Referat na XV Konferencję Mechaniki Gruntów i Fundamentowania, Bydgoszcz 2009 r. Przedruk: Inżynieria Morska i Geotechnika nr 3/2009 r.

Transkrypt

1 Referat na XV Konferencję Mechaniki Gruntów i Fundamentowania, Bydgoszcz 2009 r. Przedruk: Inżynieria Morska i Geotechnika nr 3/2009 r. PODŁOŻE NAWIERZCHNI DROGOWEJ Leszek RAFALSKI 1 1. WSTĘP Na nawierzchnię drogową działają obciążenia eksploatacyjne od poruszających się pojazdów, które powodują ugięcia nawierzchni i występowanie naprężeń w jej poszczególnych warstwach oraz w podłożu. Konstrukcję nawierzchni drogowej projektuje się przyjmując założenie, że obciążenia eksploatacyjne zostaną przeniesione z górnych warstw nawierzchni na podłoże gruntowe w okresie eksploatacji nawierzchni wynoszącym 20 lub 30 lat. Nawierzchnia drogowa składa się najczęściej z kilku warstw dobranych w taki sposób, aby naprężenia powstające od obciążeń eksploatacyjnych nie powodowały zniszczenia tych warstw. Z tego powodu poszczególne warstwy powinny mieć właściwości zapewniające ich trwałość podczas założonego okresu eksploatacji nawierzchni. Dotyczy to również podłoża gruntowego, na które przekazywane jest obciążenie od wyżej leżących warstw nawierzchni. W przypadku, gdy podłoże nawierzchni nie jest odpowiednio nośne można je wzmocnić. Takie podłoże nazywane jest ulepszonym (rys. 1). warstwa ścieralna warstwa wiążąca podbudowa zasadnicza podbudowa pomocnicza podłoże ulepszone podłoże naturalne Rys. 1. Warstwy nawierzchni drogowej i podłoża Oprócz obciążeń eksploatacyjnych na nawierzchnię i podłoże działają czynniki klimatyczne, które są brane pod uwagę przy projektowaniu konstrukcji nawierzchni drogowej. W naszym klimacie na podłoże nawierzchni mogą niekorzystnie niskie temperatury ujemne oraz cykle zamrażania i odmrażania. 1 Prof. dr hab. inż., Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie 1

2 Omawiane czynniki (obciążenia eksploatacyjne i oddziaływanie klimatyczne) powodują konieczność szczególnego zaprojektowania i wykonania podłoża nawierzchni drogowej. Podłoże nawierzchni drogowej jest różnie definiowane. W warunkach krajowych jest najczęściej określane jako górna warstwa nasypu lub wykopu o grubości 1 2 m, znajdująca się pod nawierzchnią drogową. 2. ODDZIAŁYWANIE OBCIĄŻENIA EKSPLOATACYJNEGO NA PODŁOŻE Największy wpływ na naprężenia i odkształcenia powstające w konstrukcjach nawierzchni drogowych mają pojazdy ciężkie. W Polsce do projektowania nawierzchni drogowych uwzględnia się pojazdy o ciężarze nie mniejszym niż 35 kn. Do zaprojektowania nawierzchni przyjmuje się prognozowany średni ruch dobowy SDR i, a następnie określa kategorię ruchu KR1, KR2, KR3, KR4, KR5 lub KR6. Kategoria ruchu oznacza obciążenie drogi ruchem samochodowym, wyrażone w osiach obliczeniowych na obliczeniowy pas ruchu na dobę, w połowie projektowanego okresu trwałości eksploatacyjnej nawierzchni. Ponieważ pojazdy poruszające się po drogach mają różne obciążenia na oś, ich obciążenie przelicza się na oś obliczeniową, czyli zastępczą oś pojedynczą o kołach pojedynczych i obciążeniu 100 lub 115 kn. Prognozowane natężenie ruchu określa się liczbą osi obliczeniowych wyznaczoną według następującego wzoru [1]: p m L f N r (1) j j w którym: L liczba osi obliczeniowych na dobę na obliczeniowy pas ruchu, w połowie prognozowanego okresu użytkowania nawierzchni, N j prognozowany średni dobowy ruch pojazdów danej kategorii, w przekroju drogi, w połowie prognozowanego okresu użytkowania, r j, współczynnik przeliczeniowy pojazdu danej kategorii na oś obliczeniową, określony na podstawie oddziaływania pojazdów tej kategorii na nawierzchnię, f p współczynnik obliczeniowego pasa ruchu. W Polsce przyjmuje się dopuszczalne statyczne naciski na oś pojazdu wynoszące 80, 100 lub 115 kn w zależności od kategorii dróg publicznych. W rzeczywistości, podczas ruchu pojazdów, dynamiczne naciski na nawierzchnie są znacznie większe od statycznych. Obecny sposób projektowania konstrukcji nawierzchni w bardzo uproszczony sposób uwzględnia dynamiczne naciski powstające w nawierzchni i podłożu od ruchu pojazdów. Nowym kierunkiem badań jest uwzględnianie w projektowaniu nawierzchni rzeczywistych oddziaływań pojazdów na drogę. Jednym z wiarygodnych sposobów oceny tych oddziaływań jest badanie tzw. widma obciążeń, czyli pomiarów rzeczywistych sił dynamicznych działających na nawierzchnię (rys. 2). Do wymiarowania nawierzchni oraz analizy rozkładu naprężeń w nawierzchni stosuje się różne metody, które powinny uwzględniać zjawiska zmęczeniowe w poszczególnych warstwach nawierzchni. Na przykład do obliczania nawierzchni sztywnych (betonowych) przyjmuje się obecnie model płyty o skończonych wymiarach w planie, ułożonej na sprężystej półprzestrzeni warstwowej. Natomiast do j 2

3 liczba osi pojedyńczych wymiarowania nawierzchni podatnych (asfaltowych) lub półsztywnych (asfaltowych na podbudowie z chudego betonu) przyjmuje się najczęściej model sprężystej półprzestrzeni warstwowej [2] dzień <20 kn <40kN <60kN <80kN <100 kn Rys. 2. Przykład widma obciążeń działającego na nawierzchnię drogową [3] W procedurze analizowania rozkładu naprężeń przyjmuje się ciągłość warstw podbudowy. Jednak w rzeczywistości w niektórych podbudowach, zwłaszcza z chudego betonu lub gruntu stabilizowanego cementem, mogą powstawać spękania skurczowe w wyniku wiązania cementu w mieszance gruntowo-cementowej oraz wysychania mieszanki. W wyniku pęknięcia podbudowy istotnie rosną naprężenia w spodzie warstwy asfaltowej stykającej się z podbudową (rys. 3). Rys. 3. Naprężenie na styku z podbudową bez pęknięcia i z pęknięciem [4] 3

4 W wyniku zwiększonych naprężeń na styku podbudowy i warstwy asfaltowej, w podłożu gruntowym pod warstwą podbudowy również powstają znacznie większe naprężenia niż wynika to z obliczeń uzyskiwanych na podstawie omawianych modeli obliczeniowych. Dlatego analiza i weryfikacja doświadczalna rzeczywistych oddziaływań obciążenia pojazdu na podłoże w przypadku nawierzchni, w której mogą powstać spękania, są ważnym kierunkiem dalszych badań. 3. KLASYFIKACJA PODŁOŻA NAWIERZCHNI DROGOWEJ W krajowej praktyce projektowania nawierzchni drogowych przyjęto cztery grupy podłoża: G1, G2, G3 lub G4, różniące się nośnością (tab.1). W praktyce procedura określania grupy nośności podłoża jest następująca: wyznacza się grupę nośności podłoża wynikającą z rodzaju gruntów występujących w podłożu i poziomu swobodnego zwierciadła wody gruntowej, określa się wskaźnik nośności podłoża, jeśli uzyskane na podstawie powyższych warunków grupy nośności są różne to jako miarodajną do projektowania nawierzchni przyjmuje się mniejszą grupę nośności. Tabela 1. Grupy nośności podłoża nawierzchni drogowej w zależności od wskaźnika nośności [5,6,7] Grupa nośności podłoża nawierzchni Wskaźnik nośności w noś G1 10% G2 5% w noś < 10% G3 3% w noś < 5% G4 w noś <3% Grupa G1 oznacza niewysadzinowe podłoże o wskaźniku nośności nie mniejszym niż 10%. Zwrócić należy uwagę, że przyjęta w Polsce klasyfikacja dotycząca naturalnych gruntów budowlanych podana w normie [8] obejmuje pod względem uziarnienia 25 rodzajów gruntów (tab. 2). Jednak dla celów projektowania nawierzchni drogowych zastosowano uproszczenie sprowadzające tak dużą liczbę różnorodnych gruntów do czterech wymienionych grup. Tabela 2. Liczba gruntów pod względem uziarnienia według [8] Gruboziarniste 4 Drobnoziarniste niespoiste 4 Spoiste 12 Organiczne 5 Razem 25 W polskich zasadach projektowania nawierzchni drogowych podzielono grunty pod względem wysadzinowości uwzględniając ich rodzaj i warunki wodne. Przyjęto cztery rodzaje gruntów podłoża (niewysadzinowe, wątpliwe, mało wysadzinowe i bardzo wysadzinowe) podane w tab. 3. 4

5 Przedstawiona klasyfikacja podłoża nawierzchni drogowej, na tle stosowanej w Polsce klasyfikacji gruntów naturalnych, wskazuje na potrzebę weryfikacji niektórych zasad określania podłoża nawierzchni. Wymaga analizy i weryfikacji ograniczenie nośności podłoża tylko do czterech grup. Zwiększenie tej liczby pozwoliłoby na lepsze dopasowanie dużej liczby gruntów naturalnych (a także antropogenicznych) do odpowiednich grup nośności. Tabela 3. Grupy nośności podłoża w zależności od warunków wodnych [5,6,7] Rodzaj gruntu Grupa nośności podłoża Grunt niewysadzinowy: rumosz niegliniasty, żwir, pospółka, G1 piasek gruby, piasek średni, piasek drobny, żużel nierozpadowy Grunt wątpliwy: piasek pylasty, zwietrzelina gliniasta, G1 G3 rumosz gliniasty, żwir gliniasty, pospółka gliniasta Grunt mało wysadzinowy: glina zwięzła, glina piaszczysta, G2 G4 glina pylasta zwięzła, ił, ił piaszczysty, ił pylasty Grunt bardzo wysadzinowy: piasek gliniasty, pył G3 G4 piaszczysty, pył, glina, glina piaszczysta, glina pylasta, ił warwowy Obecnie przyjmuje się, że jeśli podłoże nawierzchni zostało zaklasyfikowane do grupy G2, G3 lub G4, to takie podłoże nie ma odpowiedniej nośności. Należy je wówczas doprowadzić do grupy nośności G1 stosując odpowiednie zabiegi. Większa liczba grup nośności pozwoliłaby na bardziej elastyczne dostosowanie wymagań dotyczących nośności podłoża do kategorii ruchu drogowego i konstrukcji drogi. Należy również przeanalizować zasadność obecnego podziału gruntów. Przykładem potrzeby przeprowadzenia takiej analizy jest piasek gliniasty, zaklasyfikowany obecnie do gruntów bardzo wysadzinowych niezależnie od zawartości frakcji pyłowej i iłowej. Według normy [8] zawartość frakcji pyłowej w pisku gliniastym wynosi od 0 do 30%, a frakcji iłowej od 2 do 10%. Oznacza to, że przy bardzo małej zawartości frakcji iłowej i pyłowej piasek gliniasty nie powinien być klasyfikowany do gruntów bardzo wysadzinowych. Kolejnym problemem jest sposób określania nośności podłoża nawierzchni. Obecnie wymagane jest, aby podłoże charakteryzowało się następującym wtórnym modułem odkształcenia: E MPa dla kategorii ruchu KR1 i KR2, E MPa dla kategorii ruchu KR3, KR4, KR5 i KR6. Jednakże, grunty są klasyfikowane do poszczególnych grup na podstawie wskaźnika nośności w noś, który jest porównaniem nośności danego gruntu do nośności zagęszczonego tłucznia. Problematyczne jest wprowadzenie do procedury projektowania nawierzchni dwóch różnych cech charakteryzujących nośność podłoża: wskaźnika nośności w noś i wtórnego modułu odkształcenia E 2. Wymaga to wykonywania zarówno badań wskaźnika nośności jak również modułu odkształcenia podłoża lub opracowywania korelacji E 2 = f(w noś ) lub w noś = f(e 2 ), które zwykle są obarczone rozrzutami statystycznymi. 5

6 4. MROZOODPORNOŚĆ PODŁOŻA NAWIERZCHNI DROGOWEJ Podczas eksploatacji drogi nawierzchnia i podłoże podlegają wielokrotnym zmianom kierunku przepływu ciepła i różnym rozkładom temperatur w poszczególnych warstwach. Proces nieustalonej wymiany ciepła w warstwach nawierzchni drogowych jest opisany znanymi zależnościami dotyczącymi przewodzenia i akumulacji ciepła. W konstrukcjach nawierzchni drogowych i w podłożu istotnym zagadnieniem jest głębokość oddziaływania na podłoże zmiennych temperatur działających na jezdnię. Wpływ ten maleje wraz z głębokością podłoża. Temperatura w podłożu na większych głębokościach jest stabilna i niezależna od oddziaływań klimatycznych w ciągu roku. Na podstawie badań norweskich [9] stwierdzono, że temperatura na większych głębokościach jest zdominowana przez warunki gruntowe i może być przyjmowana jako średnia roczna temperatura powierzchni gruntu. Przyjmując takie założenie, rozkład minimalnych i maksymalnych temperatur w nawierzchni i podłożu drogi przedstawia rys. 4. Rys. 4. Rozkład temperatur minimalnych i maksymalnych w nawierzchni i podłożu [3] Ważnym problemem jest oddziaływanie na nawierzchnię i podłoże temperatur ujemnych. W warunkach polskich jezdnie dróg mogą osiągać w zimie t min = -30 C. Obecnie przyjmuje się, że nawierzchnia i podłoże gruntowe powinny być ochronione przed mrozem do głębokości mniejszej od głębokości przemarzania h z. W zależności od kategorii ruchu grubość warstw nawierzchni i podłoża odpornych na działanie mrozu wynosi 0,4-0,85 h z przyjmowanej na podstawie mapy klimatycznej Polski [5,6,7]. Według mapy głębokość przemarzania w różnych regionach Polski wynosi h z = 0,6-1,4 m. Oznacza to, że konstrukcję nawierzchni drogowej projektuje się zakładając przemarzanie podłoża, czyli dopuszczając do powstawania wysadziny mrozowej. Taki sposób projektowania stwarza ryzyko powstawania wysadzin w podłożu gruntowym podczas eksploatacji drogi. Tworzeniu się wysadziny przeciwdziała nieco ciężar warstw nawierzchni. Jednak zdarzają się przypadki niekorzystnych skutków wysadzin w okresie wiosennym w konstrukcjach nawierzchni zaprojektowanych według zasady ograniczonej ochrony mrozowej podłoża. Oznacza to, że obecne zasady projektowania 6

7 nawierzchni drogowych pozwalające na tworzenie się wysadzin w podłożu nawierzchni drogowej wymagają weryfikacji. W badaniach wysadzin mrozowych można wykorzystać się podobieństwo zjawiska zmian objętościowych pod wpływem mrozu do konsolidacji podłoża, przy czym zjawisko konsolidacji powoduje zmniejszenie objętości ośrodka gruntowego, a zjawisko wysadziny zwiększenie objętości. Stąd równanie konsolidacji zastosowane przez Hana i Goodingsa [10] do zjawiska wysadziny ma postać: w którym: ΔH przyrost wysokości (m), H 0 wysokość początkowa (m), Δe przyrost wskaźnika porowatości, e 0 początkowy wskaźnik porowatości. H 0 e H (2) 1 e W czasie zamarzania gruntu o właściwościach wysadzinowych następuje migracja wody z głębszych warstw podłoża do góry. Zwiększenie objętości gruntu jest związane zarówno z przemieszczaniem się wody do góry oraz jej zamarzaniem. W przypadku, gdy w analizowanej warstwie podłoża nasycenie gruntu wodą wynosi 100% przed zamarznięciem, wówczas zwiększenie objętości gruntu następuje w wyniku zwiększenia objętości wody po zamarznięciu. Zmiana objętości jest wówczas opisana wzorem: 0 H F 1.09e f 1.09e w którym: e f końcowy wskaźnik porowatości zamarzniętej warstwy gruntu, e i początkowy wskaźnik porowatości warstwy gruntu, H f grubość zamarzniętej warstwy gruntu (m). 1 e f i H f (3) 5. PODSUMOWANIE W niniejszym referacie przedstawiono następujące problemy dotyczące podłoża nawierzchni drogowej, a także wynikające z nich kierunki badań: - oddziaływanie obciążenia eksploatacyjnego na podłoże, - klasyfikacja podłoża, - mrozoodporność podłoża. Obecnie przyjęta metoda projektowania konstrukcji nawierzchni w bardzo uproszczony sposób uwzględnia dynamiczne naciski powstające w nawierzchni i podłożu od ruchu pojazdów. Nowym kierunkiem badań jest uwzględnianie w projektowaniu nawierzchni rzeczywistych dynamicznych oddziaływań pojazdów na drogę, a jednym z wiarygodnych sposobów oceny tych oddziaływań jest badanie tzw. widma obciążeń, czyli pomiarów rzeczywistych sił powstających w nawierzchni. Ponadto, w obliczeniach dotyczących oddziaływania obciążenia eksploatacyjnego na podłoże gruntowe należy uwzględniać przypadek zwiększonych naprężeń w podłożu w wyniku powstawania pęknięć w niektórych rodzajach podbudów drogowych. 7

8 W krajowej praktyce projektowania nawierzchni drogowych przyjęto cztery grupy podłoża: G1, G2, G3 lub G4, różniące się nośnością. Przyjęta w Polsce klasyfikacja dotycząca naturalnych gruntów budowlanych obejmuje pod względem uziarnienia 25 rodzajów gruntów. Wymaga analizy i weryfikacji ograniczenie nośności podłoża nawierzchni drogowej tylko do czterech grup. Zwiększenie tej liczby pozwoliłoby na lepsze dopasowanie gruntów do odpowiednich grup nośności. Oprócz tego konieczna jest weryfikacja obecnego podziału gruntów pod względem ich wysadzinowości oraz wyznaczenie wiodącej cechy charakteryzującej nośność podłoża drogowego. Obecnie konstrukcję nawierzchni drogowej projektuje się zakładając przemarzanie podłoża, czyli dopuszczając do powstawania wysadziny mrozowej. Doświadczenia z niektórych dróg wskazują na potrzebę weryfikacji tego sposobu projektowania. Jedną z metod analiz może być zastosowanie równanie konsolidacji zmodyfikowane przez Hana i Goodingsa do oceny wysadzinowości podłoża. LITERATURA [1] Praca zbiorowa: Projekt rozporządzenia w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i drogowe obiekty inżynierskie. Maszynopis IBDiM, Warszawa 2008 r. [2] Szydło A.: Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego. Polski Cement, Kraków 2004 [3] Rafalski L. Podbudowy drogowe. Studia i materiały nr 59. Wyd. IBDiM Warszawa 2007 r. [4] Willberg U.: Asphaltschichten auf hydraulisch gebundenen Tragschichten. Straße und Autobahn 11/2002 [5] Praca zbiorowa: Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. Wyd. IBDiM 1997 [6] Praca zbiorowa: Katalog typowych wzmocnień i remontów nawierzchni podatnych i półsztywnych. Wyd. IBDiM 2001 [7] Praca zbiorowa: Katalog typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych. Wyd. IBDiM 2001 [8] PN-86 B Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów. [9] Kubo H.: The influence of frost action on the bearing capacity of flexible pavements. International Symposium on Bearing Capacity of Roads and Airfields, Trondheim 1992 [10] Han S.J., Goodings D.J.: Practical model of frost heave in clay. Journal of Geotechnical and Environmental Engineering, January 2006 ROAD SUBGRADE Traditional method applied for designing of road pavement structures simplifies dynamic influence of vehicles. The new trend of research is to take into consideration real dynamic influence of vehicles, for example through the evaluation of spectrum of loads. Road subgrade is classified into four groups: G1, G2, G3, G4 that differ their load capacity and frost resistance. On the other hand, the standard soil classification includes 8

9 25 soils considering their grading. It is necessary to verify the number of road subgrade groups as well as to analyze classification of soils to proper groups. At present road pavements are designed without full protection of road subgrade against frost influence, with the risk of frost heave. Such method of designing should be verified so as to assure better frost resistance of subgrade. For analyzing frost heave in different soils the modified consolidation equation of Han and Goodings may be applied. 9