Kandevõimed ja nende mõõtmised – laiemalt, uuringud tee projekteerimisel

  • Post author:
  • Post category:Artiklid
  • Post last modified:28. jaan. 2021

Varasemas kirjatükis olen rääkinud kompetentsist. Seekord siis kandevõimest, kuid ajendiks on ühe kohaliku omavalitsuse pakkumiskutse, kus soovitakse kandevõime mõõtmist selleks, et üks konkreetne tee/tänav rekonstrueerida. Kandevõime mõõtmise tulemusena soovitakse teada iga maa (tee) all paikneva kihi kohta arvutusparameetreid tee projekteerimiseks (katendiarvutuse koostamiseks).

Tee projekteerimise (sealhulgas ka rekonstrueerimise) aluseks on tõepoolest uuringud. Ning need uuringud võiks jagada kolmeks.

  • Liiklus
  • Geoloogia
  • Olemasoleva tee seisukorra hindamine
    • kandevõime
    • defektid

Liiklusuuringuga selgitatakse välja olemasoleva tee tegelik liiklus, teades (ja usaldades) planeeringuid, prognoositakse liikluse muutused järgnevaks 20 (25) aastaks – tänaste reeglite järgi peaks püsikattega tee tööiga olema vähemalt 15 aastat, riigiteedel 20 aastat ja mõeldakse selle numbri suurendamisele (teoorias kuni 50 aastani) – seda aega loetakse täispikkades ekspluatatsiooniaastates, see tähendab, alustatakse ehitustöödele järgnevast aastast. Lisaks liiklussagedusele mis pigem määrab vajaliku tee ristlõike, leitakse ka koormussagedus (mitu miljonit normtelge läbib teed teekatendi eeldatava tööea jooksul). Maanteel on tänast olukorda lihtsam jälgida sest meil on olemas loenduspunktide võrk ehk süsteem, kohalike omavalitsuste teedel-tänavatel see puudub ja seetõttu kasutatakse siin tihti üldistust, lähtudes liiklusest ja eeldades teatud keskmist liikluskoosseisu. Soome praktika näiteks näeb ette, et prognoositakse liiklussagedus 10ndaks kasutusaastaks (seda suudame veidi paremini ette näha kui kaugemale tulevikku, mitte igaühele pole antud ennustamiseks vajalikku kristallkuuli). Maanteel kasutatakse vastavaid siirdetegureid (seega, siirdeteguriga viime reaalselt loendatud konkreetse liigi sõidukid, üle normtelgedeks – kuid alguses siiski ühe, aastakeskmise päeva tasemel) ja leitakse 10nda aasta prognoosist lähtuvalt 20 aasta koormussagedus korrutades aastakeskmist prognoosi 7300-ga (20 aastat 365 päeva aastas). Koormusest tuleneb vajalik katendi kandevõime. Meil kasutatakse selleks veel logaritmvalemit mis tuleneb üheselt vanast 1983nda aasta normist (venelased loobusid vanast juhendist 2001, samal aastal kui meil kehtestati Eesti juhend just tolle vana nõuka-aegse järgi, tolle 1983 juhendi järgi ja nii ka meil senikehtivas skeemis, on eeldatud katte tööeaks 15 aastat; vajaliku kandevõime logaritmvalemi aluseks on koormus viimasel 15-ndal aastal – kui juhendis muudeti katendi tööiga, 20 aastani, tuli arvutusliku kandevõime logaritmfunktsiooni aluse leidmiseks 20 aasta summaarne koormus taandada tinglikult 15-nda aasta koormusele, selleks jagame summaarse koormuse konstandiga 5000). Soome juhised on veidi uuemad ja arvestavad paremini ka sõidukipargi muutusi. Selgub aga, et asi ei ole ainult siirdetegurites (mis said 2015 uuendatud, töö 2015-8 Maanteeameti kodulehelt) vaid seose intensiivsuses (koormus/kandevõime graafiku kujus), sest Soome normi järgi on madala klassi tee katendid enamvähem samasugused meie omaga, suure koormusega on aga vahed väga suured. Teemat on põhjalikumalt käsitletud 2011 aasta uuringus (2011-18, 52-tonniste veoste aastaringse lubamise mõju teedele).

Liiklusuuringu ülesanne on ka hinnata tee ristlõike ja ristmiku läbilaskevõimet – loenduse tulemusest leitakse prognoosid ja arvutatakse, kas prognoositav liiklus mahub antud ristlõikest läbi etteantud teenindustasemega. Ehk siis ristmiku puhul, on see abiks ristmiku projekteerimisel ristmiku liigi valikul, täpselt samade põhimõtete alusel – kas piisab reguleerimata ristmikust, sobib ring või on lahenduseks ainult foor või eritasandiline liiklussõlm.

Geoloogiline uuring peaks andma vastuse küsimusele, kui paksud ja millised materjalide või pinnaste kihid paiknevad teatud sügavustel. Reeglina piirdub geoloog pinnaste liigitamisega, tehes selleks liigitamiseks vajalikud väli- ja laboratoorsed uuringud. Teekatendite projekteerimisel kasutatakse üldjuhul üldistatud tabeliväärtusi (elastsusmoodulid, sisehõõrdenurk, nidusus) arvutusteks, kuid tabelist peaksid väärtused olema leitavad samas jaotuses, kuidas geoloog need pinnased või materjalid liigitas. Kas see nüüd nii peabki olema, võib vaielda – igatahes usun, et projekteerimine peaks rohkem tuginema väljas mõõtmistel, seega ka kandevõime mõõtmisel enne tee ehitamist. Kui õnnestub mõõta väljas ka konkreetsete materjalide arvutusparameetreid, miks mitte. Paljude laborimõõtmiste probleem on väga väikeses proovi suuruses (puuduvad suuremamõõdulised seadmed ja katseid pole standardiseeritud ka mujal maailmas), mistõttu suuremateralisi materjale ei osata ka laboris katsetada. Teine probleem on ka selles, et erinevalt materjalidest, pole pinnased tihti homogeensed ja omadused võivad suuresti erineda katsetades proove, mis võetud looduses vaid mõne meetri kauguselt teineteisest. Geoloogilise uuringu, mis annab ülevaate reaalselt enne projekteerimist esinevast situatsioonist, sh ka näiteks rekonstrueerimise eelsest teekonstruktsioonist, alusel, saame projekteerimisprotsessis teha geotehnilise uuringu mille eesmärgiks on hinnata kavandatava (projekteeritava) lahenduse stabiilsust ja püsivust. Lihtsamalt öeldes, nõrkade aluspinnaste puhul arvutada lisatava teekonstruktsiooni ja liikuvkoormuste mõjul eeldatavad vajumid ning hinnata, kui sõiduk satub tee servale, kas see serv ära ei vaju (lihkekindlus – risk on suurem kõrgemal muldel ja järsu nõlva kavandamisel). Juhul, kui tulemused ei meeldi, tuleb konstruktsiooni muuta – teha laugem nõlv mis võib vajada suuremat maaeraldust, või tugevdada aluspinnaseid ehk kasutada ka teekonstruktsioonis teisi materjale.

Olemasoleva teekonstruktsiooni kandevõime mõõtmiseks on võimalik kasutada väga erinevaid seadmeid, neil seadmetel on oma funktsioon ja samas on kõigil seadmeliikidel ka omad piiratused. Enamlevinud seadmetest tasuks rääkida kolmest liigist – FWD (falling weight deflectometer), LWD (lightweight deflectometer) ja PLT (plate load test). Reaalselt on Eestis olemas üks FWD (Dynatest, Teede Tehnokeskusel) – Eestis mõõdab aegajalt ka soomlaste KUAB (seda tuleks küsida ERC Konsultatsiooni OÜ kaudu), päris palju kergseadmeid LWD tüüpi (kolm seadet Dynatestilt ja üle kolmesaja Englo toodetud Inspectori, ning paar Loadman-seadet mis olid aluseks Inspectori konstrueerimisel) ja arvestatav kogus PLT (plaatkoormuskatse) seadmeid.

Reeglina teostatakse kõik mõõtmised plusstemperatuuridel ning vähemalt seadme mõjusügavuse ulatuses ei tohi maapind külmunud olla. PLT ja LWD puhul tähendab see umbes 60 cm ulatust (tegelik mõju ulatus on keerulisem, sõltudes nii seadme parameetritest kui ka mõõdetavast pinnasest/materjalist ja selle niiskusest), FWD puhul kuni 1,5 m.

FWD seade on mõeldud mõõtmiseks teekatte pinnal ning seadme töörežiim on lähedane veokiratta mõjule (ca 50 kg kukkuv raskus, mis tee pinnale mõjub läbi 300 mm plaadi ja tekitab sama pinge teepinnal mis viietonnine veokiratas) kogu teekonstruktsioonile. Mõõdetakse vajumit olukorras, mis imiteerib veoki ratta dünaamilist koormust teekattele ja lisaks koormuskohale, mõõdetakse vajumit lisa-anduritega mille tulemusena saame informatsiooni ka alumiste kihtide seisundi kohta (vajumikauss ja FWD-indeksid, mida on kirjeldatud varasemates uuringutes). Teades geoloogiat (kihtide paksusi), on vähemalt teoorias võimalik tagasiarvutustega saada erinevate kihtide elastsusmoodulid. Need moodulid sõltuvad, bituumeniga kihtidel tugevalt temperatuurist, sidumata kihtidel niiskusest. Reaalselt piirdutakse siiski kogu kandevõime teadasaamisega (temperatuuri järgi taandatakse tulemused kokkuleppeliselt võrreldavaks – kuid seda mitte talveajalt, st ei piisa sellest, et mõõtmishetkel on plusstemperatuurid) ja FWD indeksite kaudu hinnangu andmisega sügavuti erinevate kihtide seisundile, mis aitab otsustada, kui juba rekonstrueeritakse, siis kui sügavalt on vaja vanad nõrgemad kihid asendada. Maailmas rakendatakse täna üha rohkem ka maanteekiirusel mõõtmist (Raptor, RWD, TSD), kus lasertehnoloogiaga mõõdetakse vajumit enne ja pärast koormatud ratast. Tegemist on üsna kalli ja kiirelt areneva tehnoloogiaga (näiteks, mõõtes väga täpse videosensoriga laserkiire kattelt tagasipeegeldumise nurka või siis doppleri efekti põhiselt mida tunneme näiteks radarist, kus mõõdetakse peegeldunud signaali järgi objekti kiirust), kuid täna veel ei asenda see detailsemaid kohapealseid mõõtmisi – küll aga võimaldab välja selgitada probleemsed alad, kus täpsemaid uuringuid ja mõõtmisi korraldada vahetult enne projekteerimist.

PLT seade seevastu sobib ainult sidumata kihtide mõõtmiseks, seega kas ehitusaegseteks mõõtmisteks või ka näiteks kruusateedele. Ühe punkti mõõtmine võtab ligikaudu tunni ja see vajab umbes kümnetonnist koormust (tavaliselt kas koormaga raskeveok või teerull – sõltuvalt kasutatavast koormusplaadist võib vajalik koormus olla 50…90 kN).

LWD (kergdeflektomeeter) seadmed võib jagada erinevatesse koolkondadesse, Inspector-seade on konstrueeritud Soome Loadmani (tootja: AL Engineering, konstruktor Anssi Lamppinen) eeskujul ja ette nähtud mitte kandevõime, vaid ehitusprotsessis saavutatud tihendusteguri mõõtmiseks (vt Maanteeameti uuring-juhend 2006-41). Tõsiasi, et seda tihendustegurit väljendatakse läbi kandevõime mõõtmise, mõõteseeria (korduvkoormamiste) jooksul muutunud kandevõime väärtuste kaudu, ei tee seda seadet veel kandevõime mõõteseadmeks. Põhjuseks on seadme töörežiim. Kandevõime arvutame konkreetse konstruktsiooni koormamisel tekkinud vajumi kaudu, sisuliselt on kandevõime konstruktsiooni koormamisel saavutatud elastsusmooduli väärtus. Koormamisel tekivad vajumid igas kihis, seega igal kihil on ka oma elastsusmoodul. Paraku on iga kihi tööolukord (pingerežiim, koormus pinnaühiku kohta) erinev sõltudes kihi asendist konstruktsioonis (kui sügaval koormuse rakendamiskohast ehk konstruktsiooni pinna tasemest kiht paikneb – kuigi lisandub ülakihtide omakaal, jagab iga kiht koormused laiemale pinnale). Kuigi Inspectori koormuseks on 10 kg, kasutatakse seadmes suhteliselt jäika puhvrit, mistõttu pinge seadme talla all on oluliselt suurem, kui reaalselt tööolukorras konkreetses konstruktsioonikihis esinev. Lisaks sõltub materjali elastsusmoodul mõõtmisel kasutatavast pingest – mida suurema pinge all seda mõõta, seda suhteliselt väiksem on mõõdetav deformatsioon ehk suurem materjali elastsusmoodul. Lihtsustatult võib öelda, et Inspectoriga mõõdetav konstruktsioonikiht tihendatakse mõõtmisprotsessis oluliselt rohkem, kui reaalselt ehitusprotsessis ja pingerežiim ületab oluliselt tööolukorras võimaliku piirid – samas saab tõepoolest, katse käigus toimunud muutuse järgi hinnata, kui hästi kiht tihendatud on. Ei enamat. Taani koolkonna seadmetel (Dynatest, Sweco Prima) on töörežiim suures ulatuses varieeritav (nii koormuse – 5…20 kg, selle langemiskõrguse kui koormusplaadi diameetri valiku kaudu, 100…300 mm), seetõttu saab konkreetse kihi kandevõime mõõtmisel arvestada tööolukorras esineva pingediapasooniga. Sellise kergseadme koormus imiteerib pigem sõiduauto ratta mõju kattekonstruktsioonile (kuni 15 kN). Erinevalt plaatkoormuskatsest, võtab ühe punkti mõõtmine vaid paar minutit, seetõttu on ka juhendites soovitatud 10 korda suuremat mõõdetavate punktide tihedust võrreldes plaatkoormuskatsega. Meie juhised näevad täna ette plaatkoormuskatse teostamist sagedusega 4 punkti kilomeetrile, FWD mõõtmised teostatakse tavaliselt 100-meetrise sammuga, kergseadmetega (LWD) mõõdetakse tavaliselt kaherajalisel teel kolm punkti ristlõikes 50 meetrise sammuga. Reaalselt võiks mõõtetihedus olla veel suurem, sest nii õnnestuks leida nõrgemad alad ja vastavalt põhjustele, kas täiendavalt tihendada, vajadusel enne kihti veel niisutades kui tegu on liiga kuiva materjaliga, või koguni materjali asendada kui mingil alal on sattunud ebasobiv materjal. Siit tulenevalt on kasulik ka enne ehituse alustamist, pärast kasvupinnase koorimist, kontrollida kandevõimet et veenduda, kas projekteerija poolt eeldatud kandevõime on olemas. Sest kui pole, ei saa ka projektse lahendusega tagada projektis kavandatut, ning sel juhul tuleks projekti muuta.

Maaradar  – võimaldab hinnata kihtide paksusi, kuid reeglina võetakse aluseks konkreetne ristlõige ja puurauk, sellest saab teada mis kiht kuskil on, radaripildis suudame eristada anomaaliad, ka selle kas kuskil on mingi kiht oluliselt õhem (või paksem) aga ka seda kas maa all mingid torud-kaablid või tühimikud on (uhtumised). Radarid töötavad erinevatel sagedustel, maaradarit saab kasutada ka värske asfaltkatte kvaliteedikontrollis, kuid kindlasti ei võimalda radar anda hinnanguid konkreetse kihi omadustele.

Defektide hindamiseks on olemas vastav metoodika – loetakse üle augud, võrkpraod ja vuugipraod. Nende järgi saab teatud ulatuses hinnata, teades ka, millal ja midagi konkreetsel teel tehtud on, kus ja kui palju tuleks rekonstrueerimisel asendada. Ehk siis, kus tuleks puurida et geoloogiat uurida. Kandevõime mõõtmisega võime avastada ka sellised kohad, mis nõrgad aga pole veel ära lagunenud (vähemalt ei õnnestu seda lagunemist veel väliste tunnuste järgi tuvastada).

Teekatendi projekteerimisel kasutatakse erinevaid tarkvaralahendusi või ka tüüpseid konstruktsioone. Reeglina valitakse materjalide arvutusparameetrid lähtuvalt geoloogiliste uuringute käigus väljaselgitatud pinnaste liigitusest, tabeliväärtustest. Väärtused tabelis aga peaksid tuginema pikemaajalistel mõõtmistel ja kogemustel. Konkreetsete objektil teostatud mõõtmiste kasutamine on probleemsem seetõttu, et me ei suuda mõõtmishetkel fikseerida kõiki vajalikke muutujaid – elastsusmooduli väärtus sõltub temperatuurist (see on asfaldil eriti oluline) ja niiskusest (mõjub tugevalt liivadel ja pinnastel). Välitöödel fikseeritud vajumite väärtustest tagasiarvutuste teel saame teada küll elastsel vajumil toimiva elastsusmooduli väärtuse, kuid ei midagi nihke- või tõmbepingetest. Nende mõõtmiseks peaksid teekonstruktsiooni kihtidesse või kihtide vahele olema paigutatud vastavad andurid. Erinevates katendiarvutuse tarkvaralahendustes kasutatakse erinevaid teoreetilisi aluseid (kuigi, paljudel juhtudel tuginevad need Boussinesq (1842-1929) ja Odemarki (1899-1989) teadustöödele. Vastavalt on kasutusel ka erinevad moodulid. Mõõdame küll megapaskaleid, kuid erinevate seadmetega ja erinevates režiimides mõõdetav ei ole üheselt võrreldav (naljaga pooleks, on KAPis veel nõukogude moodulid, soomlased kasutavad lääne omi, Taani ja Rootsi küll arvutavad ja teevad otsuseid arvutatu sobilikkuse kohta, kuid ei esita seejuures mingeid kontrollitavaid kandevõime väärtusi). Meil kasutatavate moodulite päritolu on väidetavalt kogemuslik, kuid interneti-eelsest ajast, seega ei ole võimalik leida mingeid põhjendusi või aluseid, miks just sellised väärtused valiti.

Siiski, on võimalikud ka teatud lähendused reaalsete mõõtetulemuste kasutamiseks. Reeglina toimib see viisil, et kandevõime mõõtmise järel lähtuvalt teekatendi seisukorrast, otsustatakse, kui suures ulatuses tuleb ülakiht eemaldada ja arvutatakse välja vajaliku ülekatte paksus. Siis asendatav pluss lisatav). Ning sellisteks töödeks saab kindlasti kasutada FWD mõõtetulemusi, teatud ulatuses ka Taani koolkonna LWD seadmetega mõõdetut. Mõlemal juhul on seadmega koos tarnitavas tarkvaras vastav funktsionaalsus. Soomes on rakendatud Odemarki valemi põhist süsteemi nii uue teekonstruktsiooni arvutamiseks kui ka olemasoleva rekonstrueerimisel vajalike ülekatete paksuse määramiseks. Eestis kasutatav skeem Excel-rakenduse KAP abil paraku ei ühildu ühegi teadaoleva mõõteseadmega, samuti ei ole teada, kuidas on saadud KAP-tarkvaras kasutatavad elastsusmoodulite väärtused.

Soome süsteemi alusel on koostatud ka Tallinna tüüpkatendid ning et sealsed arvutustulemused (Odemarki valemiga) peaksid olema ka plaatkoormuskatsega mõõdetavad, oleme koostanud vastavad üleminekutabelid plaatkoormuskatse tulemustele (tuntud ka kui Ev2 – elastsusmoodul teisel koormamisel) teisendamiseks kui kasutatakse Taani või Saksa koolkonna kergseadmeid. Samal alusel on võimalik LWD seadmeid (kuid mitte Soome koolkonna omi erineva töörežiimi tõttu) kasutada ka tsiviilehituses plaatkoormuskatsega lähedase katse tegemisel näiteks vundamendisüvendi aluse kandevõime mõõtmiseks. Päris plaatkoormuskatse kasutamine on, nagu varem öeldud, ajamahukas ja eeldab ka piisavalt suure koormuse kasutamist (vähemalt 5-tonnine raskus plaadi koormamiseks), mida alati nii kerge vundamendiauku ja sealt välja tarida pole. Kergseadme kasutamise eeliseks on ka asjaolu, et üsna kiiresti (poole tunniga) saame ühe mõõtmise asemel teha kümne mõõtmise seeria ja tulemusena teada mitte ainult kandevõime taseme vaid ka veendumuse, et kogu uuritav ala on enamvähem ühtlase kandevõimega. Tihti on oluline mitte ainult see, kas vajalik kandevõime on saavutatud, vaid ka see, et see tulemus on ühtlane sest kui hiljem ka peaksid mingid vajumised tulema, siis ühtlasest vajumisest ei juhtu reeglina veel midagi (liigume koos partei peajoonega), ebaühtlane vajumine võib kuskil ka praod või purunemised kaasa tuua. Me kasutame ehituses üsna palju Soome norme – teedeehituses viidatakse InfraRYL normidele, hoonete ehituses tihti ka MaaRYL, mis määrab vajalikud tihendustegurid ja kandevõime väärtused nii hoone siseperimeetris kui välistäites, mis on vajalikud saavutada. Kui insener ei ole mingil põhjusel teistsuguseid väärtusi ette näinud, siis leiame neid vastavast normdokumendist. MaaRYL on ka eesti keelde tõlgitud ja saadaval Ehitusinfokeskusest.

Eks eesmärgiks saab olla, et arvutatud tulemused peaksid ka mõõdetavad olema. Täna seda kinnitada veel ei saa. Soomlased on ka sammukese taganenud – Odemarki valemiga saame sihtväärtuse ja kui reaalne mõõtetulemus on sellest väiksem, peab insener hindama, kas kõik kihid on projektse paksusega ja materjalide moodulid õieti valitud, peab tegema uue kontrollarvutuse tegelike paksuste ja parameetritega ja siis hindama, kas asi on okei või mis teha tuleks. Mõõtetulemus ei ole aga mingil juhul otseselt konkreetse kihi vastuvõtukriteeriumiks. Eestis on Inspectori mõõtetulemust MTM määruses ja MNT juhendites loetud aga konkreetse konstruktsioonikihi kohustuslikuks vastuvõtukriteeriumiks.

 

Ain

TTÜ lektor (teede projekteerimine) T-Konsult OÜ - konsultant volitatud teedeinsener (tase 8)