 60 procents respektive 10 procents passerande viktmängd. Jorden kan benämnas efter graderingstalets storlek, de tre indelningsgrupperna är ensgraderad, mellangraderad och månggraderad. Denna indelning visas i tabell 2-4. 10

Benämning Graderingstal, Cu Ensgraderad <5 Mellangraderad 5-15 Månggraderad >15 Tabell 2-4 Indelning av jordar efter korngradering (Axelsson, K). En del jordarter saknar mellanliggande fraktioner vilket gör att kornfördelningskurvan kommer att innehålla språng. Dessa jordarter kallas då språnggraderade (Axelsson, K). Organisk halt Det förekommer ofta att mineraljord är uppblandad med större eller mindre mängder organisk jord. Eftersom detta påverkar jordens mekaniska egenskaper måste denna halt fastställas. Halten av organiskt material bestäms vanligtvis genom glödgning. Vid glödgningen upphettas det torkade provet till 800 C under 30-40 minuter. Glödgningsförlusten, g är förhållandet mellan massförlusten på grund av glödgningen och den torra jordens massa. Den organiska halten är alltså förhållandet mellan massan av den organiska substansen och den torra jordens massa (Axelsson, K). I tabell 2-5 visas jords indelning med hänsyn till organisk halt. Typ av jordart Halt av organisk substans Benämningar Mineraljord med 2-6 Gyttjig lera organisk inblandning Gyttjig, siltig lera, Dyig silt Mineralblandad organisk 6-20 Lerig gyttja, Siltig gyttja jord sandig dy Organisk jord >20 Gyttja, Dy, Dytorv Mellantorv, Filttorv Tabell 2-5 Jordarternas indelning med hänsyn till organisk halt (Axelsson, K). Hållfasthets- och deformationsegenskaper Utifrån jordens hållfasthets- och deformationsegenskaper indelas den i friktionsjord, mellanjord eller kohesionsjord. Friktionsjord saknar draghållfasthet och dess skjuvhållfasthet byggs till största delen upp av friktion mellan kornen. Friktionsjord omfattar fraktionerna sand, grus, sten och block. Kohesionsjord har viss draghållfasthet och för denna jordtyp byggs skjuvhållfastheten främst upp av kohesion mellan partiklarna, dock även av friktion mellan kornen. Kohesionsjord omfattar för de oorganiska jordarterna fraktionen ler och för de organiska jordarterna dytorv, dy och gyttja. 11

För mellanjord byggs skjuvhållfastheten upp av både friktion och kohesion. Mellanjord omfattar fraktionen silt och blandkorniga jordarter med en finjordshalt på 15-40 % (Axelsson, K). Konsistens Vattenkvoten, w har stor inverkan på jordarternas mekaniska egenskaper. Om vattenkvoten är låg hos den finkorniga jorden är den fast och faller lätt sönder. När vattenkvoten successivt ökas får jorden först ett halvfast tillstånd, sedan plastiskt och tillslut blir den flytande. De finkorniga jordarterna kan indelas efter deras konsistens, se tabell 2-6 (Axelsson, K). Benämning Plasticitetstal, IP Flytgräns, wl Lågplastisk <10 <30 Mellanplastisk 10-25 30-50 Högplastisk >25 >50 Tabell 2-6 Finkorniga jordarters indelning efter konsistens (Axelsson, K). Flytgränsen, wl är den vattenkvot som definierar övergången mellan plastisk och flytande konsistens. Plasticitetstalet, IP är ett mått på det område inom vilket jorden är plastisk. IP= wl-wp där plasticitetsgränsen, wp är den vattenkvot som definierar övergången mellan halvfast och plastisk konsistens (Axelsson, K). Tjälfarlighet Efter jordarternas tjälfarlighet kan de indelas i tjälfarlighetsgrupper. Det finns ett flertal olika system för tjälfarlighetsklassificering, olika länder har ofta egna system. Tabell 2-7 visar indelningen som SGF har tagit fram. Detta system tar hänsyn till jords egenskaper vad gäller tjällyftning under tjälningsprocessen samt uppmjukning under tjällossningen. Grupp 1 känneteknas av liten tjällyftning och obetydlig uppmjukning under tjällossningen. Grupp 2 ger vid normala förhållanden en måttlig tjällyftning samt att den blir mer eller mindre uppmjukad vid tjällossningen. Grupp 3 ger normalt en betydande tjällyftning och uppmjukningen vid tjällossningen blir normalt kraftig. Grupp Benämning Exempel på jordarter 1 Icke tjälfarlig jord grus, sand, grusig eller sandig morän 2 Måttligt tjälfarlig jord moränleror och lermorän 3 Starkt tjälfarlig jord siltjordar, sedimentära leror med hög silthalt Tabell 2-7 Jordarters indelning efter tjälfarlighet enligt SGF (Axelsson, K). 12

Amerikanarna har flera olika klassificeringssystem för indelning av jordars tjälfarlighet. Det mest använda systemet i USA är det som utvecklades av ingenjörerna i den amerikanska armén 1965. Detta klassificeringssystem visas i tabell 2-8. När detta system togs fram klassificerades jordarna med hänsyn till tre olika test: I. Halten av partiklar mindre än 0,02 mm II. Jordart baserad på USCS (Unified Soil Classification System, se tabell 2-1) III. Frystest i laboratorium Tabell 2-8 Klassificeringssystem för jordars tjälfarlighet (Phukan, A). I tabell 2-8 finns ett flertal förkortningar vilka beskrivs nedan: G: grus, S: sand, M: silt, C: lera, W: väl graderad, NFS: Icke tjälfarligt (Non-frostsusceptible) I figur 2-5 visas hur detta amerikanska system klassificerar jordarna utefter sex kategorier: 1. Försumbar tjälfarlighet 2. Mycket liten tjälfarlighet 3. Liten tjälfarlighet 4. Medelhög tjälfarlighet 5. Hög tjälfarlighet 6. Mycket hög tjälfarlighet 13

Figur 2-5 Jordars tjälfarlighet (Ladanyi & Andersland). 14

Vägverkets har även tagit fram ett eget klassificeringssystem med hänsyn till jordars tjällyftande egenskaper. Detta system kan ses i tabell 2-9 och indelningen sker i fyra tjälfarlighetsklasser. Halterna som anges i tabellen gäller för det material som passerar 63 mm sikten. Tabell 2-9 Vägverkets indelning av jordarter i tjälfarlighetsklasser med hänsyn till deras tjällyftande egenskaper (ATB VÄG). I tabell 2-9 benämns materialen i olika materialtyper. En förklaring till denna indelning ges i tabell 2-2. 2.3.2 JORDARTERNAS BESTÅNDSDELAR Jords tre olika beståndsdelar består av fast substans, porvatten och porgas. Jord är i och med detta ett system med fast, flytande och gasformiga komponenter (Axelsson, K). De fasta beståndsdelarna består av korn och partiklar som tillsammans bildar den fasta lastbärande stommen i jord. De svenska kvartära mineraljordarna består dels av glaciala bildningar (t.ex. moränavlagringar och isälvssediment) och dels postglaciala bildningar (t.ex. älv-, sjö-, svall- och havssediment). Det är främst silikater som dominerar dessa jordar. De organiska jordarna har bildats genom förmultning av 15

växter och djurrester. De fasta beståndsdelarna i denna organiska substans utgörs av humus (Axelsson, K). Vätskefasen i jord utgörs av vatten med varierande halt av lösta salter. Delar av porvattnet kan vara mer eller mindre bundet till de fasta beståndsdelarna. Därför finns begreppen fritt porvatten respektive bundet porvatten. Att porvattnet binds till den fasta substansen beror av både kemiska och mekaniska krafter (Axelsson, K). Gasfasen i jord utgörs ovanför grundvattenytan av luft och under grundvattenytan av metan, väte, svavelväte eller koldioxid. Gasen som under grundvattenytan har bildats i en mycket syrefattig miljö genom att organisk substans brutits ned genom inverkan av bakterier, svampar och enzymer (Axelsson, K). 2.3.3 JORDPARTIKELNS UTSEENDE Mineralkornens storlek kan variera från mindre än 1 µm för lerpartiklar till flera meter för bergblock. Beroende på mineralens ursprung och fraktionstillhörighet kan även formen variera ganska mycket. Mineralkornen för fraktionen silt och grövre har ungefär lika dimensioner i tre ortogonala riktningar. Det finns till och med korn med nästintill kubiskt respektive sfäriskt utseende. Formen hos mineral inom sten-, grus-, sand och siltfraktionerna bestäms av utgångsmaterialet som jorden bildats av samt dess bildningssätt. Mineralpartiklar som tillhör lerfraktionen har en utpräglad flat form och oregelbunden kontur. Lermineralen karaktäriseras av att det lätt uppstår negativ nettoladdning på de fria ytorna. Till lerpartiklarnas negativt laddade ytor attraheras katjoner som bildar ett yttre lager kring mineralpartikeln. I vatten hydratiserar både lerpartikelns yta och de attraherade jonerna vilket gör att det bildas ett tunt skikt av fast bundet vatten kring partikeln. Kornen kan vara mer eller mindre avrundade, se figur 2-6. Det individuella kornets struktur och färg skiljer sig även åt. Strukturen benämns då som matt eller blank, jämn eller skrovlig. Färgen har ingen geoteknisk betydelse men kan vara bra att känna till vid beteckning av en jordart (Axelsson, K). Figur 2-6 Grad av avrundning hos mineralpartiklar (Axelsson, K). 16

2.3.4 JORDS STRUKTURELLA UPPBYGGNAD De krafter som påverkar en enstaka jordpartikels uppförande är olika för grövre respektive finare partiklar. För de grövre partiklarna dominerar masskrafterna och partiklarna saknar vanligtvis elektrisk laddning. För de finare partiklarna är situationen den omvända, här är det de elektriska krafterna som dominerar medan masskrafterna är försumbara. De krafter som verkar mellan två jordpartiklar blir därför också olika för grovkornig respektive finkornig jord (Axelsson, K). I grovkornig jord är kornen i direkt kontakt med varandra. Eftersom kornen oftast är mycket oregelbundna blir kontaktpunkterna många och kontaktytorna små. I grovkornig jord domineras bindningskrafterna av friktionskrafter (Axelsson, K). I finkornig jord är partiklarna omgivna av en högviskös film av bundet vatten. Detta gör att partiklarna inte kommer i direkt kontakt med varandra. Dessa vattenfilmer har en elektrisk laddning som gör att när partiklarna kommer tillräckligt nära varandra kommer deras ytladdning att påverka varandra. Om båda partiklarna har en negativ nettoladdning kommer de att repellera varandra. Utöver den repellerande kraften finns en attraherande kraft från van der Waals bindning mellan partiklarna. Om partiklarna kommer riktigt nära varandra kommer van der Waals krafter att få övertag och en nettoattraktion uppstår. Förutom van der Waals krafter så bidrar även vätebindning och elektrostatisk krafter till bindningen mellan partiklarna. Bindningskrafterna i finkornig jord är därför av kohesiv natur (Axelsson, K). 2.3.5 JORDARTERNAS EGENSKAPER Några viktiga tekniska egenskaper hos jordarter är permeabilitet och kapillaritet. Dessa egenskaper skiljer sig mycket åt beroende på jordarternas kornstorlek, kornstorleksfördelning och porstorlek (Miskovsky, K) Kapillaritet En jords förmåga att suga åt sig och kvarhålla vatten kallas kapillaritet. Denna förmåga mäts i mm stighöjd. I jord fungerar porutrymmet som kapillärer. Detta porutrymme har inte bara förmågan att kvarhålla utan även att lyfta upp vatten genom kapillära krafter. En jordarts porer kan jämföras med ett system av kapillärer i vilka vattnet stiger beroende av ytspänningen (det råder undertryck i förhållande till atmosfärtryck). Den kapillära stighöjden i en jordart är till stor del beroende av porernas storlek och därmed kornstorleksfördelning, packningsgrad, sorteringsgrad och kornform. Den kapillära stighöjden i en jordart växer med avtagande kornstorlek men den kapillära stighastigheten avtar däremot med avtagande kornstorlek Konsekvensen av detta blir att leriga jordarter med liten kornstorlek kan lyfta vatten långa sträckor (> 30 m) men med låg stighastighet. Silt däremot har en högre stighastighet men inte samma stighöjd. (Kvartärgeologi). 17

I tabell 2-10 visas kapilläriteten för olika jordarter Jordart Kapillaritet (cm) Fingrus 1-3 Grovsand 3-10 Mellansand 10-30 Finsand 30-100 Grovsilt 100-300 Mellansilt 300-1000 Finsilt 1000-3000 Ler >3000 Tabell 2-10 Kapillärstigning hos olika jordarter (Miskovsky, K). Permeabilitet En jords förmåga att släppa igenom vatten kallas permeabilitet, även kallat hydralisk konduktivitet. Vattengenomsläppligheten mäts i m/s och är beroende av jordartens kornstorlek, sortering, packning och porstorlek. Grovkorniga och sorterade jordarter har den största permeabiliteten medan finkorniga osorterade jordarter inte släpper igenom några nämnvärda vattenmängder utan kvarhåller vatten i sina små porer. Permeabiliteten för olika jordarter visas i tabell 2-11. Kornstorleksgränsen mellan permeabla och icke-permeabla jordarter är ungefär 0,2 mm, detta är dock ingen tydlig gräns (Miskovsky, K). Jordart Permeabilitet (m/s) Grusig morän 10-5 10-7 Sandig morän 10-6 10-8 Lerig morän 10-8 10-10 Fingrus 10-1 10-3 Grovsilt 10-4 10-6 Lera < 10-9 Tabell 2-11 Permeabilitet hos olika jordarter (Miskovsky, M). 18

2.4 JORDARTSOMRÅDEN I REGION NORR Huvuddragen i Region Norrs jordartsgeologi återges i figur 2-7. Beroende på olika jordarters dominans kan landet i stora drag delas in i ett antal ganska enhetliga områden. Här beskrivs jordartsområdena som är aktuella för detta examensarbete, det vill säga för Norrbottens- och Västerbottens län. Det ska framgå av kartan och förklarningarna nedan att de sämsta jordarterna ur tjällyftningssynpunkt är belägna längs kustområdena. Ovanför högsta kustlinjen och upp mot fjällen är jordarna ur denna synpunkt bättre. Figur 2-7 Sveriges jordartsområden (Sveriges Nationalatlas). Norra Norrlandskustens berg-, morän- och sedimentområde Detta område utgör det orangefärgade fältet längs norra kusten på kartan. Berggrunden utgörs här huvudsakligen av gnejser och graniter med olika inslag av basiska bergarter. Området som är beläget under högsta kustlinjen, HK domineras av morän. Moränen är till största delen sandig-siltig och moränytorna vanligen normalblockiga. Moränen ligger som ett jämt täcke som tunnar ut mot höjderna. Sedimentmorän, Kalixpinnmo, förekommer på flera ställen öster och norr om Luleå. 19

I dalgångarna finns isälvsavlagringar och finkorniga sediment i form av lera och silt vilka ut tjällyftningssynpunkt är mycket problematiska. De postglaciala lerorna är ofta svartfärgade av järnsulfid, så kallad sulfidjord. Norra Norrlands morän- och myrområden Detta område utgör det mörkbeiga fältet längst upp på kartan. Berggrunden utgörs huvudsakligen av graniter, gnejsgraniter och basiska vulkaniter. Området som med undantag för sydöstra delen ligger över HK präglas av morän, isälvssediment och torvmarker. Moränen är till största delen sandig-siltig. Torvmarkerna kan ofta karakteriseras som blandmyrar. Blandmyr är en myr som karaktäriseras av en mosaikartad blandning av kärr och mosseelement. Övergången mellan blandmyr och mosse är flytande och ofta diffus. Torvmäktigheten på detta område är oftast ett par meter. Södra och mellersta Norrlands inlands morän- och myrområde Detta område utgör det stora ljusbeiga fältet i mitten på kartan. Berggrunden domineras av olika gnejsgraniter och graniter. Hela området ligger över HK förutom kustzonen. Morän och torv täcker här mycket stora områden. Moränen är till största delen sandig-siltig. I dalgångarna finns olika glaciala och postglaciala finkorniga sediment samt älvsediment. Torvmarkerna utgörs av kärr, blandmyrar samt plana mossar omgivna av kärrpartier. Mellersta Norrlandskustens berg- och sedimentområde Detta område utgör det lilla rödförgade fältet längst ned längs kusten på kartan. Berggrunden består här till största delen av olika urbergsgnejser. Området är till största delen beläget under HK. Kalt berg har stor utbredning. Jordarterna domineras av svallsediment och finkorniga sediment medan morän, isälvssediment och älvsediment har liten utbredning. De finkorniga sedimenten som främst förekommer i sänkor och dalgångar kan ha betydande mäktighet. De domineras av olika leror med stort inslag av silt och är därför problematiska ut tjällyftningssynpunkt. Kalfjällsområdet Detta område utgör det gråfärgade fältet längs med fjällområdet. Berggrunden domineras av skiffrar, kalkstenar, kvartsiter och amfiboliter. I Lapplandsfjällen är berget endast glest jordtäckt och är ofta vittrat och uppsprucket. I andra delar täcks det till stor del av jordlager som har påverkats av frostprocessen. Morän finns ofta i tunna lager på sluttningar och fjällplatåer. Isälvsavlagringar i form av åsar förekommer och dessa åsar omges ofta av finkornigare sediment (Sveriges Nationalatlas). 20

3 TJÄLE Kapitlets syfte är att teoretiskt beskriva området tjäle. Här beskrivs tjälningsprocessen, jords termiska egenskaper, klimatets påverkan, olika åtgärder för att minska tjällyftningar samt förenklade handberäkningsmodeller för tjäldjups- och tjällyftsberäkningar. 3.1 ALLMÄNT Tjälning är ett stort problem i de nordliga regionerna av världen. En effekt av tjälning är hävning av markytan, så kallad tjällyftning. En annan effekt av tjälning är bärighetsförlust i jorden under tjällossningsperioden När marken successivt tinar kommer det vatten som tidigare var bundet i form av is att smälta. Effekten av detta blir bland annat att markytan sjunker tillbaka och att hållfastheten under vissa perioder minskar. Bärighetsförlusten i samband med att jorden tinar orsakar ibland problem för en väg att periodvis klara den last som den är avsedd att bära. Ojämna tjällyftningar under vintern och bärighetsproblem under tjällossningen ställer till mycket skador på våra vägar och gator. Dessa skador drabbar samhällsekonomin hårt. I figur 3-1 visas en parkeringsplats som har drabbats av stora och ojämna tjällyftningar och i figur 3-2 visas en vägbank med en lång och omfattande tjälspricka. Figur 3-1 Tjälskador är på en bilparkeringsplats (www.swedgeo.se). 21

Figur 3-2 Vägbank med kraftiga tjälproblem. Byggnadsverk och andra konstruktioner är ännu känsligare för tjällyftningar varför man här måste utföra grundläggningen så att marken under och närmast utanför inte fryser. Tjäle i jorden gör även att många markarbeten blir svåra att genomföra under vinterhalvåret vilket förkortar arbetsperioderna för många företag inom mark- och anläggningsbranschen. Tjäle ställer dock inte bara till problem utan ibland kan man även dra nytta av den. Mark som i tinat tillstånd är lös och har dålig bärighet kan i tjälat tillstånd få mycket bra bärighet vilket kan utnyttjas på många sätt. 3.2 TJÄLNINGSPROCESSEN Enligt (Phukan, 1985) sker en volymökning på ungefär 9 procent då vatten fryser till is. Porvattnet som finns i jord ger vid frysning upphov till en hävning som kallas tjällyftning. Denna process är dock vanligtvis en försumbar del av den totala tjällyftningen. Den största bidragande delen av tjällyftningen i en jord är isanrikning i form av islinser. Islinserna bildas av tillskottsvatten som sugs mot frysfronten. Vattnet kommer från närliggande ofrusna områden och när detta vattnen fryser bildas islinser vinkelrätt mot värmeflödet, det vill säga i regel parallellt med markytan. Tjällyftningen verkar därför vanligtvis i värmeflödets riktning, det vill säga vinkelrätt mot markytan. Utsträckningen på islinserna i sidled beror dels på hur homogen jorden är och hur likformig vattentillförseln och temperaturgradienten är. Hur tjocka islinserna blir beror på flera saker bland annat vattentillgång, temperaturgradient samt jordmaterialet. (Knutsson, S). Ett jordmaterial är mer eller mindre tjälfarligt beroende på dess vatteninnehåll, kapillaritet och permeabilitet (se t.ex. tabell 2-9, jordars indelning efter tjälfarlighet). 22

Tjälfarligast är de material som har stort vatteninnehåll, stor kapillaritet och dessutom en stor permeabilitet (Vägverkets publikation: Beräkning av tjällyftning). I Figur 3-3 visar ett diagram där vi kan se hur stor tjällyftningen blir enbart beroende på volymökningen av porvattnet (de undre linjerna) samt den totala tjällyftningen då även islinsbildningen tas med (de övre linjerna). Figur 3-3 Tjällyftningshastigheten som funktion av tjälnedträngningshastigheten. De övre kurvorna visar den totala tjällyftningen som bildats på grund av volymökningen av porvattnet samt islinsbildningen. De undre kurvorna visar tjällyftningen som bildats på grund av enbart volymökningen av porvattnet (Knutsson, S). 23

Om temperaturen håller sig relativt stationär under fryspunkten samtidigt som vatten strömmar till underifrån kan en islins växa till obegränsad tjocklek. Då temperaturen sjunker vid isfrontens undre begränsningsyta hinner inte vatten strömma till för att bygga på islinsen vilket gör att islinsens tjockleksökning stannar av. Istället börjar en ny islins bildas längre ned i marken där temperatur och vattentillgång är gynnsammare. Om denna process upprepas kan flertalet parallella islinser uppkomma, så kallad rytmisk isbandning. Strukturen på en frusen jord skiljer sig väsentligt åt beroende på jordarten. I figur 3-4 nedan har silt och lera frysts på exakt samma sätt men ändå har de så vitt skilda utseenden. Figur 3-4 Strukturen hos frusen silt a) respektive frusen ler b). De svarta partierna är ren is medan de ljusa partierna är jord (Knutsson, S). Islinsernas tjocklek beror till största delen på tillgången av vatten. Vattentillgången hos en tät lera är begränsad eftersom att permeabiliteten är så låg. Detta kan leda till att tillräckligt med vatten inte hinner sugas fram till frysfronten förrän våren kommer och tjälen börjar tina. Detta gör att tjällyftningen hos leran blir relativt liten. Om 24

klimatförhållandena hade sett annorlunda ut med t.ex. permafrost skulle situationen vara en annan. Då skulle vatten hinna sugas fram till frysfronten med islinsbildning och stora tjällyftningar som följd. De islinser som trots allt bildas under normala förhållanden tar största delen av sitt vatten från omgivande jord, vilken i motsvarande grad konsolideras. Detta syns tydligt i figur 3-4 där man ser det nätverksliknande system av islinser som omsluter de överkonsoliderade jordpartierna. Hos en silt är permeabiliteten högre vilket gör att den rytmiska isbandningen ofta bildas under normala förhållanden. (Knutsson, S) I finkorniga jordar startar iskristallisationen i de större porernas centrum. Iskristallerna växer tills ett termodynamiskt jämviktsläge uppstått mellan mineralytornas adsorberande vatten och de växande iskristallerna. Detta gör att det vid negativ temperatur i jorden både finns iskristaller och ofruset vatten. Figur 3-5 visar att det kan förekomma ofruset vatten i jorden även vid temperaturer ända ned mot -10 C. Detta beror på att adsorberat vatten har lägre energinivå än fritt vatten. Figur 3-5 Mängden ofruset vatten som funktion på några olika jordars negativa temperatur. Observera att det finns ofruset vatten även vid så låg temperatur som -10 C (Phukan, A). 25

Då temperaturen sjunker kan vatten med lägre energinivå frysa. Eftersom temperaturen varierar i en jord kommer det att finnas partier med olika energitillstånd hos det ofrusna vattnet. Det ofrusna vattnet kommer att sugas från de varmare zonerna till de kallare på grund av den lägre energinivån. Mängden ofruset vatten i en finkornig jord kan vara stor. Den kontinuerliga vattenfilmen runt mineralpartiklarna sträcker sig från tjälgränsen och en bra bit in i den frusna jorden. Ju finkornigare jorden är desto tjockare är vattenfilmen och desto längre in sträcker den sig. I sådan jord sker vattentransporten lätt eftersom största delen av transporten sker just i dessa vattenfilmer. Enligt (Knutsson, S) sjunker permeabiliteten med minskande temperatur, vilket är förståligt eftersom vattenrörelserna till största delen sker i det ofrusna vattnet. På grund av att permeabiliteten sjunker med temperaturen och med tanke på att suget av vatten blir större ju lägre temperaturen är bör islinsbildningen ske där båda dessa faktorer samverkar på bästa sätt. Genom laboratorieförsök har man visat att den mest gynnsamma zonen för islinsbildning är belägen något bakom fryspunkten, det vill säga i partiet där temperaturen är något under 0 C. En annan viktig faktor som spelar in för läget av islinsbildningen är effektivtrycket. Ju högre effektivtrycket är desto lägre temperatur krävs för att islinsbildningen ska starta. När våren kommer och den frusna jorden börjar tina frigörs det vatten som tidigare varit bundet i form av is. Om hastigheten på detta förlopp är så snabb att vattnet inte hinner dräneras bort skapas vattenöverskott och porvattenövertryck i den tinade jorden, med hållfasthets- och deformationsproblem som följd. Däremot kommer inga nämnvärda porvattenövertryck att bildas om permeabiliteten i den tinade jorden är så hög att smältvattnet kan dräneras bort i samma takt som nybildning av smältvatten sker. De viktigaste faktorerna för reduktion av bärighet i tinande jord är alltså upptiningshastigheten och dräneringsförhållandena (Lindmark, M). Ett annat fenomen som uppstår på grund av att marken fryser och tinar är att stora stenar kan röra sig uppåt mot markytan. Gunnar Zweifeil som är en erfaren geotekniker på Vägverket Region Norr berättade muntligen att det inte alltid är silt i sin renodlade form som är det mest skadliga materialet för våra vägar (även fast det är det mest tjällyftningsbenägna materialet). Siltiga moräner som finns i relativt stor utsträckning i vårt inland är än mer problematiska. Detta beror på att de stora stenar som eventuellt finns i materialet kan röra sig och skapa stora deformationer och skador på våra vägar. 26

Figur 3-6 Schematisk bild över fenomenet då stenar lyfts och vandrar uppåt i tjällyftande jordar (Viklander, P). I figur 3-6 visas processen då en sten lyfts uppåt under en frysning/tiningcykel. Nedan beskrivs processen lite mer detaljerat. A. Tjälfronten vandrar nedåt i jorden och i vid denna tidpunkt är den placerad precis ovanför stenen. B. Vatten sugs från den ofrusna jorden underifrån och upp mot den växande islinsen. När temperaturen sjunker flyttas tjälfronten längre ned och det skapas ett icke fyllt utrymme ovanför stenen på grund av tjällyftningar i den ovanliggande jorden. C. När lyftkrafterna från islinserna blir större än krafterna som håller stenen på plats kommer stenen att lyfta. Stenen lyfter även om en islins skapas under stenen, vilket har skett i figuren. Som en konsekvens av att stenen lyfts skapas direkt ett icke utfyllt utrymme under stenen, detta utrymme kommer att öka i storlek så länge lyftningen av stenen fortgår. På grund av det negativa portrycket som råder kommer vatten att transporteras uppåt och det icke utfyllda utrymmet kommer delvis att fyllas med vatten. När temperaturen sjunker kommer tjälfronten flyttas nedåt och detta vatten kommer då att frysa till is. D. Här har lyftningsfasen av stenen avslutats och tjälfronten är nu placerad under det isfyllda utrymmet. I denna fas kommer tjällyftningen att fortsätta men de växande islinserna är nu placerade under stenen vilket medför att avståndet från stenen till markytan inte kommer att ändras. E. När temperaturen ökar börjar tiningen uppifrån och vandrar nedåt i jorden. Värmeledningstalet för den homogena stenen är högre än i den omgivande jorden vilket gör att värmen kommer att gå fortare genom stenen än i den övriga jorden. Konsekvensen av detta blir att isen under stenen kommer att tina fortare än jorden runtomkring. Stenen kommer på grund av detta att hållas kvar i sitt upplyfta tillstånd medan isen under smälter. Under tiningen kommer vatten och mindre jordpartiklar att rinna ner i utrymmet under stenen vilket gör att stenen hindras från att återgå till sitt ursprungsläge. 27

3.3 TERMISKA EGENSKAPER För att kunna utföra tjälberäkningar är det viktigt att känna till jordmaterialens värmetekniska egenskaper. Det finns ett flertal storheter som är av avgörande betydelse och dessa beskrivs nedan. Specifikt värme Specifikt värme (c), är den värmemängd i Joule (J), som går åt för att höja temperaturen hos 1 kg av ämnet 1 C. Enheten för specifikt värme är kj/kg, K. I tabell 3-1 visas specifikt värme för några olika material och vätskor (Phukan, A). Material Temperatur, C Skrymdensitet, t/m 3 Specifikt värme, kj/kg, K Luft 0 0 1,0 Vatten 0 1,0 4,2 Is 0 0,917 2,04-20 0,920 1,95-40 0,923 2,04 Snö -10 0,1 0,22-10 0,2 0,44-10 0,3 0,66 Kvarts +20 2,65 0,75 Fältspat +20 2,60 0,80 Glimmer +20 2,85 0,87 Sandsten +20 2,70 0,73 Betong +10 1,9-2,3 0,80 Lättklinker +10 0,65 0,8-1,0 Tabell 3-1 Specifikt värme i olika material och vätskor (Knutsson, S). Värmekapacitet Värmekapacitet (C) är den värmemängd i Joule (J), som går åt för att för att höja temperaturen hos 1 m 3 av ämnet 1 C. Enheten för värmekapacitet är MJ/m 3, K. För ett fuktigt ofruset jordmaterial beräknas värmekapaciteten enligt: C = ρ ( c + wc ) mw u D ms (Ekvation 3.1) där Cu = värmekapaciteten för ofruset material (MJ/m 3, K) d = torrdensiteten (t/m 3 ) w = vattenkvoten cms= fasta fasens specifika värme (kj/kg, K) cmw= vattnets specifika värme (kj/kg, K) 28

För ett fruset jordmaterial där allt vatten är fruset beräknas värmekapaciteten enligt: C = ρ + f D ( cms wc mi ) (Ekvation 3.2) där Cf = värmekapaciteten för fruset material (MJ/m 3, K) cmi = isens specifika värme (kj/kg, K) Värmeledningstal När man beskriver värmetransportkapaciteten i ett fuktigt och poröst material som jord talar man om värmeledningstal. I tabell 3-2 ges exempel för några olika materials värmeledningstal. Värmeledningstalet, (W/m, K) varierar bland annat med temperatur, lagringstäthet och fuktkvot (Knutsson, S). Material Densitet, kg/m 3 Värmeledningstal, W/m, K Luft (10 C) 1,25 0,026 Vatten (0 C) 999,87 0,56 Vatten (10 C) 999,73 0,58 Is (0 C) 900 2,21 Is (-40 C) 900 2,66 Snö (lös) 85 0,08 Snö (kompakt) 500 0,7 Lera (torr) 1700 0,9 Sand (torr) 2000 1,1 Betong 2500 1,7 Stål 7500 43 Koppar 2800 375 Tabell 3-2 Värmeledningstal för några olika material (Ladanyi & Andersland). Värmetransporten i jord sker på ett flertal olika sätt, transportmekanismerna är: Ledning i fasta partiklar och vatten Ledning i luft Strålning mellan partiklar Ångdiffusion Konvektion 1975 lanserade den norske vetenskapsmannen Johansen en metod för att med geotekniska parametrar bestämma detta värmeledningstal. Metoden är tillämpbar på både ofrusen och frusen mineraljord (Ladanyi & Andersland). Huvudekvationen för beräkning av värmeledningstalet är: λ = ( λ ) + m λt K e λt (Ekvation 3.3) där m= Den vattenmättade jordens värmeledningstal t= Den torra jordens värmeledningstal Ke= faktor som beror på vattenmättnadsgraden 29

n λm = 0,6 λ I ofrusen jord är n λm = 2,2 λ I frusen jord är 1 n partikel 1 n partikel där n = porositeten partikel = de fasta partiklarnas värmeledningstal t= 0,034n -2,1 (används både för jordar med positiv och negativ temperatur) Ke antar värdet 0 då jorden är helt torr och värdet 1 då jorden är helt vattenmättad. Faktorn Ke kan beräknas utifrån jordens vattenmättnadsgrad, Sr. Om jorden är frusen blir Ke= Sr och om jorden är ofrusen beräknas Ke enligt: K e = log Sr +1,0 K e 0,7log S + 1,0 = r material som har finare fraktion än sand material som har grövre fraktion än sand Latent värme Vid fasövergången då nollgradigt vatten övergår till nollgradig is avges värme. Denna värmeenergi kallas latent värme, L. På motsvarande sätt går det åt energi för att överföra nollgradig is till nollgradigt vatten. Värmemängden som frigörs respektive åtgår är relativt stor och har därför en viktig betydelse i tjältekniska sammanhang (Phukan, A). I rent vatten är det latenta värmet 333 kj/kg, men eftersom en jord inte består helt av vatten beräknas det effektiva latenta värmet L enligt: L = L w ρ D (Ekvation 3.4) där L 6 = 333 10, J/ton vatten w = vattenkvoten, % ρ = torrdensiteten, ton/m 3 D 30

3.4 KLIMATETS PÅVERKAN Temperaturförhållandena är en viktig del vid studier i området tjäle. Tjäldjupet är det djup till vilket jorden fryser. Hur stort tjäldjupet i en jordprofil blir beror till stor del av de negativa lufttemperaturerna samt deras varaktighet. Beroende på de varierande temperaturförhållandena som finns i Sverige skiljer sig tjäldjupen mycket inom landet. Tjäldjupens variation i Sverige visas i figur 3-7. Figur 3-7 Karta över tjäldjupen i Sverige (www.dow.com). Ett vanligt och enkelt sätt att beskriva temperaturbelastning är att använda begreppet köldmängd. Definitionen av köldmängd är tidsintegralen av luftens negativa temperatur genom vintersäsongen. Köldmängden är summan av de negativa dygnsmedelvärdenas numeriska värde (Sveriges Nationalatlas). För att beräkna köldmängden på ett enkelt sätt används ibland månadsmedelvärden på temperaturen. Köldmängden kan beräknas enligt följande: F 730 = Tmånad (Ekvation 3.5) där F = Köldmängd per år, tim C Tmånad = Månadsmedeltemperatur, C (Tmånad 0 C) 730 = Antal timmar i en tänkt medelmånad, tim 31

Köldmängdens storlek skiljer sig mycket för olika platser inom Sverige. Uppgifter om köldmängder finns dokumenterat i form av köldmängdskartor sedan lång tid tillbaka t.ex. av Banverket. Solstrålningen styr i hög grad luftens temperatur. Solstrålningen per ytenhet ökar med den vinkeln strålarna bildar mot markytan, varför den inkommande strålningen är kraftigare nära ekvatorn än vid polerna. En faktor som har stor betydelse för temperaturen är höjden över havet. I den lägre delen av atmosfären sker en blandning av luften med hjälp av vinden och soluppvärmningen. På grund av att lufttrycket avtar med höjden expanderar luft som förs uppåt. Det arbete som utförs vid expansionen tar sin energi från luften själv, med fallande temperatur som följd. Luft som förs neråt komprimeras och blir därför på motsvarande sätt varmare. Enligt Sveriges Nationalatlas leder detta till ett temperaturavtagande med höjden på ca 0,6 C per 100 meter (Sveriges Nationalatlas). I tjälgeotekniska sammanhang är det markytans temperatur som är intressant. Markytans temperatur skiljer sig dock ofta från luftens temperatur. Temperaturen på en snöfri yta är ofta lägre än den omgivande luftens temperatur och temperaturen på en snötäckt yta är ofta högre än den omgivande luftens temperatur. I slutet på vintern minskar detta fenomens betydelse eftersom solinstrålningen på våren ökar vilket ger en varmare markyta än lufttemperaturen. Markytans temperatur styrs, förutom av den lokala topografin, av värmeledningsförmågan i de översta lagren. Snabbast går avkylningen av en snöyta eftersom snön leder värme väldigt dåligt och det därför inte sker någon nämnvärd värmetransport från marken (Sveriges Nationalatlas). Den kalla och tunga luften rinner nedåt efter slutningar och samlas i svackor i terrängen. Detta gör att det därför är lägst temperaturer i dalgångar och högre temperatur på omgivande höjder. Avståndet till hav eller större sjöar är även en betydelsefull klimatfaktor. Stora vattenvolymer dämpar temperaturvariationerna genom att vatten klarar av att lagra betydligt större värmemängder än marken. Temperaturfallet under hösten går därför långsammare vid kusten än i inlandet. På våren går däremot temperaturstegringen långsammare närmast kusten. På samma sätt verkar närheten till hav eller större sjöar dämpande på temperaturvariationerna under dygnet (Sveriges Nationalatlas). Sverige har ett mycket gynnsamt temperaturklimat med hänsyn till sitt nordliga läge. Detta beror på att vårt land ligger på västsidan av en stor kontinent samt att våra vindar är övervägande västliga. Luft som värmts upp över golfströmmen ute på Atlanten når oss snabbt utan större nedkylning. Ibland blåser det dock mer från nordost och vi får in kall luft från Sibirien och norra Ryssland (Sveriges Nationalatlas). 32

3.5 ÅTGÄRDER FÖR ATT MINSKA TJÄLLYFTNINGAR Tjällyftningar på vägar och andra konstruktioner är ett stort problem som kostar samhället mycket pengar. Ojämna tjällyftningar bryter sönder och förstör beläggningarna på våra vägar, dessutom försämras åkkomforten och säkerheten avsevärt. För att minska tjällyftningar finns några vanliga åtgärdsmetoder som beskrivs nedan. Utskiftning En vanlig åtgärdsmetod för att förhindra besvärande ojämna tjällyftningar på vägsträckor med varierande tjälegenskaper är att helt enkelt gräva ur tjälfarligt material på terrass och ersätta detta med nytt mindre tjällyftande material (ATB VÄG). Figur 3-8 Utskiftning av material i terrass (ATB VÄG). Utskiftningen skall utformas enligt figur 3-8 och avslutas med en utspetsning enligt figur 3-9. Utspetsningens syfte är att få en mjuk övergång mellan vägsträckor med väsentlig skillnad i tjällyftning. Utspetsningen skall utformas med 16 m längd för material i den högre tjälfarlighetsklassen och med 8 m längd för material i den lägre tjälfarlighetsklassen. Utspetsningen skall påbörjas och avslutas vinkelrätt mot vägens längdriktning (ATB VÄG). Figur 3-9 Utspetsning av jord (ATB VÄG). 33

Utskiftningen görs till måttet d, mätt från vägytan. Utskiftningsdjupet kan i dagsläget tas ur en rådstabell i ATB VÄG (se tabell 3-3) eller beräknas i programmet PMS- Objekt. Referenshastighet Tjälfarlighetsklass Utskiftningsdjup (m) Klimatzon 1 2 3 4 5 50 2-3 0,9 1,3 1,5 1,6 1,7 4 1,1 1,5 1,8 1,9 2,0 70 2-3 1,0 1,4 1,6 1,8 1,9 4 1,2 1,6 1,9 2,1 2,3 Tabell 3-3 Rådstabell för utskiftningsdjup, d (m), mätt från vägytan (ATB VÄG). I Figur 3-10 visas hur en utskiftning ser ut i genomskärning, figuren är dock inte skalenlig. Figur 3-10 Skiss över en utskiftning, figuren är ej skalenlig. Enligt Georg Danielsson, erfaren projektledare på Vägverket Region Norr bestäms utskiftningsdjupen i dagsläget genom projektledarens tidigare erfarenheter. Utifrån en mängd tidigare projekt bestämmer han vilket utskiftningsdjup som passar för den aktuella sträckan. Danielsson medger dock att utskiftningar är problematiska och man aldrig riktigt kan vara säker på hur bra resultatet kommer att bli i slutändan. Eftersom alla vägar i Region Norr får tjällyftningar (även stora vägar som t.ex. E4: an) får inte utskiftningsdjupet göras så stort att den åtgärdade sektionen av vägen blir helt opåverkad av tjällyftningar i framtiden. Om detta sker kommer den åtgärdade sektionen istället bilda en svacka eftersom den övriga vägen alltid lyfts. Det gäller alltså att försöka få den åtgärdade sektionen att lyfta lika mycket som den omgivande delen av vägen. Tjällyftningar i rimliga storlekar är i sig inte skadliga, det som däremot är skadligt är om lyftningarna längs vägen blir ojämna. 34

Enligt Danielsson sker utskiftningarna inom Region Norr genom att det tjällyftande materialet grävs bort, ned till det bestämda utskiftningsdjupet. Det tjällyftande materialet som grävs bort används senare för planering av slänter och dylikt. De översta 50 cm av vägkroppens gamla vägmaterial tas generellt tillvara och återanvänds längre ned i konstruktionen (se figur 3-10). Ovanpå det återanvända materialet läggs nytt vägmaterial ut. Om utskiftningsdjupet är så stort att det återanvända materialet inte räcker till används skyddslager längst ned i konstruktionen. Som skyddslager används ett material som inte är tjällyftande, vanligtvis används sand. Markisolering En mycket effektiv men dyr metod att minska tjällyftningar är att använda markisolering i vägkonstruktionen. Cellplast är ett vanligt isoleringsmaterial men det finns även andra alternativ t.ex. lättklinker och slagg. I figur 3-11 visas vart isoleringen ska placeras i vägkonstruktionen. Figur 3-11 Isolerad terrass (ATB VÄG). Isoleringens värmemotstånd är kvoten mellan isoleringstjocklek och isoleringens praktiska värmekonduktivitet. Isolering av terrass i tjälfarlighetsklass 4 skall utformas med värmemotstånd enligt tabell 3-4 Vid isolering av terrass i tjälfarlighetsklass 2 och 3 får erforderligt värmemotstånd i tabellen minskas med 0,45 m 2 K/W. Om andra material än cellplast används måste en särskild utredning göras (ATB VÄG). Tabell 3-4 visar vilket erfoderligt värmemotstånd som krävs för isoleringen på en terrass i tjälfarlighetsklass 4. På en väg i Norrbotten (klimatzon 5) där hastighetsbegränsningen är 90 km/h krävs alltså en markisolering med ett värmemotstånd på 2,85 m 2 K/W. Värmemotstånd (m 2 K/W) Klimatzon 1 2 3 4 5 Referenshastighet 0,45 0,9 1,35 1,8 2,4 VR 50 km/h Referenshastighet 0,9 1,35 1,8 2,25 2,85 VR 70 km/h Tabell 3-4 Erforderligt värmemotstånd (m 2 K/W) hos isolering på terrass i tjälfarlighetsklass 4 (ATB VÄG). 35

Isoleringen skall avslutas minst 1,0 m in på terrass av berg eller jord med tjälfarlighetsklass 1 och skall avslutas med utspetsning av isoleringsmaterial i vägens längdriktning om terrassen består av jord med tjälfarlighetsklass 2-4. Isolering av cellplast skall läggas på minst 0,1 m isolerbädd av jord. För att minska känsligheten för frosthalka ska material i överbyggnaden till belagd väg uppfylla kraven enligt tabell 3-5. Avstånd till vägyta, m Värmeledningstal för lagermaterial, W/(m K) Värmekapacitet, kwh/(m 3 C) 0-0,25 >0,6 >0,35 0,26-0,5 >0,3 0,51 - - Tabell 3-5 Krav på värmeledningstal och värmekapacitet hos lager nära vägytan. Kraven avser torrt material med temperatur överstigande 0 C (ATB VÄG). 36

3.6 METODER FÖR BERÄKNING AV TJÄLDJUP OCH TJÄLLYFTNING Beräkningsmetoderna som beskrivs i detta avsnitt är tagna från kompendiet, Tjälningsprocessen och beräkning av tjäldjup, skrivet av Knutsson, S. Beräkning av maximalt tjäldjup i homogen jord Värmeledningsekvationen för det enkla endimensionella fallet nedan tar ingen hänsyn till eventuellt latent värme vid fasomvandlingar mellan vatten och is. T t där 2 T = a 2 t (Ekvation 3.6) T = temperaturen t = tiden λ a = temperaturdiffusiviteten, (m 2 /s) ( a = ) C Figur 3-12 Profil av frysande jord (Knutsson, S). 37

I skiktet mellan frusen och ofrusen jord, z = Z i figur 3-12 blir ekvationen för värmeenergin Z L = t = q u q f (Ekvation 3.7) där L = effektivt latent värme qu = värmeflödet i ofrusen jord qf = värmeflödet i frusen jord q u = λ u T z (Ekvation 3.8) q f = λ f T z (Ekvation 3.9) Ekv. 3.8 och 3.9 insättes i ekv. 3.7 ger λ f T z λ u T z = L dz dt (Ekvation 3.10) Lösningen av ekv. 3.6 tillsammans med ekv. 3.10 ger tjälgränsens nerträngning i jorden som funktion av tiden. Här ska jag dock enbart visa två mycket enkla lösningar, den ena kallas Stefans lösning efter en tysk som på 1860-talet studerade istillväxt på sjöar. Stefans lösning baseras på följande antaganden: Temperaturen är konstant i ofrusen jord (0 C) Temperaturen är konstant på markytan under hela vintern (TS) Värmekapaciteten i frusen jord försummas Med dessa approximationer får ekv. 3.10 följande utseende dz L = λ dt f Ts Z (Ekvation 3.11) Lösningen blir Z 2λ f = Tsdt L = 2λ f L F (Ekvation 3.12) där F = köldmängden Z = maximalt tjäldjup 38

Ekv. 3.12 kallas allmänt Stefans formel, och används mest för att beräkna det maximala tjäldjupet i en jordprofil (vid maximalt tjäldjup sätts hela vinterns köldmängd lika med F). Eftersom värmekapaciteten i frusen jord och ofrusen jord försummas samt att jordens temperatur ofta är större än 0 C under tjälgränsen kommer Stefans formel alltid ge en viss överskattning av tjäldjupet. Den andra lösningen har andra approximationer och utfördes av en man vid namn Aldrich. Approximationerna för denna lösning är: Hela jordprofilen har konstant temperatur T0 innan frysning startar Temperaturen på markytan sänks momentant till TS då frysningen inleds Denna lösning ger följande resultat: Z λ = ψ 2 F L (Ekvation 3.13) där = korrektionsfaktor (se figur 3-13) = värmeledningstal i frusen jord, W/m, C Korrektionsfaktorn, är beroende av två dimensionslösa parametrar och C T µ = L S (Ekvation 3.14) T α = 0 T S (Ekvation 3.15) där C = medelvärdet av värmekapaciteten i frusen och ofrusen jord T0 = platsens årsmedeltemperatur TS = yttemperatur 39

Figur 3-13 Korrektionsfaktorn, (Knutsson S). 40

Beräkning av tjäldjup i skiktad jord Ofta är jorden där tjäldjupet ska beräknas skiktad eller täckt med ett isolerande lager av t.ex. snö. Dessa skikt har varierande egenskaper vilket gör beräkningsgången lite mer komplicerad. Förutsättningarna i exemplet nedan är att jordprofilen byggs upp av jordlager med angivna data enligt figur 3-14. Figur 3-14 Jordprofilen och dess beräkningsförutsättningar för 3-lagersystemet (Knutsson, S). Materialkonstanten, MC definieras för varje lager M C 2λ = L (Ekvation 3.16) Köldmängden, F1 som krävs för att frysa översta lagret beräknas d Z = d1 = F1 M C F 1 1 = M 2 1 C1 (Ekvation 3.17) Genom att betrakta det översta lagret som ett ekvivalentlager (se figur 3-15) med samma -värde som det närmast underliggande kan beräkningarna förenklas genom att vi då kan arbeta med en konstant temperaturgradient. Figur 3-15 Det översta lagret byts ut mot ett ekvivalentlager (Knutsson, S). 41

Ekvivalentlagrets tjocklek, dx ges av relationen d λ 1 1 d X = d X = d λ 2 1 λ λ 2 1 (Ekvation 3.17) För att frysa det homogena lagret med tjockleken (dx+d2) med materialparametern M C 2 krävs köldmängden F X 2 = ( d + d ) X M C 2 2 2 (Ekvation 3.18) För att frysa ekvivalentlagret åtgår köldmängden d F X = M 2 x C 2 (Ekvation 3.19) För att frysa det andra lagret åtgår köldmängden F2 = F X 2 F X (Ekvation 3.20) Det har alltså krävts köldmängden F1+F2 för att frysa lagren 1 och 2. Genom att på samma sätt betrakta de två övre lagren som ett ekvivalentlager med = 3 kan beräkningen fortsätta. Detta ekvivalentlagers tjocklek ges av relationen d λ d d 1 2 y 3 + = d y = d1 + d 2 1 λ2 λ3 λ1 λ λ λ 3 2 (Ekvation 3.21) Köldmängden som krävs för att frysa detta ekvivalentlager blir d F Y = M 2 y C 3 (Ekvation 3.22) För frysning av det tredje lagret jordlagret återstår alltså köldmängden: F - F 1 - F2. Till den återstående köldmängden måste köldmängden för ekvivalentlagret som motsvarar lagren 1 och 2 adderas. Z y = ( F F1 F2 + Fy ) M C3 (Ekvation 3.23) 42

Tjälens nedträngning i lager tre blir Z 3 = Z y d y (Ekvation 3.24) Det totala tjäldjupet blir alltså Z = d + 1 + d 2 Z3 (Ekvation 3.25) Beräkning av tjällyftningens storlek Tjällyftningens storlek är väldigt svår att beräkna och dagens metoder är mest att betrakta som emiriska tumregler. Som tidigare konstaterats är tjällyftningen starkt beroende av effektivtryck och negativ temperatur. Om dessa faktorer hålls konstanta samt att tillgången på vatten är fri kan tjällyftningshastigheten, R beräknas enligt: p b T R = a e (Ekvation 3.26) där R = tjällyftningshastighet, mm/min a, b = konstanter för aktuell jord p = överlagringstryck, kpa T = negativ yttertemperatur, C Vid antagandet att tjäldjupet är konstant kan tjällyftningens storlek, h beräknas för olika tidpunkter. h d 1 e R0t = d (Ekvation 3.27) där h = tjällyftningsstorlek, m d = konstant tjäldjup, m R0 = initiell tjällyftningshastighet, m/tim t = tid, timmar Om t går mot oändligheten i ekv. 3.27 kommer h d, detta innebär att den övre gränsen för tjällyftningen kommer att bli lika med tjäldjupet det vill säga hela den frusna zonen består av en enda islins. I figur 3-16 visas en skiss över tjällyftningsförloppet. 43

Figur 3-16 Skiss över tjällyftningsförloppet. Tjällyftningen utgörs av is som bildat islinser i den frusna zonen (Knutsson, S). För normala svenska förhållanden representerar denna övre gräns på tjällyftningen en överskattning. Detta beror på att tjälen hinner börja tina på våren långt innan hela den frusna zonen består av en enda sammanhängande islins. På vissa mindre områden i Sverige råder dock permafrost, det vill säga evig tjäle. Här är förhållandena annorlunda och islinserna kan under dessa förhållanden växa kontinuerligt. 3.6.1 BERÄKNINGSMODELLEN SOM ANVÄNDS I PMS-OBJEKT PMS Objekt är ett beräkningsprogram för dimensionering av vägars bärighet samt analys av en vägs tjällyftning. PMS Objekt är framtaget för att stödja dimensionering av en väg enligt ATB VÄG. För att beräkna värmeflöden vertikalt genom en jordprofil utgår denna beräkningsmodell från klassiska värmeledningsekvationer. Eftersom modellen är endimensionell görs antagandet att förhållandena är konstanta i horisontalplanet. Till värmeflödesberäkningen används vägytetemperaturer från VVIS-stationer (Vägverkets vägväderinformationssystem) som indata. Programmet tar vid beräkningarna hänsyn till en mängd materialegenskaper varför materialtyper och lagertjocklekar måste anges (Vägverkets publikation: Beräkning av tjällyftning). De materialegenskaper för olika vägbyggnads- eller undergrundsmaterial som programmet tar hänsyn till vid tjälberäkningarna anges nedan: Vattenhalt Torrdensitet Porositet Vattenmättnadsgrad Tjälfarlighetsklass Maximal lyfthastighet Värmeledningsförmåga ofrusen Värmeledningsförmåga frusen 44

Enligt (Winnerholt, T) tar även programmet hänsyn till de aktuella grundvattentemperaturer som råder på den aktuella platsen, grundvattentemperaturen skiljer sig mellan olika län. Vägkonstruktionen delas in i celler och värmeflödet beräknas mellan respektive cell. Beroende på vägkonstruktionens lagertjocklekar varierar cellernas storlek, men generellt är cellerna tunnare nära vägytan och tjockare längre ned. Varje sådan cell har en temperatur som beräknas på nytt flera gånger för varje simulerad timme. Vid beräkningen av en ny temperatur för en cell tas hänsyn till de omgivande cellernas temperaturer och värmeledningsförmågan i det aktuella snittet (Vägverkets publikation: Beräkning av tjällyftning). När tjälen når ned till tjälfarligt material påbörjas tjällyftningen. Kyleffekten beräknas med värmeledningsekvationen och om den är tillräckligt stor så lyfter vägkroppen med den maximala lyfthastighet som motsvarar materialets tjälfarlighet (för materialtyp 5, silt är den maximala lyfthastigheten under terrassytan 2,0 mm/dag och för materialtyp 4a, blandkornig jord > 30 % är den maximala lyfthastigheten 1,5 mm/dag). Den maximala lyfthastigheten som är förinställd för respektive materialtyp i programmet har en stor betydelse för resultatet av den beräknade tjällyftningen. Enligt (Hermanson, Å) har laborationer med frysförsök gjorts på VTI (Statens väg- och transportforskningsinstitut) för respekttive materialtyp. Utifrån resultaten från dessa laborationsförsök har dessa lyfthastighetsvärden tagits fram. Vid höga kyleffekter fås även tjälnedträngning samtidigt med maximal lyfthastighet. Är kyleffekten liten åtgår all kyleffekt till att frysa uppåtströmmande vatten till is, vilket gör att tjälfronten står stilla och islinserna blir tjocka. Då kyleffekten är liten fås en lägre lyftningshastighet och om kyleffekten till och med är negativ så kommer den tjälade marken att tina både uppifrån och nedifrån (viss tidsförskjutning). Islinsbildningen har prioritet över tjälnedträngningen, det vill säga först används kyleffekten för lyftning och endast vid högre effekter flyttas tjälgränsen nedåt. En konsekvens av programmets beräkningsmodell är att det bildas kraftigare islinser (mer lyftning per nivå) när tjälen tränger ned långsamt. Högre kyleffekt medför på samma sätt tunnare islinser (Vägverkets publikation: Beräkning av tjällyftning). 45

4. BERÄKNINGAR AV UTSKIFTNINGSDJUP I detta kapitel beskrivs hur beräkningarna av utskiftningsdjup har genomförts och hur kartorna med utskiftningsdjup har tagits fram. Utskiftningsdjupen har beräknats utifrån Vägverkets vägväderinformationssystem (VVIS) varför kapitlet börjar med en kort beskrivning av dessa stationer. 4.1 VVIS-STATIONER VVIS är Vägverkets vägväderinformationssystem. Det finns i dagsläget cirka 710 mätstationer längs våra vägar i hela Sverige. Dessa mätstationer mäter vägyte- och lufttemperatur, luftfuktighet, nederbördstyp, nederbördsmängd, vindhastighet och vindriktning. Figur 4-1 visar hur en VVIS-station kan se ut. Figur 4-1 VVIS-stationenen i Norra Sunderbyn. På en del av mätstationerna finns även kameror som tar bilder av väglaget. Alla stationer mäter dygnet runt under vintern men på sommaren är bara enstaka stationer i drift. I figur 4-2 visas en karta över Region Norrs alla VVIS-stationer (www.vv.se). 46

Figur 4-2 Karta över Region Norrs mätstationer. De blå cirklarna representerar mätstationer och de vita fyrkanterna representerar väglagskameror (www.vv.se). 4.2 FÖRUTSÄTTNINGAR OCH GENOMFÖRANDE Utskiftningsdjupen har tagits fram med hjälp av programmet PMS-Objekt. Beräkningarna har skett utifrån Vägverkets samtliga VVIS-stationer i Norrbotten och Västerbotten. Idag finns det drygt 100 stationer i detta område. I programmet finns en klimatfil som är utvald för att representera en lämplig vinter för den aktuella stationen. Den valda dimensionerande vintern skall motsvara 20-årsvintern (samma 47

dimensioneringsperiod som beläggning vid nybyggnad). Många av dessa mätstationer är dock relativt nya vilket gör att tillräcklig klimatdata inte finns eller inte är nog tillförlitlig. De stationer som är nya har jag därför varit särskilt vaksam på vilket gjort att de beräknade utskiftningsdjupen från dessa platser i vissa fall inte beaktats. Detta för att inte underskatta tjälproblemen. För att beräkna utskiftningsdjupen var jag först tvungen att bestämma hur stor tjällyftning som kan tillåtas på vägarna. Efter diskussioner med min handledare, Johan Ullberg kom jag fram till att det maximala tillåtna tjällyftet skulle sättas till 80 mm. Detta motsvarar komfortkraven i ATB VÄG för bärighetsförbättring vid 110 km/h (se tabell 4-1). Vi funderade länge på att använda kravet på 160 mm tjällyft istället (det vill säga kravet i ATB VÄG för bärighetsförbättring, 90 km/h), konsekvensen då detta krav används blir naturligtvis att utskiftningsdjupen minskar i storlek. De utskiftningsdjup som då erhölls blev dock så små att vi misstänker att tjälsprickor kan uppkomma. Därför ville vi vara på den säkra sidan och använda det hårdare kravet på 80 mm. Referenshastighet VR Tillåten tjällyftning (mm) VR 110 km/h i klimatzon 1-2 30 VR 110 km/h i klimatzon 3-5 80 VR 90 km/h 160 VR 70 km/h 240 VR 50 km/h eller mindre 320 Tabell 4-1 Största tillåtna tjällyftning vid bärighetsförbättring, belagd väg (ATB VÄG). I beräkningarna har jag använt en standardöverbyggnad, GBÖ (grusbitumenöverbygnad) av vägen som varit konstant genom hela beräkningsprocessen (se figur 4-3). Det enda lager som varierats är skyddslagret längst ned. Skyddslagret är ett lager som ska bestå av ett icke tjällyftande material. Skyddslagrets tjocklek har varierats på de olika platserna för att klara tjällyftningskravet. 48

Bitumenbundet slitlager, 40mm Obundet bärlager, 80mm Förstärkningslager, krossat material, 420mm Skyddslager, varierande tjocklek Silt Figur 4-3 Vägkonstruktionens uppbyggnad med silt i undergrunden (Figuren är ej skalenlig). I min huvudberäkning har jag utgått från det värsta fallet, det vill säga att hela terrassen är uppbyggd av silt. Silt är det material i underbyggnaden som är mest tjällyftande. Eftersom resultatet av dessa utskiftningsdjup ska användas vid förbättringsåtgärder för vägar som drabbats av stora och ojämna tjällyftningar är sanoliketen stor att undergrundsmaterialen i just dessa sektioner av vägen innehåller silt. Förutom att beräkna utskiftningsdjupen med silt i terrassen har jag även av intresse gjort samma beräkningar med en terrass av materialtyp 4a, blandkornig jord > 30 %. Detta material är också tjällyftande men inte i samma utsträckning som silt. Resultaten av dessa beräkningar kan ses i bilaga 1 till 8, där finns även resultaten då tjällyftningskravet på 160 mm har använts. Beräkningssteg i PMS-Objekt Följande steg genomförde jag för varje VVIS-station. 1. Angav i vilket län samt i vilken klimatzon mätstationen är placerad. 2. Angav vägkonstruktionens uppbyggnad i form av material och lagertjocklekar. Angav terrassmaterial. 3. Angav aktuell VVIS-station samt dess dimensionerande vinter. För varje station finns en dimensionerande vinter som är vald för att representera en normalvinter för den aktuella stationen. 4. Utförde tjälberäkningen. Resultatet fås i form av beräknat tjällyft i mm. Beroende på hur stort tjällyftet blev fick jag gå tillbaka till punkt 2 och justera skyddslagret så att det precis klarade tjällyftningskravet på högst 80 mm. 5. Efter att jag justerat skyddslagret så att tjällyftningskravet var uppfyllt kunde jag sedan ta fram utskiftningsdjupet. Utskiftningsdjupet blir avståndet från överkant slitlager till underkant skyddslager (se figur 4-3). 49

Efter att samtliga utskiftningsdjup var beräknade i PMS-Objekt återstod att analysera resultatet. Figur 4-4 Karta med de beräknade utskiftningsdjupen utprickade (se bilaga 9). När jag prickade ut de beräknade värdena på en karta (se figur 4-4) märkte jag att utskiftningsdjupen för enstaka mätstationer kan variera mycket mellan relativt närliggande stationer. För att försöka ta reda på vad detta kan bero på har jag därför åkt ut och undersökt några mätstationer som jag tycker har varit speciellt intressanta ur denna aspekt. Det jag främst tittade på var stationens placering, t.ex. om den är 50

placerad nere i en svacka där den kalla och tunga luften ofta samlas, om den är belägen i en skuggig miljö, om landskapet runt om är öppet eller om den omges av tät skog, om det finns berg i närheten eller andra saker som eventuellt skulle kunna påverka vägytetemperaturen på platsen (se avsnitt 3.4 klimatets påverkan). Figur 4-5 VVIS stationen i Rimjokk är belägen i ett riktigt köldhål. Den mätstation som i särklass ger störst utskiftningsdjup är den efter väg 97 i Rimjokk, se figur 4-5. Utskiftningsdjupet blev här 2,5 m vilket är 0,4 m större än det näst största utskiftningsdjupet i mina beräkningar. Vid närmare undersökning av denna station visade det sig att den var belägen i en svacka där det kan förväntas att den kalla och tunga luften rinner ned. Terrängen är mycket kuperad med omgivande berg i närheten. Det finns dessutom en vägtrumma relativt nära mätstationen vilken eventuellt skulle kunna göra att kyla lättare leds in i vägkroppen. Jag anser med anledning av detta att stationen troligen är placerad på en plats som inte är representativ för ett större område utan mer är en lokal extrempunkt. Det fanns även några till stationer som hade utstickande värden jämfört med sin omgivning t.ex. mätstationen i Skröven som hade ungefär 0,2 m högre utskiftningsdjup än stationerna runt omkring. Även denna station undersöktes men här var det inte lika lätt att hitta någon naturlig förklaring till varför denna station fick något högre värde än stationerna i sin omgivning. Det som sedan återstod var att försöka överföra de beräknade resultaten till en karta och avgränsa områden med liknande utskiftningsdjup. Vid dessa gränsdragningar använde jag mig av en köldmändskarta som stöd för att lättare kunna se mönster och finna avgränsande områden. I figur 4-6 visas köldmängdskartan som användes. 51

Figur 4-6 Karta med kurvor över medelköldmängden angiven i (neg) dygnsgrader (d C) (BYA). Till att börja med skissade jag begränsningslinjerna manuellt med hänsyn till de beräknade värdena. När jag kände mig nöjd med resultatet tog även kontakt med berörda driftledare, projektledare, geotekniker och andra berörda för att resonera och stämma av kartan. Efter att jag bestämt mig för hur begränsningslinjerna skulle dras använde jag mig av programmet GIS-ArcMap för att ta fram kartan med isolinjerna digitalt (den färdiga kartan kan ses i kapitel 6, figur 6-1). 52

5 TJÄLSKADEINVETERING Under tre veckor i april 2006 fick jag möjlighet att följa med när projektledaren Georg Danielsson genomförde tjälinventering på några vägobjekt i Norrbotten. Detta kapitel beskriver tillvägagångssättet för inventeringen samt att de flest förekommande skadorna visas på bild och beskrivs. De objekt som jag var med och inventerade var: Väg 99 Haparanda-Karungi Väg 398 Sangis-Björkfors (åtgärdas 2006) Väg 501 Blåsmark-Svensbyn (åtgärdas 2006) Väg 563 Sjulsmark-Ersnäs (åtgärdas 2006) Väg 699 Töre-Sören Väg 709 Genom Risögrund Väg 710 Genom Bredviken Väg 723 Genom Sangis by (åtgärdas 2006) Väg 733 Mattila-Riksgränsen Av de objekt som inventerades var några redan projekterade: väg 398 Sangis- Björkfors, väg 501 Blåsmark-Svensbyn, väg 563 Sjulsmark-Ersnäs samt väg 723 genom Sangis by. För dessa objekt är handlingarna redan klara och åtgärderna skall påbörjas i juni 2006. Utskiftningsdjupen för samtliga av dessa objekt är projekterad till 1,6 m. Vid dessa inventeringar deltog även platschefen för den aktuella entreprenören. Syftet med denna inventering var att se hur vägskadorna stämde överens med de färdiga handlingarna, och hur de eventuellt förändrats sedan förra året. Vi körde igenom sträckan med bil och märkte ut med sprayfärg vart i vägen urgrävningarna skall börja och sluta, samtidigt reviderade vi sektionerna i ritningarna om det behövdes. De övriga objekten som inventerades ligger längre fram i planeringen och här har projekteringen ännu inte påbörjats. Innan inventeringen påbörjades läste vi in nödvändig information om vägen t.ex. trafikbelastning, överbyggnadstyp och tidigare beläggningsåtgärder, detta för att få en bättre bild av vägen och eventuellt förstå varför de olika skadorna uppkommit. Inventeringen skedde sedan genom en okulär tillståndsbedömning där vi utifrån synliga skador och defekter försökte utvärdera vägens tillstånd. Vi mätte in mellan vilka sektioner skadorna förekom med hjälp av en trippmätare. För de större skadorna diskuterades även eventuella orsaker och åtgärder. Vi gjorde även noteringar av mindre skador eller andra iakttagelser som kan vara av intresse. Den okulära inventeringen lämnar dock utrymme för subjektiva värderingar som utifrån olika förutsättningar kan variera mellan olika personer. Enligt Danielsson var tidpunkten för tjälinventeringen perfekt, hade vi börjat någon vecka senare hade många av tjäluppfrysningarna varit svåra att identifiera eller varit helt borta. Han anser även att detta år (2006) har varit gynnsamt ur 53

tjälskadesynpunkt, år 2005 var tjällyftningarna mycket större och skadorna därmed fler. Nedan beskrivs de allvarligaste och flest förekommande skadorna under tjälinventeringen. Skadorna beskrivs med bilder samt att jag försökt förklara möjliga orsaker och tänkbara åtgärder. Till detta har jag tagit hjälp av handboken, Bära eller brista. Längsgående sprickor/tjälsprickor Figur 5-1 Omfattande tjälspricka på väg 699, Töre-Sören. Sprickan är 60 m lång och relativt bred och djup. Tjälsprickor förekom i större och mindre utsträckning på så gått som alla objekt som inventerades. Sprickornas svårighetsgrad i form av längd, bredd och djup varierade dock mycket. En del tjälsprickor var så små att inga extra åtgärder anses behövas medan andra sprickor var större och mer omfattande. I figur 5-1 visas en omfattande tjälspricka från väg 699, Töre-Sören. Tjälsprickorna uppstår på grund av ojämna tjällyftningar och är beroende av vägtyp, markförhållanden och klimat (köldmängd). Sprickorna uppträder längs med vägen, oftast i vägmitt eller vägkant. Det finns teorier som säger att sprickornas placering beror på vägbredden, se figur 5-2. På vägar med en bredd på 5-6 m uppstår sprickorna vanligtvis längst ut vid respektive vägkant. På vägar med en bredd på 7-9 m ska sprickorna i regel uppstå i vägmitt. För vägar med bredden 12-13 m uppstår sprickorna en bit in i vägen på respektive kant. Av det tjälsprickor som jag har tittat på har jag dock inte kunnat se något sådant samband. 54

Figur 5-2 Tjälsprickornas placering på vägar av olika bredd. (Bära eller brista). På vägkonstruktioner med tunna beläggningar kan krakeleringssprickor och sidosprickor uppstå i anslutning till den ursprungliga tjälsprickan. Tjälsprickor som uppkommit i vägen bör tätas så fort som möjligt för att förhindra att ytvatten tränger ned i vägkonstruktionen. En mer långsiktig och kostsam åtgärd är att göra en urgrävning och därigenom minska tjällyftningarna på den aktuella platsen. 55

Tvärgående sprickor Sprickorna är ofta helt vinkelräta mot vägens längdriktning. De förekommer ofta i form av regelbundet återkommande sprickor över hela vägens bredd. Figur 5-3 visar en bild på en tvärgående spricka på väg 723, genom Sangis by. Figur 5-3 Typisk tvärgående spricka, högre upp på bilden syns även en svacka i vägen som bildats efter att en vägtrumma byts ut. Bilden är tagen på väg 723, genom Sangis by. Tvärgående sprickor förekom på princip alla objekt som inventerades. Sprickornas svårighetsgrad var dock relativt små och jag såg bara enstaka breda och djupa tvärgående sprickor. Denna typ av sprickor är inte belastningsrelaterade även om belastningar kan förvärra skadan. Sprickorna orsakas ofta av termisk betingad krympning i beläggningskonstruktionen. Krympningarna orsakas av hastiga temperaturväxlingar under den kalla årstiden. Bindemedlets hårdhet och elasticitet har också betydelse. En annan orsak till de tvärgående sprickorna skulle kunna vara en underliggande konstruktion av cementbetong eller ett underliggande lager av cementstabiliserat grus. Betongplattornas rörelser kan göra att sprickor genereras upp till asfaltlagret. 56

Kantsprickor/Kanthäng Kantsprickor förekom på några av objekten som inventerades. Dessa sprickor är längsgående och löper vanligtvis o, 2-0, 5 m från vägkant. Sprickorna var ofta relativt breda och djupa. På sidan om sprickan har vägen oftast satt sig varför skadan även kallas kanthäng. Figur 5-4 visar en bild på en kantspricka som finns på väg 398, Sangis-Björkfors. Figur 5-4 Kantspricka på väg 398, Sangis-Björkfors. Orsaken till kantsprickorna kan vara: Dålig sidostabilitet Deformation i undergrunden som vanligtvis är orsakad av dålig dränering och/eller tjälskador Vägens bredd är för liten, vilket medför att den tunga trafiken tvingas köra för nära beläggningskanten Bristfällig vattenavrinning vid beläggningskanten 57

Figur 5-5 Figur över hur vägkanten spricker (Bära eller brista). Figur 5-5 visar hur vägkonstruktionen spricker upp i kanten och sätter sig. Kantsprickor bör tätas så fort som möjligt för att förhindra att vatten tränger ned i vägkonstruktionen. En mer långsiktig och ofta nödvändig åtgärd är att göra kanturgrävningar för att förbättra sidostödet. Ojämnheter Med ojämnheter menas här ojämnheter på grund av ojämna tjällyftningar, stenupptryckningar eller sättningar med undantag av ojämnheter på grund av spårbildning. Ojämnheter var överlag mycket förekommande under inventeringen. De vanligaste ojämnheterna var nog kring trummor och andra va-installationer. Figur 5-6 visar en typisk svacka som bildats vid ett trumbyte. När trummor byts ut eller nya kablar eller ledningar ska dras under vägen är det vanligt att materialet som läggs tillbaka är för bra t.ex. sand. Konsekvensen av detta blir i regel att vägen på detta ställe kommer stå helt stilla medan den övriga vägen lyfter som vanligt. Resultatet blir en stor ojämnhet i vägen. Utspetsningen på dessa platser är dessutom ofta bristfällig vilket gör att ojämnheten blir väldigt skarp och kännbar för trafikanterna. 58

Figur 5-6 Ojämnhet i anslutning till trumma. Det syns inte så tydligt på bilden men svackan är djup och markant. Bilden är tagen på väg 723, genom Sangis by. För ojämnheter på grund av ojämna tjällyftningar är en ordinär beläggningsåtgärd inte tillräcklig. Dessa kräver i regel omfattande åtgärder i form av utskiftningar, andra åtgärder kan vara sänkning av grundvattenytan eller isolering. Lokalt begränsade ojämnheter förekom även på några av de inventerade vägarna. Dessa ojämnheter orsakas ofta av uppfrysande block. För att åtgärda detta grävs blocken upp och avlägsnas. Det är viktigt att återfyllningen sker med material med samma egenskaper som finns i vägöverbyggnaden i övrigt. Problem uppstår dock ofta med efterpackning och sättningar. Andra ojämnheter som förekom på dessa vägar är ojämnheter på grund av sättningar. Sättningarna beror ofta på besvärliga grundförhållanden, förändringar av grundvattennivån eller bristande utförande vid byggandet. Vägar som byggs vintertid med vattenmättat och tjälat material drabbas ofta av sättningar på grund av bristfällig packning. 59