Verktækni - 2015, Blaðsíða 41

VERKTÆKNI 2015/21 41
ritrýndar vísindagreinar
Greining sveigjanlegra vegbygginga

Aðferðir við burðarþolshönnun vega hafa til langs tíma byggt á reynslu.
Þessar aðferðir eru einfaldar en takmarkaðar og niðurstöðurnar oft
einhæfar og ógagnsæjar. Víða er verið að þróa nýjar aflfræðilegar
hönnunaraðferðir sem spá fyrir um niðurbrotshegðun vega sem fall af
tíma. Hegðunin er háð mörgum ólíkum þáttum svo sem álagi, efnisvali,
þykkt laga og umhverfisþáttum. Helsti veikleiki aflfræðilegu aðferðanna
er takmörkuð þekking á áhrifum ýmissa umhverfisþátta (s.s. hitastigs, raka
og frosts/þíðu skipta) á efniseiginleika mismunandi laga vegarins og hver
séu tengslin milli niðurbrotsferils vegarins og umhverfisþáttanna. Hröðuð
álagspróf (APT) þar sem vegbygging var prófuð með þungum bílhermi
(HVS) og svörun mæld sem fall af tíma voru notuð til að kanna og greina
hvaða áhrif þung umferð og aukinn raki hefðu á vegbygginguna.
Lykilorð: Hröðuð álagspróf, svörun vegbygginga, niðurbeygjur vegbygg-
inga, óbundin malarefni, rakaáhrif.
ÁGRIP Abstract
Fyrirspurnir:
Þorbjörg Sævarsdóttir
thorbjorg.saevarsdottir@efla.is
Greinin barst 30. september 2014.
Samþykkt til birtingar11. mars 2015.
Þorbjörg Sævarsdóttirab, Sigurður Erlingssonac
aUmhvefis­ og byggingarverkfræðideild
bEfla verkfræðistofa, Höfðabakka 9, 110 Reykjavík
cSwedish Road and Transport Research Institute (VTI), Svíþjóð
Inngangur
Íslenska vegakerfið er um 12.900 km árið 2014, byggt upp fyrir um
326.000 fasta íbúa. Hver kílómetri af nýjum vegi með bundnu slitlagi
kostar að minnsta kosti 25 milljónir, nýr 20 km vegur kostar því um
500 milljónir eða um 1500 kr á hvern íbúa landsins (Vegagerðin,
2014; Ríkiskassinn, 2014). Þetta eru háar fjárhæðir og þess vegna
skiptir hönnun og ending vegbygginga miklu máli.
Í byggingarverkfræði verður brot venjulega þegar álag sem mann­
virki verður fyrir er stærra en styrkur þess, þá hrynur mannvirkið eða
verulegir brestir koma í það. Umferðarálag sem vegbygging verður
fyrir er yfirleitt mun minna heldur en brotstyrkur hennar. Það er því
yfirleitt ekki eitt tiltekið álagstilfelli sem brýtur vegbygginguna niður
heldur veldur það örsmárri hnignun. Endurtekið umferðarálag veldur
því að vegirnir hrörna smám saman þar til þjónustustig þeirra verður
óásættanlegt. Brotmarkaástand vega þarf því að skilgreina með öðrum
hætti en fyrir mörg önnur mannvirki.
Vegsnið eru venjulega hönnuð fyrir ákveðinn hönnunartíma, þ.e.
tíminn frá byggingu og þangað til þörf er á að ráðast í umfangsmikið
viðhald og/eða endurbyggingu. Burðarþolshönnun er framkvæmd til
að tryggja að vegsniðið þoli álagið sem það verður fyrir á líftíma
sínum, með það að markmiði að ákvarða hagkvæmastan fjölda, gerð
(efnissamsetningu) og þykktir einstakra laga vegsniðsins.
Vegakerfið á Íslandi er aðallega byggt upp af sveigjanlegum veg­
byggingum og því er aðaláherslan á þær hér, en hegðun þeirra er
töluvert frábrugðin stífum vegbyggingum sem hafa sementsbundið
slitlag sem situr á þunnu jöfnunarlagi. Sveigjanlegar vegbyggingar eru
hins vegar byggðar upp af slitlagi (malbiki, slitlagsklæðingu eða malar­
slitlagi), burðarlagi og styrktarlagi, oft óbundin möl eða púkk, sem situr
á vegbotni eða fyllingu. Sveigjanlegar vegbyggingar verða fyrir stað­
bundinni niðurbeygju sem jafnar sig aftur að mestu (rebounce) í hvert
skipti sem umferðarálag er lagt á og tekið af veginum.
Niðurbrot sveigjanlegra vega er flókið ferli sem er háð mörgum
þáttum svo sem öxul­ og hjólaálagi, dekkjaþrýstingi, efnisvali, gerð
undirlags, þykkt laga, umhverfisskilyrðum, gæðum útlagningar.
Tegundir niðurbrots eru einnig margvíslegar svo sem hjólfaramyndun,
þreytusprungur og blæðingar. Ef til vill vegna þessa hefur burðarþols­
Due to the complex behaviour of pavements most traditional pavement
design is done with empirical methods that are based on long­term
experience. Due to their simplicity, one of their limitations is that they
cannot be extrapolated with confidence beyond the conditions on which
they are based. New mechanistic design methods are being developed to
predict the behaviour of road structures. The behaviour depends on many
factors such as the applied loads, the materials used, the thickness of the
layers and the environmental conditions. One of the main limitations is
the influence environmental conditions (such as temperature, moisture
and frost/thaw variations) have on the materials and deterioration of road
structures. Here accelerated pavement tests (APT), where instrumented
pavement structures are tested using a heavy vehicle simulator (HVS), are
used to examine the influence increased moisture content has on road
structures and the accuracy of repeated tests is estimated.
Key words: Accelerated pavement testing, pavement response, pavement
deformation, unbound granular materials, water impact.
hönnun vega lengi að mestu byggt á reynsluaðferðum. Helsti kostur
slíkra aðferða er einfaldleikinn, en hönnunin verður takmörkuð, niður­
stöðurnar einhæfar og erfitt er að uppfæra aðferðirnar á nýjar og/eða
óvenjulegar aðstæður þar sem hönnunarferlið er ógegnsætt og byggir
á staðbundinni reynslu.
Síðustu ár hafa aflfræðilegar hönnunaraðferðir við þolhönnun vega
verið að ryðja sér til rúms víða um heim, en slíkar aðferðir krefjast
mikilla upplýsinga þar sem áhrifaþættir niðurbrotsferilsins eru marg­
víslegir. Tilgangur aðferðanna er að spá raunhæft fyrir um niðurbrot
vega sem fall af tíma og fá þannig góða yfirsýn yfir hrörnun vegarins
yfir líftíma hans sem nýtist til dæmis við gerð viðhaldsáætlana.
Í dag er helsti veikleiki aflfræðilegra hönnunaraðferða takmörkuð
þekking á áhrifum ýmissa umhverfisþátta, s.s. hitastigs, raka og frost­
þíðuskipta, á efniseiginleika og niðurbrotsferli vegbygginga. Í sveigj­
anlegum vegbyggingum sýna óbundin burðar­ og styrktarlög vegarins
ólínulega (spennu­ og rakastigsháða) hegðun undir umferðarálagi. Ef
aflfræðilegu aðferðirnar eiga að líkja eftir niðurbrotsferlinu á raunhæf­
an hátt er því nauðsynlegt að bera niðurstöður líkananna saman við
niðurstöður úr prófunum sem líkja eftir raunhegðun burðar­ og styrkt­
arlaganna, fyllingarinnar sem og vegbotnsins í vegbyggingum í notk­
un. Hröðuð álagspróf (e. Accelerated Pavement Tests – APT) hafa aukið
mjög skilning manna á niðurbrotsferli vegbygginga og byggt grunn
fyrir nýjar skilvirkari hönnunaraðferðir.
Hérlendis þarf hönnunaraðferðin að taka mið af þunnum vegsnið­
um í köldu loftslagi. Algengasta brotform íslenskra vega er hjólfara­
myndun, og því er mikilvægt að þekkja og geta líkt eftir þróun hjólfara­
myndunar við mismunandi aðstæður.
Hönnunarferlið
Til þess að hægt sé að halda áfram þróun aflfræðilegra hönnunarað­
ferða þarf að þekkja vel hegðun og eiginleika byggingarefnanna og
undirlagsins við mismunandi umhverfisskilyrði. Einnig þarf að þekkja
og taka raunhæft tillit til svörunar óbundinna laga vegarins, burðar­ og
styrktarlags, undir mismunandi umferðarálagi.
Flæðirit af aflfræðilegum hönnunaraðferðunum (e. Mechanistic
Empirical Performance Models), sem nú eru í þróun og notkun, er sýnt