8. Strukturell prosjektering

I dette kapittelet er det beskrevet en prosess for å gjennomføre den stukturelle prosjekteringen. Det er en videreføring av en prosess utviklet av Interpave. Tykkelser og egenskaper til de ulike materialene i oppbyggingen velges og spesifiseres.

Detaljerte materialspesifikasjoner er gitt i kapittel 13 og leggeanvisning er beskrevet i kapittel 14.

8.1 Komponenter i et permeabelt dekke

Hovedprinsippet for et permeabelt dekke som brukes til trafikk, er at den konsentrerte vekten fra kjøretøy skal fordeles ned gjennom konstruksjonen til grunnen slik at den kan understøtte vekten uten å bli deformert eller skadet. De sterkeste materialer benyttes i toppen hvor lasten er størst og reduseres nedover i konstruksjonen. Lagene i en typisk oppbygging under vei er vist i figur 22 og er beskrevet i teksten nedenfor.

Figur 8.1 – En typisk oppbygging av trafikkert område med permeabelt dekke.

Belegningsstein

Overflatelaget er belegningsstein i betong spesielt fremstilt for permeable dekker. Denne steinen lar vannet trenge inn fra overflaten enten ved bruk av overdimensjonerte avstandsknaster eller spesielle utsparringer som skaper avstander til omliggende stein. Det er også mulig å benytte konvensjonelle belegningsstein som legges med eller uten avstandsklosser slik at de får den nødvendige avstand. Disse vil normalt kun være egnet for gangarealer og områder for lett trafikk.

Fugemateriale

Fugene eller hullene mellom belegningssteinen fylles med en fugemasse med korngradering og fysiske egenskaper som tillater infiltrasjon gjennom fugene eller hullene. Det anbefales å benytte fugemasse med en kornstørrelse på 2-4 mm eller 2-5 mm. Tradisjonell fugesand skal ikke brukes.

Settelag

Betongsteinen legges på et settelag med korngradering og fysiske egenskaper som er stabilt og som tillater infiltrasjon gjennom fugene og hullene. Settelaget har normalt en tykkelse på 20-40 mm. Det anbefales en kornstørrelse på 2–8 mm masse til områder som håndlegges og der det er lett belastning, og 2–11 mm masse til områder som skal maskinlegges og som også etterpå skal tåle tung belastning over tid. Disse fraksjonene er ikke standardiserte, men det skal tilstrebes en jevn korngradering som gir god komprimering. Det skal ikke være finstoff i settelaget. Tradisjonelt settelag med finstoff skal ikke brukes.

Midlertidig dekke av drensasfalt

Dersom det vil forekomme trafikk på det permeable fundamentet under anleggsperioden, anbefales det å legge ut geotekstil og deretter et lag med drensasfalt. Dette fjernes før dekket ferdigstilles.

Bærelag

Bærelaget er et av de viktigste lagene i konstruksjonen. Det bærer konstruksjonen og fordeler vekten. Det anbefales en kornstørrelse på 4–32 mm og en total tykkelse på 150 mm. De nederste 50 mm bør legges som et forkilingslag som sikrer stabiliteten til bærelaget og en god vektoverførsel til det underliggende forsterkningslag.

Forsterkningslag

For arealer med en trafikkbelastning i trafikkgruppe A-D, terminalanlegg og parkeringsplasser med lett og tung trafikk, skal det i henhold til N200 legges et forsterkningslag. Dette skal være permeabelt og uten finstoff. Tykkelsen avhenger av trafikk, men er ofte 300–500 mm. Kornstørrelse er ofte 20–120 mm

Nedre geotekstil

En nedre geotekstil kan være nødvendig for å separere oppbyggingen fra grunnen. Dersom undergrunnen består av masser i T1 og T2 som tillater 100 % infiltrasjon er det ikke nødvendig å legge fiberduk på grunnen. Består derimot undergrunnen av T3- eller T4-masser anses bruk av fiberduk som obligatorisk.

Tett membran (system C)

Dersom det er et dekke i system C, legges forsterkningslaget på en tett membran. Her kan det være nødvendig å rette av grunnen og beskytte membranen med finkornig materiale som ikke inneholder finstoff.

Masseutskifting / grunnforbedringslag / stabiliseringslag / frostsikringslag

Det kan i noen tilfeller være nødvendig med et frostsikringslag mellom grunnen og oppbyggingen for å sikre et stabilt dekke. Frostsikringslaget er vanligvis av sand, grus eller knust berg, skumglass, lettklinker eller ekstrudert polystyren (XPS)

8.2 Designprosess

Den strukturelle designprosessen omfatter følgende trinn:

1. Kartlegging av grunnforhold
   Bruk telefarlighetsklassifisering og bæreevneklassifisering for å estimere stabiliteten til grunnen. Se kapittel 8.3
2. Kartlegging av trafikkbelastning
   Bruk trafikkgruppe for å vurdere trafikkbelastning. Se kapitel 8.4.
3. Vurdering av tykkelse på den permeable konstruksjonen
   For å estimere tykkelsen på den permeable konstruksjonen, bruk figur 23 når det gjelder System A og B dekker og figur 24 når det gjelder System C dekker. Se kapittel 8.5.
4. Justering for lav bæreevne til grunnen
   Dersom grunnen har lav bæreevne, så benyttes tabell 3 til å justere tykkelsen på den permeable konstruksjonen. Merk at dimensjonering av System C-dekker (fordrøyning) er basert på stabilitet ved optimalt vanninnhold, mens System A og System B dekker skal dimensjoneres for stabilitet etter vannmetting. Se kapittel 8.6
5. Anleggstrafikk
   Vurder behov for tilgang til området og foreta nødvendige tiltak. Konstruksjonen under et permeabelt dekke må holdes rent under en anleggsfase. Denne problemstilling oppstår spesielt i byggeprosjekter der veier bygges på et tidlig tidspunkt for å få tilgang på området. Se kapittel 8.7.

8.3 Kartlegging grunnforhold

Det første trinn I den strukturelle designprosess er å estimere stabiliteten til grunnen. I henhold til N200 klassifiseres grunnen i Norge etter telefarlighetsklasser T1-T4 og bæreevneklasser 1-7.

Telefarlighetsklassifisering

Telefarlighetsklasse bestemmes ut fra korngradering som vist i tabell 8.1.

Telefarlighetsklasse vil avhenge av vanninnholdet. Telefarlighetsklasse kan bestemmes ved hjelp av laboratorietester. For system A og B dekker, så skal testene gjøres etter vannmetting. En mettingsperiode på 96 timer er anbefalt.

På områder der telefarlighetsklasse varierer mellom deler av et anleggsområder, så kan det gjøres ulike strukturelle design for de ulike områdene.

Når grunnen er gravet fri, bør telefarlighetsklasse bekreftes med laboratorieundersøkelser. Dersom den er for lav, så må enten grunnen forbedres for å oppnå den nødvendige telefarlighetsklasse eller tykkelsen på det permeable dekke beregnes på nytt.

Når et permeabelt dekke konstrueres på fyllmasser, så bør telefarlighetsklasse for fyllmassene måles. Fyllmaterialene skal først komprimeres med optimalt vanninnhold før testing.

Bæreevneklassifisering

Bæreevnen til grunnen varierer med sammensettingen og det er definert syv bæreevnegrupper som vist i tabell 8.2. Bæreevnen er størst for en bergskjæring eller steinfylling mens den er lavest for leirholdige lag.

Bæreevnen måles ved hjelp av platebelastning eller fallodd og spesifiseres som elastisitetsmodul eller E-modul. Den er beskrivende for materialets motstandsevne mot elastisk deformasjon. Jo høyere E-modul, jo stivere er materialet og jo høyere er bæreevnen.

Vann, frost og tele påvirker bæreevnen til ulike materialer gjennom hele året. Bæreevnen er normal i tørre perioder, typisk sommer. Den forsterkes ved tilfrysing vinterstid og svekkes i nedbørsperioder. Hvis det er mye vann i materialene, så kan bæreevnen bli redusert. Hvor mye bæreevnen reduseres, avhenger av mengde vann og mengde finstoff.

Undersøkelser viser at E-modulen til et materiale synker når vanninnholdet i finstoffet øker. Om materialet ikke inneholder finstoff, forblir E-modulen nærmest uforandret ved økende vanninnhold. Dette illustrerer hvordan vann og finstoff påvirker bæreevnen.

I et permeabelt dekke ledes vann fra overflaten ned i overbyggingen. For permeable dekker skal overbyggingen være av materialer uten finstoff. Det betyr at bæreevnen til overbyggingen ikke påvirkes av økt vanninnhold.

Grunnen kan imidlertid bli påvirket. Inneholder grunnen en del finstoff, kan det føre til at E-modulen synker og bæreevnen reduseres. Det kan føre til bevegelser i det permeable dekket.

Bæreevnen kan også spesifiseres som California Bearing Ratio (CBR). Det er et mål på styrken til undergrunnen til en vei eller annet asfaltert område, og materialene som brukes i grunnen. Forholdet måles ved hjelp av en standardisert penetrasjonstest. Prøven sammenlignes med en standart og resultatet uttrykkes i prosent. Jo hardere materiale, jo høyere CBR verdi. CBR benyttes i mange land, men kun i liten grad i Norge. Her benyttes det i stedet E-modul eller bæreevnegruppe. Statens Vegvesen har etablert en empirisk sammenheng mellom CBR verdi og bæreevneklassifisering som vist i tabell 8.3.

Tabell 8.3 – Sammenheng mellom bæreevnegruppe og CBR

Erfaringer fra Storbritannia tilsier at minimum tillatte design CBR bør være 3 % for dekker som skal være stabile for blandet trafikk. Vi anbefaler bæreevnegruppe 5 og telefarlighetsgruppe T3 som minimum også for permeable dekker.

Stedlige masser som har bæreevnegruppe 6 eller 7 og telefarlighetsklasse T4 er dårlig egnet til å støtte et permeabelt dekke. Da må det utføres stabiliserende og drenerende tiltak. Dette kan for eksempel skje ved at det foretas masseutskifting til 0,5–1 meters dybde for å øke bæreevnen til grunnen. Det kan også være aktuelt å legge et nedre forsterkningslag.

Legging av geosyntetisk materiale eller geogrid i designet for fundamentet kan også bidra til å kompensere for en svak grunn. Imidlertid bør den innhentes råd fra eksperter med erfaring på området.

8.4 Kartlegging trafikkforhold

I henhold til N200 skal veger og gater dimensjoneres for 10 tonns aksellast og 20 års dimensjoneringsperiode. Tabell 8.3 viser trafikkgruppe som bestemmes ut fra antall ekvivalente 10 tonns aksler per felt i dimensjoneringsperioden. Formel for beregning finnes i N200.

8.5 Valg av materialer og tykkelser

Det er etablert sammenhenger mellom telefarlighetsgruppe, bæreevnegruppe, trafikkgruppe og tykkelse på dekke, bærelag og forsterkningslag som er beskrevet i tabell 543.1 i N200. Tabellen i N200 er ikke direkte representativ for permeable dekker siden det benyttes drensasfalt i bærelaget. Det er fordi et permeabelt dekke resulterer i at drensasfalt tilføres betydelig større vannmengder og dermed også finstoff sammenlignet med et tett dekke. Sammenhengene for forsterkningslaget er trukket ut og vist i tabell 8.5.

1) Tall med pluss foran angir økning av forsterkningslagstykkelsen knyttet til anleggstekniske forhold.
2) Bergskjæring omfatter både dyp- og grunnsprengning. For grunnsprengning er det krav om min 0,75 m fra vegoverflate til topp av knøler.
3) Gjelder også for forsterkningslag på isolasjonslag av XPS, skumglass eller lettklinker.
4) Dekke av gatestein anses ikke aktuelt
5) Skal ikke anvendes for dekker med fast settelag.

Tabell 8.5 Dimensjonering av forsterkningslaget i en overbygning med belegningsstein av betong og gatestein av naturstein, typiske lagtykkelser i mm (fra tabell 543.1 i N200)

8.6 Justering for lav bæreevne

Skissene i Figur 8.2 og 8.3 gjelder for materialer i grunnen i bæreevnegruppe 5 eller høyere. Dersom bæreevnegruppe er lavere (6 eller 7) må tykkelsene justeres i henhold til tabell 8.6.

For System C- konstruksjoner vil justeringen bestå i å øke tykkelsen på forsterkningslaget. Når det gjelder konstruksjoner etter System A og System B, kan disse på grunn av de fuktige forholdene styrkes ved å øke tykkelsen på ubundne grove steinmaterialer. Materialer som inneholder finstoff av betydning kan ikke brukes hvor det finnes vann. Merk at i mange tilfeller er bæregruppe 6 og 7 en indikasjon på at materialet kan være så finkornet at infiltrasjon i grunnen ikke fungerer, noe som innebærer at verken System A eller B kan brukes.

For hovedsystem A så må dekkelaget være tilstrekkelig permeabelt til at vann trenger gjennom det uten at det mister styrke. Det bør også ha en infiltrasjonskapasitet som er større enn materialet i grunnen under. Det bør også være holdbart og tåle belastningen. Alternativt, kan det benyttes en økt tykkelse av forsterkningslaget.

Økningen av tykkelsen på nedre forsterkningslag som må gjennomføres når materialet i grunnen har lav bæreevne, kan under planleggingsprosessen kun fastsettes anslagsvis ettersom underlagets beskaffenhet avhenger av dreneringsforholdene på stedet, grunnvannsnivåene og senere tids nedbørsmønster. Formålet er å sørge for tilstrekkelig tilleggsmateriale til å sikre en vellykket komprimering av de overliggende lagene. Tabell 8.6 viser verdiene som er funnet å være tilstrekkelig for å oppnå dette, men faktisk tykkelse må fastsettes ved hjelp av tester gjennomført under anleggsarbeidet av erfarne anleggsarbeidere.

8.7 Beregning av strukturell tykkelse

Den strukturelle tykkelsen vil være lik tykkelsen av bærelaget, forsterkningslaget og et eventuelt nedre forsterkningslag.

8.8 Prosjektering for håndtering av anleggstrafikk

Det kan oppstå behov for midlertidig bruk av veier og områder med faste overflater i anleggsperioden. Sølen som genereres vil imidlertid tette til det permeable bære- eller forsterkningslag. Det finnes flere løsninger på dette problemet:

• Vurder byggeprosessen under planleggingsfasen og identifiser områder hvor anleggstrafikk og annen trafikk ikke er tillatt. Planlegg at permeable flater skal dekkes eller bruk konvensjonell overbygning for områder med anleggstrafikk og permeabelt dekke for øvrige deler.