3.1 Miksi urautumisen luokittelu on tarpeen
Ensimmäinen askel pysyvistä muodonmuutoksista kärsivän tierakenteen parantamisprosessissa on ongelmien tarkka ja luotettava diagnosointi. Sen tuloksista riippuvat kaikki myöhemmät päätökset, jotka liittyvät kunnostustoimenpiteisiin. Pysyvät muodonmuutokset voivat tapahtua tien pintaosissa, syvemmällä tien rakenteissa tai pohjamaassa. Lisäksi materiaalin laadulla, kuivatuksen kunnolla, roudalla ja jäätymis-sulamissykleillä, kuten myös kuormituksella, on suuri merkitys siihen, missä pysyviä muodonmuutoksia esiintyy ja miten vakavia ne ovat.
Näiden syiden takia on hyvin tärkeää luokitella kaikki parametrit, jotka vaikuttavat pysyviin muodonmuutoksiin, ennen kuin lopullisia päätöksiä tehdään.
Tässä kappaleessa esitellään erilaiset urautumistyypit.
3.2 Urautumistyyppi 0
Mitä on tyypin 0 urautuminen?
Vedellä kyllästymättömien materiaalien tiivistyminen tierakenteessa voi aiheuttaa tyypin 0 urautumista. Käytännössä jonkinasteista tyypin 0 tiivistymistä tapahtuu aina tierakenteessa sen rakentamisen jälkeen. Huolellinen tiivistäminen ennen kuin tie avataan liikenteelle on yleensä riittävä keino estää jälkeenpäin tapahtuva lisätiivistyminen. Urautumistyyppi 0 on yleensä itsestään tasaantuvaa eli alkuvaiheessa tapahtuva tiivistyminen estää myöhemmän lisätiivistymisen. Se myös lisää materiaalin kantavuutta, jolloin kuormitus leviää laajemmalle. Paremman kuormituksen jakautumisen ansiosta pohjamaahan kohdistuu vähemmän rasitusta, ja siten muun urautumisen todennäköisyys ja määrä pohjamaassa pienenee (Katso urautumistyyppi 2).
Miten tunnistaan urautumistyyppi 0
Tämän tyypin urautuminen ilmenee pienenä painumana alkuperäiseen tien pinnan tasoon nähden. Vaikutukset kohdistuvat tällöin pääasiassa lähinnä pintaa oleviin materiaaleihin. Pienimuotoinen tyypin 0 urautuminen onkin hyödyllistä. Tehokas tiivistäminen vähentää havaittavan urautumisen määrää.
Routa ja urautumistyyppi 0
Joka talvi routaantuvilla alueilla jäätyminen yhdessä kosteuden kanssa aiheuttaa tierakenteissa pientä roudasta johtuvaa paisumista ja suurempia routanousuja routivassa pohjamaassa. Roudasta johtuva materiaalien paisuminen aiheuttaa rakennekerrosten ja pohjamaan löyhtymista keväällä roudan sulaessa. ROADEX-tutkimukset ovat osoittaneet, että routanousu tai roudan aiheuttama tilavuuden muutoksen vaikutus tien pinnalla voi vaihdella 50-80 mm välillä. Tämä puolestaan merkitsee sitä, että kun jäätynyt kiviaines ja pohjamaa keväällä sulavat, materiaali tiivistyy ja tyypin 0 urautumista voi syntyä. Pohjamaamateriaalien luonnollinen vaihtelu voi aiheuttaa rakennekerroksiin vaihtelevia määriä routanousuja, jolloin seurauksena on epätasaista urautumista.
Kelirikkoilmiöön saattaa liittyä myös leikkausmuodonmuutoksia (joita käsitellään seuraavassa tyypin 1 urautumisena), sillä löyhtynyt kiviaines on paljon heikompaa kuin tiivistetty. Useamman kelirikkovuoden jälkeen tämä voi johtaa kohtuuttoman suurten urien syntymiseen.
3.3. Urautumistyyppi 1
Mitä on tyypin 1 urautuminen?
Tyypin 1 urautumista tapahtuu kun renkaan alla tai välittömässä läheisyydessa tapahtuu heikkolaatuisissa sitomattomissa materiaaleissa plastista leikkautumista. Tämä puolestaan aiheuttaa tien pinnan kohoamista ajouran ympärillä ja samalla materiaali myös löyhtyy. Tyypin 1 urautuminen on seurausta pääasiassa tien yläosassa olevan sitomattoman kiviaineksen, useimmiten kantavan kerroksen, riittämättömästä leikkauslujuudesta.
Sekä koerakenteista saadut tulokset että teoreettiset laskelmat ovat osoittaneet, että suurimmat leikkausmuodonmuutokset syntyvät syvyydessä, joka on noin 1/3 renkaan leveydestä (tai rengasparin leveydestä, jos käytössä on paripyörät). Jos liikenne ei keskity samaan ajouraan (leveäkaistaisilla teillä, tiemerkintöjen puuttuessa, urautumattomilla teillä), syvyys voi olla hieman suurempi. Myös paksummalla asfalttikerroksella päällystetyillä teillä kriittinen syvyys on todennäköisesti jonkin verran syvemmällä pinnasta kuin kolmasosa rengasleveydestä, sillä asfaltin vaikutuksesta rasitus jakaantuu päällysrakenteessa eri tavalla. ROADEX II-projektin tutkimustulokset ovat osoittaneet, että tyypin 1 urautumisen kannalta kriittisin syvyys on noin 150mm syvyydellä tien pinnasta.
Miten tunnistaa urautumistyyppi 1
Kuvissa on esitetty esimerkkejä urautumistyyppi 1:stä.
Kuvista erottuu selvästi tälle urautumistyypille tyypillinen ominaisuus, pientareen nousu. Päällyste näyttää tässä urautumistyypissä usein kuten kuvassa, jossa ”piennarpalteen” nousun aiheuttava paikallinen leikkautuminen on selkeästi nähtävissä, mutta pohjamaan rajapinnassa tapahtuvia muodonmuutoksia ei kuvassa ole havaittavissa (kuvassa on korostettu keltaisilla viivoilla rakennekerrosten rajoja).
Ideaalisessa tapauksessa tyypin 1 urautumiseen ei liity muodonmuutoksia pohjamaan pinnan tasolla ja siksi tätä urautumistyyppiä esiintyykin usein kallion päälle tehdyissä rakenteissa. Valokuvasta nähdään myös, että päällysteessä on pienisilmäistä verkkohalkeamaa, joka indikoi tyypin 1 urautumisesta.
Tätä urautumistyyppiä esiintyy usein pohjoisilla alueilla kausittaisen routaantumisen takia. Näillä alueilla urautumistyyppi 1 onkin monesti tärkein urautumista aiheuttava vauriomekanismi, kun huonolaatuisen kiviainesmateriaalin vesipitoisuus keväällä roudan sulamisaikaan kasvaa liian suureksi ja sen kantavuus heikkenee.
Muina vuodenaikoina sama materiaali voi uudelleen tiivistyneenä (ks. tyyppi 0) ja kuivuneena toimia täysin moitteettomasti.
Ratkaisut
Tyypin 1 urautumiseen on kaksi parannuskeinoa:
a) parannetaan kantavassa kerroksessa käytetyn materiaalin laatua
b) vähennetään renkaiden tierakenteeseen aiheuttamaa jännitystä laittamalla rakenteen päälle parempaa materiaalia kuten esimerkiksi parempaa kantavan kerroksen mursketta tai päällystetyillä teillä tekemällä päällysteestä paksumpi.
Pohjamaan käsittelyllä ei ole mitään vaikutusta tyypin 1 urautumiseen. Tierakenteessa käytetyn sitomattoman materiaalin laatua voidaan parantaa muun muassa parantamalla sen rakeisuutta (esim. lisäämällä karkeampaa materiaalia), tiivistämällä (varsin pieni vaikutus),
stabiloimalla tai käsittelemällä ongelmamurske uusilla käsittelyaineilla, käyttämällä teräsverkkoa tai geoverkkoja tai vaikuttamalla olosuhteisiin, jotka vaikuttavat tierakenteen käyttäytymiseen, kuten parantamalla kuivatusta. Jos mikään näistä mainituista keinoista ei tehoa tai on liian kallis, tierakenteessa käytetty materiaali tulee vaihtaa.
3.4. Urautumistyyppi 2
Mitä on tyypin 2 urautuminen?
Tyypin 2 urautumista tapahtuu kun sitomaton kiviainesmateriaali on hyvälaatuista ja tällöin tierakenne urautuu kokonaisuudessan. Tässä urautumistyypissä tien rakennekerrokset mukailevat pohjamaan muodonmuutoksia eikä rakenteiden paksuus muutu.
Tien pinnalle muodostuu leveä ura, ja etäällä ajourasta pinta nousee hieman, mikä johtuu pohjamaassa tapahtuvista siirtymistä. Ääriesimerkki urautumistyypin 2 vaurioista on esitetty kuvassa,
jossa pinnan uraa on täytetty jatkuvasti uudella kiviaineksella, mutta pohjamaan urautuminen on jatkunut. Pohjamaa on puristunut ylöspäin ajourien väliin ja tien reunoihin, mitä voidaan pitää hyvänä esimerkkinä hyvin pitkälle kehittyneestä pohjamaan muodonmuutoksista.
Miten tunnistaa urautumistyyppi 2
Urautumistyyppiä 2 esiintyy tien poikkileikkauksessa laajemmilla alueilla kuin urautumistyyppiä 1.
Alueilla, joissa esiintyy routaa, urautumistyypin 1 yhteydessä kuvatut kevätkelirikko-ongelmat voivat aiheuttaa urautumistyypin vaihtumisen tierakenteissa tapahtuvasta urautumistyypistä 1 pohjamaassa tapahtuvaan urautumistyyppi 2:een. Näissä tilanteissa tyypin 2 urautumista voidaan havaita keväällä kun pohjamaa pehmenee muutamaksi viikoksi jäälinssien sulamisesta vapautuvan veden vuoksi.
Kuvassa on esitetty maatutkalla mitattu tien poikkileikkaus kohdasta, jossa esiintyy tyypin 2 urautumista. Jos myös PPL-dataa on saatavilla, urautumistyyppi 2 voidaan diagnosoida matalien pohjamaan moduliarvojen ja korkeiden BCI arvojen perusteella (ks kappale ”tutkimusmenetelmät”).
Ratkaisut
Estettäessä tyypin 2 urautumista on tärkeintä vähentää tien pinnasta pohjamaahan kohdistuvia jännityksiä. Tämä voidaan toteuttaa lisäämällä rakennekerrosten paksuutta.
Mikäli tämä ei ole mahdollista esim. hyvälaatuisen tierakennusmateriaalien puuttuessa tai painumariskin takia, päällysrakenteen kykyä jakaa kuormituksen voidaan parantaa asentamalla teräsverkkoja 200-300mm syvyyteen sitomattomaan kantavaan kerrokseen tai stabiloimalla kantavaa kerrosta. Nämä parannuskeinot eivät kuitenkaan ole yhtä tehokkaita kuin kerrospaksuuden kasvattaminen.
3.5. Urautumistyyppi 3
Mitä on tyypin 3 urautuminen
Tyypin 3 urautuminen, jota kutsutaan myös nimellä päällysteen kuluminen, oli ongelma jo muinaisen Rooman valtakunnan aikana kuten voidaan nähdä tästä Pompeijista otetusta kuvasta.
Kuitenkin Pohjoisen Periferian alueella tyypin 3 urautuminen liittyy päällystetyillä teillä lähinnä vain nastarenkaiden aiheuttamaan kulumiseen. Soratiellä kulumisen aiheuttamaa urautumista syntyy myös jos kulutuskerroksessa ei ole tarpeeksi kiviainekset toisiinsa sitovaa hienoainesta.
Tyypin 3 urautumista nähdään hyvin harvoin vähäliikenteisillä teillä ja se alkaa olla ongelma vasta kun liikennemäärä (KVL) on yli 3000 ajoneuvoa vuorokaudessa.
Kuinka tunnistaa tyypin 3 urautuminen
Tyypin 3 urautumisen tunnistaa helpoimmin terävämuotoisista urista ja siitä että urien pohjien välimatka on sama kuin henkilöautojen akselipituus. Ruotsissa PTM-auton mittaustulosten avulla voidaan erottaa tyypin 3 urat tyypin 1 ja 2 urautumisesta. Tämä tehdään mittaamalla urien välinen etäisyys ja jos etäisyys vastaa henkilöautojen akselipituutta, on kyseessa tyypin 3 urat. Jos etäisyys on leveämpi ja vastaa kuorma-autojen akselien pituutta, on kysessä tyypin 1 tai 2 urautuminen.
Ratkaisut
Tyypin 3 urautumisongelmiin on yleensä käytetty kahta ratkaisua: a) käytetään päällysteessä paremmin kulutusta kestävää kiviainesta, tai b) kielletään nastarenkaiden käyttö. Ensimmäinen vaihtoehto on yleisesti käytössä Skandinaviassa (Suomi, Ruotsi, Norja, Islanti), jossa nastarenkaiden käytöstä ei haluta luopua. Soratiellä tyypin 3 urautuminen voidaan hoitaa helpoiten höyläämällä tie.
3.6. Urautumistyyppien yhdistelmät routimattomilla alueilla
Käytännössä urautuminen tapahtuu tiellä pääosin eri vaikutusmekanismien yhdistelmänä (urautumistyypit 0-3). Skotlannissa suoritetuissa koeteiden poikkileikkaustutkimuksissa havaittiin että tierakenteissa ilmenee sekä sitomattomien rakennekerrosten ohenemista (tyyppi 1) että pohjamaan painumista rengasuran kohdalla (tyyppi 2). Rengasuran vieressä oleva palle on selvästi näkyvissä, kuten myös pohjamaan vähäisempi urautuminen tien pinnan painumaan verrattuna.
On oletetavissa ja jossain määrin myös havaittu että tyypin 1 urautuminen johtuu usein kanavoidusta liikenteestä (esim. kapeilla metsäteillä), jossa rekkojen renkaat kulkevat aina samoja ajouria, eivätkä siten voi siirtää syrjäytynyttä kiviainesta takaisin paikalleen ja tiivistää sitä (tyyppi 0).
Sen sijaan vapaammin sivusuunnassa liikkuvasta liikenteestä seuraa selvemmin tyypin 2 urautumista, johon liittyy usein tyypin 0 vaikutuksia, sillä ajourien vaihtelusta johtuva ulkopuolelle pyöräkuormituksen muokkaava vaikutus aiheuttaa tehokkaampaa tiivistymistä.
Ratkaisut
Kun harkitaan ratkaisua routimattoman alueen urautumisongelmaan, on tärkeää ymmärtää uratumiseen johtaneet syyt. Ongelmien pääsyy tulisi olla tiedossa ja korjausratkaisu pitäisi valita sen mukaan. Kuivatusanalyysi ja kuivatuksen parantaminen pitäisi myös aina tehdä samanaikaisesti.
Jossain tapauksissa myös eroosio voi olla urautumisen syynä.
3.7. Urautumistyypit ja kelirikko
Pohjoisen periferian vähäliikenteiset tiet ovat hyvin alttiita pysyville muodonmuutoksille, koska täällä esiintyy routaa, kelirikkoa ja päivittäisiä jäätymis-sulamissyklejä, jotka lisäävät pysyviä muodonmuutoksia tierakenteissa ja pohjamaassa.
Syynä tähän on voimakas cryo-imupaine, joka syntyy jäätyvässä vyöhykkeessä. Cryo-imupaineella on kyky imeä ja sitoa vesimolekyylejä kaukaakin jäätymisrintamasta silloin, kun vettä on saatavilla. Tämä puolestaan voi johtaa jäätymisen yhteydessä huokosten laajenemiseen ja rakenteen löyhtymiseen. Kun tämä materiaali sulaa, rakenteessa oleva ylimääräinen vesi heikentää sitä sekä altistaa sen pysyville muodonmuutoksille. Vedestä ja termodynamiikasta on kerrotaan yksityiskohtaisemmin toisessa ROADEX eLearning paketissa ”Teiden kuivatus”.
Kuvissa on esitetty Tampereen teknillisessä yliopistossa tehtyjen laboratoriokokeiden tuloksia. Tulokset osoittavat, että jäätymis-sulmaissyklien jälkeen muodonmuutokset olivat merkittävästi suurempia näytteissä, joissa oli kosteutta (edustivat syksyn tilannetta) kuin kuivissa näytteissä (edustivat kesän tilannetta). Voidaan arvioida, että 60-80% tien kaikista vaurioista syntyy joko jäätymis-sulamissyklien tai kevätkelirikon aikana.
Alueilla, kuten Skotlannin ylämailla, joissa teiden pääasiallisin ongelma on jäätymis-sulamissyklit ja roudan eteneminen pohjamaahan on harvinaista, jäätymis-sulamissyklien aiheuttama urautuminen on pääasiassa tyyppejä 0 ja 1. Urautumistyyppiä 0 esiintyy silloin, kun materiaalipartikkelien välissä oleva vesi jäätyy ja aiheuttaa vähäistä materiaalin tilavuuden kasvua. Kun raeknne on sulanut, maarakeet palautuvat takaisin tiivistyneeseen tilaan. Tämä tilavuuden muutos yleisesti palautuu, jopa kuormittamattomilla osuuksilla, yläpuolella olevien kerrosten aiheuttaman kuorman takia.
Vaikeampi ongelma on urautumistyyppi 1, jota esiintyy pääasiassa sitomattomassa kantavassa kerroksessa jäätymis-sulamissyklien jälkeen. ROADEX II projektin yhteydessä Garvaultin percoasemalla, Sutherlandissa Skotlannin ylämailla, havaittiin, että tie vaurioitui erityisesti 2-3 pakkasyön jälkeen, etenkin jos niitä seurasi vesisade.
Alueilla, joilla routa tunkeutuu pohjamaahan asti, syntyy keväällä roudan sulamisen aikaan kaikkia urautumistyyppejä ja muodonmuutoksia.
Käytännössä näillä alueilla lahes kaikki tiessä tapahtuvat pysyvät muodonmuutokset liittyvätkin tierakenteessa ja pohjamaassa tapahtuvaan routanousuun ja sulamispainumiin. Roudan sulamisvaiheen aikana tierakenteessa esiintyy tyyppien 0 ja 1 uratumista. Kun sulaminen etenee pohjamaan ja raskas liikenne kuormittaa tietä, syntyy tyypin 2 urautumista. Samanaikaisesti, sekä tien että penkereen kuorman ansiosta, voi plastinen pohjamaa pursuta ja valua tien sisäluiskiin ja ojiin, mikä aiheuttaa myös tien levenemistä.
Tämän vuoksi vähäliikenteisille teille on tyypillistä, että ne levenevät ajanoloon ja samalla tien piennaralueet ovat hyvin heikot.
Ratkaisut
Where it is considered that the main reason for rutting is seasonal change the road should first be checked if it has any frost heave problems. If the road is located on a non-frost susceptible subgrade and the main rutting mode is Mode 1, then the recommended solution is stabilization, or an improvement of the base material quality. Stabilization can also be considered where the subgrade is frost susceptible, but without differential frost heave problems, and Mode 1 rutting problems can be seen.
Tierakenteen murskaus ja homogenisointi ovat ratkaisuvaihtoehtoina siellä, missä tierakenne sisältää paljon isoja kiviä ja lohkareita. Tässä suomalaisessa menetelmässä, jota on kutsuttu ”Tirkkosen menetelmäksi”, tierakenne homogenisoidaan 50-60 cm:n syvyydelle ja samalla isot kivet sekä lohkareet murskataan. Menetelmän avulla parannetaan materiaalin raekokojakaumaa ja saavutetaan parempi vastustuskyky pysyviä muodonmuutoksia kohtaan.
Tierakenteen paksuuden lisääminen on myös hyvä vaihtoehto, koska paksumpi tierakenne vähentää routanousuja. Suositeltavat parantamisvaihtoehdot tieosuuksille, joilla on epätasaisia routanousuja ovat: a) paksumpi tierakenne, b) massanvaihto ja uusi rakenne tai c) routaeristerakenne.
3.8. Pumppautuminen ja pysyvät muodonmuutokset
Pumppautuminen on erityinen prosessi, joka välillisesti lisää pysyvien muodonmuutosten esiintymistä mm hyvin märällä pohjamaalla olevilla teillä. Vähäliikenteisten teiden ohuet rakennekerrokset eivät aina pysty riittävästi jakamaan kuormitusta riittävän laajalle alueelle, mikä nostaa pohjamaahan kohdistuvia jännitystiloja. Raskas liikenne aiheuttaa näissä olosuhteissa pohjamaan pintaan kohdistuvia pystysuoria jännityksiä ja leikkausjännityksiä sisältävän jänniteyhdistelmän, joka muokkaa pohjamaan pintaa samaan tapaan kuin leipuri vaivaa taikinaa.
Koska pohjamaa on kyllästynyt vedellä, se on käytännössä kokoonpuristumaton jolloin kuormituksen alla materiaaliin voi kehittyä liikaa huokosveden ylipainetta. Jos pohjamaa läpäisee huonosti vettä, huokosvedenpaine voi purkautua ainoastaan pintaa kohti, eli tienrakennekerroksiin. Toistuvan liikennekuormituksen aiheuttama, jatkuva maarakeiden liike aiheuttaa maarakeiden välillä olevien huokosten avautumista ja sulkeutumista. Tällöin muodostuu pumppautumisprosessi, joka puskee vettä ylös tierakenteeseen.
Ongelmaa esiintyy erityisesti kahdella pohjamaall
- turvenaat
- plastiset siltit ja savet.
Turvemailla kuormitus voi myös aiheuttaa pohjamaan kokoonpuristumista, mikä vapauttaa turpeesta suuren määrän vettä. Tämä voi johtaa samankaltaiseen urautumiseen kuin urautumistyypissä 2, mutta tässä tapauksessa pääasiallisin syy ei liity pohjamaan leikkausmuodonmuutoksiin. Ennemminkin urautuminen on seurausta toistuvasta rekkojen akselikuormituksesta ja hitaasta palautumisajasta akselien kuormituspulssin jälkeen.
Kun pohjamaa on heikosti plastista (siinä on runsaasti hienojakoista silttiä), tiivistyminen on epätodennäköistä. Muokkausvaikutus yhdessä korkean vesipitoisuuden kanssa mahdollistaa hienoaineksen erottumisen pohjamaasta ja sen liettymisen veteen. Vähitellen tämä liettynyt massa voi pumppautua yhä ylemmäs ja ylemmäs tien rakennekerrosmateriaalien läpi. Silloin kun tämä ilmiö tapahtuu, murskeissa olevat kivet peittyvät savisella ja silttisellä hienoaineksella ja kerroksesta tulee heikompi. Tämä puolestaan johtaa siihen, että muokkausvaikutus vain vahvistuu ja pian koko kantava kerros on korkean hienoainespitoisuuden ”pilaama”.
Molemmilla edellä kuvatuilla pohjamaatyypeillä prosessin seurauksena on kantavan kerroksen materiaalin laadun heikkeneminen, mikä mahdollistaa tyypin 1 urautumisen.
Routaantuvilla alueilla pumppautumista voidaan usein havaita havaita ainoastaan kevätkelirikon aikana. Tässä tapauksessa roudan sulamisen aikana kantavassa kerroksessa oleva ylimääräinen vesi laskee kerroksen lujuutta lisäten muokkausvaikutusta ja samalla kyllästää kantavan kerroksen vedellä. Tämä puolestaan mahdollistaa hienoaineksen pumppautumisen kerrosten läpi.
Ratkaisut
Halvin ratkaisu pumppautumisongelmiin on turvata tielle riittävät palautumisajat rekkojen välillä. Tällöin tulee varmistaa, että peräkkäisten ajoneuvojen välillä on riittävästi aikaa, jolloin tierakenteella on mahdollisuus palautua. Alueilla, joilla pohjamaa on turvetta tai silttiä, hyvä ratkaisu pumppautumisongelmiin on asentaa teräsverkko noin 250mm syvyydelle tien pinnasta. Tämä vähentää pyöräkuormituksen aiheuttamia taipumia ja edelleen pumppautumista. Geotekstiili voi myös estää hydraulista virtausta ja hienoaineksen pumppautumista tien päällysrakenteen yläosiin. Toinen mahdollinen ratkaisu, on karkean ja avoimen rakeisuuden omaavasta materiaalista tehdyn kerroksen lisääminen kantavan kerroksen alle. Tämä edesauttaa ylimääräisen veden johtumista pois tierakenteesta sen sijaan, että se pumppautuisi pintaan. Joillakin metsäautoteillä tämä kerros on tehty puun kuorihakkeesta.
