Külmakerkeliste kohtade likvideerimise analüüs ja optimeerimine

Abstract

Lõputöö on koostatud teemal „Külmakerkeliste kohtade likvideerimise analüüs ja optimeerimine“ ning selle eesmärk on analüüsida külmakerkeliste kohtade likvideerimise otstarbekust ja võimalusi Eesti madala liiklusintensiivsusega teedel (alla 200 autot ööpäevas). Eesti paikneb Ida-Euroopa loodenurgas mereliselt kliimalt mandrilisele ülemineku vööndis, kus sagedased ja järsud temperatuurikõikumised loovad soodsad tingimused katendite korduvaks külmumiseks ja sulamiseks. Näiteks oli 2023/2024. aasta talve keskmine temperatuur –3,4 °C, mis suurendab külmumise tsüklite esinemissagedust, eriti külmatundlike materjalidega teedel. Katendite külmumise tagajärjel külmub vesi katendi kihtides ning võib põhjustada külmakerkeid. Külmakerge on katte kandevõime kaotus, mis tekib tee katendisse või muldkehasse külmumispiiri sisse kogunenud vee ja niiskuse külmumisest moodustunud jääläätse sulamisest. Konstruktsioonis tekivad liigniiskunud kohad, mille tulemusena väheneb katendi kandevõime. Kandevõime langus raskendab teede läbivust ning väheneb tee liiklusohutus, kuna teede katendisse tekivad kohad, kus kandevõime ei vasta kehtestatud piirväärtuste nõuetele. Teekate muutub ebatasaseks, põhjustades liiklejatele ebamugavusi. Külmakergete ulatuslikum ja süstemaatiline kaardistamine sai Eestis alguse 2016. aastal. Andmete kogumine põhineb peamiselt visuaalsel vaatluse meetodil koostöös teehooldajate ja järelevalveinseneridega. Külmakergete registreeritud ulatus ja esinemissagedus sõltuvad suures osas ilmastikuoludest kui ka andmete kogumise aktiivsusest ja süstemaatilisusest erinevatel aastatel. Lõputöös tugineti Eesti teeregistri andmetele, mille kohaselt on riigiteedel ligi 501 kilomeetrit külmakerkeohtlikke lõike, millest enam kui kolmandik asub madala liiklussagedusega kõrvalmaanteedel. Töö raames analüüsiti nelja erineva teelõigu andmeid (Pajupea tee, Taali-Põlendmaa tee, Poldri tamm ja Saki-Parapalu tee), kus kasutati erinevaid konstruktsioone külmakergete mõju vähendamiseks nagu geotekstiilide ja geovõrkude kasutamist ning pindamist. Selgus, et parima tulemuse annab külmakerkelise pinnase eemaldamine ja konstruktsiooni asendamine sobiva kihilise lahendusega. Samas on aga külmakerke ohtliku pinnase väljavahetamine sageli kulukas, töömahukas ning pole alati majanduslikult otstarbekas, eriti väikese liikluskoormusega teedel. Suure liikluskoormusega teedel on põhjendatud vastupidavamate ja tehniliselt keerukamate konstruktsioonide rajamine, mis tagavad piisava kandevõime ja kestvuse, kuid madala liiklusintensiivsusega teedel on mõistlik eelistada säästlikke ja sihipäraseid lahendusi, mis vastavad tegelikule liiklusvajadusele ning võimaldavad samal ajal hoida kontrolli all nii kulud kui ka keskkonnamõjud. Efektiivseks külmakergete ennetamiseks ja leevendamiseks tuleb iga objekti käsitleda eraldi, võttes arvesse konkreetseid pinnasetingimusi, liikluskoormust ja olemasoleva teekonstruktsiooni seisukorda.

The thesis titled „Analysis and Optimization of the Elimination of Frost Heave Areas“ aims to evaluate the feasibility and potential solutions for eliminating frost-heave-prone sections on low-traffic roads in Estonia (with fewer than 200 vehicles per day). Estonia is located in the northwestern part of Eastern Europe, in a transitional zone between maritime and continental climates. This positioning results in frequent and abrupt temperature fluctuations, which create favorable conditions for the repeated freezing and thawing of pavement layers. For example, the average winter temperature during the 2023/2024 season was –3.4 °C, which increases the occurrence of freeze-thaw cycles, particularly on roads constructed with frost-sensitive materials. As pavements freeze, water in the structural layers can solidify, forming ice lenses that later melt and cause frost heave. Frost heave is a loss of structural bearing capacity caused by thawing ice within the pavement or subgrade, leading to overly moist areas that weaken the pavement. This deterioration results in reduced road passability and safety, as certain areas no longer meet the required structural standards. The surface becomes uneven, causing discomfort to road users. Systematic mapping of frost heave issues began in Estonia in 2016. Data collection is based mainly on visual inspections in cooperation with road maintenance personnel and supervision engineers. The extent and frequency of recorded frost heave damage depend heavily on weather conditions and the consistency of monitoring from year to year. The thesis draws on data from the Estonian Road Register, which shows that approximately 501 kilometers of state roads are at risk of frost heave, with over one-third located on low-traffic secondary roads. The study analyzed data from four road sections (Pajupea tee, Taali–Põlendmaa tee, Poldri tamm, and Saki–Parapalu tee) where different construction methods were applied to reduce frost heave effects, such as the use of geotextiles, geogrids, and surface treatments. The most effective solution proved to be the removal of frost-susceptible soil and replacement with a properly layered structure. However, this method is often expensive and labor-intensive, and not always economically justified, especially on roads with low traffic intensity. On high-traffic roads, it is reasonable to build more durable and technically advanced structures to ensure sufficient load-bearing capacity and long-term performance. Conversely, for low-traffic roads, it is more practical to implement cost-effective and targeted solutions that meet actual traffic needs while keeping expenditures and environmental impacts under control. To ensure effective frost heave prevention and mitigation, each site must be approached individually, considering local soil conditions, traffic volumes, and the current state of the road structure.