5. Verkfræðilegir eiginleikar mós

5.1. Atriði sem íhuga þarf í upphafi

Þegar velja á aðferð við nýbyggingu vega eða þegar þörf er á endurbótum á eldri vegum um mýrlendi, byggist ákvarðanatakan venjulega á umhverfis- og efnahaglegum forsendum, sem og kröfum þeim sem gerðar eru til nýrra vega.

Flestir opinberir vegir, jafnvel vegir með tiltölulega háan hámarkshraða, þola ágætlega nokkuð sig ef að sigið er á löngum kafla og einsleitt, sérstaklega ef akstursgæði verða ekki fyrir áhrifum. Stutt mismunasig á akbraut getur aftur á móti valdið hættulegum aðstæðum fyrir ökutæki á miklum hraða og forðast skal slíkt í hönnun, ef það er á nokkurn hátt mögulegt.

Vegna þessarar ástæðu eru meiriháttar stofnvegir oftast hannaðir og lagðir með öruggum aðferðum sem hafa sannað gildi sitt og leiða af sér akbraut sem hægt er að aka eftir á miklum hraða á öruggan hátt. Fáfarnir vegir, svo sem vegir í dreifbýli sem eru umfjöllunarefni ROADEX verkefnisins, þarfnast aftur á móti yfirleitt ekki þessa háu öryggismarka og oftast er hægt að byggja þá á ódýrari og óagaðri hátt, sérstaklega þar sem ætlaður hraði ökutækja er fremur lár.

Óháð flokkun vegarins þarf mannvirkið í heild að vera hannað til þess að standast tvö megin verkfræðileg skilyrði sem snúast um stöðugleika og sig, þ.e. „burðarþol“.

5.2. Stöðugleiki

Hanna þarf alla vegi þannig að þeir séu stöðugir og byggja þá upp á þann hátt að nægjanleg öryggismörk séu gagnvart sigi í undirstöðu og fláa. Hefðbundin vegfylling á mýri getur brostið á ýmsan hátt, t.d.:

a) Með broti í undirliggjandi mó meðfram misgengisfleti, venjulega í formi boga:


b) Með því að gata svörðinn:


c) Með togbroti utan álagsflatar:


d) Með móskriði meðfram hálu yfirborði undir eða innan mólaga:


Stöðugleika mós í halla má meta með líkaninu  „óendanleg hallagreining“  (infinite slope analysis) (Skempton and DeLory,1957), sem gerir ráð fyrir að mórinn muni renna af stað sem heil blokk (translational failure).


Auk þessa ætti einnig að hafa í huga jarðvegur undir trefjaríku mólagi getur látið undan, sérstaklega þegar um er að ræða veikari og ótryggari lög en móinn.

Viðeigandi jarðtæknilegar greiningar ætti alltaf að viðhafa áður en vegagerð hefst til þess að forðast slíkar aðstæður. Ýmsar gerðir af stöðuleikagreiningu eru í boði á jarðtæknimarkaðnum svo sem PLAXIS, OASYS, FLAC, SAGE, SLOPE, SLOPEW, o.s.frv. Val á heppilegustu greiningaraðferð (töflureiknir, almenn greining, endanlegur munur/endanleg þátta greining, tvívíddar, þrívíddar, o.s.frv.) ætti að fara fram hjá reynslumiklum jarðtæknisérfræðingi. Nauðsynlegt er að kanna skammtíma stöðugleika fyllingar, sem hluti af greiningunni, þar sem tekið er tillit til áhrifa mismunandi tímasetninga í uppbyggingu fyllingar, ásamt langtímastöðugleika valdrar aðferðar við uppbyggingu vegarins.



Ólíklegt er að stöðugleiki valdi hönnunarvandamálum á trefjaríkum mýrum vegna styrkingaráhrifa trefjanna, en getur verið mikið atriði þegar rætt er um fyllingar yfir fenmýrar sem oftast eru komnar lengra í ummyndunar ferlinu, þær eru því ógagndræpari og geta auðveldlega misst skúfstyrk við aukinn þrýsting.

5.3. Sig

Sig vegar á mýri er langtíma ferli sem aldrei stöðvast. Tvennt einkennir það, umfang sigsins og hraði sigsins. Hraði sigsins og sá tími sem það tekur, er venjulega álitnar mikilvægustu breytur vegna siga í vegagerð ef lágmarka á viðhald að verki loknu. Viðgerðir á signum vegi, eftir að framkvæmdum lýkur, krefst venjulega lokunar sem eykur aukakostnað og tefur umferð. Þess vegna er mikilvægt að vel takist til í upphafi við lagningu vegarins og er stuðlað að því með góðri hönnun.

Mór einkennist af „augnabliks“ sigi um leið og álag er sett á hann og „þéttingar“ sigi eftir það. Það er hægt að meta augnabliks sigið en flestir veghaldarar á norðurjaðrinum kjósa að líta fram hjá því og einbeita sér að mati á umfangi þéttingar sigsins þar sem það hefur mun meiri áhrif á viðhaldsþörf vegarins eftir að framkvæmdum lýkur.

5.3.1. Spáð fyrir um sig

Hægt er að velja úr ýmsum aðferðum til þess að spá fyrir um sig og eru tvær af þeim sérstaklega hentugar fyrir fáfarna opinbera vegi, litið verður nánar á þær í hér á eftir.:

a) Aðferð sænsku Vegagerðarinnar til þess að reikna út frumsig.

b) Aðferð íslensku Vegagerðarinnar sem byggir á ólínulegri kenningu Janbu.

Hvorri aðferðinni sem beitt er þarf alltaf að hafa eftirlit með sigi á meðan á framkvæmdum stendur til þess að staðfesta að raunsig sé að eiga sér stað eins og spáð var fyrir um.

5.3.2. Aðferð sænsku Vegagerðarinnar (STA)

Sænska Vegagerðin notast við aðferð sem byggir á reynsluþekkingu á vegagerð um mýrlendi í Svíþjóð og fjallar um mat á skammtímasigi. Ef þörf er á mati á sigi á seinni stigum er mælt með að notast sé við sérhæfð tölvuforrit.

Aðferðin samanstendur af röð skýringarmynda af sigi sem þróaðar voru út frá niðurstöðum prófana á 30 mýrarsvæðum á árabilinu 1979 til 1998. Myndirnar eru notaðar til þess að veita vísbendingar um frumsig í mó þar sem ekki hafa verið tekin óhreyfð sýni úr honum. Myndirnar taka saman þá fjóra aðalþætti sem ráða sigi; þykkt mólagsins, rakainnihald, álag og tíma. Skýringarmyndirnar byggja á tilraunum á trefjaríkum mó og miðlungs rotnuðum mó. Skýringarmyndirnar miða við að mórinn sé af náttúrulegum þéttleika. Hægt er að nota leiðréttingargildi fyrir mó sem áður hefur verið undir álagi. Ef aðstæður leyfa ekki notkun skýringarmyndanna ætti að nálgast nauðsynleg gögn með álagsprófunum.

Aðferðin er byggð á einföldum tengslum milli rakainnihalds og formbreytinga í mó eins og sýnt er í „formbreyting sem fall af raka“  línuritinu hér fyrir neðan.


Eftirfarandi dæmi sýnir sigferli 2,5 m þykkrar fyllingar á 4,5 m þykku mólagi. Mólagið er skilgreint sem þrjú 1,0 m þykk lög og eitt 1,4 m þykkt lag með rakainnihaldi 1200%, 1200%, 1300% og 1000%.


Fyrsta skrefið í STA aðferðinni er að útbúa „álags-sig“ samsvörun fyrir mósniðið sem er til skoðunar. Þetta er gert með röð reikninga sem herma eftir álagsferli á hefðbundinnar fyllingar eins og sjá má í eftirfarandi línuriti og töflu.



Með því að finna út „?“ siggildi úr töflunni má setja fram „álags-sig“ feril fyrir mósniðið sem til skoðunar er.


Þessi ferill gerir ekki ráð fyrir flotáhrifum sem verða þegar fylling sígur niður í vatnsyfirborð. (Miðað er við að vatnsborðið sé á yfirborði mósins í þessu dæmi).


? = 19 kN/m³ (Þyngd einingar af ómettuðu, viðnámsríku efni, fyllingarefni)

?M = ?SAT = 21 kN/m³ (Þyngd einingar af mettuðu, viðnámsríku efni, fyllingarefni)

?W = 10 kN/m³ (Þyngd einingar af vatni)

? = 11 kN/m³ (Raunþyngd einingar af mettuðu viðnámsríku efni undir grunnvatnsborði)

Nálgun á flotvægis áhrifum má ná fram á eftirfarandi hátt:


Miðað við sýnidæmið þýðir þetta að áætlað sig við 50 kPa minnkar úr  2.37m to 2.06m.

Í dæminu með 2,5 m þykku fyllingunni er gert ráð fyrir að hún sé byggð í tveimur lögum: Fyrsta lagið 1.2m þykkt (?q = 22.8 kPa) og seinna lagið 1,3 m þykkt. (1.2m + 1.3m = 2.5m, ?q = 47.5 kPa). „Álag-sig“ ferilin fyrir svona verklag má sjá hér.


Sjá má líkan af þessu tvískipta álagsstigi í „Skýringarmynd 2“ hér fyrir neðan.

Seinna lagið er sett ofan á fyrra lagið þegar mórinn í undirstöðu hefur þéttst nægjanlega til þess að geta tekið við aukaálagi (þegar 70% af frumþéttingu undir fyrsta lagi hefur verið náð). Stigin eru síðan sett saman í töflu þar sem spá um sig útfrá „álags-sig“ ferlinu eru sýnd ásamt þeim tímabilum sem búast má við miðað við skýringarmynd 2.

Lag

Álag ?q

(kPa)

Þétting (%)

Tími frá  “Skýringarmynd 2”

(Dagar)

Spá um lokasig út

frá ferli (m)

Sig í tíma (m)

Stig 1

Stig 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

Taflan gefur aðeins vísbendingu um sig í mólaginu. Ef lagið er myndað úr nokkrum lögum sem geta þjappast verður að meta sigið í þeim lögum til þess að nálgast heildarspágildi fyrir sig fyllingarinnar.

5.3.3. Aðferð íslensku Vegagerðarinnar

Greiningar á sigi á íslenskum vegum hafa verið byggðar á aðferð Janbu sbr. bók hans Grunnlag i geoteknikk, útgefin af Tapir 1970 og nánari útfærsla er í heftinu Rannsóknir á sigi mýrarjarðvegs eftir Jóns Skúlason og Jón Rögnvaldsson 1972.

Sigeiginleikar mósins eru ákvarðaðir með álagstilraun (ödometer) og spennuástand metið. Niðurstöður álagstilraunar eru sýndar með línuriti (?–?), sem sýnir sambandið á milli spennu og formbreytingar sbr. mynd 1a. ?–? línuritið er orsaka-afleiðingarsamband og snertill við feril þess sýnir aflfræðilega mótstöðu efnisins gegn formbreytingum. Þetta er nefnt spennumótstaða og táknað með M.

Mynd 1a og 1b, dæmi um niðurstöður sigprófs á íslenskrum mó.

Á mynd 1b er spennumótstaðan sýnd sem fall af spennu. Í mó er M yfirleitt nálægt því að vera stöðugt við spennu sem er lægri en forþéttingarspennan, P0 < Pc.  Við hærri spennu vex M í beinu hlutfalli við spennuna, þ.e. M = m* ?  þar sem m er modultala mýrarinnar.

Samkvæmt ofangreindu er sig reiknað eins og sjá má hér fyrir neðan:

1. Sig reiknað sem teygjanlegt efni, á forþéttingar stiginu þar sem P0 < Pc:

2. Sig á landi sem ekki hefur orðið fyrir forálagi, þ.e.a.s. þar sem P0 ? Pc:

3. Sighraði skammtímasigs

Þegar álag er sett á mýri sem mettuð er af vatni, yfirfærist viðbótarspennan í vatnsþrýsting á milli mýrartrefjanna. Samþjöppun trefja, eða eiginlegt sig, hefst ekki fyrr en vatnsþrýstingurinn hefur jafnast út og mýrartrefjarnar hafa tekið við álaginu. Í íslenskum mýrum er oft lekt lag í botni auk öskulaga í mónum, þannig að útjöfnun vatnsþrýstings er hraðari en almennt er í mó í nágranna¬löndunum. Sigtíminn ákvarðast af lekt, lektarleið og spennuástandi mýrarinnar. Lekt mýrarinnar er ákveðin með mælingum á Cv í álagstilraun og lektarleiðin D ákvarðast út frá ?-dreifingunni, sjá nánar um útfærslu Janbus á „konsoliderings“ kenningunni í bók hans Grunnlag i geoteknikk.  Sigtíminn, tk, er reiknaður út frá líkingunni:

Mynd 2, dæmi um útreiknaðan sigtíma skammtímasigs miðað við dýpt og fyrir Cv=3.5 cm2/min og ? = 5 t/m2

Hlutfall skammtímasigs, „konsolideringsgráðan“ Up gefur sigið á einhverjum ákveðnum tíma, t, í hlutfalli við sigið fyrir tímann t100

4. Langtímasig

Útreikningar á langtímasigi byggja á annari aflfræði heldur en útreikningar skammtíma¬sigs. Janbu setti fram tímamótstöðukenningu til þess að meta langtímasig út frá tíma¬mótstöðunni R = dt/d?. Ákvörðuð eru gildi fyrir tp, tr  og  tímamótstöðutöluna rs sem síðan er teiknuð sem fall af spennu sbr. myndir 3a og 3b. Þegar álagi er komið yfir á „jómfrúarsvæðið“ breytist álagið línulega en þó tiltölulega lítið, þannig að í almennum reikningum er yfirleitt valið eitt meðalgildi fyrir spennur > P‘c.

Mynd 3a og 3 b. Gildi fyrir tp, tr  og  tímamótstöðutöluna rs

Hlutfall langtímasigs er síðan ákveðið út frá líkingunni;

Mynd 4, dæmi um útreiknað langtímasig, Tr =0.2, Cv=3.5 cm2/min og rs=70.  Hér sést t.d. að fyrir  4 m mýri kemur um 58% sigsins á 1. ári og 42% á næstu 19 árum.

Nánar er gerð grein fyrir útfærsla á þessum aðferðum í áðurnefndum ritum Janbus og Jóns Skúlasonar en hjá Vegagerðinni hefur verið gert forrit sem byggir á þessum aðferðum og er notað við sigreikninga.

Mynd 5, dæmi um niðurstöður sigreikninga fyrir mýri.

Vegagerðin notar síðan þessar upplýsingar til þess að:

a) stýra uppbyggingu fyllingar til skemmri tíma til þess að tryggja að ofgnótt poruvatnsþrýstings hafi tíma til að minnka og undirliggjandi mólag nái að byggja upp fullnægjandi styrk áður en fleiri lögum er bætt ofan á.

b) spá fyrir um sig að lokinni framkvæmd yfir líftíma vegarins.

Aðferð Vegagerðarinnar við veglagningu um mýri

Djúpir skurðir er grafnir sitt hvoru megin við fyrirhugaða veglínu, t.d. um 15 m frá miðlínu, nokkru áður en hafist er handa við framkvæmdir til þess að koma jafnvægi á grunnvatnskerfi fyrir nýlagningu og viðhald nýja vegarins. Þetta er þá einnig helst gert ef ætla má að grunnvatn verði lækkað síðar, t.d. ef hugsanlegt sé að land verði þurrkað vegna ræktunar eða breyttra landnota.


Vegfyllingar eru venjulegar byggðar í lögum með  „þrepaskiptingu“ til þess að byggja upp styrk í mónum og tryggja stöðuleika á meðan efnið er keyrt út. Í raun þýðir þetta að hámarki 1 m fyllingarlagi er komið fyrir á yfirborði mýrar í fyrsta þrepi og eftir það er fyllingin látin síga niður í 70% af áætluðu sigi áður en haldið er áfram að keyra út næsta lag. Þetta sig næst venjulega fram innan 5 daga frá því að fyllingarlagið er keyrt út og veldur því venjulega ekki neinum seinkunum hjá verktökum.

Raunsig er mælt á vinnusvæði á fyrirfram ákveðnum stöðum í veglínu (með 100-200 m millibili) með hallamælingum á sigplötur og/eða með sigmælitæki e.hydrostatic profiler í sigslöngur sem lagðar eru þvert undir fyllinguna.


Til þess að hægt sé að stunda slíka mælingu þarf að leggja 63 mm plaströr á yfirborð mýrinnar þvert á stefnu vegar áður en hafist er handa við að keyra út fyllingu.




Sigplötur eru einnig notaðar þar sem gert er ráð fyrir reglubundnum sigmælingum á verktíma. Notuð er stálplata með framlengjanlegu röri. Hægt er að mæla inn rörið og láta það ekki vera lengra en svo að það verði alltaf ca. 10 cm undir yfirborði næsta fyllingarlags. Þetta kemur í veg fyrir að sigplötur skemmist af völdum vinnu og umferðar.

Þegar fylling er keyrð út sveigist slangan undir fyllingunni þegar mórinn sígur. Sig er síðan mælt með því að þræða þrýstimæli í gegnum rörið og þannig er fundin lega sigslöngurnar. Mælingarnar eru settar fram sem sniðmynd í gegnum fyllinguna og eru notaðar í úttektarmælingum og stýringu jarðvinnunnar. Eins og sést á myndum 7a, b og c er form sigflatar alls ekki allta.

Skýringarmyndir af sigsögumælingum sem byggð hefur verið upp í þrepum. Efsti hluti myndarinnar sýnir mæligögn af yfirborði fyllingarinnar og síðustu sigmælingu. Neðri hlutinn sýnir sigið miðað við grunn¬mælingu sem 0 stöðu.




Fyrsta fyllingarlag á blauta mýri skal að jafnaði ekki vera meira en 20 kPa. Miðað skal við að næstu fyllingarlög fari ekki yfir 30 kPa. Hverju lagi er leyft að síga um 70% af áætluðu sigi áður en leyfilegt er að koma fyrir næsta lagi. Ef þessum reglum er fylgt dregur það verulega úr hættu á broti í mýrinni. Á mjög veikri undirstöðu getur þurft að setja mótfyllingar sem virka sem breikkun á neðstu lögum fyllingarinnar og vinna á móti skerbroti vegna álags frá aðalfyllingunni.

Raunsig er athugað með reglubundnum mælingum í hverju sniði meðan á framkvæmdum stendur og þær mælingar eru bornar saman við sigspár. Sigspáin er endurskoðuð út frá sigmælingum sem og hugsanlegar yfirhæðir sem settar skulu á vegfyllinguna vegna eftirstöðva sigs. Sigspá og mælingar eru einnig notuð til þess að meta sérstakar aðgerðir vegna sigs eins og sérstakt tímabundið farg.


Fyrsta fyllingarlagið er hannað til þess að leggja minna en 20 kPa álag á mýraryfirborðið. Næstu lög er hönnuð fyrir minna en 30 kPa. Hverju lagi er leyft að síga um 70% af áætluðu sigi áður en leyfilegt er að koma fyrir næsta lagi. Ef þessum reglum er fyllt er venjulega ekki þörf á frekari aðgerðum til þess að hraða þéttingu. Mótfyllingar eru stundum notaðar til þess að auka heildarstöðugleika.

Raunsig er athugað reglulega með reglubundnum mælingum í hverju sniði á meðan á framkvæmdum stendur og þær mælingar eru bornar saman við sigspár. Ef nauðsyn þykir er hægt að bakreikna sigspánna og uppfæra siglíkanið til þess að geta spáð betur fyrir um sig í framtíðinni.  Við þessari athuganir er tækifærið einnig notað til þess að fínstilla þörfina á fergingu til þess að tryggja að ásættanlegt sig verði innan þess tíma sem lagt var upp með.

Langsnið er sýnir kafla 3 á Bræðratunguvegi frá Flúðum að Tungufljóti; dýpi mós, þykkt fyllingar, áætlað sig og yfirhæð. Einnig er sýnd staðsetning á sigplötum og sigslöngum.

Sérstök athugun fer fram þegar jarðvinnu er við það að ljúka og útlögn burðarlaga hefst. Á þessum tímapunkti getur þurft að fjarlægja farg sem sett hefur verið á fyllinguna og/eða jafna veginn, með endurskoðaðri yfirhæð sem ætlað er að draga úr áhrifum sigs sem á eftir að koma fram á næstu árum.


Athugun á sigi ætti að fara fram þegar jarðvinnu er við það að ljúka og útlögn burðarlaga hefst. Á þessum tímapunkti er venjulega sett farg ofan á fyllinguna til þess að vinna sér í haginn gegn framtíðarsigi á líftíma vegarins, sem venjulega er 20 ár. Þessi lokamæling er framkvæmd þegar fyllingin er að mestu fullbúinn þannig að ef að þörf þykir er hægt að laga fyllinguna með fyllingarefni í stað dýrara burðarlagsefnis.


Lokaúttekt fer síðan fram eftir að öllum framkvæmdum er lokið. Þá er sigspá endurskoðuð út frá mælingum og magn fyllingar endurskoðað vegna uppgjörs.