Ordlista

3 Vägens uppbyggnad

3 Vägens uppbyggnad 2018-09-04T13:34:18+00:00

3.1 Sammanfattning

Allmänt
Vägens uppbyggnad med dess olika lager beskrivs. Slitlagret är det översta lagret i en vägkonstruktion och därmed det lager som ska uppfylla alla krav som ställs på vägytan. Bindlagrets funktion är i första hand att vara ett övergångslager när skillnaden mellan slitlager och bärlager är stor. Från bärighetssynpunkt är bärlagret det viktigaste lagret i en vägkonstruktion. Det ska fördela belastningen från trafiken på vägytan så att inte skadliga spänningar och deformationer uppträder i underliggande lager.

Förstärkningslagret har flera funktioner. Det ska tillsammans med övriga lager fördela trafiklasten till undergrunden samtidigt som det ska tåla de spänningar som överförs från bärlagret. Eventuellt skyddslager läggs direkt på undergrunden och utgör då det understa lagret i vägöverbyggnaden.

Terrassytan utgör gränsen mellan överbyggnaden och undergrund/underbyggnad. Delen under terrassytan benämns undergrund i skärning och underbyggnad om den utgörs av bankfyllning.

Dimensionering vid nybyggnad
Dimensionering av en vägöverbyggnad innebär att välja material och att bestämma erforderliga tjocklekar för de olika materiallagren i överbyggnaden. En underdimensionering leder till ökade kostnader för underhållsåtgärder medan en överdimensionering innebär onödigt ianspråktagande av en begränsad budget för investering.

Enligt Trafikverkets regelverk ska vägöverbyggnader dimensioneras enligt den mekanistiska empiriska dimensioneringsmetodik som beskrivs i TRVK Väg (TDOK 2011:264). Ett datorprogram för dimensioneringsberäkningarna, ”PMS Objekt” kan laddas ned från Trafikverkets hemsida.

I Trafikverkets TRVK Väg anges tre olika typer av överbyggnader med slitlager av bitumenbundet material. Dessa tre överbyggnadstyper betecknas GBÖ, BBÖ och CBÖ. GBÖ-konstruktionen består av bituminöst slitlager, eventuellt bitumenbundet bärlager, obundet bärlager, förstärkningslager samt eventuellt skyddslager på jordterrass. BBÖ-konstruktionen består av bitumenbundet slitlager, bitumenbundet bärlager, bitumenindränkt makadamlager (IM), förstärkningslager av obunden bergkross och eventuellt skyddslager. CBÖ-konstruktionen består av bituminöst slitlager och bindlager, cementbundet bärlager, obundet bärlager och förstärkningslager samt eventuellt skyddslager på jordterrass

Metodiken vid mekanistisk empirisk dimensionering presenteras och följs av ett exempel. Fördelen med mekanistisk empiriska dimensioneringsmetoder är att de är flexibla och kan anpassas till förändrade förhållanden. Kritiska påkänningar i vägkroppen orsakade av hjullaster från fordonstrafiken beräknas och jämförs med tillåtna påkänningar för undergrunden och de material man valt att använda i överbyggnaden. Det som krävs för mekanistisk empirisk dimensionering kan delas upp i tre fundamentala delar:
En beräkningsmetod för bestämning av spänningar och töjningar i vägkroppen.
Kunskaper om undergrunders och överbyggnadsmaterials mekaniska egenskaper, främst styvhet vid belastning (elasticitetsmodul).
Tillåtna värden på de spänningar och töjningar som är kritiska för vägkroppens bärighet (dimensioneringskriterier).

I exemplet beräknas tjockleken på ingående bitumenbundna lager enligt mekanistisk empirisk dimensioneringsmetod. Förutsättningarna för dimensioneringen är överbyggnadstyp GBÖ, klimatzon 4, materialtyp 4 och trafikbelastning 3,4 x 106 standardaxlar.

Utvecklingen av en framtida gemensam europeisk dimensioneringsmetod beskrivs. Arbetet inleddes med samarbete inom COST 333 där en inventering av dagsläget angående dimensionering av vägöverbyggnader i olika europeiska länder genomfördes med en stor enkätundersökning. En harmoniserad europeisk dimensioneringsmetod bör bestå av en integrerad uppsättning av modeller som skall klara av att förutsäga nedbrytningsförloppet för olika typer av skador.

I USA har AASHTO tagit fram en guide för dimensionering av vägar. ”Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide” som även är inarbetad i en programvara; AASHTOWare Pavement ME Design™ software.
De tidigare versionerna var alla empiriska och baserade på resultaten från AASHO-försöken som genomfördes slutet av 1950-talet.

3.2 Allmänt

En väguppbyggnad eller vägkonstruktion består av ett antal materiallager med specifika funktioner. Tillsammans skall de säkerställa att vägen förblir säker, bärig och beständig under tillräckligt lång tid under inverkan av trafik och klimat.

Generellt kan man säga att en vägkonstruktion skall utformas så att den dels skyddar underlaget mot överbelastning och dels så att påkänningarna i respektive lager inte överstiger lagrets styrka eller hållfasthet. Man brukar dela in vägkonstruktioner i flexibla, styva och halvstyva konstruktioner. I de flexibla är de bundna lagren bundna med bitumen, de styva är betongvägar med beläggning av cementbetong och de halvstyva är en kombination med asfaltbeläggning på exempelvis cementbundet bärlager. I fortsättningen koncentreras framställningen på flexibla konstruktioner.

Den principiella uppbyggnaden av en väg framgår av bild 1. Här anges den terminologi som används i Trafikverkets  TRVK Väg

[1].

Bild 3:1 Benämningar

Bild 3:1 Benämningar

Terrassytan utgör gränsen mellan överbyggnaden och undergrund/underbyggnad. Delen under terrassytan benämns undergrund i skärning och underbyggnad om den utgörs av bankfyllning. Den principiella uppbyggnaden av överbyggnaden visas i bild 2 och de olika lagrens funktion beskrivs nedan.

Bild 3:2 Principiell uppbyggnad av vägöverbyggnad

Bild 3:2 Principiell uppbyggnad av vägöverbyggnad

3.2.1 Slitlager

Slitlagret är det översta lagret i en vägkonstruktion och därmed det lager som ska uppfylla alla krav som ställs på vägytan. Slitlagrets primära uppgift (funktion) är att förse vägen med en yta som är säker och bekväm att köra på. Krav ställs på jämnhet både i längd- och tvärled samt på tvärfall och friktion. Tillsammans med övriga lager i överbyggnaden ska det sprida lasten från trafiken så att påkänningarna på undergrund/underbyggnad inte blir för stora.

3.2.2 Bindlager

Bindlagrets funktion är i första hand att vara ett övergångslager när skillnaden mellan slitlager och bärlager är stor. Exempelvis när skillnaden i stenstorlek är stor mellan bitumenbundet bärlager och slitlager. Bindlagrets uppgift blir då att överföra spänningarna från trafikbelastningen till underliggande bärlager samtidigt som det utjämnar bärlagrets eventuella ojämnheter. I TRVK Väg:s konstruktiva utformning av flexibla överbyggnader anges inget bindlager. Däremot anges vid val av cementbundet bärlager att ett bindlager bör läggas som övergångslager till bitumenbundet slitlager för att reducera sprickbildningen.

3.2.3 Bärlager

Från bärighetssynpunkt är bärlagret det viktigaste lagret i en vägkonstruktion. Det ska fördela belastningen från trafiken på vägytan så att inte skadliga spänningar och deformationer uppträder i underliggande lager (förstärkningslager och undergrund). För lågtrafikerade vägar kan det vara tillräckligt med ett obundet bärlager medan högtrafikerade vägar oftast kräver både bundet och obundet bärlager.

Material till bärlager bör vara av hög kvalitet och med en sammansättning som säkerställer att lagret i sig får tillräcklig styrka mot deformation och utmattning. Med utmattning menas här sprickbildning i bitumenbundet bärlager orsakad av upprepade dragspänningar.

3.2.4 Förstärkningslager

Förstärkningslagret har flera funktioner. Det ska tillsammans med övriga lager fördela trafiklasten till undergrunden samtidigt som det ska tåla de spänningar som överförs från bärlagret. Det skall utgöras av tillräckligt grovt material så att det fungerar som ett dränerande lager. Detta för att leda bort vatten både under själva byggtiden och när vägen är färdig. Vidare skall det förstärka undergrunden så att tillräcklig bärighet uppnås för byggtrafiken och sist men inte minst viktigt utgöra ett tillräckligt bärigt och stabilt underlag för utläggning och packning av ovanliggande lager.

3.2.5 Skyddslager

Eventuellt skyddslager läggs direkt på undergrunden och utgör då det understa lagret i vägöverbyggnaden. På finkorniga undergrunder tjänar det som materialskiljande lager och förhindrar undergrundsmaterial från att tränga upp i förstärkningslagret. I områden med liten köldmängd och icke tjälfarligt material i undergrunden kan även fiberduk eller geotextil användas som materialskiljande skikt. I områden med stor köldmängd och tjälfarligt material i undergrunden bidrar skyddslagret till att minska ojämna tjällyftningar.

3.3 Dimensionering vid nybyggnad

3.3.1 Inledning

Dimensionering av en vägöverbyggnad innebär att välja material och att bestämma erforderliga tjocklekar för de olika materiallagren i överbyggnaden. Att dimensioneringen av en vägkonstruktion görs på ett adekvat och ekonomiskt sätt är minst lika viktigt som vid dimensionering av andra konstruktioner. En underdimensionering leder till ökade kostnader för underhållsåtgärder medan en överdimensionering innebär onödigt ianspråktagande av en begränsad budget för investering. Man bör sträva efter att minimera totalkostnaden för varje vägobjekt. I totalkostnaden skall då ingå såväl kostnader för byggande och underhåll som kostnader för trafikanter och fordon. En faktor som får stor betydelse i det sammanhanget är kalkylräntan för nuvärdesberäkning av kostnader i framtiden.

3.3.2 Dimensionering enligt Trafikverkets tekniska krav TRVK Väg

Enligt Trafikverkets regelverk skall vägöverbyggnader dimensioneras enligt den mekanistiska empiriska dimensioneringsmetodik som anges i TRVK Väg (TDOK 2011:264).

Metodiken att dimensionera olika typer av överbyggnader med hjälp av figurer och tabeller enligt tidigare beskrivning (VÄG 94) har slopats. Ett datorprogram benämnt ”PMS Objekt” tillhandahålls av Trafikverket för dimensioneringsberäkningarna. En del av programmet beräknar tillåten trafikbelastning, uttryckt i ekvivalent antal standardaxlar och en annan del storleken av eventuell tjällyftning för givna överbyggnadskonstruktioner och inmatade förutsättningar avseende klimat och materialegenskaper.

Programmet är uppbyggt kring de regler och förutsättningar som anges i kapitel C3 och C4 och i första hand för de tidigare typkonstruktionerna för överbyggnaderna GBÖ, BBÖ, och CBÖ, se nedan. Möjlighet att skapa egna överbyggnadstyper finns dock till viss del. Programmet inklusive manual finns att hämta via Internet på Trafikverkets hemsida.

3.3.3 Typkonstruktioner enligt TRVK Väg

I Trafikverkets TRVK Väg anges tre olika typer av överbyggnader med slitlager av bitumenbundet material. Dessa tre överbyggnadstyper betecknas GBÖ, BBÖ och CBÖ och beskrivs närmare nedan.

GBÖ, grusbitumenöverbyggnad
Grusbitumenöverbyggnad används normalt till mindre och medelstora vägar samt till större vägar där tillgången på bergmaterial är begränsad.
GBÖ-konstruktionen består av bituminöst slitlager, eventuellt bitumenbundet bärlager, obundet bärlager, förstärkningslager samt eventuellt skyddslager på
jordterrass. Konstruktionen kan även utföras på terrassyta av berg eller bergbank, se bild 3.

Bild 3:3 Grusbitumenöverbyggad, GBÖ

Bild 3:3 Grusbitumenöverbyggad, GBÖ

Bärlagrets tjocklek beror på andelen okrossat material i förstärkningslagret. När bergkrossmaterial eller grusmaterial med mindre än 50 % okrossat material används i förstärkningslagret skall bärlagret ha 80 mm tjocklek. Vid större andel okrossat material i förstärkningslagret skall bärlagret ha 150 mm tjocklek.

BBÖ, bergbitumenöverbyggnad
Bergbitumenöverbyggnad används normalt till större vägobjekt där tillgången på bergmaterial är god.
BBÖ-konstruktionen består av bitumenbundet slitlager, bitumenbundet bärlager, bitumenindränkt makadamlager (IM), förstärkningslager av obunden bergkross och eventuellt skyddslager. Underbyggnaden utgörs normalt av berg eller bergbank, se bild 4.

Bild 3:4 Bergbitumenöverbyggnad

Bild 3:4 Bergbitumenöverbyggnad

CBÖ, cementbitumenöverbyggnad
Cementbitumenöverbyggnad är lämplig att använda vid stor belastning av tung trafik, vid ytor med långsamtgående trafik och vid trafikljus, busshållplatser och parkeringsytor. Det cementbundna lagret har stor böjstyvhet och stabilitet, vilket medför att överbyggnaden har god lastfördelning på underliggande lager, men inte är eftergivlig för rörelser på grund av tjällyftningar eller sättningar. Mindre rörelser i underlaget förmår den i viss mån att överbrygga. Större rörelser kan leda till skador på konstruktionen, vilket medför att behovet av åtgärder mot sättningar och andra rörelser är större än för flexibla konstruktioner.
CBÖ-konstruktionen består av bituminöst slitlager och bindlager, cementbundet bärlager, obundet bärlager och förstärkningslager samt eventuellt skyddslager på jordterrass, se bild 5.

Bild 3:5 Cementbitumenöverbyggnad, CBÖ

Bild 3:5 Cementbitumenöverbyggnad, CBÖ

3.3.4 Mekanistisk empirisk dimensionering

Inledning
Nedan följer en generell beskrivning av mekanistisk empirisk dimensionering följt av ett exempel för att illustrera tillvägagångssättet som ligger bakom beräkningen av ekvivalent antal standardaxlar enligt datorprogrammet PMS Objekt.

Filosofin bakom mekanistisk empirisk dimensionering av vägöverbyggnader är att en vägkonstruktion skall betraktas som vilken annan konstruktion som helst. Det innebär att kritiska påkänningar i vägkroppen orsakade av hjullaster från fordonstrafiken beräknas och jämförs med tillåtna påkänningar för undergrunden och de material man valt att använda i överbyggnaden. Den stora fördelen med mekanistisk empiriska dimensioneringsmetoder är att de är flexibla och kan anpassas till förändrade förhållanden. Detta till skillnad mot rent empiriska metoder som bygger på successivt erhållna erfarenheter av hur byggda vägar klarat den trafik och det klimat de utsatts för. Empiriskt grundade metoder blir därför enbart giltiga för de förhållanden som ligger till grund för deras tillkomst.

Det som krävs för mekanistisk empirisk dimensionering kan delas upp i tre fundamentala delar:

En beräkningsmetod för bestämning av spänningar och töjningar i vägkroppen.

Kunskaper om undergrunders och överbyggnadsmaterials mekaniska egenskaper, främst styvhet vid belastning (elasticitetsmodul).

Tillåtna värden på de spänningar och töjningar som är kritiska för vägkroppens bärighet (dimensioneringskriterier).

Beräkningsprogram
När det gäller beräkningsmetoder för bestämning av spänningar och töjningar är metoder baserade på linjär elasticitetsteori vanligast även om mer sofistikerade beräkningsmetoder utvecklats under senare år. Vid beräkningar enligt elasticitetsteorien förutsätts att ingående material är elastiska, homogena och isotropa, vilket inte är fallet för vägbyggnadsmaterial, speciellt inte för obundna material. Att man ändå accepterar elasticitetsteorien motiveras bl a med att belastningarna från trafiken är kortvariga med små deformationer vid varje överfart vilket gör att antagandet om elastiska egenskaper hos vägmaterialen är en i sammanhanget god approximation.

Vägmaterialens mekaniska egenskaper
För beräkning av spänningar och töjningar i en vägkropp krävs att de ingående materialens mekaniska egenskaper beskrivs med parametrarna elastisk styvhet (E-modul) och tvärkontraktion (Poisson’s tal). Poisson’s tal varierar inte speciellt mycket för olika material och sätts ofta till 0,35. E-modulen däremot varierar både för bundna och obundna material. Asfaltbeläggningars E-modul varierar främst med temperaturen och bestäms till stor del av bindemedlets styvhet och dess temperaturberoende. För att förenkla dimensioneringen upprättas ofta samband mellan E-modul och temperatur för de vanligast förekommande beläggningstyperna. Vid genomförandet av SANREMO-projektet [2] användes i litteraturen funna samband som korrigerades med hänsyn till svenska beläggningstyper.
De mekaniska egenskaperna hos olika undergrundsjordarter och obundna överbyggnadsmaterial är svårare att bestämma jämfört med bitumenbundna material. Obundna materials E-modul är mer eller mindre spänningsberoende, med ökande E-modul vid ökande spänning för friktionsmaterial (grovkorniga) och
minskande E-modul vid ökande spänning för kohesionsmaterial (finkorninga). Storleken på E-modulen för obundna material beror främst på materialtypen (sammansättningen), packningsgraden och vatteninnehållet. Variationen i E-modul för väldefinierade, välpackade och väldränerade överbyggnadsmaterial är betydligt mindre än för undergrundsmaterial där variationen i sammansättning och vatteninnehåll kan vara stor.

Tillåtna värden på kritiska påkänningar
De påkänningar i vägkroppen som allmänt anses som kritiska för bärigheten hos en vägkonstruktion är dels den horisontella dragtöjningen i underkanten av de bitumenbundna lagren (eH) och dels den vertikala trycktöjningen på undergrunden (ev), se bild 6.

Bild 3:6 Kritiska töjningar i vägkonstruktion

Bild 3:6 Kritiska töjningar i vägkonstruktion

För stora töjningar i underkant av de bitumenbundna lagren leder till utmattning och resulterar i utveckling av sprickor från underkanten upp genom beläggningen till vägytan. För stora töjningar på undergrunden orsakar permanenta vertikala deformationer av undergrunden som ger spårbildning på vägytan. Härvid förutsätts att permanent vertikal deformation av bundna och obundna överbyggnadslager är försumbar jämfört med undergrunden.
Vilka värden som skall tillåtas för dessa kritiska töjningar beror på antalet belastningar som förväntas under vägens tekniska livslängd (vanligen 20 år). För att förenkla dimensioneringen genomförs beräkningen av de kritiska töjningarna för en definierad standardbelastning och den blandade förväntade trafikbelastningen konverteras till ekvivalent antal standardbelastningar. I TRVK Väg definieras en standardbelastning som en axel med lasten 100 kN fördelad på två parhjul med kontakttrycket 0,8 MPa, se bild 7.

Bild 3:7 Standardaxel enligt ATB VÄG

Bild 3:7 Standardaxel enligt TRVK Väg

För dimensioneringen krävs att sambandet mellan de kritiska påkänningarna och antalet standardbelastningar (dimensioneringskriterium) är känt. I TRVK Väg används följande kriterier för undergrunden (terrassytan) respektive bitumenbundet bärlager (typ AG med bindemedel 160/220).

Terrassytan:

N = 8,06 . 10-8 . eV-4

där
N = antalet standardbelastningar
eV= vertikal trycktöjning på terassytan av en standardbelastning

Bitumenbundet bärlager:

N = 2,37 . 10-12 . 1,16(1,8T+32) . eH-4

där
N = antalet standardbelastningar
T = medeltemperatur i bitumenbundna lagret
eH= horisontell dragtöjning i underkant på bitumenbundna lagret

Dessa dimensioneringskriterier har tagits fram inom SANREMO-projektet och är modifieringar av utländska kriterier (Shell [3] resp Kingham [4]). Kriterierna ger tillsammans med övriga antaganden och förutsättningar inom SANREMO-projektet en rimlig överensstämmelse mellan teoretiskt beräknade och erfarenhetsmässiga livslängder för svenska vägkonstruktioner.

Dimensioneringsexempel
Vid den mekanistisk empiriska dimensioneringen betraktas vägkonstruktionen som ett flerskiktat system. De olika skikten eller lagren antas ha oändlig utbredning i horisontalled och åsätts representativa värden på mekaniska egenskaper (E-modul och Poisson’s tal) se bild 8.

Bild 3:8 Modell för beräkning av påkänningar i vägkonstruktion

Bild 3:8 Modell för beräkning av påkänningar i vägkonstruktion

De kritiska påkänningarna enligt bild 6 beräknas för standardbelastningen (se bild 7) och tillåtet antal belastningar bestäms av dimensioneringskriterierna enligt ovan. För att ta hänsyn till att förutsättningarna med tanke på att temperatur och klimat varierar under året delas året in i delperioder och beräkningsresultatet från respektive period sammanvägs till ett årsgenomsnitt.
Dimensioneringsexemplet nedan är baserat på de antaganden och förutsättningar som redovisas i TRVK Väg. Följande förutsättningar väljs att gälla för exemplet:

Överbyggnadstyp: GBÖ med krossat material i förstärkningslagret
Klimatzon: 4
Materialtyp i terrass: 4
Trafikbelastning: 3,4 x 106 standardaxlar (Sa)
under vägens tekniska livslängd (20 år)

Vidare antas att dimensionering med hänsyn till tjällyftning resulterade i en total erforderlig överbyggnadstjocklek av 950 mm. Den mekanistisk empiriska dimensioneringen blir därmed begränsad till bestämning av erforderlig tjocklek på de bitumenbundna lagren och överbyggnaden som skall dimensioneras ser ut som följer:

Lager Tjocklek, mm
Bitumenbundna lager ?
Obundet bärlager 80
Förstärkningslager (krossat) 420
Skyddslager (krossat) 290

 

För att ta hänsyn till att materialegenskaperna varierar under en årscykel delas året in i delperioder med olika längd beroende på klimatet (klimatzon). Från tabell i TRVK Väg erhålls följande klimatperiodlängder för klimatzon 4:

Klimatperiod Antal dygn
Vinter 151
Tjällossning 61
Sommar 77
Höst 76
Summa 365

 

De bitumenbundna lagrens egenskaper är till stor del beroende av temperaturen. I TRVK Väg anges att följande temperaturer skall gälla vid dimensioneringen
för bitumenbundna beläggningar i klimatzon 4:

Klimatperiod Beläggningstemperatur, °C
Vinter -5,1
Tjällossning 6,5
Sommar 18,1
Höst 3,8

 

För de ovan angivna klimatperioderna skall nu de olika materiallagrens mekaniska egenskaper (E-modul och Poisson’s tal) anges. I TRVK Väg sätts Poisson’s tal till 0,35 oberoende av material och klimatperiod. E-moduler för överbyggnadslagren och terrassmaterialet väljs från tabellerna i TRVK Väg kapitel 4. För klimatzon 4 erhålls följande E-modulvärden för de olika klimatperioderna:

E-moduler (Mpa)

Lager Vinter Tjällossning Sommar Höst
Bitumenbundna lager 13500 6500 2500 8000
Obundet bärlager 1000 300 450 450
Förstärkningslager (krossat) 450 450 450 450
Skyddslager 1000 30 50 50
Terass, materialtyp 4 1000 30 50 50

Med dessa E-modulvärden, Poisson’s tal = 0,35 och tjocklekarna för de olika lagren beräknas kritiska påkänningar för respektive klimatperiod. Dimensioneringsuppgiften begränsas i det här fallet till att bestämma tjockleken på de bitumenbundna lagren eftersom övriga lagertjocklekar är givna enligt ovan. Den kritiska påkänningen som skall beräknas är dragtöjningen i underkant av de bitumenbundna lagren. Eftersom beräkningarna kräver tjocklekar på samtliga lager får man börja med att anta en tjocklek för de bitumenbundna lagren. Vi väljer här att börja med tjockleken H1 = 100 mm och beräknar dragtöjningen för respektive klimatperiod och standardaxellasten enligt bild 7. Beräkningarna1) resulterar i följande dragtöjningar:

Klimatperiod Vinter Tjällossning Sommar Höst
Dragtöjning eH (x 106) 87,0 178,1 232,2 144,0

 

Dessa beräknade dragtöjningar sätts in i dimensioneringskriteriet tillsammans med respektive klimatperiods beläggningstemperatur och ger tillåtet antal standardaxlar (Sa) för respektive period (Ntill).

N=2,37 . 10-12 . 1,16(1,8T+32) . eH-4 

Resultatet blir

Ntillvinter = 2,37 . 10-12 . 1,161,8(-5,1)+32 . (87,0 . 10-6)-4 = 1,22 . 106 Sa

Ntilltjällossning = 1,54 . 106 Sa

Ntillsommar = 11,86 . 106 Sa

Ntillhöst = 1,76 . 106 Sa

För att väga samman resultatet från de olika perioderna används Miners delskadehypotes som lyder:

PIC3-FORMEL01

Med den här aktuella periodindelningen får vi då följande uttryck:

PIC3-FORMEL02

För att få fram totalt antal tillåtna standardaxlar sätts detta uttryck = 1 och skrivs om enligt nedan:

PIC3-FORMEL03

För exemplet ovan med 100 mm tjocklek på de bitumenbundna lagren blir då totala antalet tillåtna standardaxlar

PIC3-FORMEL04

Överbyggnaden skulle dimensioneras för 3,4 x 106 Sa och resultatet av denna första beräkning visar alltså att 100 mm tjocklek på de bitumenbundna lagret inte är tillräckligt. Nästa steg blir att öka tjockleken och upprepa beräkningarna enligt ovan. Vi ökar tjockleken till 140 mm och beräknar töj­ningar och tillåtet antal stan­dard­axlar för respektive klimatperiod. Efter sammanvägning erhålls resultatet

PIC3-FORMEL05

I det här läget kan man konstatera att den erforderliga tjockleken är mellan 100 mm och 140 mm. Sambandet mellan tjockleken och antalet standardaxlar är inte rätlinjigt varför det krävs ytterligare en beräkning för att bestämma erforderlig tjocklek. Vi väljer 120 mm och upprepar beräkningarna som resulterar i

PIC3-FORMEL06

Efter tre beräkningar kan man teckna sambandet mellan tjocklek och antalet tillåtna standardaxlar i ett diagram och lösa uppgiften grafiskt. I det här fallet godtar vi resultatet från den tredje beräkningen och väljer H1 = 120 mm som tjocklek på de bitumenbundna lagren.

3.3.5 Framtida europeisk dimensioneringsmetod

Inledning
Behovet av en harmonisering av dimensioneringsmetoder i Europa är bakgrunden till det samarbete som genomförts inom COST 333 (Development of New Bituminous Pavement Design Method). COST står för, co-operation in the field of scientific and technical research, och är en samarbetsorganisation under generaldirektoratet för transportfrågor inom EU-kommissionen.

COST-Action 333 genomfördes under 3-årsperioden, mars 1996 till mars 1999, med deltagare från 20 länder, [5].
Det slutliga målet, en färdigutvecklad gemensam dimensioneringsmetod som skulle kunna användas i alla delar av Europa, insåg man var ett för omfattande arbete som inte skulle klaras av under en treårsperiod. Arbetet koncentrerades därför på att lägga grunden till en gemensam metod genom att kartlägga dagsläget i respektive land och klarlägga vilka nedbrytningsmekanismer som är viktigast och som man måste känna till och kunna hantera för att bedöma en realistisk tillståndsutveckling. Den tredje och sista delen i arbetet omfattade en beskrivning av vad som krävs för att utveckla en ny gemensam europeisk dimensioneringsmetod med tanke på karakterisering av trafiken, klimatförhållanden, material samt modeller för strukturella beräkningar och nedbrytningsförlopp.

State of the art
Inventeringen av dagsläget gjordes genom en stor enkätundersökning. I undersökningen ingick 32 dimensioneringsmetoder varav 22 var nationella europeiska metoder, [6].

Undersökningen visade att en majoritet (ca 60%) av länderna i Europa har utvecklat analytiskt baserade dimensioneringsmetoder med liknande uppbyggnad. Vanligast är att man använder linjär elasticitetsteori för att beräkna spänningar och töjningar i kritiska lägen i vägkroppen. Man kunde dock konstatera att tjockleken på överbyggnader dimensionerade för samma trafikbelastning varierade mycket mellan länderna. En förklaring till detta är att alla europeiska dimensioneringsmetoder är empiriskt kalibrerade för anpassning till rådande klimat, produktionsmetoder och använda vägbyggnadsmaterial i respektive land.

På frågan om vilken skadetyp som var vanligast svarade flera länder att spårbildning i ytliga asfaltlager och sprickbildning som initierades i ytlagren var vanligt. Spårbildning härrörande från deformationer i undergrunden samt sprickbildning på grund av utmattning initierat i underkant av beläggningen ansågs mindre vanligt.

Utformning av europeisk dimensioneringsmetod
Man konstaterade att en harmoniserad europeisk dimensioneringsmetod bör bestå av en integrerad uppsättning av modeller som skall klara av att förutsäga nedbrytningsförloppet för olika typer av skador.

Bild 9 visar en generell utformning av en sådan nedbrytnings-/ dimensioneringsmodell. Genom att utveckla nedbrytningsmodeller för flera olika nedbrytningsmekanismer och använda dessa parallellt får man en metod som ger större möjligheter att förutsäga det totala nedbrytningsförloppet och tidpunkten för uppkomsten av olika typer av skador. Därigenom ökar också möjligheterna att studera optimala strategier för olika underhållsåtgärder.

Av Bilden framgår att modellen för nedbrytningsförloppet är en komplicerad process. Materialegenskaper är ofta icke-linjära och kan förändras med tiden (t), antingen på grund av miljöpåverkan eller på grund av nedbrytning (D) av trafikbelastningen. Detta bör ingå i dimensioneringsprocessen och man föreslår därför att en ny dimensioneringsmodell utformas med etappvis beräkning av tillståndsutvecklingen. Nedbrytningsförloppet delas in i ett antal tidsintervall (t) vilket möjliggör att hänsyn kan tas tillförändringar som sker under vägens livslängd. Exempelvis att asfaltmaterials egenskaper påverkas av temperaturen och dess dygns- och säsongsvariation. Tid och temperatur orsakar åldring av asfaltbeläggningar och säsongsvariationer i framför allt fukthalt påverkar egenskaperna hos jordarter och obundna material. Även trafikbelastningen varierar över dygnet och årstiderna under vägens livslängd.

Efter varje tidsetapp uppdateras alla ingångsvärden för att ta hänsyn till de förändringar i vägkroppens material- och lageregenskaper som respektive nedbrytningsmodell resulterat i. Processen fortsätter till dess någon av skadetyprena uppnått sitt kritiska tillstånd eller dimensionerande värde.

Bild 3:9 Principiellt flödesschema för framtida dimensioneringsmetod

Bild 3:9 Principiellt flödesschema för framtida dimensioneringsmetod

3.3.6 AASHTO 2002 Guide

Inledning
I USA har man utvecklat en ny AASHTO Guide för dimensionering av vägar ”AASHTO Wae Pavement ME Design.

De tidigare versionerna var alla empiriska och baserade på resultaten från AASHO-försöken som genomfördes slutet av 1950-talet.
Utvecklingsarbetet inleddes i början av 1998 och enligt planerna skall en ny metod presenteras under våren 2002.

Den övergripande målsättningen för utvecklingsarbetet är att det ska baseras på befintliga kunskaper om mekanistiska empiriska dimensioneringsmetoder och att det ska innefatta metodik för kalibrering, validering och anpassning till lokala förhållanden. Dessutom skall användarvänlig datormjukvara utvecklas för alla delar i systemet.

Man motiverar behovet av en ny metod med att det finns ett antal allvarliga begränsningar i de föregående versionerna:

Dimensionering av förstärknings- och förbättringsarbeten saknas.
Eftersom AASHO-försöken genomfördes på ett ställe geografiskt är det svårt att anpassa metodiken till andra delar med avvikande klimat.
Enbart en undergrundstyp ingick i AASHO-försöken.
De flesta provsträckorna var byggda med obundet bärlager. I dag används olika typer av stabiliserade bärlager.
De fordon som användes i försöken är omoderna i dag liksom fjädringssystem, axelkonfigurationer och däcktyper.
Överbyggnadstyper, material och produktionsmetoder var representativa för den tiden.

Vidare pekar man på behovet utifrån kraftig tillväxt i trafikvolymer och att man i dag inte tar hänsyn till långtidseffekter av klimat och att material åldras.

Utformning av ny dimensioneringsmetod
Den föreslagna dimensioneringsmetoden tänker man sig indelad i tre delar:

Beredning av erforderliga indata
Analys av påkänningar och tillståndsutveckling
Värdering av tekniskt genomförbara alternativ

En viktig del i det första steget är bedömning av undergrundsförhållanden när det gäller nybyggnadsdimensionering och tillståndvärdering av befintlig väg när det gäller förstärknings- och förbättringsdimensionering.
Karakterisering av material och trafik är andra delar som ska behandlas här liksom klimatets inverkan. Alla ingångsvärden skall anges med både medelvärden och spridningsmått för att möjliggöra analys av osäkerheten i dimensioneringsresultatet.

Analyserna i del 2 ska leda till förväntade tillståndutvecklingar med tiden genom etappvisa beräkningar av skadeutvecklingen. Genom iterativt förfarande ska slutliga lösningar erhållas och med spridningsmått på indata uppskattas osäkerheten i resultatet.
I del 3 görs slutligen en värdering av de tekniskt genomförbara alternativen, bland annat genom totalkostnadsanalyser (life cycle cost analysis).

Den nya dimensioneringsguiden kommer att utformas så att man kan välja mellan 3 olika nivåer beroende på vilken noggrannhet som krävs i det speciella fallet. Även för karakterisering av material och trafik kommer 3 nivåer att tillämpas.

Nivå 1 innebär avancerad dimensionering med högsta tänkbara säkerhet i resultatet avsedd för de högsta trafikklasserna där förtida underhållsinsatser får stora ekonomiska konsekvenser.
Nivå 2 är standardsituationen och tänkt att användas rutinmässigt.
Nivå 3 slutligen är tänkt att användas för lågtrafikerade vägar av mindre betydelse.

Mer information om utvecklingen av den nya AASHTO metoden kan fås via Internet på webbsidan www.2002designguide.com

3.4 Totalkostnadsanalys (Lifecycle costs)

Vid nybyggnadsdimensioneringen har man möjlighet att jämföra kostnaden för olika tekniska lösningar som uppfyller de krav man ställt på vägens tekniska livslängd, ofta tjugo år. Man har ofta valt den vägupp­byggnad som givit den lägsta nybyggnadskostnaden (investeringskostnad).

Ett mer relevant sätt att göra ekonomiska jämförelser mellan olika väguppbyggnader och som alltid borde göras är att jämföra totala kostnaden för olika alternativ under en bestämd brukstid. Man kan jämföra med situa­tionen att köpa en ny bil. Avgörande för valet av bil är inte enbart inköpskostnaden utan även driftkostnader som bensinförbrukning och däckkostnad, reparationskostnad, andrahandsvärde m m. Samma synsätt bör gälla även vid valet av väguppbyggnad då en ekonomisk jämförelse skall göras. De kostnader som därvid bör ingå i analysen är följande:

Bild 3:10 Principexempel på nuvärdeskostnader för ett speciellt vägobjekt

Bild 3:10 Principexempel på nuvärdeskostnader för ett speciellt vägobjekt

• Investeringskostnad. Totala kostnaden för nybyggnation.
• Framtida drift- och underhållskostnader under vägens brukstid.
• Väganvändarkostnader som fordonskostnader, tidkostnader och trafikolyckskostnader.
• Slutligen bör i den ekonomiska analysen ingå en uppskattning av vägens restvärde vid slutet av brukstiden.
En metod för ekonomisk analys som är tillämpbar i vägsammanhang är nuvärdesmetoden. En totalkostnad beräknas därvid genom att till investeringskostnaden summera nuvärdet av skillnaden mellan framtida kostnader och vägens restvärde. Avgörande för nuvärdesberäkning av framtida kostnader är den ränta som används i analysen. Olika uppfattningar om vilken ränta som skall användas kan vara en av anledningarna till att ekonomiska analyser av den här typen inte alltid görs. Bild 10 visar ett principexempel på en ekonomisk nuvärdesanalys för ett specifikt vägobjekt.
I det här fallet illustreras hur nuvärdet för totalkostnaden varierar med den tekniska livslängd man väljer att dimensionera för. Ur figuren kan man då utläsa vilken teknisk livslängd (= överbyggnadskonstruktion) som resulterar i den lägsta totalkostnaden. Motsvarande analys av alternativa överbyggnadskonstruktioner samt en uppskattning av restvärdet för respektive alternativ bör utgöra underlaget för valet av överbyggnadsalternativ ur totalekonomisk synvinkel.

3.5 Dimensionering för förstärkning av befintlig väg

Förstärkningsdimensionering är i princip likt dimensionering vid nybyggnad. Det finns dock en rad praktiska skillnader.
Försvårande omständigheter är geometriska restriktioner, att man inte kan välja material och därmed inte åstadkomma önskad kvalitet på alla lager, att lagertjocklekar och materialegenskaper i överbyggnaden kan variera kraftigt, och att det kan vara svårt att värdera hållfastheten hos redan utmattade material.
En gynnsam omständighet vid förstärkning är att de befintliga materialen i viss utsträckning redan testats av trafiken, och dessutom kan testas med mätningar på plats, under de rådande omständigheterna beträffande bl a klimat och dränering. Vid nybyggnad har man å andra sidan osäkerhet, inte minst beträffande underbyggnaden, genom att det inom materialgrupper finns betydande variationer, och genom att man dimensionerar för genomsnittsförhållanden.
Om man vill göra en optimal dimensionering är det mycket viktigt att man samlar in och på ett systematiskt sätt utnyttjar både den information som finns i form av att vägen testats av trafiken, och de ytterligare materialegenskaper som kan mätas.

3.5.1 Besiktning och objektiv mätning

3.5.1.1 Skadebesiktning

Vägens farbarhet försämras med tiden av flera olika orsaker.
Hjulbelastning från de tunga fordonen får beläggningen att spricka, oftast först med längsgående sprickor, så småningom övergående i ett sammanhängande mönster, krackelering. När beläggningsbitarna sprättes bort eller kläms ned i underlaget uppstår med tiden allt större potthål. Hjulbelastningen ger också längsgående spår, antingen genom att bituminösa lager deformeras på så sätt att massan knådas från hjulspåret mot sidorna, eller bredare spår genom att de obundna lagren komprimeras eller pressas ut mot sidorna. De sistnämnda spåren är ofta bredare än de förstnämnda. Djupast blir spåret ofta när det ligger precis i vägkanten, så att det blir ett halvt hjulspår.
Tjälskjutning ger upphov till ojämnheter som försvinner när tjälen går ur, ojämnheter som kvarstår när tjälen går ur, längsgående, sneda och tvärgående sprickor, samt uppfrysning av block och trummor.
Slitage främst orsakat av dubbade däck ger spår. Ofta blir dubbslitaget ojämnt på grund av vägens geometri och genom att partier med sprickor är mera känsliga för dubbslitage.
Marken kan ha en naturlig långsam rörelse nedför sluttningar, och vägbankens egenvikt kan påskynda denna rörelse, samt orsaka sättningar även på plan mark.
Sättningar kan uppkomma och påskyndas av nedsatt hållfasthet i samband med tjällossning och vibrationer och egenvikt av trafik.
Beläggningsytan kan skadas på grund av tidens och klimatets inverkan, bland annat genom oxidering av asfalten och genom att temperaturrörelser orsakar sprickor. Sprickor kan uppkomma i beläggningsskarvar. Vid genomgrävning av vägen för exempelvis nedläggning av ledningar är det svårt att förebygga sättningar och sprickor i eller strax intill det uppgrävda området.
Beroende på orsaken till befintliga skador kan det vara helt olika åtgärder som är lämpligast. Ett förstärkningsförslag skall därför alltid föregås av en besiktning och en bedömning av skadeorsakerna. En lämplig arbetsgång kan vara att den projektansvarige gör en inledande besiktning och skadeanalys och med denna som grund avgör vilka ytterligare undersökningar och beräkningar som skall göras. Bland dessa kan ytterligare en skadebesiktning med fokusering på de aktuella problemen ingå.

3.5.1.2 Historiska data

För att analysera de symptom man ser vid skadebesiktningen måste man veta under vilka omständigheter de utvecklats, främst under vilken tid och under vilken trafik. En reparation kan dölja skador, och det är inte möjligt att genom enbart en besiktning avgöra en reparations ålder och omfattning.
Informationskällor är ritningar, den personal som varit ansvarig för vägen, och för Vägverkets vägar Vägdatabanken. Man får vara uppmärksam på att avvikelser mellan ritningar och faktiskt utfört arbete kan förekomma och att reparationsåtgärder inte alltid inrapporteras till Vägdatabanken.

3.5.1.3 Omgivningsdata

Tung trafik, klimat, vattenförekomst och geometriska restriktioner är de omgivningsdata som har störst betydelse.
Klimatzon och framtida trafikmängd tas fram på samma sätt som vid nybyggnad. Även den hittillsvarande trafiken och dess relation till den framtida trafiken är vid förstärkningsdimensionering av stort intresse. Om det inte finns några kända prognoser eller speciella väntade förändringar, bör man ändå överväga möjligheten att vägen efter förstärkningen kommer att bli mera attraktiv och beakta den skillnad som kan uppkomma genom att tidigare eventuella restriktioner under tjällossningen upphör.
Vid besiktningen skall man inte notera bara skadorna på själva vägen, utan också förekomsten av vatten, den omgivande topografin, som kan inverka bl a på förekomsten av vatten och på sättningarna, och den omgivande bebyggelse som exempelvis kan omöjliggöra tjocka grusförstärkningar.
I vissa fall kan det vara motiverat att använda grundvattennivåmätare och tjälgränsmätare.

3.5.1.4 Materialsammansättning och lagertjocklekar

De data som kan erhållas på administrativ väg från ritningar och vägdatabank är förhållandevis billiga och skall alltid samlas in. Ibland får man säkra upplysningar om vilka material som förekommer i överbyggnaden och i vilka lagertjocklekar de förekommer. Ibland kan mindre säkra upplysningar eller upplysningar som visar stor variation erhållas. Ibland hittar man nästan ingenting.
När det gäller att gå vidare med fältundersökningar stiger kostnaderna och det gäller att avgöra i vilken grad de upplysningar man får från undersökningarna förbättrar dimensioneringen. Man kan tänka sig olika steg, där det enklaste är borrning för fastställande av de bitumenbundna lagrens tjocklek och okulärbesiktning för fastställande av material i beläggning och bärlager, ett andra steg är djupare grävning och samma bedömningar för samtliga lager i överbyggnaden och ett tredje är laboratorieundersökning av materialen.
Om en förstärkning skall göras är de kunskaper som grävning och laboratorieundersökning ger ofta värda sitt pris, förutsatt att de med tillräcklig säkerhet kan tillämpas på tillräckligt stora områden. Man kan dock komma i den paradoxala situationen att ordentliga undersökningar av denna typ lönar sig sämst där man vet minst, därför att man samtidigt har så stor variation att en provgrop egentligen bara berättar om förhållandena just där den grävdes.
Prover tas vad det gäller asfaltlagren enklast med kärnborr och för underliggande lager exempelvis med traktorgrävare eller den av dåvarande Vägverket Produktion utvecklade provtagningsmaskinen Underlättaren. En fördel med den senare är att man får en betydligt mindre skada, vilket är viktigt om den kommande åtgärden blir ringa.
Med markradar kan man bestämma lagertjocklekar. Markradarn visar vilka material som finns, utan huvudsakligen skiktgränser, och mätning med markradar bör kombineras medprovtagning. Om så sker ger markradarn värdefull information om i vilken utsträckning resultaten från provgroparna kan tillämpas inom intilliggande område.

3.5.1.5 Laboratorietest av material

Vad gäller bitumenbundna material är det främst tjockleken och en grov klassning av materialtypen som är intressant, så att laboratorieanalys ofta inte behövs. Problem med sprickbildning och plastisk deformation inom asfaltskiktet torde då det är aktuellt med för-stärkningsåtgärder redan ha visat sig, så att skadeundersökningen normalt ger bättre upplysningar än laboratorietest kan ge.
Särskilt på högtrafikerade vägar med jämn standard kan det ändå vara så att laboratorieundersökning av asfaltprovkroppar skall föregå ett åtgärdsförslag. Det kan exempelvis vara fråga om att åtgärda plastisk deformation med fräsning och/eller överläggning med en styv massa.
Vad gäller de obundna lagren är lagertjocklek och kornkurva av betydelse. Speciellt är det viktigt att ta fram kornkurvan om man behöver bedöma risken för nedsatt hållfasthet i ytliga lager på grund av hög vattenhalt.
Den av kornkurvan beroende kapillariteten är viktig för den eventuella effekten av dränering. En sänkning av grundvattenytan genom förbättring av dikena kan ha avgörande betydelse eller ingen betydelse alls beroende på vilka material som finns.

3.5.1.6 Mätning av funktionella egenskaper

Med funktionella egenskaper menar man sådana som avgör hur bra det går att köra på vägbanan, såsom jämnhet i tvärled och längsled. En annan typ av egenskaper är strukturella egenskaper, som beskriver vägens hållfasthet. Relationen mellan funktionella och strukturella egenskaper är att de funktionella beskriver hur vägen vid mättillfället är att köra på, medan de strukturella egenskaperna kan påverka hur snabbt körbarheten kommer att försämras under inverkan av tung trafik och klimat.
Om en skadebesiktning utförs på ett systematiskt sätt, kan man betrakta den som en mätning av vissa funktionella egenskaper. En okulärbesiktning är till sin natur en subjektiv mätning. Den kan göras mera objektiv genom att man bedömer skadorna på ett standardiserat sätt, med hjälp av referensbilder. En sådan tillståndsbedömning beskrivs i handboken Bära eller Brista [10].
Den manuella besiktningen kan också innehålla inslag av enkla mätningar, exempelvis mätning av spårdjup med rätskiva.
En teknik under utveckling är videofilmning och/eller fotografering. Idag är det mest ett stöd för minnet, men kan efter utvecklad digital analys komma att bli medel för insamling av numeriska data.
Bedömningen av vad som orsakat skadorna är också en bedömning av de strukturella egenskaperna. Den är till sin natur rent kvalitativ och kan knappast kallas mätning. Icke desto mindre är denna analys inför en förstärkning ett viktigt inslag i undersökningen av det funktionella tillståndet. När man utför en systematisk undersökning innefattande dokumentation av observationerna är detta en i sig krävande uppgift. Man klarar normalt inte att samtidigt göra denna dokumentation och analysera orsakssammanhangen. Man bör därför i många fall besiktiga vägen ytterligare en gång, med fokus på orsakssammanhangen.
Vägens ytjämnhet i längsled och tvärled kan mätas med med lasermätbil. Sådana mätningar sker regelbundet på Trafikverkets vägnät, och data från någon mätning finns ofta att tillgå. Ett undantag är grusvägar, vilka bara mäts efter unik beställning.

3.5.1.7 Mätning av strukturella egenskaper

Varje gång ett lastbilshjul passerar en viss punkt fjädrar de i överbyggnaden och underbyggnaden ingående materialen. Om belastningarna blir för många och för stora, dvs om materialen utsätts för större och flera töjningar än de ”tål”, uppkommer spår och/eller sprickor. För att få möjlighet till numerisk analys av vägkonstruktionen utför man test som visar hur stora töjningar som orsakas av trafiklasten. Dessa mätningar kan göras med fallviktsdeflektometer, en testapparat som punktvis provbelastar vägen med en last motsvarande ett lastbilshjul. Trafikverkets metodbeskrivning TRVMB 112, Deflektionsmätning vid provbelastning med fallviktsapparat, beskriver hur sådana mätningar skall utföras på Trafikverkets vägar.
Fallviktsmätningen ger en mycket noggrann kunskap om förhållandena i mätpunkten vid mättillfället. De strukturella egenskaperna varierar såväl längs som tvärs vägen som med årstiden, och man gör därför ett stort antal mätningar.
Normalt mäter man i hjulspåret, eftersom det är där skadorna uppkommer. Man kan också genom att mäta i hjulspår och mellan hjulspår i viss mån bedöma hur trafiken påverkat vägen.
Antalet mätpunkter i längsled bestäms av hur tätt man kan vara intresserad av att ändra förstärkningen. Man bör ha åtminstone ca fem mätpunkter inom varje delsträcka för att få ett statistiskt mått på dess egenskaper. Normalavstånd vid mätningar på projektnivå i Sverige är 25 m, med punkterna i yttre hjulspår, saxade mellan körfälten.
Årstidvariationen är ett stort problem där det förekommer tjälfarliga material högt upp i vägen. Ungefär samma mätresultat fås dock i de flesta fall år från år om man mäter i samma fas av årstidscykeln. Om man har en väg med goda material i överbyggnaden är tiden just då tjälen gått ur, och man fortfarande har hög vattenhalt i underbyggnadsmaterialen, den lämpligaste tidpunkten att mäta. Om man har vattenkänsliga material i överbyggnaden kan en stor del av den strukturella nedbrytningen ske innan tjälen helt gått ur, medan man har hög vattenhalt i överbyggnaden, samtidigt som beläggningen är spröd på grund av låg temperatur.

3.5.1.8 Undersökningarnas omfattning

När det gäller att bedöma hur stor kostnad som skall läggas ned på dimensioneringsarbetet finns just inga hårda data, utan den projektansvarige måste göra en subjektiv bedömning. Betrakta en typisk förstärkning och jämför ett rent subjektivt förstärkningsförslag med ett förslag grundat på en grundlig utredning. Det är rimligt att anta att man med det senare kan nå samma kvalitet på förstärkningen för några tiotal procent lägre kostnad, och att man dessutom med den grundliga utredningen får färre fall av grova misslyckanden. Med detta resonemang skulle det löna sig att satsa upp till åtminstone 20% av den förväntade byggkostnaden på dimensioneringen.
Man skall alltid samla in de data som finns tillgängliga, såsom data om tidigare åtgärder och RST-mätningar från Vägverkets databank.
Man skall alltid registrera förekommande skador och noggrant analysera dem för att bedöma skadeorsaken.
Om den tunga trafiken bedöms vara en väsentlig skadeorsak skall alltid en fallviksmätning utföras.
Om så motiveras av skadebedömningen och fallviktsmätningen utförs dessutom en mera systematisk skadeinventering, borrning, provgropsgrävning, radarmätning, labo-ratorieprovning och flera fallviktsmätninger i olika skeden av tjällossningen.

3.5.2 Dimensionering med hänsyn till tjällyftning

Tjällyftningen yttrar sig som ojämnhet i längsled, som nedsätter körbarheten främst under den tjälade perioden, och som sprickor i beläggningen, vilka nedsätter beläggningens beständighet.
I en situation där jordarten och klimatet är givna (och man har tjälproblem) beror tjällyftningshastigheten främst av hur snabbt vatten av kapillärkraften kan sugas upp till tjälgränsen. Denna vattenmängd minskar då avståndet till grundvattenytan ökar och då trycket från överliggande material ökar. Därmed kan sänkning av grundvattenytan med öppna diken eller täckdiken och höjning av vägytan förbättra situationen. Som en mycket grov approximation kan man anta att tjällyftningen är omvänt proportionell mot avståndet mellan vägytan och grundvattenytan upphöjt till två.
Med dessa medel kan man således minska tjälskjutningen. Det finns ett stort antal vägar där det skulle krävas mycket kraftiga åtgärder för att få ner tjälskjutningen till en icke störande nivå. I sådana fall kan man välja att lägga en tunn och mjuk bituminös beläggning på ett bärlager av hög kvalitet, varvid man får en beläggning som tål stora rörelser utan att spricka, som relativt lätt repareras om den spricker, och en överbyggnad vars hållfasthet inte alltför mycket försämras av tjälsprickorna.
I de fall sådana lösningar inte kan ge tillräckligt stor förbättring eller då man kräver fullgod standard kan man dimensionera som nybyggnad, dvs enligt Trafikverkets anvisningar, TRVK Väg , där man hittar anvisningar om minimidjup till tjälfarliga material, anvisningar för utskiftning av material och anvisningar om utförande av tjälisolering.

3.5.3 Dimensionering med hänsyn till trafikbelastning

I de fall spår beror på dubbslitage kan man tänka sig ny massa i spåren, fräsning, ny massa på hela vägen och kombinationer därav. Om spår beror på plastisk deformation inom de asfaltbundna skikten står samma åtgärder till förfogande. Dock är då enbart läggning av ny massa i spåren normalt en kortsiktig åtgärd. Nya högtrafikerade vägar dimensionerade enligt dimensioneringstabeller är ibland överdimensionerade från bärighetssynpunkt och man kan mycket väl tänka sig att bortfräst massa inte helt behöver ersättas, speciellt i fallet plastisk deformation. Ett sådant antagande kan veriferas med kontroll av massaprovkroppars kvalitet och utredning av bärigheten på samma sätt som när dålig bärighet är problemet.
I de fall den tunga trafiken orsakar sprickor i beläggningen och/eller spår i djupare liggande lager är sannolikt en justering av ytjämnheten med överläggning med enbart en tunn beläggning en kortsiktig åtgärd. En utredning om eventuellt behov av förstärkning skall göras. Beroende på omständigheterna kan en sådan utredning vara allt från en enkel näst intill subjektiv bedömning till en ordentlig beräkning av materialtöjningar.
I princip bör man alltid sträva efter att beräkna förekommande töjningar och se till att dessa ligger under tillåtna töjningar, liksom man gör inom de flesta ingenjörsdicipliner. I praktiken är det dock ofta så att det skulle kräva oproportionerligt stora insatser för att skaffa fram de indata som krävs för att sådana beräkningar skall ge bättre resultat än enklare metoder.

3.5.3.1 Subjektiv dimensionering med stöd av objektiv sträckindelning

Man utför skadebesiktning och fallviktsmätning. Vägen delas in i delsträckor med homogena mätvärden och delsträckor med homogen skadebild. Om de sträckindelningar man får på dessa sätt markant skiljer sig åt, kan en orsak vara att mätningen ej gjorts under den årstid då mest skador uppstått, en annan vara att skadorna döljs av reparationer och en tredje vara att skadorna ej huvudsakligen orsakas av tung trafik. De olika indelningarna sammanvägs. Därefter görs en analys av skadeorsakerna för varje delsträcka, och den ansvarige gör med hjälp av sin erfarenhet ett förstärkningsförslag.
Detta subjektiva utnyttjande av objektiva mätningar skall inte underskattas. Det leder med stor sannolikhet åtminstone till att förstärkningsresurserna placeras där de behövs bäst.
Kunskap om relation mellan mätvärden och utfall av förstärkningsåtgärder på tidigare förstärkningsobjekt kan vara ett väsentligt inslag i erfarenheten. Man kan genom att relatera sin erfarenhet till mätvärden utnyttja den mera systematiskt. Nackdelen med den subjektiva dimensioneringen är naturligtvis att den grundas på ett tämligen begränsat statistiskt underlag och att den inte blir särskilt exakt.

3.5.3.2 Dimensionering med direkta algoritmer

Man kan systematisera en större mängd erfarenhet och även resultatet av en mängd beräkningar, och sammanställa dem i enkla formler, algoritmer, eller diagram, där man som ingångsparametrar har mätvärden och som resultat får exempelvis förstärkningstjocklek, livslängd eller tillåtet axeltryck.
En sådan metod går ut på att man jämför olika överbyggnadsmaterial med ett referensmaterial, och med hjälp av ekvivalensfaktorer översätter en tjocklek av ett visst material till en tjocklek av referensmaterialet. Beroende på underbyggnadens styvhet och trafikens storlek kräver man sedan en överbyggnad motsvarande en viss tjocklek av detta referensmaterial. Metoden har nått stor spridning genom att en variant utarbetats av American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO, med ledning av ett stort provvägsförsök i USA.
En svensk variant för förstärkningsdimensionering beskriven i Förbättring Bärighet/Beläggning [11] används främst av Trafikverkets Region Väst. Vägen delas med hjälp av fallviktsmätning in i delsträckor. Med hjälp av delsträckeindelningen väljer man platser för provgropar, där de befintliga överbyggnadsmaterialens tjocklek och ekvivalensfaktorer bestäms. På så vis får man fram den befintliga ekvivalenttjockleken och kan bestämma vilken påbyggnad som behövs.

En metod använd av finska Vägverket går ut på att man för en viss trafik och en viss överbyggnadstyp kräver en viss så kallad ytmodul för vägkonstruktionen. Ytmodulen är den elasticitetsmodul hos en homogen oändligt utbredd halvrymd, som skulle ge samma nedsjunkning mitt under lasten som man får på den testade vägen. Om modulen är för låg, d v s om vägbanans fjädring under last är för stor, kan man beräkna hur tjock påbyggnad som erfordras. Metoden har använts länge i Finland, och i princip likadana metoder används i många andra länder, exempelvis Storbritannien och Frankrike. För provbelastningen har tidigare använts statisk plattbelastning och så kallad Benkelmanbalk, en apparat som mäter nedsjunkningen mellan hjulen på en lastbil med dubbelmontage. I Finland har man i dag helt övergått till fallviktsmätningar, och motsvarande övergång pågår på många andra håll. Metoden finns beskriven på finska i finska Vägverkets anvisningar, och till viss del på engelska i en programmanual [12].
En norsk metod ger ett axeltryck som vägen enligt fallviktsmätningen skall klara ett visst antal år. Kriteriet liknar det finska, men förutom att man tar hänsyn till nedsjunkningen mitt under lasten, tar man också hänsyn till krökningsradien under lasten. Med kröknings-radien avses här krökningsradien hos den nedsjunkning som uppstår på grund av lasten.
En metod som bygger på krökningsradien har nyligen utarbetats vid Statens väg- och transportforskningsinstitut i Linköping, VTI [13]. Krökningsradien bestäms med fallviktsmätning och jämförs med ett för den aktuella trafiken minsta värde. Metoden ger också den förstärkning som behövs för att öka krökningsradien till ett acceptabelt värde. Metoden som sådan är långt ifrån ny, och används på många håll, men tidigare har numeriska värden grundade på erfarenhetsvärden från svenska vägar ej funnits.
Trafikverket har utarbetat en metod för dimensionering av påbyggnad när en grusväg skall förses med bituminös beläggning [14]. Med fallviktsmätning delas vägen in i delsträckor som tilldelas en bärighetsklass och med klassvärdet, trafiken och klimatet som ingångs-parametrar får man påbyggnaden ur en tabell.
Datorprogram som utför dessa olika beräkningar finns att tillgå. Användningen av programmen är tämligen enkel och beräkningarna går så snabbt att samtliga mätpunkter på ett förstärkningsobjekt behandlas på några minuter eller sekunder efter inmatningen av ingångsdata. Det bör inte vara något problem att lära sig hantera sådana metoder.
I Trafikverkets Publikation TRV 2012:051, Bearbetning av deflektionsmätdata, erhållna vid provbelastning av väg med FWD-apparat, Metodbeskrivning 114 [17], diskuteras en del andra enkla bärighetsmått, men inga direkta råd angående tillämpning och kriterier ges.

3.5.3.3 Analytisk dimensionering

Med hjälp av storlek och form hos den deformation som uppstår under och intill den yta där belastningen anbringas vid fallviktsmätning kan man beräkna de ingående lagrens elasticitetsmodul. När man har beräknat elasticitetsmodulerna för de olika lagren kan man i den teoretiska modellen anbringa hjullasten och beräkna de töjningar som uppkommer i materialen. Dessa töjningar jämförs med de töjningar som materialen vid den aktuella trafikmängden tål utan att spricka eller deformeras. Om töjningarna är för stora lägger man i modellen på ett lager till och beräknar de nya töjningarna, tills dessa är acceptabelt små.
Som ingångsparametrar i beräkningarna behövs de befintliga lagertjocklekarna. Man måste också göra antaganden om materialens tvärkontraktionstal. De matematiska modellerna förutsätter också i huvudsak isotopa, homogena och ospruckna material. Beräkningen blir därför mer eller mindre exakt, beroende på dels hur väl man känner ingångsvärdena, dels hur väl de verkliga materialen beter sig som de matematiska modellerna. Om förutsättningarna för beräkningarna är goda kan man nå mycket exakta resultat, men så är långt ifrån alltid fallet. Det är därför ofta, för förstärkningsprojekt i Sverige kanske oftast, säkrare att använda direkta algoritmer av ovan beskriven typ.
Beräkningen kan vara tidsödande. Många program kan visserligen utföra automatiserade beräkningar på någon sekund per mätpunkt, men det kan också ta dagar att genom provning av många olika tänkbara förutsättningar få fram en beräkning man litar på i en enskild punkt. En strategi kan vara att i alla mätpunkter göra analyser med enkla algoritmer och i några representativa punkter med väl kända lagertjocklekar analysera töjningarna.
På större nybyggda vägar har man oftare tillräckligt goda förutsättningar för att göra en noggrann analys av töjningarna.
Det finns många datorprogram som gör sådana beräkningar. På grund av de beskrivna svårigheterna krävs av operatören både teoretisk förståelse för de beräkningar som utförs och erfarenhet av att bedöma resultatens tillförlitlighet.
Trafikverket ger i de ovan nämnda TRCK Väg [15] och Bearbetning av deflektionsmätdata, erhållna vid provbelastning av väg med FWD-apparat [17] anvisningar om analytisk dimensionering av Trafikverkets vägar.

3.5.3.4 Exempel

En lågtrafikerad grusväg i mellersta Sverige försågs för ca sju år sedan med en beläggning av 40 mm AEBÖ. För att dels förstärka, dels förbättra profilen lades dessförinnan ett förstärkningslager av 0 till 40 cm tjocklek + nominellt 7 cm bärlagergrus.

Vägen uppvisar nu spår av varierande djup, 5-40 mm. Ca 40 % av längden har längsgående sprickor i åtminstone något hjulspår, och vissa partier är kraftigt krackelerade. Ett antal tjälsprickor kan konstateras, och en del ej särskilt besvärande ojämnheter har uppkommit på grund av tjälskjutning. Inga materialprover har tagits, men enligt ritningar från den tidigare påbyggnaden är materialet i undergrunden lerig siltig morän. Enligt VÄG 94 är tjälfarlighetsklassen 3, materialtypen 4 och klimatzonen 3.

Bild 3:11 Exempel på presentation av påbyggnadsdimensionering utgående från fallviktsmätning. Dimensioneringen är gjord enligt en metod tillämpad av finska Vägverket med ett datorprogram från KUAB.

Bild 3:11 Exempel på presentation av påbyggnadsdimensionering utgående från fallviktsmätning. Dimensioneringen är gjord enligt en metod tillämpad av finska Vägverket med ett datorprogram från KUAB.

Trafikmängden är osäker med ett ganska stort inslag av tung trafik, och kan grovt skattas till 400 000 standardaxlar under dimensioneringsperioden.
Skadorna är tydligt orsakade av tung trafik, och därför görs en fallviktsmätning. Med hänsyn till att både den ursprungliga överbyggnaden och den för några år sedan utförda påbyggnaden varierar kraftigt i tjocklek och troligen en hel del även i materialsammansättning, bedöms det vara för svårt att med ett rimligt antal provgropar nå representativitet, och inga grävningar utförs. Av samma skäl bedöms töjningsberäkningar bli osäkra. Man väljer som huvudmetod för dimensioneringen en enkel metod, den empiriska metod som används av finska Vägverket. De olika stegen i en beräkning är ungefär desamma oavsett metod, så exemplet kan anses beskriva en mer eller mindre generell procedur.
Första steget i datakörningen är att programmet delar in vägen i delsträckor med approximativt konstant bärighet. Operatören matar in data om varje delsträcka, varpå programmet gör en temperaturkorrigering och en årstidskorrigering.

Bild 3:12 Samband mellan antal standardaxlar under dimensioneringsperioden och erfordrad ytmodul enligt en metod tillämpad av finska Vägverket (förenklat diagram som illustration, ej för tillämpning).

Bild 3:12 Samband mellan antal standardaxlar under dimensioneringsperioden och erfordrad ytmodul enligt en metod tillämpad av finska Vägverket (förenklat diagram som illustration, ej för tillämpning).

De korrigerade ytmodulerna beräknas. Dessa visas i det översta diagrammet i bild 3:11. I bild 3:12, som visar erfordrad modul för olika trafikmängder, kan man se att ytmodulen 190 MPa skall eftersträvas. I bild 3:11 ser vi att detta är sträckvis uppfyllt.
Med ett litet antal fordon, samt risk för reflektionssprickor och tjälsprickor, synes det lämpligt att använda en inte alltför styv beläggning, exempelvis MJOG, och att även överväga att lägga ett grusbärlager. När man väljer moduler för de olika materialen, liksom när man väljer andra parametrar, måste man komma ihåg att de empiriska metoderna kräver att man håller sig så nära de ursprungliga förutsättningarna som möjligt. Det tillgängliga bärlagergrusets kurva läggs in i bild 3:13, och man får modulen 350 MPa. MJOG kan inte återfinnas i bakgrundsmaterialet. Modulen skattas till 3000 MPa.
Datorprogrammet beräknar sedan erfordrad förstärkning, dels med enbart MJOG, dels med bärlager + 40 mm MJOG, de två nedersta diagrammen i bild 3:11.
Dimensioneringsförslaget blir en påbyggnad av 0, 10 och 20 cm bärlagergrus, samt 40 mm MJOG på hela sträckan.
Innan det slutgiltiga förslaget ges kontrolleras överslagsmässigt att det är rimligt med hänsyn till krökningsradier enligt [13] och tillåtna axeltryck enligt den norska metoden, och med hänsyn till töjningsberäkning som utförs i ett par punkter.

Bild 3:13 Bestämning av elasticitetsmodul för bärlagergrus enligt en metod tillämpad av finska Vägverket (förenklat diagram som illustration, ej för tillämpning).

Bild 3:13 Bestämning av elasticitetsmodul för bärlagergrus enligt en metod tillämpad av finska Vägverket (förenklat diagram som illustration, ej för tillämpning).

3.6 Referenser

[1] ATB VÄG, Allmän teknisk beskrivning för vägkonstruktion. Vägverket Publikation 2000:111[2] SANREMO. Ny dimensionering av vägöverbyggnader i BYA på kort sikt. VTI Notat V187, 1992.[3] Shell Pavement Design Manual. London 1978.[4] Kingham R I. Failure Criteria Developed from AASHO Road Test Data. Third International Conference On The Structural Design of Asphalt Pavements. Vol. 1. London 1972.[5] EUR 18906 – COST 333 – Development of New Bituminous Pavement Design Method, Final Report of the Action. Luxembourg : Office for Official Publications of the European Communities, 1999, 375 pp. ISBN 92-828-6796-X[6] M. E. Nunn and D. B. Merril, 1997. Review of Flexible and Composite Pavement Design Methods TRL Paper PA/3298/97.[7] AASHTO 2002 Guide for Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Project 1-37A. Hemsida på Internet: www.2002designguide.com[8] VÄG 94, Allmän teknisk beskrivning för vägkonstruktioner. Vägverket 1994-08.[9] AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, 1993. American Association of State Highway and Transportation Officials.[10] Bära eller brista. Handbok i tillståndsbedömning av belagda gator och vägar. Lars-Göran Wågberg, VTI, Maj 1991[11] Förbättring Bärighet/Beläggning. Projektering av enskilt objekt. Vägverket Publ. 1992:022.[12] KUAB Analysis Program Manual. KUAB Konsult & Utveckling 1995.[13] Modellutveckling. Dimensionering vid förbättring och underhåll. Lennart Djärf. VTI Notat nr V 207. Linköping 1993.[14] BYA 84. Vägverket, dokument TU 154.[15] TRVK Väg

Författare

Leif G Wiman
Född 1946. Civilingenjör CTH 1970. Anställd vid Statens väg- och transportforskningsinstitut sedan 1974. Överingenjör, forskningsledare.

Olle Tholén
Född 1944. Civilingenjör KTH, tekn. dr i Vägbyggnad 1980. Anställd vid KUAB Konsult & Utveckling AB i Rättvik.