Prawidłowo wykonany remont lub przebudowa nawierzchni

Transkrypt

1 dr hab. inż. Paweł Mieczkowski, mgr inż. Bartosz Budziński, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Utrata no no ci nawierzchni w aspekcie niew a ciwego odwodnienia korpusu drogowego Właściwe zaprojektowanie elementów odwodnienia jest niezwykle istotne ze względu na zapewnienie prawidłowego funkcjonowania drogi w całym okresie jej użytkowania. W artykule opisano przykład niewłaściwego podejścia do problemu wody w konstrukcji na przebudowie jednej z dróg wojewódzkich. Prawidłowo wykonany remont lub przebudowa nawierzchni drogowej muszą zapewnić jej właściwości funkcjonalne w zadanym okresie użytkowania. Nawet niewielkie błędy na etapie realizacji mogą skutkować zniszczeniami zmuszającymi do przeprowadzenia robót naprawczych. Jednym z czynników, który ma decydujące znaczenie, jest woda. Zalegając w podłożu pod konstrukcją, może obniżać jej nośność, co będzie prowadzić do spękań warstw asfaltowych, nawet w krótkim czasie po oddaniu drogi do użytkowania. Przykładem niewłaściwego podejścia do problemu wody w konstrukcji może być przebudowa jednej z dróg wojewódzkich. W ramach projektu wykonano nowe warstwy nawierzchni, a całą konstrukcję dostosowano do przeniesienia ruchu 2,8 mln osi 100 kn (wg metody Instytutu Asfaltowego, zgodnie z założeniami przyjętymi w KTKNPiP z 1997 r.). W stosunkowo krótkim okresie po oddaniu drogi do użytkowania (3-5 lat) pojawiły się miejscowe spękania siatkowe na powierzchni warstw asfaltowych oraz deformacje strukturalne. Przeprowadzona diagnostyka, oparta m.in. na badaniu ugięciomierzem FWD, wskazała na miejscowe ponadnormatywne ugięcia nawierzchni, co klasyfikowało ją do remontu. Analiza stanu istniejącego wykazała, że główną przyczyną było uplastycznienie podłoża gruntowego na skutek wody opadowej, która wniknęła poprzez krawędź jezdni i pobocza pod warstwy konstrukcji. Przeprowadzona niewłaściwie przebudowa obejmowała obszar jezdni (z niewielkimi odsadzkami w warstwie stabilizacji cementem) i częściowo pobocza, na którym na fragmentach wymieniono grunt na przepuszczalny, na znacznej części pozostawiono grunt rodzimy (spoisty). Summary Loss of the load capacity of the surface in the aspect of the improper dehydration of the road body The proper design of drainage elements is extremely important to ensure the appropriate functioning of a road throughout its entire lifetime. The article describes, among others, an example of a wrong approach to the problem of water in the structure during the reconstruction of one of the provincial roads. Keywords: load bearing capacity, dehydration, design of drainage elements Wprowadzenie Wszelkiego rodzaju roboty związane z przebudową drogi bądź jej wzmocnieniem powinny być tak planowane i realizowane, by zagwarantować odpowiedni poziom funkcjonalności przez cały okres użytkowania. Ocenę tego można prowadzić w oparciu o wytyczne SOSN (System Oceny Stanu Nawierzchni [1]) bądź DSN (Diagnostyka Stanu Nawierzchni [2]). Planowanie robót powinno być poprzedzone kompleksowym rozpoznaniem stanu istniejącego nawierzchni, a przede wszystkim podłoża gruntowego oraz poziomu zalegania wód gruntowych (warunków gruntowo-wodnych) zgodnie z [3]. Jednym z ważnych elementów procesu projektowego i wykonawczego jest odwodnienie drogi. Woda zalegająca w podłożu pod konstrukcją (a nawet w poboczu) może być jednym z głównych czynników obniżających nośność. Zawilgocone podłoże może prowadzić do inicjacji spę- Rys. 1. Wykończenie oraz uszczelnienie wyżej położonej krawędzi warstwy dla nawierzchni o jednostronnym nachyleniu [4] 32 Magazyn Autostrady 1-2/2019

2 Fot. 1. Stan nawierzchni drogi wojewódzkiej sprzed przebudowy kań zmęczeniowych warstw asfaltowych oraz deformacji strukturalnych, nawet w krótkim czasie po oddaniu drogi do użytkowania, o ile fakt ten nie został uwzględniony na etapie projektowania. Działania związane z zabezpieczeniem nawierzchni nie mogą się w tym przypadku ograniczać wyłącznie do wód gruntowych, ale również wód opadowych infiltrujących pod warstwy nawierzchni. Wody opadowe powinny być jak najszybciej odprowadzane poprzez system odwodnienia powierzchniowego bądź wgłębnego poza strefę zwiększonych oddziaływań od ruchu pojazdów samochodowych. Jednym z elementów decydujących o tym, jak również o właściwej pracy konstrukcji, jest poprawne wykonawstwo powiązane z odpowiednim ukształtowaniem w profilu poszczególnych warstw nawierzchni i podłoża. Zabezpieczenie typowych nawierzchni przed ingerencją wody opadowej w jej strukturę uzyskuje się dzięki szczelnej warstwie wierzchniej. Warstwie tej nadaje się odpowiednie spadki w kierunku podłużnym i poprzecznym, umożliwiające możliwie szybki spływ wody do rowów bądź systemu odwodnienia wgłębnego. Newralgicznym miejscem w przypadku odwodnienia powierzchniowego jest nieutwardzone (nieszczelne) pobocze, które poprzez miejscowe zawyżenia w stosunku do krawędzi niwelety drogi może hamować spływ wody. Prowadzi to do penetracji wody w głąb konstrukcji. Jest to szczególnie niebezpieczne w przypadku poboczy z gruntów spoistych, uniemożliwiających przepływ wody w kierunku rowów odwadniających, bez właściwie wykonanej warstwy odsączającej lub odcinającej. Ponadto woda może oddziaływać bezpośrednio na mieszanki mineralno-asfaltowe. Może penetrować je przez nawet najmniejsze nieszczelności, wnikając np. pomiędzy warstwy przy braku pełnego połączenia międzywarstwowego bądź w samą mieszankę mineralno-asfaltową w miejscach o dużej wolnej przestrzeni. Skutkiem tego będą uszkodzenia warstw z mieszanek mineralno-asfaltowych, a nawet całej konstrukcji nawierzchni. Jedną z form ochrony przed wnikaniem wody powierzchniowej przez krawędzie warstw jest ich zabezpieczenie na etapie realizacji. Polega to na spryskaniu krawędzi gorącym asfaltem lub emulsją asfaltową. Grubość warstewki lepiszcza powinna być dostosowana do porowatości zabezpieczanej powierzchni i zapewnić jej szczelność w okresie użytkowania. O tej formie ochrony jest mowa w wymaganiach technicznych WT-2:2016 cz. II (rys. 1). Rozwiązanie to jest wymagane (zgodnie z WT-2:2016) przy jednostronnych pochyleniach nawierzchni (zabezpiecza się krawędź wyżej położoną), ale przy zaleganiu nieprzepuszczalnych gruntów w poboczu powinno się zabezpieczać obie krawędzie (zdaniem autorów), niezależnie od pochylenia poprzecznego (jednostronne, dwustronne). Opis stanu istniej cego studium przypadku Do kryteriów decydujących o trwałości nawierzchni podatnych (i półsztywnych) zalicza się spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych oraz deformacje strukturalne w podłożu gruntowym. Wystąpienie jednego z tych przypadków na poziomie krytycznym (spękania, deformacje strukturalne) świadczy o utracie nośności nawierzchni i konieczności przeprowadzenia napraw. Zły stan techniczny drogi oraz zwiększający się ruch pojazdów samochodowych (z dużym udziałem pojazdów ciężkich) zmusił zarządcę drogi wojewódzkiej do przeprowadzenia przebudowy na odcinku 3,5 km (fot. 1). Projekt przebudowy dotyczył drogi jednojezdniowej, dwupasowej, której szerokość pasa ruchu była równa 3,5 m, natomiast szerokość poboczy była zróżnicowana i wahała się od 0,70 m do 1,2 m. Na podstawie przeprowadzonych badań geotechnicznych nie stwierdzono występowania wody gruntowej (do 4 m od spodu konstrukcji), a grunt podłoża zakwalifikowano jako bardzo wysadzinowy (glina G). To pozwoliło, przy uwzględnieniu przebiegu trasy w profilu, na zakwalifikowanie podłoża zgodnie z polskimi wy- 33

3 Rys. 2. Układ warstw konstrukcyjnych przyjęty na etapie projektowania przebudowywanej drogi wojewódzkiej Fot. 2. Spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych i deformacje strukturalne po 3-4 latach od oddania drogi do użytku tycznymi do grupy nośności G4 (E2 25 MPa). Na podstawie tego zaprojektowano nową konstrukcję: warstwa ścieralna z mieszanki SMA 11 PMB 45/ cm, warstwa wiążąca z mieszanki AC 16 W 35/50 8 cm, warstwa podbudowy z mieszanki AC 22 P 35/50 10 cm, podbudowa z kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie 20 cm, grunt stabilizowany cementem Rm = 2,5 MPa 25 cm. Projekt uwzględniał również wykonanie wzmocnienia pobocza drogi na szerokości cm warstwą destruktu asfaltowego o grubości 15 cm. Przyjęta konstrukcja spełniała warunek mrozoodporności (H kon = 67 cm > H wym = 60 cm). Zgodnie z metodą Instytutu Asfaltowego [5] trwałość zmęczeniowa konstrukcji wyniosła 2,8 mln osi 100 kn, co kwalifikowało ją do kategorii ruchu KR4 (decydującym kryterium były spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych). Przebudowa miała zapewnić parametry funkcjonalne nawierzchni na dopuszczalnym poziomie przez 20 lat eksploatacji. Ze względu na opracowanie nowego Katalogu Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych [6] i dla przyjętych tam założeń przeliczono trwałość zaprojektowanej konstrukcji w oparciu o metodę AASHTO 2004 [7]. Zgodnie z tą metodą przy założeniu FC bottom na poziomie 10% (dla spękań inicjowanych od dołu) trwałość zmęczeniowa konstrukcji wyniosła 8,2 mln osi 100 kn (KR5). Decydującym kryterium w tym przypadku były również spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych. Harmonogram robót przygotowany przez wykonawcę przewidywał wykonywanie prac w okresie wiosenno-letnim. Zakres obejmował: usunięcie starych warstw konstrukcji, wyprofilowanie podłoża gruntowego, jego zagęszczenie, następnie wykonanie warstwy wzmacniającej z kruszywa stabilizowanego cementem (z węzła: R m = 2,5 MPa) oraz pozostałych warstw konstrukcji. Grunt z pobocza (wstępnie usunięty) mógł zostać ponownie wbudowany (przy spełnieniu wymagań odnośnie do przepuszczalności). W projekcie brakowało informacji na temat jego właściwości (zarówno pod względem uziarnienia, jak i wodoprzepuszczalności). Układ warstw w przekroju drogi z uwzględnieniem połączenia z poboczem nieutwardzonym przedstawiono na rys. 2. Kruszywo łamane stabilizowane Warstwy asfaltowe Parametry statystyczne mechanicznie Grunt stabilizowany cementem pas prawy pas lewy pas prawy pas lewy pas prawy pas lewy Średnia [cm] 21,2 21,5 20,6 19,7 22,1 22,3 Odchylenie standardowe [cm] 2,5 2,2 2,8 2,7 3,6 3,2 Maksymalna wartość [cm] 25,5 24,3 25,6 24,7 28,5 28,2 Minimalna wartość [cm] 17,0 17,3 16,0 16,7 16,8 17,3 Kwantyl 75% [cm] 19,1 18,9 18,2 18,4 19,7 19,4 Kwantyl 85% [cm] 18,2 18,4 17,2 17,7 18,4 18,5 Kwantyl 95% [cm] 17,4 17,7 16,3 16,6 17,4 17,3 Tab. 1. Wartości statystyczne dotyczące grubości warstw konstrukcji na podstawie pomiarów GPR 34 Magazyn Autostrady 1-2/2019

4 Rys. 3. Wartości ugięć maksymalnych w badaniu FWD w śladzie prawego koła, pas prawy Rys. 4. Ugięcia nawierzchni na poszczególnych geofonach uzyskane w badaniu FWD (pomiary 1 i 2 punkty o dużych ugięciach maksymalnych, pomiary 3 i 4 punkty o małych ugięciach maksymalnych) Po około 3-4 latach od oddania przebudowanej drogi do użytku miejscowo zaczęły pojawiać się pęknięcia zmęczeniowe w warstwach asfaltowych oraz deformacje o charakterze strukturalnym (fot. 2). Największe uszkodzenia były zlokalizowane głównie w miejscach zaniżeń drogi (m.in. w obszarze łuków pionowych wklęsłych). Badania terenowe i laboratoryjne Określenie przyczyn powstających uszkodzeń nawierzchni wymagało przeprowadzenia szczegółowego rozpoznania terenowego. Pierwszy etap obejmował wykonanie badań nieniszczących, tj. nośności ugięciomierzem dynamicznym FWD (Falling Weight Defl ectometer), oraz grubości warstw z wykorzystaniem georadarowego systemu pomiarowego GPR. Został on wykonany na zlecenie zarządcy drogi. Badania przeprowadzono w pierwszych dniach września, nie notowano w tym okresie intensywnych opadów deszczu, dominowało niewielkie zachmurzenie, temperatura powietrza wahała się od 10 do 20 C. W drugim etapie (pod koniec września) wykonano odwierty w konstrukcji nawierzchni w celu dokładnego wyznaczenia grubości poszczególnych warstw oraz określenia ich parametrów fizyczno-wytrzymałościowych. Dodatkowo pobrano do badań materiał z pobocza drogi. Badania ugięć wykonano we wczesnych godzinach rannych (ze względów bezpieczeństwa) w śladzie prawego koła przy obciążeniu 50 kn (± 0,5 kn) z krokiem pomiarowym równym 25 m. Temperaturę warstw 35

5 Rys. 5. Grubości warstw konstrukcji nawierzchni pasa prawego uzyskane z pomiarów GPR asfaltowych przyjęto na poziomie C. Wielkość odkształceń mierzono za pomocą zestawu czujników (geofonów), które były umieszczone w centrum nacisku, oraz w określonych odległościach od punktu centralnego, tj.: 200, 300, 450, 600, 900, 1200, 1500 i 1800 mm. Analizowano zarówno maksymalne ugięcie w centrum nacisku, jak i wskaźnik krzywizny ugięcia SCI300. Wyniki z pomiarów maksymalnego ugięcia w centrum nacisku na pasie prawym przedstawiono na rys. 3. Na pasie lewym pomierzone wartości były zbliżone do uzyskanych na pasie prawym. Pomierzone ugięcia maksymalne w środku nacisku można sklasyfikować w dwóch grupach. Do pierwszej można zaliczyć wyniki oscylujące w zakresie od 125 do 270 μm, których jest ponad 90%. W drugiej grupie znalazło się 12 punktów pomiarowych. W tym przypadku ugięcia przekraczały wartość 350 μm. Ten podział na dwie grupy był również zauważalny w przypadku kształtu czaszy ugięć. Znacznie większe deformacje obserwowane były na geofonach zarówno bliżej centrum nacisku, jak i tych oddalonych od centrum. Dotyczyło to tych samych 12 punktów pomiarowych o znacznych wartościach ugięć maksymalnych. Charakter deformacji uzyskany z pomiarów odkształceń na poszczególnych geofonach dla tych wyszczególnionych dwóch grup przedstawiono na rys. 4. Georadarowy system pomiarowy, obok określenia grubości poszczególnych warstw, pozwala m.in. na identyfikację miejsc zmian lub zniszczeń konstrukcji nawierzchni, utraty sczepności międzywarstwowej czy też dużego zawilgocenia podłoża gruntowego lub warstwy podbudowy. Pomiary przeprowadzono z wykorzystaniem dwóch anten o częstotliwości: 2,2 GHz i 1,0 GHz. Głębokość penetracji pierwszej z anten wynosi ok. 45 cm, natomiast drugiej ok. 90 cm. Wyniki z pomiarów grubości poszczególnych warstw dla pasów prawego i lewego przedstawiono w tab. 1. Dodatkowo na rys. 5 przedstawiono w formie graficznej grubości poszczególnych warstw na pasie prawym w zależności od pikietażu. Analiza dokumentacji z pomiarów georadarem nie wskazywała na braki w sczepności warstw asfaltowych czy też dużego zawilgocenia dolnych warstw konstrukcji nawierzchni drogowej (podłoża gruntowego, warstwy gruntu stabilizowanego cementem czy też podbudowy z kruszywa łamanego). Stan nawierzchni oraz przegląd wyników uzyskanych z badań nośności FWD i pomiarów grubości warstw GPR ukierunkował dalszy tok postępowania. Skupiono się na odcinkach wykazujących brak nośności. Miejsca te cechowały się występowaniem spękań o charakterze zmęczeniowym oraz deformacji strukturalnych. Na tych odcinkach wykonano odwierty mechaniczne i pobrano do badań próbki (rdzenie) z poszczególnych warstw konstrukcji. Odwierty umiejscowiono w obszarze największych ugięć (5 sztuk) i dodatkowo w celu porównania w dwóch punktach o niewielkich ugięciach. W zakresie badań było określenie: grubości warstw, modułu sztywności IT-CY warstw asfaltowych, wytrzymałości na ściskanie gruntu stabilizowanego cemen- 36 Magazyn Autostrady 1-2/2019

6 Rys. 6. Suma skumulowana ugięć standaryzowanych na badanym odcinku drogi wojewódzkiej (pas prawy) z zaznaczonymi miejscami o ponadnormatywnych ugięciach Rys. 7. Lokalizacja odcinków jednorodnych na badanym odcinku drogi wojewódzkiej (pas prawy) po pominięciu miejsc o ponadnormatywnych ugięciach tem oraz wskaźnika nośności CBR podbudowy z kruszywa łamanego i gruntu z podłoża. W punktach 1-5 odwierty wykonywano w obszarze spękań warstw asfaltowych oraz w pobliżu tego obszaru (w odległości ok m). Konieczność pobrania próbek spoza obszaru spękań (mieszanki mineralno-asfaltowe oraz grunt stabilizowany cementem oznaczone jako ** ) wynikała z nienaruszonej struktury. Pozwoliło to na wyznaczenie: parametrów fizyczno-wytrzymałościowych (badań modułu sztywności IT-CY warstwy podbudowy asfaltowej (AC 22 P), wskaźnika zagęszczenia oraz wytrzymałości na ściskanie warstwy gruntu stabilizowanego cementem). Wyniki badań przedstawiono w tab. 2. Materiał pobrany z warstwy stabilizowanej cementem wskazywał na pewne odstępstwa od założeń projektu. Analiza makroskopowa pokruszonych fragmentów świadczyła, że zastosowane do stabilizacji kruszywo było drobnoziarniste i pod względem uziarnienia przypominało raczej grunt podłoża niż materiał zgodny z wymaganiami WT-5:2010 [8] (w projekcie założono mieszankę o uziarnieniu do 11 mm z dowozu zgodnie z SST D ). Struktura warstwy kruszywa (gruntu) stabilizowanego w obszarze spękań powierzchniowych wykazywała znaczny stopień rozkruszenia (dominowała frakcja o uziarnieniu 1-2 mm). Materiał warstwy był częściowo wymieszany 37

7 zarówno z kruszywem łamanym z warstwy podbudowy, jak i gruntem podłoża. Grunt pobrany z podłoża w odpowiednich warunkach wilgotnościowych (przy wilgotności optymalnej) charakteryzował się stosunkowo wysoką nośnością. Moduł sprężystości wyznaczony ze wzoru Powella mieścił się w zakresie od 70 do 108 MPa. Po jego zawilgoceniu zaobserwowano wyraźny spadek nośności, a tym samym i modułu sprężystości (od 25 do 50 MPa). Może to być jedna z przyczyn zaistniałych zniszczeń konstrukcji. Badania gruntu z pobocza wskazywały na jego dużą niejednorodność. Występowały tam grunty sypkie (piaski średnie i grube), jak i spoiste (gliny, gliny pylaste, iły, piaski gliniaste), przy czym te drugie stanowiły większość. Analiza wyników bada Do podstawowych cech funkcjonalnych służących do definiowania stanu technicznego nawierzchni należy zaliczyć ugięcia sprężyste, wyznaczone np. w badaniu FWD. Jednym z parametrów tego badania jest ugięcie maksymalne w środku nacisku, które po przeliczeniu na ugięcie standaryzowane (zgodnie z [1, 2]) pozwala wyznaczyć odcinki jednorodne (np. metodą sum skumulowanych). Dla tych odcinków wyznacza się ugięcie miarodajne. Drugim z parametrów jest SCI300, tj. wskaźnik krzywizny ugięcia nawierzchni, wyznaczany jako różnica ugięć zmierzonych przez czujniki w centrum obciążenia i w odległości 300 mm. Oba parametry pozwalają wyznaczyć tzw. poziom decyzyjny, klasyfikujący nawierzchnię ze względu na jej stan techniczny [1, 2]. Wartości ugięć standaryzowanych w postaci sum skumulowanych przedstawiono na rys. 6. Widać na nim wyraźnie, że miejsca o podwyższonych wartościach ugięć stanowią wydzielone obszary, wpływając na kształt krzywej i liczbę odcinków jednorodnych. Wykluczając te punkty pomiarowe z obliczeń, liczbę odcinków jednorodnych można ograniczyć do 5 (rys. 7). W celu lepszego zobrazowania wpływu miejsc o ponadnormatywnych ugięciach wykonano podstawowe obliczenia statystyczne dla całego analizowanego odcinka (przed korektą) oraz po pominięciu wartości z obszarów o podwyższonych ugięciach (po korekcie), zarówno dla pasa lewego, jak i prawego (tab. 3). Dodatkowo wartości standaryzowane z ugięć, ich średnie i odchylenia standardowe przedstawiono na rys. 8. Miarodajne ugięcie standaryzowane wyznaczono zgodnie z metodyką opisaną w [2] ze wzoru (1). Obliczenia wykonywano dla całego odcinka: Parametr Nr próbki * 7* Pikietaż [m] Grubość warstw asfaltowych [cm] 21,7/21,2** 23,5/22,8** 22,4/23,1** 21,1/21,7** 22,6/22,3** 19,6 21,1 Wskaźnik zagęszczenia betonu asfaltowego (AC 22 P) [%] /97,6** /99,4** /98,7** /100,3** /98,5** 99,2 98,3 Zawartość wolnych przestrzeni w betonie asfaltowym (AC 22 P) [%] /6,9** /5,3** /6,2** /4,8** /6,1** 5,5 6,4 Grubość warstwy kruszywa łamanego [cm] /23,4** /17,2** /22,4** /19,2** /17,1** 23,2 19,6 Grubość warstw z gruntu (kruszywa) stabilizowanego cementem [cm] /24,3** /24,0** /23,6** /23,6** /23,8** 21,8 23,6 Moduł sztywności IT-CY w 20 C [MPa] /7654** /7023** /6578** /6487** /7787** Wytrzymałość na ściskanie gruntu stabilizowanego cementem [MPa] /3,26** /3,51** /2,96** /4,12** /2,67** 3,75 4,06 Wskaźnik nośności CBR kruszywa łamanego [%] Wskaźnik nośności CBR gruntu (przy wilgotności optymalnej) [%] Wskaźnik nośności CBR gruntu (po 4 dobach nasycania wodą) [%] * próbki pobrane z obszaru o niewielkich ugięciach, ** próbki pobrane z niewielkiej odległości od miejsc widocznych zniszczeń powierzchniowych (od 3 do 10 m) Tab. 2. Parametry próbek warstw nawierzchni z odwiertów Parametry statystyczne Pas prawy Pas lewy przed korektą po korekcie przed korektą po korekcie Średnia [μm] 304,5 266,9 295,4 254,5 Odchylenie standardowe, D U [μm] 133,3 48,0 138,7 46,2 Maksymalna wartość [μm] 875,3 380,1 891,5 376,9 Minimalna wartość [μm] 170,8 170,8 175,3 167,8 Miarodajne ugięcie standaryzowane (wskaźnik nośności), U [μm] 437,8 314,9 434,1 300,7 Kwantyl 85% [μm] 350,9 326,6 334,3 311,8 Kwantyl 95% [μm] 652,2 352,8 626,9 334,5 Tab. 3. Wartości statystyczne z pomiarów ugięć standaryzowanych dla pasów prawego i lewego 38 Magazyn Autostrady 1-2/2019

8 Rys. 8. Wartości standaryzowane z ugięć maksymalnych (przed korektą i po korekcie), ich średnie i odchylenia standardowe na badanym odcinku drogi wojewódzkiej (pas prawy) (1) gdzie: U wskaźnik ugięcia (miarodajne ugięcie standaryzowane), us standaryzowana wartość pojedynczego pomiaru ugięcia, n liczba ugięć standaryzowanych na odcinku, Du odchylenie standardowe standaryzowanych wartości pojedynczych pomiarów ugięć na odcinku miarodajnym. Z przedstawionych wyników w tab. 3 wynika, że różnica pomiędzy wartościami średnimi ugięć standaryzowanych przed korektą i po korekcie jest na poziomie μm, natomiast różnica w miarodajnym ugięciu standaryzowanym jest znacznie większa i wynosi ok μm. Decyduje o tym duży rozrzut wyników, charakteryzowany przez odchylenie standardowe (różnica pomiędzy wartościami odchylenia przed korektą i po korekcie dla poszczególnych pasów ruchu mieści się w zakresie μm). Miarodajne wartości ugięć nieuwzględniające miejsc osłabionych (po korekcie) odpowiadają wielkościom pożądanym wg DSN dla kategorii ruchu KR4 (niewielkie przekroczenie na pasie prawym). W przypadku analizy całego odcinka (przed korektą) wartość ugięcia miarodajnego jest bliska wartości krytycznej (na obu pasach ruchu) dla kategorii KR4, co świadczy o ko- nieczności natychmiastowego przeprowadzenia remontu. Wymagania odnośnie wskaźnika ugięcia wg DSN [2] przedstawiono w tab. 4. Miarodajną wartość wskaźnika SCI300, będącą jednym z parametrów wykorzystywanych w klasyfikacji nośności, obliczono jako sumę wartości średniej i odchylenia standardowego wskaźników krzywizny ugięcia nawierzchni (2) dla całego odcinka (przed korektą), dla odcinka po pominięciu obszarów o podwyższonych wartościach ugięć (po korekcie) oraz dla miejsc o dużych ugięciach. Wartości te oraz dodatkowe parametry statystyczne dla wskaźnika SCI300 przedstawiono w tab. 5: (2) gdzie: SCI300 wskaźnik ugięcia (miarodajne ugięcie standaryzowane), Kategoria ruchu Progi klas A/B B/C C/D KR KR KR KR KR Tab. 4. Progi klas nośności nawierzchni przy rozróżnieniu dróg o różnym obciążeniu ruchem. Miarodajny wskaźnik ugięć, μm Parametry statystyczne przed korektą Pas prawy po korekcie miejsca dużych ugięć przed korektą Pas lewy po korekcie miejsca dużych ugięć Średnia [μm] 63,3 43,5 261,9 65,7 41,8 252,1 Odchylenie standardowe, D SCI [μm] 66,0 11,2 55,5 62,1 10,4 53,2 Maksymalna wartość [μm] 366,6 78,4 366,6 339,2 79,2 339,2 Minimalny wartość [μm] 28,1 28,1 197,4 32,2 32,2 169,8 Miarodajny wskaźnik krzywizny, SCI [μm] 129,3 54,6 317,4 127,8 52,2 305,3 Kwantyl 85% [μm] 66,5 54,4 296,7 67,2 49,5 284,2 Kwantyl 95% [μm] 233,3 69,3 343,3 206,8 64,3 326,9 Tab. 5. Wartości statystyczne wskaźnika SCI300 dla pasów prawego i lewego 39

9 Rys. 9. Przebieg niwelety drogi w powiązaniu z pomierzonymi ugięciami maksymalnymi Gromadzenie się wody opadowej pod konstrukcją w najniższych miejscach niwelety jest efektem braku możliwości jej przepływu do rowów. sci i standaryzowana wartość pojedynczego pomiaru wskaźnika krzywizny ugięcia, Dsci odchylenie standardowe standaryzowanych wartości pojedynczych pomiarów krzywizny ugięcia na odcinku miarodajnym. Na podstawie obliczeń wartości miarodajnego wskaźnika krzywizny SCI300 całego odcinka (bez pomijania obszarów o podwyższonych ugięciach) drogę można zakwalifi kować do klasy C w przypadku kategorii ruchu KR4 (na granicy z klasą D), natomiast w przypadku ruchu KR5, już do klasy D, co oznacza konieczność przeprowadzenia remontu (zgodnie z [2]). Pomijając w obliczeniach obszary o podwyższonych ugięciach, drogę można zaklasyfi kować do klasy B, zarówno w przypadku ruchu KR4, jak i KR5. Bardzo duże wartości wskaźnika ugięć SCI300 uzyskano dla miejsc o podwyższonych ugięciach, znacznie przekraczających dopuszczalne wartości dla klasy D, niezależnie od kategorii ruchu. To świadczy jednoznacznie o uszkodzeniach warstw asfaltowych, skutkujących rozkładem naprężeń na znacznie mniejszą powierzchnię podłoża gruntowego. Przyczyny powstałych zniszczeń nawierzchni oraz ponadnormatywnych ugięć nie były wynikami zaniżonych grubości warstw czy też ich właściwości (zagęszczenia, parametrów wytrzymałościowych itp.), co potwierdziły wyniki pomiarów georadarem GPR, jak i oznaczeń wykonanych na próbkach o nienaruszonej strukturze, pobranych w pobliżu obserwowanych zniszczeń. Na podstawie wizji lokalnej stwierdzono, że wadliwe obszary są zlokalizowane w miejscach zaniżeń niwelety. W tym celu wykonano pomiary profilu podłużnego. Przebieg niwelety w powiązaniu z maksymalnymi ugięciami pomierzonymi FWD przedstawiono na rys. 9. Analiza pomiarów przedstawiona na rys. 9 wskazuje, że największe ugięcia są zlokalizowane w obszarze łuków wklęsłych. W tych miejscach mogło dochodzić do gromadzenia się wody opadowej, wnikającej pod konstrukcję poprzez krawędź pobocza nieutwardzonego. To skutkowało utratą nośności podłoża gruntowego i w dalszej kolejności warstw nośnych, a przede wszystkim warstw o podwyższonej sztywności, tj. gruntu stabilizowanego cementem i warstw asfaltowych. Gromadzenie się wody opadowej pod konstrukcją w najniższych miejscach niwelety jest efektem braku możliwości jej przepływu do rowów. Świadczy to o możliwości popełnienia błędów na etapie realizacji robót związanych z właściwym odprowadzeniem wody poza korpus drogi. W celu weryfikacji ewentualnych błędów wykonano w kilku wybranych miejscach przekopy na krawędzi drogi. Przekrój i usytuowanie warstw były zmienne, odpowiadały na fragmentach założeniom projektowym (rys. 2), stwierdzono jednak na znacznej części (szczególnie przy większych szerokościach pobocza) odstępstwa, co przedstawiono na rys. 10. Podsumowanie Analiza wyników badań i pomiarów oraz stanu technicznego wskazuje, że przyczyna zniszczeń nie leży po stronie zaniżeń grubości warstw konstrukcyjnych czy też ich parametrów funkcjonalnych. Potwierdzają to wyniki badań z miejsc uszkodzeń oraz obszarów niewykazujących zniszczeń. 40 Magazyn Autostrady 1-2/2019

10 Rys. 10. Przekrój warstw konstrukcyjnych drogi z uwzględnieniem obszaru pobocza i zalegającej w konstrukcji wody Rys. 11. Schemat odwodnienia wgłębnego przy udziale drenów/sączków (alternatywne rozwiązanie do zastosowanego) Z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że uszkodzenia nawierzchni powstały w wyniku utraty nośności warstwy podłoża gruntowego na skutek wody opadowej. Uplastycznienie podłoża skutkowało zniszczeniem warstwy gruntu stabilizowanego cementem i w dalszej kolejności warstw asfaltowych. Potwierdzają to wyniki pomiarów nośności FWD, jak i stanu warstw konstrukcji. Z rys. 10 jednoznacznie wynika, że poczynione oszczędności w szerokości warstwy gruntu stabilizowanego cementem oraz wymianie gruntu z pobocza na sypki (przepuszczalny, niewysadzinowy) były powodem gromadzenia się wody opadowej na spodzie konstrukcji i uplastycznienia gruntu podłoża. Pozostawiony na poboczu grunt rodzimy był zróżnicowany, przy czym przeważały grunty spoiste, wysadzinowe, nieprzepuszczalne. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym odpływ wody opadowej były zawyżenia pobocza (poza strefą destruktu) na skutek rozwoju roślinności. Poprawa stanu nawierzchni wymaga jak najszybszego remontu miejsc już uszkodzonych, wymiany materiału z pobocza oraz poszerzenia na całą szerokość korpusu warstwy gruntu stabilizowanego cementem. W analizowanym przypadku należałoby doprowadzić do odpowiedniego odwodnienia drogi, można to wykonać poprzez wykonanie zasypu z gruntu nieprzepuszczalnego tak, aby wody opadowe nie penetrowały w głąb konstrukcji. Drugi sposób to przejęcie wody z przepuszczalnego zasypu przez drenaż/sączek i odprowadzenie wody co 20 m do rowu zgodnie z rys. 11. Piśmiennictwo 1. System oceny stanu nawierzchni SOSN. Wytyczne stosowania. GDDKiA. Załącznik do Zarządzenia Nr 5 z dnia r. 2. Diagnostyka stanu nawierzchni i jej elementów. Wytyczne stosowania. GDDKIA. Załącznik do zarządzenia Nr 34 GDDKiA z dnia r. 3. IBDiM: Katalog Wzmocnień i Remontów Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych. Warszawa GDDKIA: Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT część II. Wykonanie warstw nawierzchni asfaltowych. Wymagania techniczne. Załącznik do zarządzenia nr 7 GDDKiA. Warszawa IBDiM, GDDKiA: Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych. Warszawa Politechnika Gdańska: Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych. Załącznik do zarządzenia nr 31 GDDKiA. Gdańsk Judycki J., Jaskuła P., Pszczoła M. i in.: Analizy i projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. Warszawa Mieszanki związane spoiwem hydraulicznym do dróg krajowych. WT Wymagania techniczne. Załącznik nr 4 do Zarządzenia nr 102 GDDKiA. Warszawa