5.1. Allmänt
Valet av metod vid nybyggnad eller förstärkning av en väg över torvmark baseras normalt på miljömässiga och ekonomiska överväganden, såväl som de funktionskrav som ställs på den nya körbanan.
De flesta allmänna vägar, även vägar med relativt hög hastighet, kan tåla ganska stora sättningar om de är långa och jämna, särskilt om körkomforten inte påverkas. Korta ojämna sättningar tvärs körbanan å andra sidan, kan utgöra farliga trafikrisker för snabbt körande fordon och behöver så långt det är möjligt arbetas bort under projekteringen (designfasen).
Av det skälet, blir nationellt strategiska huvudvägar vanligen projekterade och byggda med säkra, beprövade, konservativa byggnadsmetoder som ger en körbana för hög fart som uppfyller funktionskraven. Lätt trafikerade vägar å andra sidan, såsom lågtrafikerade glesbygdsvägar som ROADEX handlar om, behöver normalt inte uppfylla dessa höga krav och normalt kan mindre kostsamma, mindre rigorösa byggmetoder användas, speciellt där fordonshastigheterna är låga.
Oberoende av vägens klassificering måste dock vägkroppen designas för att uppfylla de två huvudsakliga ingenjörsmässiga kriterierna för stabilitet och sättning, även känt som “bärighet”.
5.2. Stabilitet
Alla vägar måste designas för att vara stabila och byggas på ett sätt som ger en tillräcklig säkerhet mot grundbrott och brott längs glidytor. Stabilitetsbrott i en typisk vägbank över torvmark kann uppkomma på olika sätt, exempelvis:
a) Genom brott hos den underliggande torven längs en glidyta, normalt i form av en båge:
b) Genom grundbrott (genomstansningsbrott) i den underliggande torven:
c) Genom ett dragbrott på lastens utsida:
d) Genom brott längs en plan glidyta i ett material med lägre skjuvhållfasthet under eller inuti torven:
In situ stabiliteten hos en torvslänt kan översiktligt bedömas enligt teorin för plana glidytor (‘infinite slope analysis’ modellen, Skredkommissionen rapport 3:95, fig 53, Skempton and DeLory, 1957). Denna teori förutsätter att slänten är lång i förhållande till jordlagrens mäktighet och att glidytan uppstår parallellt med markytan längs fast botten eller i svagare skikt i jordprofilen (stabilitetsbrott längs plan glidyta).
Dessutom bör det också hållas i minnet att brott också kan inträffa i jordar under torven, speciellt där dessa är lösare än torven ovanför.
Lämpliga geotekniska analyser bör därför alltid utföras innan byggandet för att säkerställa att dessa brottmekanismer kan undvikas. Olika former av stabilitetsanalyser finns tillgängliga på den geotekniska marknaden som PLAXIS, OASYS, FLAC, SAGE, SLOPE, SLOPEW, etc. Valet av den mest passande metoden för analysen (excel-räkneblad, generell analys, finit differens/finita element analyser, 2-dimensionell, 3-dimensionell, etc) bör överlåtas till en ingenjör som har erfarenhet inom teknikområdet. Som en del av analyserna är det nödvändigt att undersöka byggskedesproblemen, inklusive effekterna av de olika faserna i bankens byggande liksom långtidsstabiliteten för den valda byggmetoden.
Det är osannolikt att stabiliteten utgör något problem på lågförmultnade (fibriga) torvmossar på grund av den armerande effekten hos torvfibrerna, men den kan vara ett betydande problem vid design av och funktion hos bankar över kärrtorv som tenderar att vara mer förmultnad och mindre permeabel.
5.3. Sättning
Sättningen hos en bank på torv är en långvarig process som aldrig stannar av. Såväl sättningens storlek som dess tidsförlopp behöver analyseras. Sättningshastigheten och den tid som åtgår tills sättningen inträffar, anses normalt vara den viktigaste parametern vid ett vägbyggnadsprojekt om underhållet efter utförandet ska minimeras. Att reparera en bristfällig väg efter det att den byggts kräver vanligen att vägen stängs av, vilket medför extra kostnader och förseningar för trafiken. Av det skälet är det alltid bäst att ’göra det rätt från början’ vid byggandet, genom en bra design.
En momentan ‘elastisk’ sättning inträffar i torv så snart som den belastas och därefter uppstår konsolideringssättningar. Det är möjligt att uppskatta den elastiska delen men de flesta vägmyndigheterna i det Norra Periferi-området ignorerar vanligen den delen och koncentrerar i stället sina ansträngningar på att bedöma storleken av den konsolideringssättningen eftersom denna har en betydligt större effekt på användbarheten av den färdiga vägen.
5.3.1. Metoder för att prediktera sättning
Ett antal metoder finns tillgängliga för att prediktera sättning i torv och två av dessa, som passar särskilt bra för lågtrafikerade allmänna vägar, kommer att behandlas i denna lektion:
a) Svenska Trafikverkets metod för beräkning av primär konsolidering
b) Janbu’s icke-linjära teori som används av Islands Vägadministration
Oavsett vilken metod som används måste den dock kombineras med kontroller i byggskedet för att bekräfta att de uppkomna sättningarna överensstämmer med de som förutsatts.
5.3.2. Svenska Trafikverkets (STA) metod
Svenska Trafikverkets metod är baserad på erfarenheter från ett antal vägbyggnadsprojekt på torvmark i Sverige och handlar om uppskattning av sättningen under den primära konsolideringsfasen. Om predikteringar av den sekundära kompressionen också är nödvändiga rekommenderas att dessa utförs med användning av lämplig datorprogramvara.
STA-metoden består av en serie sättningsdiagram utvecklade som ett resultat av tester utförda på prover från 30 svenska torvmarker från 1979 till 1998. Dessa används för att ge en indikation av den primära sättningen i torv när ostörd provtagning på torven inte utförts. Diagrammen sammanväger 4 av de huvudparametrar som styr sättning i torv: torvlagrets tjocklek, dess vattenkvot, den påförda lasten och tiden som förflyter. Diagrammen är baserade på erfarenhet från tester på lågförmultnad (fibrig) torv och mellan-torv. Diagrammen förutsätter att torven är normalkonsoliderad. För en tidigare belastad torv kan en korrektionsfaktor användas. Om diagrammen inte kan användas ska kompressionsegenskaperna bestämmas i kompressionsförsök.
Metoden baseras på det enkla sambandet mellan vattenkvot och deformation i torv som visas i grafen “Deformation v. Vattenkvot” nedan.
Följande exempel illustrerar beräkningen av sättningen hos en 2,5 m tjock bank på 4,5 m tjock torv. Torven har indelats i 4 lager på 1,0 m, 1,0 m, 1,0 m och 1,4 m med vattenkvot på 1200 %, 1200 %, 1300 % och 1000 % för respektive lager.
Det första steget i STA-metoden är att skapa ett “last-sättnings-”samband för den torvstratigrafi som studeras. Detta utförs som en serie beräkningar för att simulera en typisk ordningsföljd för en upplastning av en vägbank och visas i följande graf och tabell.
Genom att ta plotta “?”-sättning mot last erhålls en “belastning-sättnings”-kurva för aktuell torvlagerföljd.
Den här kurvan tar dock inte med upplyftningseffekterna som uppstår när banken sätter sig under grundvattenytan. (Grundvattenytan antas ligga i torvens yta i detta exempel).
Det här exemplet använder följande tungheter:
?M = ?SAT = 21 kN/m³ (Tunghet hos mättat friktionsmaterial, bankmaterial)
?W = 10 kN/m³ (Tunghet hos vatten)
?’ = 11 kN/m³ (Effektiv tunghet hos mättat friktionsmaterial under grundvattenytan)
Effekten av upplyftning kan bedömas enligt nedan:
I fallet i exemplet betyder detta att den uppskattade sättningen vid 50 kPa kommer att reduceras från 2,37 m till 2,06 m.
I fallet med den 2,5 m tjocka banken, kommer denna att byggas i två 2 steg: det första lagret läggs ut med tjockleken 1,2 m (?q = 22.8 kPa) och det andra lagret med tjockleken 1,3 m (1,2 m + 1,3 m = 2,5 m, ?q = 47,5 kPa). “Belastning-sättnings”-kurvan för dessa laster visas här.
De 2 upplastningsstegen kan modelleras i “Diagram 2” nedan.
Det andra laststeget påförs när den underliggande torven har konsoliderat tillräckligt för att bära lasttillskottet (antas vara när 70 % av den primära konsolideringen hos det första lagret har uppnåtts).
Resultaten redovisas i en kombinerad tabell där predikteringarna för sättningarna från “belastning-sättnings”-kurvan presenteras tillsammans med den förväntade tidsåtgången från Diagram 2.
| Lager |
Last ?q (kPa) |
Konsolidering (%) |
Tid från “Diagram 2” (Dagar) |
Predikterad slutlig sättning från kurva (m) |
Sättning under tiden (m) |
|
Steg 1 Steg 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 |
Tabellen ger bara en uppskattning av sättningen i torvlagret. Om torvlagret underlagras av kompressiva lager måste sättningen i de andra lagren också beräknas för att få fram en totalsättning för banken.
5.3.3. Den Isländska Vägadministrationens (ICERA) metod
Sättningsanalyser för nya vägar över torv på Island utförs i enlighet med Janbu-metoden som beskrivs nedan:
1. Sättning beräknas som för ett elastiskt material, under förkonsolideringstrycket, Pc:
2. Sättning hos en orörd yta:
ICERA använder sedan denna information för att:
a) bedöma tidsåtgången för konstruktion av banken i det korta tidsperspektivet genom att säkerställa att överskottet av porvattentryck får tid att utjämnas och att den underliggande torven uppnår tillräcklig styrka innan ytterligare lager läggs på.
b) prediktera sättningens hastighet efter färdigställandet över vägens designade livslängd.
ICERA’s arbetssätt vid vägbyggnad
Djupa sidodiken schaktas på båda sidor av den nya väglinjen 15 meter bort från den planerade centrumlinjen, i god tid före vägarbetet för att etablera ett stabilt grundvattentillstånd för byggande och underhåll av den nya vägen.
Vägbankar byggs vanligen i lager genom ‘stegvis upplastning’ för att säkerställa stabiliteten under utläggningen av material. I praktiken innebär detta att maximalt 1 m fyllning läggs ut på mossens yta i ett första steg och lämnas därefter att sätta sig till åtminstone 50 % av den predikterade sättningen innan ytterligare lager läggs på. Kravet på 50 % uppnås vanligen inom 5 dagar efter utläggning av lagret och innebär därmed normalt inte någon försening för entreprenören.
Uppkomna sättningar mäts på utvalda platser (100-200 m c/c-avstånd) längs vägens centrumlinje genom användning av en “slangsättningsmätare”.
För detta placeras ett plaströr med 50 mm diameter på mossens yta tvärs väglinjen innan fyllningsarbetena påbörjas.
När lagren med fyllning läggs ut på torven följer röret markytans sättning. En tryckmätare kan sedan dras igenom röret för att mäta dess nedböjda form vid lämpliga tidpunkter. De erhållna mätresultaten presenteras som en tvärsektion genom banken för redovisning av uppkomna sättningar och för arbetsplatskontroll.
Det första lagret fyllning har designats för att maximalt ge 20 kPa last på mossens yta. Efterföljande lager har designats för att maximalt öka lasten med 30 kPa. Varje lager tillåts att sätta sig med 50 % av sin predikterade sättning innan ytterligare lager tillåts bli utlagda. Följs dessa råd är det normalt inte nödvändigt att använda ytterligare åtgärder för att accelerera konsolideringen. Tryckbankar används ibland som motvikt för att förbättra totalstabiliteten.
Uppmätta sättningar kontrolleras periodiskt vid varje mätningstvärsektion under byggandet och jämförs med den predikterade sättningen. De mätta sättningarna kan användas för en “bakåtkalkyl” och beräkningsmodellen för sättningar kan uppdateras för att förbättra prognosen av framtida sättningar. Möjligheter finns också under dessa kontroller, att ’fininställa’ kraven på överlast och förbelastning för att säkerställa att den önskade storleken hos sättningen uppkommer inom det uppsatta tidsintervallet.
En slutkontroll utförs vid färdigställandet av underbyggnaden, före utläggningen av vägens strukturella lager. Vid den här tidpunkten får banken normalt en ”överlast” av material för att ta hänsyn till framtida sättningar under vägens livstid, vanligen satt till 20 år. Denna slutliga kontroll utförs på den färdigställda nivån för underbyggnaden så att eventuella kompletteringar kan utföras med fyllnadsmaterial snarare än mer kostsamt krossat förstärkningslager.
