3.1 Varför klassificering av spårbildning behövs
En grundförutsättning vid förbättring av tillståndet hos en väg som lider av permanent deformation är en exakt och pålitlig problemdiagnos.
Alla de efterföljande besluten avseende åtgärder för rehabilitering kommer att bero på den. Permanent deformation kan uppstå i ytliga väglager, i de djupare väglagren eller i undergrunden. Dessutom kan materialkvalitet, dräneringstillstånd och frys-tö-cykler såväl som belastning, alla ha stor inverkan på var en permanent deformation kan uppstå och hur allvarlig den kommer att bli.
Av alla dessa skäl är det mycket viktigt att klassificera alla de parametrar som påverkar permanent deformation innan några beslut fattas.
I den här lektionen kommer 4 olika slags spårtyper att beskrivas.
3.2 Spårbildning Typ 0
Vad är spårbildning Typ 0?
Spårbildning Typ 0 uppstår genom packning av de icke-vattenmättade materialen i överbyggnaden, och i praktiken inträffar en viss del av Typ 0 packningen alltid i överbyggnaden efter att den byggts. I normalfallet är packningen före trafikering tillräcklig för att förhindra ytterligare packning vid trafikering. Denna typ av spårbildning är vanligen självstabiliserande – d v s den efterpackning som inträffar eliminerar ytterligare packning. Den medför också att det packade materialet blir styvare och därigenom kan sprida lasten bättre. Bättre lastspridning leder till att trycket på undergrunden reduceras, vilket därmed reducerar risken och storleken på spårbildningen på den nivån (se Typ 2).
Hur spårbildning Typ 0 kan identifieras
Spårbildning av den här typen visar sig normalt som en ytlig fördjupning i vägytan. Det material som påverkas ligger vanligen nära hjulspåret och en begränsad del av denna form av spårbildning kan vara till nytta. Omsorgsfull packning minimerar omfattningen av observerad spårbildning Typ 0.
Tjäle och spårbildning Typ 0
I regioner som har nedträngande tjäle på vintern, orsakar tjälen i kombination med fukten, en mindre expansion inom överbyggnadens material och en större expansion i varje tjälkänslig jordart som finns i undergrunden. Denna expansion orsakar senare en uppluckring av de obundna överbyggnadslagren och undergrundsjorden under töperioden. ROADEX fältprovningar har visat att tjällyftning eller volymexpansion, som beror på frysning i vägöverbyggnader, kan variera från 50 – 80 mm. Detta innebär att på våren, när de frusna överbyggnadsmaterialen och undergrunden töar, kan packning bli möjlig som medför att spårbildning Typ 0 kan utvecklas. Den naturliga variationen i undergrunden kan leda till variabel tjällyftning längs överbyggnaden, och följden blir variabel spårbildning.
Deformationer från skjuvning (som diskuteras nedan som Typ 1) kan också åtfölja tjällossningen eftersom varje lossgjord ballastkomponent kommer att vara markant svagare än i sitt packade tillstånd. Detta kan leda till oacceptabelt stora spår efter många års tjällossning.
3.3. Spårbildning Typ 1
Vad är spårbildning Typ 1?
Spårbildning Typ 1 uppstår i svagare granulära material där lokal skjuvning uppstår nära hjulet. Detta ger upphov till en utvidgande höjning omedelbart intill hjulspåret, där det granulära materialet kan utsättas för stora plastiska skjuvtöjningar och påföljande expansion, som leder till relativt löst material. Denna typ av spårbildning kan därför anses till största delen bero på otillräcklig skjuvhållfasthet i de granulära material som ligger närmast ytan hos överbyggnaden.
Vittnesmål både från fältförsök och från teori har visat att den maximala skjuvspänningen vid spårbildning Typ 1 uppstår vid ett djup av ungefär 1/3 av hjulets bredd (eller bredden på hjulparet om parmonterade hjul används). På överbyggnader med tydlig trafikvandring (d v s på breda körfält, vägar utan vägmarkering, vägar utan befintliga spår) kan djupet även vara litet större. På likartat sätt för överbyggnader med ett ordentligt asfaltlager ligger det kritiska djupet sannolikt djupare än en tredjedel av hjulets bredd från vägytan, beroende på att effekterna av beläggningen ändrar spänningsfördelningen i överbyggnaden. Forskningsresultat från ROADEX II-projektet har visat att i allmänhet ligger det kritiska djupet på ca 150 mm från beläggningens överyta.
Hur spårbildning Typ 1 kan identifieras
Spårbildning Typ 1 framgår av följande figurer.
Lägg märke till de karakteristiska valkbildningarna i spårkanterna som tydligt framgår av bilden. Inuti kan en överbyggnad se ut som i figuren. Här har den lokala skjuvspänningen orsakat ”valken” som är klart synlig och det finns ingen tydlig deformation i undergrunden (den gula linjen har sprayats på för att tydliggöra gränslinjerna i bilden).
Idealt vid spårbildning Typ 1 borde det inte finnas någon deformation i undergrundens överyta och denna typ av deformation kan vanligen ses där undergrunden är stark berggrund. Fotot visar också ett typiskt tecken som kan indikera spårbildning Typ 1, d v s smala nätsprickor (eller krackeleringar) i den överliggande asfaltbeläggningen.
Ibland kan spårbildning Typ 1 vara synlig som svårartad krackelering. Den här vägen, som ligger i centrala Finland, har en tunn överbyggnad på berggrund.
Samma material kan, när det åter packats och dränerats, (se spårbildning Typ 0) ha en fullt godtagbar funktion under resten av året. Spårbildning Typ 1 är också vanlig när lokalt tillgängliga stenmaterial av varierande kvalitet används. Detta kan också inträffa där obelagda vägar (grusvägar) trafikeras under våta förhållanden.
Lösningar
Det finns två botemedel mot spårbildning Typ 1:
a) att förbättra stenmaterialets kvalitet i överbyggnaden, eller
b) att reducera spänningarna som orsakas av däcket, genom att täcka överbyggnaden med bättre material, t ex med bättre stenmaterial eller asfaltbeläggning.
Behandling av undergrunden har ingen inverkan på spårbildning Typ 1. Kvaliteten på det obundna materialet kan förbättras genom att förbättra dess kornkurva (t ex genom tillsättning av grovt stenmaterial), genom packning (inom vissa gränser),
genom stabilisering eller behandling med icke-traditionella tillsatser, genom användning av stålnät eller geosyntetisk armering, eller genom att förbättra de tillstånd som påverkar funktionen, t ex genom dränering. Om inget av dessa botemedel är effektivt kan stenmaterialet behöva bytas ut.
3.4. Spårbildning Typ 2
Vad är spårbildning Typ 2?
Spårbildning Typ 2 uppstår när stenmaterialkvaliteten är bättre och spårbildning uppstår i överbyggnaden som helhet. Detta kan observeras på ett idealiskt sätt när undergrunden deformeras tillsammans med överbyggnadens obundna lager (d v s utan att den/de blir tunnare).
Mönstret hos ytdeflektionen vid spårbildning Typ 2 har formen av ett brett spår med en mindre upphöjning ett stycke bort från hjulet (eftersom det är undanträngandet av undergrundsjorden som orsakar detta). Ett bra exempel på denna typ av defekt framgår av figuren.
I det här fallet har spåret vid upprepade tillfällen fyllts igen, men spårbildningen i undergrundens överyta har fortsatt och det nya stenmaterialet följer spårformen. Undergrunden har blivit pressad uppåt mellan hjulspåren och mot kanten – ett mycket avancerat exempel på roterande skjuvning inom undergrunden.
Hur spårbildning Typ 2 kan identifieras
Spårbildning Typ 2 uppstår vanligen på bredare ytor av vägens tvärsektion än spårbildning Typ 1.
I regioner som påverkas av årstidsberoende djup tjäle, kan de tjällossningsproblem som diskuterades för spårbildning Typ 1 ovan, leda till spårbildning Typ 2 i undergrunden. Vid sådana tillfällen kan omfattande spårbildning Typ 2 uppstå på våren när undergrunder ofta blir mjuka under några veckor på grund av vattenöverskott som följd av tjällossning.
Figuren visar en tvärsektion med spårbildning Typ 2 från en georadarundersökning (GPR). Om resultat från en fallviktsmätning (FWD) finns tillgängliga kan spårbildning Typ 2 också identifieras genom låga värden på undergrundsmodulen och höga värden på BCI (se lektionen om Undersöknings- och Övervakningstekniker).
Lösningar
Den bästa lösningen för att förhindra spårbildning Typ 2 från att inträffa är att reducera styrkan i de spänningar som överförs till undergrunden från vägytan. Detta kan åstadkommas genom att öka tjockleken hos överbyggnadens lager.
Om detta inte är möjligt, t ex för att material av bra kvalitet inte är tillgängligt eller p g a risk för konsoliderande sättningar, kan lastspridningsförmågan hos överbyggnaden förbättras genom armering med stålnät på djupet 200 till 300 mm under vägytan eller genom stabilisering av bärlagret. Dessa åtgärder är dock normalt inte lika effektiva som en ökning av lagertjockleken.
3.5. Spårbildning Typ 3
Vad är spårbildning Typ 3?
Spårbildning Typ 3, vanligen känd som beläggningsslitage, var ett känt faktum så långt tillbaka som Antikens Rom, vilket framgår av ett foto taget i Pompeii. I den Norra Periferin är dock spårbildning Typ 3 känd som beläggningsslitage orsakat av dubbdäck.
Slitage på grusvägar kan också uppstå om slitlagret har otillräckligt med finmaterial för att binda samman stenmaterialet (stenlossning).
På lågtrafikerade vägar förekommer dock spårbildning Typ 3 mycket sällan och kan vanligen bara återfinnas när ÅDT är större än 3000 fordon/dygn.
Hur spårbildning Typ 3 kan identifieras
Spårbildning Typ 3 kan identifieras genom tydligt formade spår, med spåravstånd likvärdiga med hjulavståndet på personbilar. Profilometerundersökningar i Sverige har gett utmärkt information om spårformer och har använts för att skilja ut spårbildning Typ 3 från spårbildning Typ 1 och 2. Om avståndet mellan spårbottnarna är kort, som avståndet på personbilsaxlar, är spårbildningen av Typ 3 och om spårbottenavståndet är bredare, som lastbilsaxlar, är spårbildningen Typ 1 eller Typ 2.
Lösningar
Det finns 2 generella lösningar av problem med spårbildning Typ 3: a) användning av stenmaterial från hårdare bergarter med hög nötningsresistens i asfaltbeläggningar eller b) att förbjuda användningen av dubbdäck. Den första lösningen har använts i de Skandinaviska länderna (Finland, Sverige, Norge och Island) där dubbdäck fortfarande är allmänt använda. På grusvägar kan spårbildning Typ 3 hanteras.
3.6. Kombinerade spårbildningstyper i områden utan tjäle
I praktiken är spårbildningen på en vanlig väg en kombination av Typerna 0-3. Till exempel har urgrävningar av några provsträckor i Skottland visat både förtunning av de granulära lagren (Typ 1) och nedtryckning av undergrunden (Typ 2). Den uppkomna ”valken” (eller “vägrenen”) nära hjulspåret är klart synlig liksom den reducerade deformationen jämfört med nedtryckningen av vägytan.
Det kan förväntas, och har till viss del observerats, att spårbildning Typ 1 borde bli mer tydlig vid spårbunden trafikering, t ex på skogsbilvägar som har samma bredd som ett fordon. Under sådana omständigheter kan hjulvandring inte användas för att åtgärda spårbildning genom att flytta tillbaka materialet och återpacka det (Typ 0).
Spårbildning Typ 2 är mer sannolik under vandrande trafik, medan spårbildning Typ 0 ger ett tillskott eftersom den “knådande aktionen” hos ett vandrande däck är mer effektiv för att åstadkomma packning.
Lösningar
Vid övervägande av lösningar mot kombinerade spårbildningstyper i ett område utan tjäle är det viktigt att de underliggande problemen till fullo har förståtts. Speciellt de primära skälen till problemen bör vara klart identifierade och den valda lösningen bör lösa de identifierade problemen. En analys av tillståndet hos avvattningen och en förbättring bör också alltid utföras vid samma tidpunkt.
Vid vissa tillfällen kan erosion vara en orsak till spårbildning.
3.7. Spårbildningstyper och årstidsbundna förändringar
De lågtrafikerade vägarna i den Norra Periferin är mycket utsatta för permanent deformation speciellt där årstidsbunden tjäle och dagliga frys-tö cykler, ökar på nivåerna på den permanenta deformation som uppstår i vägmaterial och undergrundsjordar.
Orsaken till detta är den starka kryo-sugkraft som uppstår vid frysningsfronten. Den har förmågan att adsorbera och fånga vattenmolekyler långt under frysningsfronten om fritt vatten finns tillgängligt. Detta kan expandera porerna och lossgöra stenmaterialet. När detta material sedan töar, frigörs överskottsvatten i lagret som gör det mjukare och därmed känsligt för permanent deformation. Vatten och termodynamik diskuteras mera i detalj i Lektionen om “Avvattning av Vägar.”
Nedanstående figur visar några resultat från en serie laboratorieförsök, utförda vid Tampere Tekniska Högskola, som visar att deformationen efter en frys-tö cykel är betydligt större i ett fuktigt prov, representerande höstförhållanden, än ett torrt prov, representerande sommarvärden. Det kan uppskattas att 60 – 80 % av alla skador som uppkommer på vägar kan relateras till antingen frys-tö cykler eller tjällossningsperioden.
I områden med enbart frys-tö cykler och begränsad tjälnedträngning, som i Highlands i Skottland, är spårbildningstyperna, som orsakas av frys-tö, huvudsakligen Typ 0 och Typ 1. Spårbildning Typ 0 uppkommer när vattnet mellan materialpartiklarna fryser och orsakar en liten ökning (lyftning) i volym hos materialet. Efter det att lyftningen har passerats, återgår materialet till ett packat tillstånd. Denna volymförändring återgår dock vanligtvis, även på otrafikerade sträckor, beroende på tyngden hos ovanliggande lager.
Ett mera allvarligt problem är spårbildning Typ 1 som uppstår huvudsakligen i det obundna bärlagret efter en frys-tö cykel. De resultat från ROADEX II som redovisades från övervakningen med Percostation vid Garvault i Sutherland, Highlands, visade att vägen var känslig för skador särskilt efter 2-3 frostnätter med påföljande regnväder.
I de områden där tjälen tränger ner till undergrunden, kan alla typer av spårbildning och deformationer uppkomma, speciellt under tjällossningsperioden.
I dessa områden bör varje permanent deformation som uppstår, förstås i sammanhanget tjällyftning och sättning p g a tö hos vägöverbyggnaderna och undergrundsjorden. Under töperioden kommer vägöverbyggnaden att ha spårbildning Typ 0 och Typ 1. När urtjälningen når ner till undergrunden, och tung trafik belastar vägen, kommer spårbildning Typ 2 att inträffa. Samtidigt, på grund av lasten från vägkroppen och trafiklasten, kommer ofta undergrundsjordar som är plastiska att vilja flyta ut åt vägens sidor och orsaka en breddning av vägen.
Som ett resultat av denna process blir lågtrafikerade vägar vanligen bredare och får mycket svaga vägrenar.
Lösningar
Där det kan antas att den huvudsakliga orsaken till spårbildningen är årstidsbunden förändring bör det först undersökas om vägen har några tjällyftningsproblem. Om vägen är belägen på en undergrund som inte är tjälfarlig och den huvudsakliga spårbildningen är av Typ 1, blir den rekommenderade lösningen stabilisering, eller en förbättring av bärlagrets kvalitet. Stabilisering kan också vara ett alternativ där undergrunden är tjälfarlig, men utan problem med ojämna tjällyftningar, och där spårbildning Typ 1 kan observeras.
“På plats” krossning och homogenisering kan vara ett alternativ där vägupprustningen innefattar stora mängder av block/stenar. Denna metod, som kallas “Tirkkonen metoden” i Finland, homogeniserar överbyggnaden till ett djup av 50-60 cm genom att krossa stora stenar och därigenom förbättra kornstorleksfördelningen och resistensen mot permanent deformation.
En tjockare överbyggnad kan också anses vara ett mycket bra alternativ, eftersom en tjockare överbyggnad också kan reducera tjällyftningen. De rekommenderade lösningarna för vägavsnitt som har problem med ojämna tjällyftningar är: a) en tjockare överbyggnad, b) utskiftning med ny överbyggnad, eller c) användning av en frostisolerad överbyggnad.
3.8. Pumpning och permanent deformation
Pumpning är en speciell process som indirekt kan ge upphov till problem med permanent deformation särskilt där vägen är byggd på mycket våt undergrund. De tunna strukturella lagren hos en lågtrafikerad väg kanske inte alltid kan fördela trafiklasterna tillräckligt effektivt, med resultatet att ganska stora spänningar kan överföras till undergrunden. Kombinationen av vertikal belastning och skjuvlaster, orsakad av trafiken under dessa omständigheter, kan medföra att stenmateriallagret “knådar” undergrundens yta, som en bagare knådar degen. Eftersom undergrunden är genomdränkt av vatten, är den praktiskt taget omöjlig att pressa ihop och, under denna kombinerade belastning kan ett överskott av porvatten uppkomma. Om undergrunden har låg permeabilitet är den enda vägen för vattnet att komma undan, mot vägytan, d v s in i vägens strukturella lager. Med upprepad trafikering kommer den fortsatta resilienta rörelsen hos stenmaterialet att få porerna i stenmaterialet att upprepat öppna och stänga sig och därigenom skapa en “pumpande” effekt som tvingar upp vattnet in i den överliggande vägöverbyggnaden.
Problemet är speciellt förknippat med två typer av undergrund:
- torvmark
- lågplastiska silter och leror
På torvmark kan belastningen också ge upphov till viss sammanpressning av undergrunden som medför att en del av det vatten som finns i den vattenrika torven frigörs. Detta resulterar i deformation i undergrunden, men inte till strikt spårbildning Typ 2 eftersom skjuvning i undergrunden inte är den primära orsaken. Snarare är det en konsekvens av upprepad belastning från lastbilsaxlar och den långsamma återhämtningstiden efter varje återkommande axellast.
Där undergrunden har låg plasticitet (d v s där den är finkornig och rik på silt), är konsolidering osannolik men kombinationen av den knådande effekten och det höga vatteninnehållet kan innebära att finkorniga partiklar kan frigöras från undergrunden, som ger en slurry i vattnet. Så småningom kan denna slurry pumpas upp längre och längre genom stenmaterialet. När detta händer kan partiklarna i stenmaterialet bli belagda med lerigt och siltigt finmaterial och stenmateriallagret blir svagare. Det medför att den knådande effekten kan bli starkare. Inom kort kan hela bärlagret vara kontaminerat med finmaterial.
På båda dessa undergrundstyper blir resultatet ett försvagat obundet bärlager och en spårbildning Typ 1 kan därmed förväntas.
I regioner med årstidsbunden tjäle kan pumpning under tjällossningen bli synlig även om den kan vara frånvarande under resten av året. I det här fallet kommer överskottsvattnet i de obundna lagren från tjällossningen både att reducera styrkan i bärlagret, vilket leder till en ökad knådande rörelse, och ge fritt vatten för att genomdränka bärlagret. Detta ger potentiella möjligheter för finmaterial att pumpas upp genom lagret.
Lösningar
Den billigaste lösningen av pumpningsproblemenen är att styra vägens återhämtningstid genom att säkra att det finns tillräcklig tid mellan två på varandra följande fordon för att stenmateriallagren kan återhämta sig. På torv och siltiga undergrunder är en bra lösning av pumpningsproblemen att lägga in stålnät på ett djup av ca 250 mm från vägytan. Detta reducerar nedböjningarna under hjullasterna och därmed även pumpningen. En geotextil kan också förhindra det hydrauliska flödet och pumpningen av finmaterial till den övre delen av överbyggnaden. En annan lösning som har provats har varit utförande av ett grovt öppengraderat lager under bärlagret. Detta hjälper till att dränera ut överskottsvattnet till vägkanten i stället för att vattnet pumpas upp till ytan. På en del skogsbilvägar har detta lager utförts med hackad bark.
