Forskningsområden

I samband med utveckling av rullmotståndsmodeller har det aktualiserats att kunskapen om hur vägytedata varierar tvärs vägen är begränsad.

I en studie gjord på VTI har det visat sig att MPD-nivån (Mean profile index) varierar med sidoläge, speciellt på mindre vägar, vilka ofta används som teststräckor i modellutveckling. Även annan vägytedata såsom IRI (International roughness index) och megatextur varierar.

En annan slutsats i studien angående insamling av vägytedata är att all data för modellutveckling bör samlas in vid samma tillfälle till exempel genom att samla in all data med samma fordon.

Djupdränering är en effektiv metod för att reglera grundvattenytan och kan, i samband med väggbygge, rekommenderas som metod i de fall vägen ligger i jordskärning under befintlig markyta i kombination med hög grundvattenyta. Dräneringen måste dock underhållas för att behålla sin effektivitet.

Utmed väg 126 nära Torpsbruk har Trafikverket under många år haft problem med bärighet, tjälskott och liknande. Problemen bedöms bero på en kombination av dåliga material och för höga vattenhalter på den aktuella platsen.

Försök som VTI gjort på platsen visar att djupdränering är en mycket effektiv metod att reglera grundvattenytan. Detta kunde bekräftas vid dämningsförsöken då grundvattennivåerna steg och sjönk mycket snabbt i samband med pluggning och öppning av djupdräneringen. Djupdränering är även en mycket effektiv metod att reglera vattenhalten i vägen, i synnerhet då grundvattenytan utan djupdränering ligger högt i vägkonstruktionen. Tätning av stödremsa och innerslänt påverkade vattenhaltens dynamik. För att undersöka infiltrationen av regn och vägvatten tätades även en del av stödremsan och innerslänten längs vägen.

Resultaten kan användas för att utvärdera om täta innerslänter kan vara lämpligt ur underhållssynpunkt av vägar. För att kunna utvärdera den långsiktiga effekten av en tätad stödremsa och innerslänt på vattenhalterna i vägen måste mätningar pågå under ett eller ett par år till.

Vägnätet i stora delar av Norden är utsatt för relativt stor omgivningspåverkan under året. Under vinterhalvåret exponeras vägar för temperaturer under nollstrecket, vilket ger upphov till tjälbildning som penetrerar vägkonstruktionen och undergrunden. Vatten ackumuleras då i islinser i konstruktionen genom lateral transport av fukt, vertikal infiltration av nederbörd samt kapillär stigning av fukt från grundvattenytan. Under tjällossningsperioden omvandlas sedan isen till vatten igen, vilket leder till att konstruktionen håller relativt hög fuktkvot tills vattnet gradvis dräneras bort och vägen återhämtar det tillstånd den hade innan frysningen påbörjade.

Ökat fuktinnehåll i de granulära delarna i konstruktionen under tjällossningsperioden resulterar i nedsatt skjuvhållfasthet i materialet samt minskade friktionskrafter mellan enstaka stenpartiklar. De obundna lagren förlorar därför delar av sin styvhet och bärighet, vilket kan ge upphov till en relativ rörelse mellan partiklarna med accelererad ackumulering av permanenta deformationer som följd. Ökning i utmattning av den bundna delen kan också observeras eftersom det underliggande stödet från det granulära materialet har minskat. Det hävdas ofta att den mest betydelsefulla faktorn för nedbrytning av vägar i regioner med kallt klimat är tjälperioden. Ökad förståelse av vägkonstruktionens strukturella beteende och uppförande under denna period är därför viktigt och kan leda till förbättringar i dimensioneringen (alternativa lösningar) med förhöjd förmåga att motstå nedbrytningsprocesser associerade med tjälperioden.

I denna rapport har det strukturella tillståndet av länsväg (Lv)126 i södra Sverige följts upp under tjällossningsperioden 2010. Vägen är traditionellt uppbyggd, tvåfilig landsväg med flexibel beläggning och den öppnades för trafik 1985. Vägsträckan som observerades ligger nära Torpsbruk, 5 km norr om Moheda i Alvesta kommun i Småland.

Den aktuella undersökningsplatsen var instrumenterad med temperatur- och fuktkvotsmätare som registrerade mätvärdena regelbundet under tjäl- och tjällossningsperioden. Det strukturella tillståndet undersöktes sedan med KUAB 50 fallviktsmätare. Totalt elva fallviktsmätningar utfördes våren 2010. Genom bakåtberäkning av fallviktsdatan bestämdes sedan styvhetsegenskaperna hos de individuella lagren i vägkonstruktionen. Analyserna gav därför styvhetsändringen under såväl tjällossningsperioden som den efterföljande återhämtningsperioden.

Fallviksdata användes för att klassificera vägens respons och för att undersöka energiåtgången under tjällossningsperioden. Slutligen jämfördes de bakåtberäknade modulerna med den uppmätta fuktkvoten för de obundna lagren, vilket gav styvhetsmodulens fuktkvotsberoende.

Hur rullmotstånd och bränsleförbrukning påverkas av vägytans egenskaper, såsom makrotextur och ojämnhet, är betydelse-fullt att veta när man ska utforma beläggningen på en viss väg. Resultaten av en VTI-studie visar att inverkan av ojämnhet är generellt betydligt lägre än inverkan av makrotextur.

Då denna påverkan är av en relativt liten storleksordning så blir mätningen av den en utmanande uppgift. I litteraturen förekommer stora variationer i de kvantitativa skattningarna av dessa samband och det råder fortfarande stor osäkerhet om hur stor påverkan vägytan verkligen har. I föreliggande studie har försök gjorts att finna pålitliga skattningar av hur makro-textur och ojämnhet påverkar rullmotståndet. Utgångspunkten har varit utrullningsmetoden eftersom denna kan ge konsistenta skattningar av alla typer av färdmotstånd som inverkar på fordonet, inte bara rullmotståndet.

Utrullningsmetoden har tillämpats dels på en personbil, dels på en tung lastbil. För personbilsdäck finns även två alternativa mätmetoder för direkt skattning av makrotexturens påverkan på rullmotståndet. Den ena metoden innebär att en speciellt utvecklad mätvagn mäter rullmotståndet för ett därpå monterat däck, den andra metoden innebär att i laboratorium, på trummor med olika ytbeläggningar, mäta rullmotståndet. Data och resultat för båda dessa metoder har tillhandahållits oss från TUG i Gdansk.

På grund av olika förutsättningar som gällt vid tillämpningen av de tre metoderna så är inte resultaten omedelbart jämförbara. Dock pekar resultat från de tre olika metoderna i samma entydiga riktning. Koefficienten CrMPD, som karakteriserar inverkan av makro¬textur på rullmotståndet, stämmer mycket väl överens mellan utrullnings-, trailer- och trummätningar: CrMPD=0.0017. Data från trummätningarna, som omfattar 90 olika däck, ger en uppfattning om skillnader mellan olika däck. Standardavvikelsen av CrMPD, för de uppmätta däcken, var 0.0002.

Vad beträffar ojämnheters inverkan på rullmotståndet så tillhandahåller endast utrullningsmetoden någon information om detta. Resultaten visar att inverkan av ojämnhet är generellt betydligt lägre än inverkan av makrotextur.

Utrullningsmätningarna för personbilen omfattade både dubbdäck och sommardäck.

Utrullningsmetoden tillhandahåller, förutom information om rullmotstånd, även andra värdefulla data om fordonet, såsom luftmotstånds- och temperaturkoefficienter samt transmissions-motstånd.

För den tunga lastbilen har endast utrullningsmetoden kunnat tillämpas och därför saknas jämförande resultat från alternativa metoder. Omfattningen av mätningarna har varit betydligt mindre än för personbil. Resultaten är instabila och det är svårt att dra säkra slutsatser från dem.
Fokus i studien har varit utrullningsmetoden. En allvarlig nackdel med denna, åtminstone vid tillämpning på vägyteeffekter, är att den kan implementeras på många olika sätt och att resultaten därifrån kan skilja sig åt. Svårigheten att spåra bakåt vilka mätfel som orsakar instabiliteterna i resultaten är en annan svaghet med metoden. Stor omsorgsfullhet krävs vid mätningarna för att erhålla pålitliga och stabila resultat.

Syftet med projektet är att undersöka ett koncept med funktionsbaserad optimering av vägöverbyggnaden där fraktionen på förstärkningslagret och beläggningstjockleken har varierats.

Inom projektet har totalt 14 provsträckor i K1 och K2 i norrgående riktning på E4 mellan Skånes Fagerhult och Markaryd följts under åren 2004 till 2010. Uppföljningen har skett genom tvärprofilmätningar och fallviktsmätningar.

Uppföljningen utfördes på 8 observationssträckor á 100 m och 6 provsträckor á 40 m. Asfaltbeläggningen i K1 består av 40 mm slitlager, 45 mm bindlager och 95 mm AG med 8 cm grusbärlager under. Asfaltbeläggningen i K2 består av samma slit- och bindlager men ej någon AG. Förstärkningslagret varierar mellan sträckorna från 60 cm krossat berg 0–300 mm till 42 cm krossat berg 0–150 mm alternativt krossat berg
0–90 mm. Samtliga sträckor ligger på bank och bankfyllningen.

Vägen öppnades för trafik 2004, men då trafikerades bindlagret. Slitlagret lades först sensommaren 2005 efter cirka ett års trafik. Den ytan trafikerades 4 år fram till sommaren 2009 då slitlagret i K1 åtgärdades med en remixing. I K2 utfördes ej någon åtgärd.

Den första mätningen på slitlagret utfördes våren 2006 efter att det trafikerats ca 1 år. En profilmätning utfördes våren 2009 innan åtgärden. Den senaste profilmätningen utfördes hösten 2010. Spårdjupen har beräknats enligt trådprincipen.

En sammanställning av profilmätningarna fram till åtgärden 2009 visar att de uppmätta profilerna i K1 har en tydlig spårbildning med ett spårdjup i medeltal per sträcka på 9,2–11,8 mm i vänster spår och 8,8–13,0 mm i höger spår. Spåren är relativt breda och spårvidden är ca 2 m vilket betyder att spåren är orsakade av den tunga trafiken. Spårbildningen i K2 har hela tiden varit väldigt liten och otydlig. De spår som beräknats från profilerna är bara några millimeter djupa.

Även om profilerna i K1 inte hade någon spårbildning direkt efter åtgärden finns en del ojämnheter i kanterna inkl. kantlinjen. Hänsyn till det har tagits i spårberäkningen. Spårtillväxten från åtgärden 2009 fram till senaste mätningen 2010 har varit relativt hög; ca 2–4 mm under det första året efter åtgärd med en tydlig spårbildning. Spårdjupsutvecklingen i K2 har fortsatt vara väldigt liten med endast ett par millimetrar totalt i spårdjup/ojämnheter.

Provbelastning med fallviktsapparat utfördes i höger hjulspår i båda körfälten. Sträckorna mättes vid 4 tillfällen årligen från 2004 till 2007. Mätningarna 2004 och 2005 utfördes på bindlagret medan efterföljande mätningar utfördes på färdig beläggning med slitlager. I K2 utfördes mätningar endast 2006 och 2007.

Analysen av resultaten från fallviktsmätningen har gjorts genom bakåträkning av E moduler på de olika lagren i vägkonstruktionen.

E-modulerna för asfaltbeläggningen i K1 vid senaste mättillfället ligger på ca 4 000–5 000 MPa korrigerat till 15°C beläggningstemperatur. I K2 är E-modulen betydligt högre än i K1 och ligger i genomsnitt på ca 17 000 MPa. Det är väldigt höga beräknade E-moduler i K2 som kan förklaras med att beläggningen är styv men troligen också att den verkliga beläggningstjockleken är något större än den nominella som används i bakåträkningen.

Styvheten på den obundna överbyggnaden är något högre på de södra observationssträckorna än på de norra provsträckorna och ligger vid senaste mätningen mellan 172 och 297 MPa. Resultatet av mätningarna visar att den obundna överbyggnaden på sträckorna med 0–150 material är något styvare än sträckorna med 0–90 material. Sträckorna med 0–300 material har samma styvhet som sträckorna med 0–150 material.

Responsen i vägkonstruktionen vid belastning med lastbil respektive fallvikt mättes med givare installerade i vägkroppen. Responsmätning utfördes vid två tillfällen, 2005 och 2006. Resultaten från mätningarna är av varierande kvalité. Det är liten variation i de uppmätta värden mellan överfarterna, vilket betyder en god repeterbarhet. Det är dock stora skillnader i uppmätta värden mellan givare på samma sträcka och då främst i de uppmätta spänningarna. Det gör att det är svårt att dra några entydiga slutsatser om skillnader i spänningar mellan sträckorna.

Tydligaste slutsatsen från uppföljningen av sträckorna på E4 Skånes Fagerhult är att det finns goda motiv att optimera vägöverbyggnaden efter den trafikbelastning som är i respektive körfält. Den förhållandevis tunna asfaltbeläggning som ligger i K2 ser hittills ut att fungera utmärkt. Spårbildningen i K2 efter ca 5 års trafik är endast marginell medan den är betydligt mer framträdande i K1.

Den tydligaste indikationen på skillnader mellan konstruktionstyperna visar fallviktsmätningen där den obundna överbyggnaden med förstärkningslager 0–150 har högre styvhet än förstärkningslagret med 0–90. Att öka storleken ytterligare till 0–300 ser dock inte ut att bidra med någon styvhetshöjning.