5.1. Perusominaisuudet
Turpeen päälle rakennettavan uuden tien rakentamismenetelmän tai korjausmenetelmän valinta perustuu normaalisti ympäristöllisiin ja taloudellisiin seikkoihin huomioon ottaen myös tien toimivuudelle asetetut vaatimukset.
Useimmilla yleisillä teillä, jopa suhteellisen suuren nopeusrajoituksen omaavilla teillä, voidaan sallia melko suuria painumia, jos painumat ovat pitkiä ja yhtenäisiä eivätkä vaikuta ajomukavuuteen. Sen sijaan tien poikittainen lyhyt ja epätasainen painuma voi aiheuttaa lujaa liikkuville ajoneuvoille liikenneonnettomuusriskin. Tällaiset painumat tulee pyrkiä estämään hyvällä suunnitelulla.
Tämän vuoksi kansallisesti merkittävät tiet suunnitellaan ja rakennetaan pääasiassa hyväksi osoittautuneilla perinteisillä menetelmillä, jotka takaavat että toimivuusvaatimukset tulee täytettyä suurissa ajonopeuksissa. Toisaalta vähäliikenteiset tiet, kuten ROADEX projektissa käsitellyt vähäliikenteiset paikallistiet, eivät yleensä vaadi yhtä suuria varmuuskertoimia ja ne voidaan rakentaa käyttäen edullisempia ja kevyempiä toimenpiteitä. Näin erityisesti silloin, jos ajoneuvojen nopeudet tulevat olemaan alhaiset.
Riippumatta tien luokituksesta, tien rakenne tulee kuitenkin suunnitella täyttämään kaksi tärkeintä suunnittelukriteeriä eli stabiliteetti- ja painumavaatimukset, jotka tunnetaan myös terminä kantavuus.
5.2. Stabiliteetti
Kaikki tiet tulee suunnitella ja rakentaa niin, että niillä on riittävä varmuus perustus- ja sivuluiskavaurioita vastaan. Tyypillinen turpeen päälle rakennettu tiepenger voi vaurioitua seuraavilla tavoilla:
a) Murtuminen siten, että alla olevaan turvekerrokseen muodostuu liukupinta, joka on yleensä kaaren muotoinen:
b) Leikkautumalla alla olevan turvekerroksen läpi:
c) Vetojännitysten vaikutuksesta kuormituskohdan ulkopuolella tapahtuva murtuminen:
?d) Turveliukuma turpeen alapuolella tai turpeen sisällä olevan liukkaan pinnan vaikutuksesta:
Turveluiskan insitu stabiilius voidaan arvioida käyttäen ‘infinite slope analysis’ mallia,(Skempton ja DeLory, 1957), joka olettaa turpeen murtuvan lohkona (tasoliukupinta).
Lisäksi tulisi aina muistaa, että vaurio voi tapahtua myös turpeen alapuolella olevissa kerroksissa, erityisesti silloin, kun nämä ovat heikompia kuin yläpuolella oleva turve.
Ennen rakentamista pitäisi aina tehdä geoteknisiä analyysejä, jotta vältyttäisiin näiltä vaurioilta. Stabiliteetin analysointia varten on olemassa useita sopivia tietokoneohjelmia, kuten PLAXIS, OASYS, FLAC, SAGE, SLOPE, SLOPEW, jne. Sopivimman analyysimenetelmän valinta tulee jättää jättää kokeneelle alan insinöörille. Analyysimenetelminä voi olla esimerkiksi laskentataulukko, yleinen analyysi, elementtimenetelmään perustuva analyysi, 2D/3D menetelmät jne. Osana analyysiä on tarpeen tutkia penkereen rakentamisen aikainen lyhyen aikavälin stabiliteetti, joka sisältää eri rakentamisvaiheiden tarkastelun, kuten myös pitkän aikavälin stabiliteettitarkastelua valitulla rakentamismenetelmällä.
Stabiliteetti ei yleensä aiheuta ongelmia kuiturikkailla rämesoilla johtuen turvekuitujen vahvistavasta vaikutuksesta. Stabiliteetti voi kuitenkin olla merkittävä näkökohta suunnittelussa ja penkereiden käyttäytymisessä soilla, joiden turve on maatunut ja on vähemmän vettä läpäisevää.
5.3. Painuma
Turpeen päällä olevan penkereen painumaprosessi ei koskaan lopu. Painuman tarkastelussa on kaksi erillistä huomioitavaa asiaa; painuman suuruus ja painuman nopeus. Painuman nopeuden ja painuman tapahtumiseen tarvittavan ajan ajatellaan yleisesti olevan tärkeämpi tekijä tienrakentamisprosessin kannalta, jos halutaan minimoida jälkeenpäin tehtävät kunnostustoimenpiteet. Vaurioituneen tien painumien korjaaminen jälkeenpäin vaatii yleensä tien sulkemista. Tämä aiheuttaa ylimääräisiä kustannuksia ja viivästyksiä liikenteelle. Siksi on aina parasta rakentaa ja suunnitella kerralla kunnolla.
Turvetta kuormitettaessa, siihen muodostuu välitön elastinen painuma heti kuormittamisen jälkeen ja konsolidaatiopainuma myöhemmin sen jälkeen. Useimmat viranomaiset Pohjoisen Periferian alueella jättävät yleisesti elastisen painuman arvioinnin tekemättä, vaikka arviointi on mahdollista. He keskittyvät sen sijaan konsolidaatiopainuman suuruuden arviointiin, koska sillä on paljon suurempi vaikutus tien palvelutasoon.
5.3.1. Menetelmät painuman arviointiin
Turpeen painumien arviointiin on saatavilla useita menetelmiä, joista tässä kappaleessa tarkastellaan kahta erityisesti vähäliikenteisille teille soveltuvaa menetelmää:
a) Ruotsin tiehallinnon menetelmä primäärisen konsolidaatiopainuman laskemiseksi
b) Islannin tieviranomaisten käyttämä menetelmä, joka perustuu Janbun epälineraaliseen teoriaan
Mitä tahansa menetelmää käytetäänkin, on työn aikana monitoroinnilla varmistettava, että todelliset painumat käyttäytyvät ennustetulla tavalla.
5.3.2. Ruotsin tiehallinnon (STA) menetelmä
Ruotsin tieviranomaisten käyttämä menetelmä perustuu laajaan kokemukseen Ruotsissa turpeen päälle rakennetuista teistä. Menetelmällä pystytään arvioimaan painumia primäärisen konsolidaatiovaiheen aikana. Jos myös sekundääripainuma halutaan arvioida, sen toteuttamiseksi suositellaan käytettävän siihen sopivaa tietokoneohjelmaa.
STA menetelmä perustuu painumakuvaajiin, jotka on saatu 30 ruotsalaisella turvekohteella vuosina 1979–1998 tehdyistä testeistä. Näitä kuvaajia käytetään primäärisen konsolidaatiopainuman arviointiin turvealueilla, kun häiriintymättömiä insitu näytteitä ei ole saatavissa. Kuvaajissa muuttujina on turpeen painumaan vaikuttavat 4 päätekijää: turpeen paksuus, turpeen vesipitoisuus, kuormituksen suuruus ja kuormitusaika. Kuvaajat perustuvat testeihin kuituisella ja keskinkertaisesti maatuneella turpeella. Kuvaajissa oletetaan turpeen olevan normaalisti konsolidoitunut. Aikaisemmin kuormitettuna olleella turpeella voidaan käyttää korjauskerrointa. Jos kuvaajia ei voida käyttää, soveltuvaa tietoa tulisi hankkia kokoonpuristumiskokeista.
Menetelmä perustuu turpeen vesipitoisuuden ja muodonmuutoksien väliseen suhteeseen, kuten alla olevassa kuvaajassa on esitetty (muodonmuutos-vesipitoisuus)
Seuraava esimerkki kuvaa painumaprosessia 2,5 m paksun penkereen ollessa 4,5 m paksun turvekerroksen päällä. Turve on jaettu neljään eri kerrokseen, joiden paksuudet ovat: 1,0 m, 1,0 m, 1,0 m ja 1,4 m ja kerrosten vesipitoisuudet vastaavasti 1200 %, 1200 %, 1300 % ja 1000 %.
Ensimmäinen vaihe STA menetelmässä on luoda kuormitus-painumasuhde kyseessä olevalle kerrosrakenteelle. Tämä toteutetaan sarjana laskutoimituksia, joilla jäljitellään tyypillistä penkereen kuormitussarjaa, kuten on esitetty seuraavassa kappaleessa ja taulukossa.
Laittamalla primääriset kokonaispainumat “?” ja kuormitukset samaan kuvaajaan saadaan piirrettyä esimerkkirakenteelle kuormitus-painumakuvaaja
Tämä kuvaaja ei kuitenkaan huomioi nostetta, joka tulee vaikuttamaan penkereeseen sen painuessa pohjavedenpinnan alle (Tässä esimerkissä vedenpinta on oletettu olevan turpeen alapinnan tasolla).
Tässä esimerkissä käytetään seuraavia tilavuuspainoja:
? = 19 kN/m³ (Vedellä kyllästymättömän kitkamaan tilavuuspaino, penkereen materiaali)
?M = ?SAT = 21 kN/m³ (Vedellä kyllästyneen kitkamaan tilavuuspaino, penkereen materiaali)
?W = 10 kN/m³ (Veden tilavuuspaino)
? ’ = 11 kN/m³ (Vedellä kyllästyneen kitkamaan tehokas tilavuuspaino pohjavedenpinnan alapuolella)
Peatland surface and groundwater table = Turpeen ja pohjaveden pinta
Arvio nosteen vaikutuksesta voidaan tehdä seuraavasti.
Nosteen vaikutus kuormitus-painumakuvaajaan:
Settlement = Painuma, Load = Kuorma, without buoyancy effects = ilman nosteen vaikutusta, with buoyancy = nosteen kanssa
Tässä esimerkkitapauksessa se tarkoittaa, että arvioidut painumat 50 kPa kuormituksella tulevat pienenemään 2,37 metristä 2,06 metriin.
Suunnitellussa tapauksessa 2,5 m paksu penger tullaan rakentamaan kahdessa vaiheessa: ensimmäinen kerros rakennetaan 1,2 metrin paksuiseksi (?q = 22,8 kPa) ja toinen kerros 1,3 m paksuiseksi (1,2 m + 1,3 m = 2,5 m, ?q = 47,5 kPa). Kuormitus-painumakuvaaja näille kuormituksille on esitetty tässä.
Nämä kaksi penkereen kuormitustasoa on esitetty alapuolella olevassa kuvassa “Diagram 2”.
Water content = Vesipitoisuus
Thickness of peat = Turpeen paksuus
Applied load = Kuorman suuruus
Time (days) = Aika (päiviä)
”First layer of peat, aim for 70% settlement” = ”Ensimmäinen turvekerros, tavoitteena 70 % painuma”
”Subsequent layers and preloading” = ”Seuraavat kerrokset ja esikuormitus”
Toinen kerros laitetaan ensimmäisen päälle, kun alla oleva turve on konsolidoitunut riittävästi tukeakseen lisäkuormituksia (tässä tapauksessa, kun 70% ensimmäisen kerroksen primäärisestä konsolidaatiosta on tapahtunut).
Eri vaiheet on tulostettu alla olevaan yhdistettyyn taulukkoon, missä kuormitus-painumakuvaajan perusteella tehdyt painumien ennusteet on esitetty “Diagram 2” –kuvaajasta saatujen ajanjaksojen kanssa.
| Kerros |
Kuormitus ?q (kPa) |
Konsolidaatioaste (%) |
Aika kuvaajasta “Diagram 2” (Päiviä) |
Ennustettu lopullinen painuma kuvaajasta (m) |
Painuma ajan funktiona (m) |
|
Vaihe 1 Vaihe 2 |
22.8 47.5 |
70 70 80 85 90 95 99 |
19 28 44 55 71 99 163 |
1.22 2.01 |
0.85 1.41 1.61 1.71 1.81 1.91 1,99 |
Yllä oleva taulukko kuvaa vain turvekerroksen painumia. Jos penkereen alla on turvekerroksen lisäksi muitakin kokoonpuristuvia kerroksia, on painumat myös muissa kerroksissa arvioitava penkereen painumisen kokonaisennusteen saamiseksi.
5.3.3. Islannin tieviranomaisten (ICERA) menetelmä
Uusien teiden painumat arvioidaan Islannissa Janbun menetelmän (kuvattu alla) avulla.
1.Painumat esikonsolidoitumisvaiheen aikana lasketaan kuten elastisella materiaalilla:
2. Painumat luonnonvaraisella koskemattomalla alueella:
ICERA käyttää tätä tietoa:
a) lyhyellä aikavälillä ohjatakseen penkereen rakentamisnopeutta. Näin varmistutaan siitä, että ylimääräisellä huokosvedenpaineella on aikaa hävitä ja alla oleva turve saavuttaa riittävän vahvuuden ennen kuin lisäkerrokset asetetaan.
b) pitkällä aikavälillä ennustaakseen rakentamisen jälkeen tapahtuvien painumien määrää.
ICERA-tien rakentamiskäytäntö
Reilusti ennen varsinaista tien rakentamista kaivetaan kummallekin puolelle tietä syvät sivuojat 15 metrin etäisyydelle keskilinjasta, jotta saavutetaan vakaa pohjaveden pinta tien rakentamista ja kunnossapitoa varten.
Normaalisti tiepenkereet rakennetaan vaiheittain kerros kerrokselta, ‘stage construction’ jotta varmistutaan stabiliteetista materiaalin painumisen aikana. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että ensimmäisessä vaiheessa rakennetaan kerrallaan korkeintaan 1 m paksuinen täyttö suon pinnalle ja sen annetaan painua vähintään 50 % ennustetusta painumasta ennen seuraavien kerroksien lisäämistä. Tämä painumavaatimus saavutetaan yleensä 5 päivän kuluessa kerroksen rakentamisesta eikä normaalisti aiheuta viivästyksiä urakoitsijalle.
Kohteen todelliset penkereen painumat tarkastetaan valituissa paikoissa (100-200m välein) tien keskilinjalla käyttäen painumaletkumittausta.
Tämä halkaisijaltaan 50mm oleva muovinen putki asetetaan suon pinnalle tien linjaan nähden poikittain ennen täyttöjen tekemistä.
Kun täyttökerrokset on laitettu paikoilleen turpeen päälle, letku taipuu penkereen painuessa. Putken taipunut muoto voidaan mitata putken läpi vedettävällä hydrostaattisella painemittarilla haluttuina ajanhetkinä. Saadut mittaukset esitetään poikkileikkauksena, jota voidaan käyttää mittausten ja maarakennustöiden seurantatarkoituksissa.
Ensimmäinen täyttökerros saa aiheuttaa korkeintaan 20 kPa kuorman suon pinnalle. Seuraavat kerrokset korkeintaan 30 kPa. Jokaisen kerroksen annetaan painua 50 % sen ennustetusta painumasta ennen seuraavan kerroksen rakentamista. Normaalisti näitä sääntöjä seurattaessa ei ole tarpeen käyttää konsolidaatiota nopeuttavia toimenpiteitä. Vastapenkereitä käytetään joskus kokonaisstabiliteetin parantamiseen.
Todelliset painumat mittauspoikkileikkauksissa tarkistetaan säännöllisesti rakentamisen aikana ja verrataan ennustettuihin painumiin. Tarpeen vaatiessa mitatut painumat ”takaisin lasketaan” ja malli päivitetään tulevaisuuden painumien ennustamista varten. On myös mahdollista ottaa huomioon näiden mittauksien tulokset ja hienosäätää kuormia niin, että haluttu määrä painumia tapahtuu vaaditussa ajassa.
Lopullinen tarkistus tehdään maatöiden lopussa ennen kuin tien päällysrakennekerroksia aletaan rakentaa. Tässä vaiheessa penkereelle rakennetaan ”ylipenger” materiaalilla, jolla kompensoidaan tulevaisuudessa tien eliniän aikana tapahtuvia painumia. Tien elinikä on yleensä 20 vuotta. Tämä lopullinen tarkistus tehdään ennen kuin tien rakennekerrokset rakennetaan, jotta korjaustyöt voidaan tehdä täyttömateriaalilla eikä kalliimmalla jakavan kerroksen murskeella..
