1. Mitä on pysyvä muodonmuutos ja miksi sitä pitää välttää

1.1. Pysyvä muodonmuutos ja tekijät jotka vaikuttavat siihen

Venymä on määritelty materiaalin pituuden muutoksena suhteessa alkuperäiseen pituuteen, eli toisin sanoen
Venymä, ? = (pituuden muutos) / (alkuperäinen pituus)

Elastisessa materiaalissa venymä kasvaa lineaarisesti jännityksen kasvaessa.
(strain = venymä, muodonmuutos)
(stress = jännitys)

Lineaarisesti elastisessa eli kimmoisessa materiaalissa venymä kasvaa suoraan suhteessa jännityksen kasvuun.

Samalla tavalla, täysin elastisessa materiaalissa, kun jännitys pienenee, venymä palautuu alkutilaan samaa lineaarista polkua pitkin.

Kuormituksen jälkeinen muodonmuutos elastisessa materiaalissa on täysin palautuva. Kun jännitys poistetaan, kohde palautuu alkuperäiseen muotoonsa.

Muodonmuutos puhtaasti elastisessa materiaalissa on täysin palautuva, esimerkiksi raskaan ajoneuvon pyöräkuormituksen jälkeen.

Venymä on määritelty tietyssä pisteessä, kun taas muodonmuutos on määritelty muutoksena itsessään. Päällysteessä tarkastellaan yleensä pinnan pystysuuntaista siirtymää eli taipumaa (esimerkiksi ohimenevän ajoneuvon aiheuttamana vaikutuksena). Tällöin pinnan taipuma on kaikkien vertikaalisten venymien summa jokaisessa pisteessä pinnan alla. Nämä venymät voivat olla puristus-, veto-, leikkaus-, taivutus- tai vääntövoimista johtuvia.

Plastinen muodonmuutos ei ole palautuva. Kuitenkin kohde, joka on plastisen muodonmuutoksen alueella, on ensin läpikäynyt elastisen muodonmuutoksen, joka on palautuva. Eli kohde tulee osittain palautumaan alkuperäiseen muotoonsa.

Vähäliikenteisillä teillä raskaan pyöräkuorman aiheuttama vaste on aina yhdistelmä palautuvaa muodonmuutosta ja hyvin pieni osa on pysyvää muodonmuutosta.

Tienrakennusmateriaalit eivät ole täysin elastisia ja jokaisen kuormituksen tuloksena niissä syntyy aina jonkin verran pysyviä muodonmuutoksia.

Esimerkki yhdistelmästä palautuvaa ja pysyvää muodonmuutosta toistuvalla kuormituksella ja ALHAISELLA jännitystasolla. Punainen viiva osoittaa rakenteen rikkoutumisen aiheuttavan jännitystason rajan. Kuormitussyklien alkaessa muodonmuutokset kasvavat aluksi nopeasti korkean kiviaineksen alkutiivistymisen takia, mutta asettuvat pian matalalle vakiotasolle.

Laboratoriokoetulokset sekä ROADEX projektin yhteydessä (ROADEX II Raportti “Urautumisongelmien ratkaiseminen vähäliikenteisillä teillä“) että muissa yhteyksissä osoittavat, että pysyvien muodonmuutosten kertymisnopeuteen vaikuttavia avaintekijöitä ovat:

• materiaalin rakeisuusjakauma, erityisesti hienoaineksen määrä ja laatu
• tiiviysaste eli  materiaalin kuivairtotiheys
• materiaalin sisältämä vapaan veden määrä ja
• jännitysolosuhteet, joille materiaali altistuu, erityisesti leikkausjännitysten suuruus. Kun leikkausjännityksen taso on pieni, pysyvän muodonmuutoksen kertyminen todennäköisesti hidastuu ja tasaantuu nopeasti. Kun taas leikkausjännitystaso on suuri pysyviä muodonmuutoksia syntyy jatkuvasti jokaisen kuormituskerran jälkeen.

Esimerkkiyhdistelmä palautuvaa ja pysyvää muodonmuutosta toistuvalla kuormituksella ja  KORKEALLA jännitystasolla.  Jännitystaso on koko ajan  lähellä vaurioitumisen aiheuttavaa tasoa (vaakasuora punainen viiva). Muodonmuutosten kasvu on nopeaa kuormituksen alusta lähtien.

1.2. Pysyvien muodonmuutosten aiheuttamat ongelmat

ROADEX-projekti on osoittanut, että Pohjoisen Periferian alueella pysyvät muodonmuutokset ovat vähäliikenteisten teiden ongelmallisen urautumisen pääsyy. Urautuminen aiheuttaa monia erilaisia ongelmia sekä tienkäyttäjille että teiden omistajille.

Liikenneturvallisuus ja kuorma-autonkuljettajien terveysongelmat

Syvät urat voivat olla liikenneturvallisuusriski. Ne keräävät vettä ja aiheuttavat vesiliirtoriskin sateen aikana. Talvisin jää pienentää kitkaa ja aiheuttaa luisumisriskin. Tien pientareella tapahtuvat pysyvät muodonmuutokset voivat aiheuttaa myös raskaiden ajoneuvojen vaarallista huojumista. Tämä aiheuttaa terveydelle haitallista tärinää ja pitkällä aikavälillä vahingoittaa kuljettajien terveyttä.

Alentunut kantavuus

Tierakenteen ja pohjamaan urautuminen voi johtaa vaurioihin päällystekerroksissa.

Näissä kohdissa urissa oleva pintavesi, poisvirtaamisen sijaan, imeytyy päällysteen läpi tierakenteeseen ja pohjamaahan aiheuttaen kerrosten pehmenemisen.

Tämän vuoksi urautuminen on harvoin tasaista tien pituussuunnassa. Samalla tien pinnan epätasaisuus voi kasvaa ja aiheuttaa tienkäyttäjille epämukavuutta.

Korkeammat tienkäyttäjien kustannukset

Syvät urat voivat myös aiheuttaa ylimääräisiä kustannuksia tienkäyttäjille. Suurempi kitka renkaan reunoilla johtaa suurempaan polttoaineen kulutukseen ja renkaan nopeampaan kulumiseen.

Syvät urat aiheuttavat nopeampaa kulumista renkaiden reunoilla lisäten ajoneuvokustannuksia.

Korkeammat tien omistajan kustannukset

Urat aiheuttavat myös muita ongelmia teiden omistajille Skandinaviassa, jossa käytetään nastarenkaita.  Täällä päällysteen kulumisnopeus nousee merkittävästi kun syvät urat alkavat kerätä vettä ja näin päällysteen kestoikä lyhenee.

Urien pohjalla seisova vesi lisää urien nastarengaskulumista ja pienentää edelleen myös päällysteen kestoikää.

Urat aiheuttavat ongelmia myös talvisin jään ja tiivistyneen lumipolanteen poistamiselle. Tämä tiehöylällä tai alusterällä tehtävä poistaminen voi olla hyvin vaikeaa urien pohjasta ja päällyste voi vaurioitua.