Underbygning/Prosjektering og bygging/Frost

Fra Teknisk regelverk utgitt 1. februar 2017
Hopp til: navigasjon, søk

1 Hensikt og omfang

Dette kapitlet omhandler dimensjonering av underbygningen mhp. frost.

I kapitlet beskrives hvilke faktorer som påvirker frostnedtrengningen, samt hvilke krav som stilles til de materialer som kan benyttes i frostsikringslaget. Spesielt viktig er det at massene som benyttes er velgraderte, slik at fyllingen blir tilstrekkelig tett for å hindre indre luftkonveksjon. Dette gjelder i særlig grad for sprengstein/knust stein. Samtidig vil velgraderte masser med et visst sand/grus innhold være med å sikre et fuktighetsnivå i bunnen av frostfundamentet, noe som anses som gunstig. Kapitlet må også ses i sammenheng med kap. 11 Drenering.

2 Frost

2.1 Telefarlighet

Jordartene kan inndeles i 4 klasser etter bæreevneegenskapene i teleløsningsperioden:

T1 Ikke telefarlig
T2 Litt telefarlig
T3 Middels telefarlig
T4 Meget telefarlig
Når en jordart betegnes som ikke telefarlig, betyr det at en underbygning som består av denne jordarten, ikke vil utsettes for heving og synking når jorden fryser og tiner. Når en telefarlig jordart fryser oppstår islinser som følge av kapillær vannoppsuging fra underliggende lag. Dette medfører at formasjonsplanet (FP) løftes under nedfrysningen, og synker i tineperioden. Telehivet blir trolig størst desto tidligere på vinteren frosten trenger ned i telefarlig grunn. Dette fordi telehivdannelse tar tid i leire og silt, da vann må transporteres til frysefronten. På grunn av overskudd av porevann, vil underbygningen kunne få redusert bæreevne under tiningen.

a) Jordmaterialer som anvendes i frostsonen, skal være av typen "Ikke telefarlig". Telefarligheten bedømmes ut fra den korngraderingen materialet har. (Se tabell 1).

Telekriteriet kan uttrykkes slik: "For at et materiale ikke skal være telefarlig, må masseprosenten av materialet < 0,02 mm ikke være større enn 3 % beregnet av materiale som passerer 19 mm sikt".

Tabell 1: Telefarlighetsklassifisering
Masseprosent (av materiale < 19,0 mm)
Benevnelse Teleklasse < 0,02 mm < 0,2 mm Eksempel på jordarter
Ikke telefarlig
T1
≤ 3 %
Sand
Grus
Torv
Myrjord
Litt telefarlig
T2
> 3 - ≤ 12 %
Sand
Grus
Morene (sandig, grusig)
Middels telefarlig
T3
> 12 %
< 50 %
Sand
Morene (leirig)
Leire med mer enn 40 % < 0,002 mm
Meget telefarlig
T4
> 12 %
> 50 %
Leire med mindre enn 40 % < 0,002 mm
Silt
Morene (siltig)
Figur 1: Eksempler på kornfordelingskurver for jordmaterialer innen de enkelte telegrupper

2.2 Dimensjonerende frostmengde

Frostnedtrengningen i grunnen er avhengig av frost­mengd­ene uttrykt i h°C (timegrader) og grunnens egenskaper. I figur 2 er kart over maksimale frostmengder (F100) vist for hele Norge. I figur 3, 4 og 5 er dimensjonerings­kurver for frostsikringslag vist.

Figur 2 bør bare benyttes ved forprosjektering. For detaljprosjektering bør vurdering av lokale temperaturforhold langs traseen gjennomføres. Frostmengder angitt i Statens vegvesens håndbok N200 Vegbygging kan benyttes.


Figur 2: Maksimale frostmengder for Norge

3 Frostsikringslag

Frostsikringslaget ligger mellom forsterkningslag og traubunn. Tykkelsen av dette laget varierer avhengig av materialer og stedlige frostmengder, samt av dimensjonerende hastighet på strekningen. Laget kan falle helt bort hvis grunnen ikke er telefarlig.

3.1 Frostsikringslagets funksjoner

a) Frostsikringslaget skal:

  • hindre nedtrengning av frost til traubunn og undergrunnen
  • forhindre indre konveksjon i underbygningen
  • om mulig sikre høy fuktighet i sjiktet over traubunn
  • sikre tilstrekkelig bæreevne og stabilitet

3.2 Materialer i frostsikringslaget

a) Frostsikringslaget skal bygges opp av gode friksjonsmaterialer

Godkjente materialer er:

  • Sprengstein og knust stein
  • Sand og grus
  • Lettklinker
  • Skumglass
  • Ekstrudert polystyren (XPS)
  • Ekspandert polystyren (EPS)

3.2.1 Sprengstein og knust stein

a) Dimensjonering av frostsikringslag av sprengstein skal utføres iht. avsnitt 4.6.

3.2.1.1 Materialer

a) Steinmaterialene skal være velgraderte, med korngraderingstall Cu=d60/d10 ≥ 15.

Maskinkult uten sand/grus-fraksjon er uegnet til bruk i frostsikringslaget av frosttekniske årsaker.

b) Maksimal steinstørrelse skal ikke overstige 500 mm

c) Maksimal steinstørrelse skal ikke være større enn 2/3 av lagtykkelsen som legges ut.

d) Det skal ikke forekomme metting med subus slik at steinene "flyter".

e) Det skal ikke være mer enn 3 % materiale mindre enn 0,02 mm regnet av materiale under 20 mm.

3.2.1.2 Utførelse og kontroll

a) Kontroll skal utføres som for materialer i forsterkningslaget, se Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Banelegeme#Kontroll_2.

3.2.2 Sand og grus

a) Frostsikringslag av grusmaterialer skal bestå av velgraderte masser fra naturlige grusforekomster.

b) Materialet kan inneholde stein, men maksimal kornstørrelse skal ikke overskride 150 mm.

c) Sand skal generelt ikke benyttes i trauet annet enn som filterlag.

3.2.2.1 Utførelse og kontroll

a) Kontroll skal utføres som for materialer i forsterkningslaget, se Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Banelegeme#Kontroll_2.

3.2.3 Lettklinker og skumglass

Bruk av lettklinker og skumglass til stabiliserende formål er omtalt i kap. 8 Stabilitet. Det kan også være aktuelt å benytte disse materialene til frostisolasjon, og da gjerne i kombinasjon med at dette gir gunstige stabiliserende eller setningsreduserende effekter eller annet. Der hvor slike materialer benyttes i fylling, vil frostsikringslaget falle bort.

a) Dimensjonerende frostmengde ved bruk av lettklinker eller skumglass i frostsikringslaget skal være F100.

b) Tykkelsen av et lag med lettklinker eller skumglass som er dimensjonert mhp. frost bør overdimensjoneres 20 % for å kompensere for nedtrengning av stein i laget.

3.2.3.1 Materialer

a) Krav til materialer er som beskrevet for lettklinker og skumglass i Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Stabilitet.

I tabell 2 er gitt eksempel på varmeledningsparametre for tørr lettklinker. I tabell 3 er gitt eksempel på varmeledningsparametre for tørr skumglass.

b) Det skal ikke benyttes gunstigere varmeledningsevne enn den angitte dimensjonerende verdi.

Tabell 2: Materialkrav, lettklinker
Materiale Densitet, tørr (kg/m3) Varmeledningsevne, tørr (ved -5°C) (W/mK) Merknad
Lettklinker Maks. 400 0,12 (Dimensjonerende verdi 0,15) Eks. gradering 0 - 32 mm

Tabell 3: Materialkrav, skumglass
Materiale Densitet, tørr (kg/m3) Varmeledningsevne, tørr (ved -5°C) (W/mK) Merknad
Skumglass Maks. 300 0,11 (Dimensjonerende verdi 0,15) Eks. gradering 10 - 50/60 mm

3.2.3.2 Utførelse

a) Lag av lettklinker eller skumglass til frostisolasjon skal legges ut på traubunn.

b) Krav til utførelse av frostsikringslag med disse materialene er tilsvarende som for fyllinger i de samme materialene, se Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Stabilitet#Utførelse.

3.2.3.3 Kontroll

a) Kontroll skal i hovedsak utføres som for fylling av lettklinker eller skumglass, se Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Stabilitet#Kontroll.

b) Følgende krav skal også utføres:

  • lagtykkelsen skal kontrolleres spesielt nøye
  • utlegging av steinmasser over de lette fyllmassene skal utføres med forsiktighet, for å unngå deformasjoner og at store steiner trenger ned i isolasjonslaget.

3.2.4 Ekstrudert polystyren (XPS)

a) Frostfundament av ekstrudert polystyren (XPS) kan benyttes ved spesielle tekniske og/eller økonomiske forhold.

Spesielle tekniske og/eller øknomiske forhold kan være:
  • Etterisolering av nytt spor som er frostskadet pga. underdimensjonering eller feilkonstruksjon.
  • Der det ikke er plass til å bygge fullt frostsikringslag pga. avstander til overliggende konstruksjoner

Dimensjonering:

  1. Dimensjonerende frostmengde ved bruk av ekstrudert polystyren (XPS) skal være F100.
  2. Platetykkelse skal ikke være mindre enn 60 mm.
  3. Det skal kun benyttes KFK- og HKFK-frie plater.
  4. Det skal benyttes spesifikasjoner og materialkrav gitt i tabell 4.
  5. Det skal ikke benyttes gunstigere varmeledningsevne enn den angitte dimensjonerende verdi i tabellen.

Tabell 4: Spesifikasjoner og materialkrav, ekstrudert polystyren
Materiale Densitet, tørr (kg/m3) Trykkfasthet (ved 5 % def.) (kPa) Varmeledningsevne, tørr (ved -5°C) (W/mK)
Ekstrudert polystyren, XPS
Min. 38
Min. 400
0,025 (Dim. verdi 0,037)


b) Platene skal beskyttes mot mekaniske skader fra pukk/stein.

  1. Utførelse: Dette gjøres med finpukk eller sand/grus i tykkelse 5-10 cm, også på undersiden hvis stein benyttes under platene.

c) Platene skal legges tett, og uten åpninger.

  1. Unntak: Gjelder ikke utkilingspartier i hver ende av isolert strekning.

d) For dimensjonering av nødvendig tykkelse av gruslag under isolasjon (XPS), se Regler for vedlikehold, beskrivelse av tiltak

3.2.5 Ekspandert polystyren (EPS)

Ekspandert polystyren (EPS) benyttes primært av stabilitetshensyn. Se for øvrig Underbygning/Prosjektering og bygging/Stabilitet. I slike tilfeller vil EPS-blokkene (delvis) sammenfalle med frostsikringslaget. Da vil tykkelsen av EPS-laget normalt være minimum en blokktykkelse, dvs. 0,5 m, og ytterligere frostsikringslag er derved normalt unødvendig.

3.3 Tetting av sideskråninger

a) For å unngå inntrengning av kald luft skal sideskråningene tettes. Se kap. 6 Banelegeme.

4 Frostdimensjonering

a) Frostsikringslag skal dimensjoneres etter frostmengden på stedet målt i frosttimegrader. Bakgrunnen for valg av dimensjonerende frostmengde er at det statistisk sett ikke skal inntreffe mer enn én driftsforstyrrende gjennomfrysing av underbygningen i en 100-årsperiode.

Definisjon av frostmengde F10, F20 og F100

  • F100 er frostmengde tatt ut fra figur 2
  • F20 = 0,85 · F100
  • F10 = 0,75 · F100

4.1 Hovedspor

a) Tabell 5 viser hvilken frostmengde som skal legges til grunn for ulike kvalitetsklasser for hovedspor:

Tabell 5: Krav til dimensjonerende frostmengde for de ulike kvalitetsklasser for hovedspor
Kvalitetsklasse Dimensjonerende hastighet, Vdim Dimensjonerende frostmengde, Fd
K0 - K1 Vdim ≥ 125 km/h F100, dvs. antas å bli overskredet én gang i løpet av en periode på 100 år
K2 - K4 45 km/h ≤ Vdim ≤ 120 km/h F20, dvs. antas å bli overskredet én gang på 20 år
K5-baner Vdim ≤ 40 km/h F10, dvs. antas å bli overskredet én gang på 10 år

Dimensjonerende hastighet (Vdim) er den hastighet alle tekniske anlegg minst skal tilfredsstille. Vdim fastsetter dimensjonerende hastighet for en hel bane eller parseller av denne. Ved valg av Vdim er det i tillegg viktig å vurdere framtidig banestandard.

4.2 Sidespor

a) Sidespor skal dimensjoneres for F100 med reduksjoner i lagtykkelser i underbygningen som gitt i Underbygning/Prosjektering_og_bygging/Banelegeme#Reduksjon_av_lagtykkelser .

4.3 Faktorer som påvirker frostnedtrengning

Mange faktorer påvirker frostnedtrengning i en jernbanekonstruksjon. En oversikt over de viktigste faktorene er vist i tabell 6.

Tabell 6: Faktorer som påvirker frostnedtrengning i en jernbanekonstruksjon
Klimatiske forhold Banekonstruksjon Materiale i over- og underbygning
  • Klimasone
    • frostmengde i luft
    • årsmiddeltemperatur
  • Temperatur i grunnen
  • Forholdet mellom frostmengde i luft og på fyllingens overflate
  • Temperatur forutgående sommer
  • Nedbør forutgående høst
  • Snø og vindforhold
  • Lokale klimavariasjoner
  • Skydekke eller klar himmel
  • Drenering
  • Tverrprofil utforming
  • Lagtykkelse
  • Tetting av grøfteskråning
  • Skjæringsdybde
  • Undergrunn
  • Stikkrenner
  • Underganger
  • Kulverter
  • Tørr romvekt og porøsitet avh. av:
    • gradering:
      • dmaks
      • finstoffinnhold
      • åpen/tett struktur
    • kompakteringsgrad:
      • kompakteringsarbeid
      • tykkelse ved utlegging
  • Vanninnhold
  • Bergart

Noen av faktorene kan måles og tallfestes, slik som årsmiddeltemperatur og frostmengde, selv om også disse faktorene kan variere betydelig over en gitt jernbanestrekning. Andre faktorer vil være avhengige av utførelse og kontroll, slik som tørr romvekt og maksimal kornstørrelse, dmaks. Noen faktorer har store årlige variasjoner.

4.3.1 De ulike faktorers innvirkning på frostmotstanden

4.3.1.1 Gradering av materiale

En åpen struktur vil kunne medføre en ugunstig indre konveksjon i underbygningen, dvs. at grovkornige ensgraderte materialer er ugunstig.

4.3.1.2 Vanninnhold i fyllingen

Økt vanninnhold gir økt varmeledningsevne for fyllingen, både fordi vann har større varmeledningsevne enn luft og fordi vannet fungerer som "broer" for varmestrøm mellom steinpartiklene. Samtidig vil økt vanninnhold medføre mer frigitt frysevarme når vannet i massene fryser. Høyt vanninnhold i frostsikringslaget er derfor gunstig.

4.3.1.3 Temperatur i grunnen

Temperaturen 10 m ned i grunnen er tilnærmet konstant og omtrent lik årsmiddeltemperaturen på stedet. Lavere årsmiddeltemperatur medfører derfor økt frostnedtrengning. Årsmiddel-temperaturen varierer også lokalt, og er f.eks. lavere i nordvendte helninger enn i sydvendte.

4.3.1.4 Forholdet mellom lufttemperatur og temperatur i fyllingsoverflaten om sommeren

Overflatetemperaturen vil normalt være lik eller lavere enn lufttemperaturen, i motsetning til hva tilfellet er for asfaltert veidekke. Om vinteren er overflatetemperaturen pga. avstråling, lavere enn i luft.

4.3.1.5 Tørr romvekt av steinmassene i forsterknings- og frostsikringslaget

Høy tørr romvekt og lav porøsitet i steinmassene øker varmeledningsevnen. Ut fra varmeledningsevnen alene skulle frostnedtrengningen øke med økende tørr romvekt. Steinmasser med høy tørr romvekt er imidlertid mer velgraderte og har vanligvis betydelig mer finstoff enn porøse steinmasser. Tette steinmasser har derfor større evne til å holde på fuktighet. Velgraderte materialer er gunstig også med tanke på å unngå indre luftkonveksjon. Totalt sett vil derfor tette steinmasser med høyt finstoffinnhold være best egnet som frostsikringsmateriale. Tabell .7 viser egnethet av sprengstein som frostsikringsmateriale.

Tabell 7: Sprengstein som frostsikringslag i baneanlegg. Egnethet avhengig av kornsammensetning
Struktur Finstoffinnhold/fuktighet
Gradering/porøsitet Kornstørrelse Lavt finstoffinnhold/tørr Høyt finstoffinnhold/jordfuktig (men ikke telefarlig)
tett gradering/lav porøsitet
finsprengt
godt egnet
godt egnet
grovsprengt
egnet
godt egnet
åpen gradering/høy porøsitet
finsprengt
uegnet
egnet
grovsprengt
uegnet
uegnet

4.4 Forutsetninger ved frostdimensjonering

a) Det må ved dimensjoneringen tas hensyn til at temperaturen ved overflaten i vinterhalvåret som regel er lavere enn lufttemperaturen 2 m over bakken, hvor lufttemperaturmålinger gjøres. Ved bruk av dimensjoneringskurven for sprengstein er dette inkludert.

Det vises til “Frost i jord” nr. 17 for beregning av klimapåkjenning. Ved frostdimensjonering av baner beregnes overflatetemperaturen om vinteren som angitt for asfaltert veg. Sommertemperaturen i overflaten beregnes som lufttemperaturen en normal sommer.

b) Isolerende effekt av snølag skal ikke medregnes ved frostdimensjoneringen.

c) Ved dimensjonering skal det alltid antas at trauet er drenert.

d) Frostsikringslagets bredde i toppen skal ved enkeltsporet bane være minimum 5,0 m.

e) Ved dobbeltsporet bane eller bane med flere spor, skal frostsikringslaget være minimum 2,5 m på hver side av spormidt.

4.5 Dimensjonering av frostsikringslag av grus

a) Total tykkelse av forsterkningslag og frostsikringslag av sand eller grus under ballast skal dimensjoneres etter figur 3.

Dimensjoneringskurvene er utarbeidet for norske forhold etter UIC blad nr. 719. Forholdene er gunstigere i Øst-Norge enn i resten av landet pga. større magasinert sommervarme i Øst-Norge. Sand i filterlaget betraktes frostteknisk som grus.

Figur 3: Dimensjoneringskurver for total tykkelse, z, av forsterknings- og frostsikringslag av grus

Figur 4 viser dimensjoneringskurver for frostsikringslag av grus, under forutsetning av at det i tillegg benyttes 700 mm forsterkningslag av sprengstein.

Figur 4: Dimensjoneringskurver for frostsikringslag av grus, i tillegg til 700 mm forsterkningslag med sprengstein

4.6 Dimensjonering av frostsikringslag av sprengstein

a) Ved dimensjonering av frostsikringslag av sprengstein skal man ta tilstrekkelig hensyn til at de termiske egenskapene generelt er usikre, og at det kan opptre betydelig variasjon i egenskapene både lokalt og fra anlegg til anlegg.

b) Ved å sikre seg mot ekstremt ugunstige egenskaper kan kurven som svarer til 1,6 x Zgrus gitt i figur 5 benyttes. Kurven gjelder for dimensjonering av tykkelse av frostsikrings- og forsterkningslag med sprengstein, under forutsetning av at følgende er tilfredsstilt:

  • steinmassene er velgraderte, slik at bl.a. indre konveksjon forhindres
  • overflate og grøfteskråninger av banelegemet tettes, slik at varmetap ved konveksjon og frostinntrengning fra siden minimaliseres. For tetting av sideskråninger, se avsnitt 3.3.

Dimensjoneringskurven gjelder for det aktuelle konseptet med 700 mm forsterkningslag av stein 0 - 300 mm og frostsikringslag av stein med maksimal steinstørrelse 500 mm eller inntil 2/3 av lagtykkelsen.

Inngangsdata for dimensjoneringskurven er 100 års frostmengde i luft. Effekten av temperaturforskjell mellom luft og overflate er inkludert i kurven gitt i figur 5.

Bruk av sprengstein i frostsikring er forbundet med større usikkerhet enn alternative løsninger med bruk av grus, isolasjonsprodukter eller varmeakkumulerende bunnlag. Bl.a. er følgende faktorer ikke inkludert i dimensjoneringskurven:
  • "steinreir" som følge av separasjon ved uheldig utlegging eller ensgraderte masser
  • store steiner (kan gi kuldebroer gjennom fyllingen)
  • indre konveksjon som følge av åpen struktur i sprengsteinsmassene (krav til bruk av velgraderte masser i avsnitt 3.2.2 vil imidlertid ta høyde for denne effekten)

c) Ved bruk av spesielt gunstige masser, kan lagtykkelsen beregnes spesielt. Ved bruk av spesielt ugunstige masser, skal lagtykkelsen beregnes spesielt.

Å sikre et høyt fuktighetsnivå i bunnen av frostfundamentet av sprengstein vil bedre frostmotstanden. Dette kan f.eks. oppnås ved innlegging av gruspute eller filterlag av sand.

Figur 5: Dimensjoneringskurve for total tykkelse av forsterknings- og frostsikringslag av sprengstein

5 Frostsikring ved spesielle forhold

5.1 Fjellskjæring

a) I fjellskjæringer skal det som regel foretas dypsprengning til samme dybde som det masseskiftes i tilstøtende jordskjæringer.

b) Ettersom frosten forplanter seg raskere og dypere i fjell enn i løsmasser, skal det utføres en utkiling med ikke telefarlige materialer over en viss lengde nærmest fjellskjæringen, som vist på figur 6. Dybden settes til 0,5 · Z, hvor Z er tykkelsen av forsterkningslag og frostsikringslag. Utkilingens lengde settes normalt lik 10 · Z.

Figur 6: Utkiling av frostsikringslag ved overgang til fjell

c) Hvis fjellskjæringer unntaksvis ikke dypsprenges, skal fjelloverflaten blottlegges og renses for subus og alt telefarlig materiale, før tilbakefylling skjer. Sålen må vurderes isolert med XPS, i tillegg til utkiling.

5.2 Frostsikring av stikkrenner, kulverter og underganger

For stikkrenner, kulverter og underganger vil konstruksjonens størrelse virke inn på nødvendig tykkelse av frostsikringslaget.

Frosten vil trenge inn i selve gjennomløpet, og normalt bør man regne med at frosten virker i hele lengden. Tykkelsen av frostsikringslaget, hf, er avhengig av tverrsnittet på gjennomløpet. Se tabell 8.

Tabell 8: Tykkelse på frostsikringslaget, hf
Største innvendige høyde eller bredde, d (m) Tykkelse på frostsikringslaget, hf (m)
Stikkrenne, kulvert, undergang

0,6 ≤ d ≤ 1,0

d > 1,0

hf = 0,3 · d (Z + 0,5)

hf = (0,3 + 0,1d) (Z + 0,5)

Z (m) er samlet tykkelse av forsterkningslag og frostsikringslag iht. avsnitt 4.

Figur 7: Frostsikring ved stikkrenner

5.3 Støttemur

a) Støttemurer skal fundamenteres frostfritt etter maksimal frostmengde (F100) uansett banestandard.

b) Det skal ikke benyttes telefarlig materiale som bakfyllmasser i frostsonen. Tykkelsen på laget er hf. (Se figur 8).

c) Stein større enn 300 mm tillates ikke.

5.3.1 Utførelse

a) Arbeidet skal utføres på en slik måte at steinmassene ikke skader konstruksjonen ved utfyllingen.

b) Hvis støttemuren dimensjoneres for trafikkbelastning, skal bakfyllmassen komprimeres med vibrerende plate.

c) Hvis steinmassene er for åpne til å hindre inntrenging av finmateriale, skal det brukes fiberduk mot jordmassene, jf. også Underbygning/Prosjektering og bygging/Stabilitet.

hf (m) = Z + 0,5

Z (m) er tykkelsen av forsterkningslag og frostsikringslag iht. avsnitt 4.

Figur 8: Eksempel på frostsikring ved støttemur