Minifaldlod på fastere grund med ny prøvningsmetode Af Civilingeniør, ph.d. Gregers Hildebrand,Vejdirektoratet, Vejteknisk Institut ghb@vd.dk Minifaldloddet er på få år blevet særdeles populært til måling af bæreevnen på underbund og ubundne vejmaterialer. Der har hidtil manglet en vejledning, som gav anvisning i måling med udstyret samt fortolkning af resultater fra det. En bredt funderet dansk brugergruppe har nu udarbejdet et forslag til prøvningsmetode, hvilket er en betingelse for troværdigheden af udstyret og dets anvendelse. Baggrund Formålet med metoden er at bestemme E-værdien af ubundne vejmaterialer i marken. Prøvningsmetoden kan anvendes ved undersøgelser til vurdering af de fleste ubundne materialetyper, der benyttes til anlægsarbejder i Danmark. Anlæg af veje kræver blandt meget andet information om vejmaterialerne før, under og efter arbejdets udførelse. Grundig viden om vejmaterialerne i projekteringsfasen er en forudsætning for at planlægge et godt projekt, mens materialedata under selve byggeriet af vejen er afgørende for at opnå den optimale kvalitet af byggeriet. Efter vejens åbning er information om vejmaterialernes tilstand vigtig for at kunne overvåge vejens nedbrydning og dermed planlægge vedligeholdelsesindsatsen. Et nøjagtigt kendskab til bæreevnen af de ubundne befæstelseslag under vejens anlæg giver mulighed for optimering af vejens dimensionering. Desuden vil man med målinger under byggeriet af vejen kunne sikre ensartet bæreevne, hvilket må forventes at forøge vejbefæstelsens levetid. Den kommende prøvningsmetode for minifaldlod er udarbejdet af en arbejdsgruppe bestående af repræsentanter for leverandører/fabrikanter samt brugere af udstyret. Arbejdsgruppen har ved udarbejdelsen af prøvningsmetoden taget udgangspunkt i de udstyr, som i øjeblikket er tilgængelige i Danmark. Prøvningsmetoden forventes klar til publicering i løbet af første halvår 26. Minifaldloddets princip Minifaldlod betegner let, bærbart udstyr, som med en kendt lastpåvirkning fra et lod droppet fra en givet højde på en stiv, cirkulær plade giver en deformation af underlaget. Den målte deformation kan omsættes til et udtryk for underlagets bæreevne. Udstyret har potentiale til at give simple målinger af bæreevnen af råjord og komprimerede sand- og grusmaterialer. Alternative og mere ukonventionelle ubundne materialer kan også med fordel testes med minifaldlod. Apparatur Der eksisterer i Danmark i 25 to forskellige typer minifaldlod: udstyr med variabel henholdsvis fast faldhøjde. Figur 1 viser en principiel udgave af et minifaldlod. Minifaldloddet består af fire primære dele samt en enhed til opsamling af resultatdata. De enkelte dele er vist i Figur 1 og beskrevet nedenfor:
Figur 1. Principskitse af minifaldlod. 1 Lod Belastning i faldlodsforsøget udgøres af det faldende lod. Loddet fastholdes af en udløsermekanisme på styrestangen (2), og det har typisk en vægt på 1 kg. Nogle udstyr kan anvende ekstra lodder. 2 Styrestang En cirka 1 meter lang stang, som styrer loddets fald på gummibuffer/fjederelement, hvorfra kraften overføres til belastningspladen (3). Der kan anvendes enten variabel eller fast faldhøjde. 3 Belastningsplade Typisk en cirkulær plade med diameter 3 mm, som overfører kraften fra det faldende lod til underlaget. Nogle udstyr kan anvende plader med andre diametre. 4 Målesensorer Nedsynkningen af underlaget som følge af det faldende lods kraftpåvirkning måles med en geofon eller et accelerometer midt i belastningspladen. Eventuelt kan der monteres flere geofoner/accelerometre i forskellige radiære afstande fra belastningspladens center. Geofoner og accelerometre har normalt et måleområde fra mm til 2 mm. For udstyr med variabel faldhøjde indeholder udstyret også en vejecelle, som registrerer størrelse og længde af den påtrykte kraft. Til at opsamle resultater fra geofon/accelerometer samt eventuelt vejecelle benyttes enten computer (oftest en håndholdt), skriver eller andet registreringsudstyr. Alt udstyr skal være udført, så det kan tåle udendørs anvendelse, og det skal tillige være rengøringsvenligt. Kalibrering af udstyr For at sikre brugbare og pålidelige målinger med minifaldloddet, bør geofon/accelerometer og vejecelle kalibreres mindst én gang om året. Kalibreringsperioden forudsætter, at apparatet behandles og anvendes efter hensigten. En regulær certificeret kalibrering kan kun udføres på dertil autoriserede institutioner, som kan udføre kalibreringen med sporbart måleudstyr. Kalibreringen skal kunne
verificeres og dokumenteres. Som udgangspunkt foreslås det, at vi i Danmark benytter en eksisterende tysk standard til kalibrering af minifaldloddet. Fremgangsmåde ved måling med minifaldlod Ved anvendelse af minifaldloddet er det vigtigt, dels at udstyret opstilles korrekt, og dels at testen afvikles forskriftsmæssigt, så man får pålidelige resultater. Opstilling af minifaldlod For at få en korrekt og brugbar måling med minifaldlod er det især vigtigt, at belastningspladen har god kontakt med underlaget, således at kontakttrykket fordeles jævnt under slagene. Den bedste måde at sikre sig dette på er ved fjerne større synlige sten og at vrikke udstyret på plads, så pladen har fuld kontakt. Eventuelt kan man benytte et tyndt lag normsand mellem plade og underlag. I dette tilfælde spredes sandet, så pladen er vandret på underlaget. Målinger på råjordsmaterialer skal så vidt muligt foretages ved materialets naturlige vandindhold og over vandspejl, og således at der hverken forekommer skorper eller fritliggende vand. Det bedste resultat opnås på netop frilagt område, men alternativt kan skorpen eller det fritliggende vand fjernes umiddelbart før målingen. I alle målesituationer skal det sikres, at geofonens/accelerometrets trykfod kan bevæge sig frit. Anbefalede pladetryk Den bedste vurdering af et materiales bæreevne opnås, hvis der foretages målinger ved forskellige faldhøjder, og dermed forskellige pladetryk, altid startende med laveste tryk. Dette gælder specielt for lerholdige og meget bløde materialer. Afhængigt af materialet, der måles på, anbefales 3-4 forskellige faldhøjder i hvert målepunkt. I en standard-opstilling anvendes en pladestørrelse på med diameter 3 mm og et 1 kg lod. I nedenstående oversigt er angivet hvilke pladetryk, der bør opnås på forskellige materialer for at få pålidelige målinger. De anbefalede pladetryk er et billede af typiske belastningsniveauer, som de enkelte lag i en vejbefæstelse udsættes for i den færdige konstruktion. Bærelag Bundsikringslag Fast underbund Blød underbund 2-3 kpa (eventuelt ved brug af 2 kg lod eller 2 mm plade) 1-2 kpa 5-1 kpa 1-6 kpa Ved målinger på friktionsmaterialer anvendes pladetryk svarende til bære- eller bundsikringslag. Ved målinger på kohæsionsmaterialer anvendes pladetryk svarende til underbund. Ud over pladetrykket bør man være opmærksom på den målte reversible nedsynkning, som bør ligge mellem 5 og 15 µm, dog maksimalt 22 µm og minimum 3 µm. Registrering af resultater Når udstyret er korrekt opstillet, udføres målinger fra samme faldhøjde, indtil der opnås 3-5 slag, der viser nedsynkninger med en indbyrdes spredning på mindre end 5 %. Resultatet af målingen er middelværdien af de nævnte 3-5 slag. Herefter forøges faldhøjden, og proceduren gentages.
Inden der foretages en måling, skal det sikres, at dataopsamlingsprogrammet er indstillet korrekt. Det sikres eksempelvis, at pladeradius svarer til det anvendte (normalt 15 mm), samt at Poissons forhold er angivet som ønsket (normalt,5), og at spændingsfordelingsfaktoren er angivet korrekt (oftest 2). Bestemmelse af E-værdi Det ønskede resultat af minifaldlodsmålingen er overflade E-modulet E, som kan betragtes som en gennemsnitsværdi for det underliggende (eventuelt lagdelte) materiale. Da de fleste materialers E- værdi afhænger af spændingsniveauet ved undersøgelsen, er det vigtigt, at E rapporteres med angivelse af det anvendte belastningsniveau. For underbundsmaterialer anbefales det, at E så vidt muligt rapporteres ved et tryk på 1 kpa, idet man herved bør få den bedste overensstemmelse med statisk pladebelastningsforsøg. E i centrum af belastningspladen beregnes efter følgende formel: E f = 2 ( 1 ν ) d σ a hvor: E = overflademodul (MPa) f = spændingsfordelingsfaktor (normalt 2) ν = Poissons forhold (normalt,5) σ = pladetryk (MPa) a = pladeradius (m) d = nedsynkning (m) Da f normalt er 2 og Poissons forhold sættes til,5, kan udtrykket reduceres til: E 1,5 σ = d a Rapportering af resultater I forbindelse med minifaldlodsmålinger er det ønskeligt at kunne sammenligne med tidligere forsøg og erfaringer samt at kunne foretage før/efter målinger. Desuden er det vigtigt for modtagere af målinger at kende forudsætningerne for målingerne. Rapporteringen er således en vigtig del af målearbejdet, og derfor bør følgende oplysninger medtages i afrapporteringen: 1. Type af udstyr, inklusive ekstra udstyr og dataopsamlingsprogram. 2. Udførende firma og person. 3. Dato for forsøg. 4. Entydig stedfæstelse af målinger. 5. Signaturer fra udførende og kontrollant. 6. Beskrivelse af underlag hvorpå forsøget er udført på samt relevant information om omgivelserne. Herunder kan det angives, hvornår et materiale blev komprimeret, vejrforhold i forbindelse med komprimeringen og indtil minifaldlodsmålingen 7. Situationsplan med angivelse af målepunkter, eventuelt med billeder af område og opstilling.
8. Pladediameter. 9. Lufttemperatur ved forsøgets udførelse. 1. Resultater, herunder pladetryk, pulstid, nedsynkning og overflade E-modul. I forbindelse med E angives pladetrykket, som målingen er udført ved. F.eks. E,1 = 51 MPa. 11. Værdier for spændingsfordelingsfaktoren f og Poissons forhold ν, som er anvendt ved de rapporterede målinger. Anbefalinger vedrørende brugen af minifaldloddet Minifaldloddet giver hurtig og nem adgang til information om ubundne vejmaterialers E-værdier. For at opnå troværdige målinger er det imidlertid vigtigt, at man følger anbefalingerne i den nye prøvningsmetode vedrørende brugen af minifaldloddet og fortolkningen af dets resultater. Det fremføres ofte, at man kan erstatte komprimeringskontrol med isotopsonde med minifaldloddet. Dette findes der ikke bevis for, og det kan ikke anbefales at gøre det: komprimeringskontrollen skal sikre, at materialet er indbygget med optimal tæthed, så man undgår efterfølgende sætninger. Først når indbygningen er afsluttet, er der relevant at måle E-værdier. Derfor bør isotopsonde og minifaldlod anvendes i kombination, idet man herved bør kunne opnå sikkerhed for optimalt håndværk og et godt billede af materialets egenskaber. Minifaldloddet er ikke kun egnet til målinger i forbindelse med traditionelle vejbyggerier. Det kan også anvendes på steder med begrænset tilgængelighed såsom ledningsgrave, pladser og industrihaller. Det frarådes at anvende minifaldloddet på befæstede arealer, hvor man har behov for at påvirke vejbefæstelsen med relativt stor kraft for at opnå en realistisk vurdering af E-værdier. Til undersøgelse af veje med slid- eller bærelag af asfalt og beton bør man anvende det store faldlod. Til fabrikanter af minifaldlod anbefales det, at forsyne minifaldloddene med GPS-udstyr, så man får en entydig og nem stedfæstelse af målepunkter. Endvidere bør dataopsamlingsprogrammer forbedres med automatisk datareduktion, så man får beregnet den gennemsnitlige værdi af E for de sidste 3-5 slag for et givet belastningsniveau. Endelig bør fabrikanterne tilbyde kalibrering af udstyr efter den ovenfor omtalte standard. Litteratur Vejdirektoratet, Vejteknisk Institut: Udkast til Prøvningsmetode for minifaldlod, Roskilde, juni 25 (ikke offentliggjort).