Dwa problemy związane z jakością dróg Leszek Rafalski Instytut Badawczy Dróg i Mostów Jakość w realizacji robót drogowych Ostróda 7-8. 10. 2010 r. 1
1. Obciążenia nawierzchni. 2. Przemarzanie nawierzchni i podłoża. 2
Obciążenia nawierzchni 3
Największy wpływ na naprężenia i odkształcenia powstające w konstrukcjach nawierzchni drogowych mają pojazdy ciężkie. W Polsce - pojazdy o ciężarze nie mniejszym niż 35 kn. 4
Średni dobowy ruch. Kategorie ruchu. KR1, KR2, KR3, KR4, KR5 lub KR6. 5
Klasyfikacja dróg według kategorii ruchu dla osi obliczeniowej 115 kn Kategoria ruchu Liczba osi obliczeniowych na dobę na pas obliczeniowy L KR1 nie więcej niż 7 KR2 8 40 KR3 41 192 KR4 193 572 KR5 573 1144 KR6 1145 i więcej 6
Konstrukcje nawierzchni drogowych. 7
Przykład konstrukcji nawierzchni podatnej drogi o kategorii ruchu KR6 8
Przykład konstrukcji nawierzchni betonowej drogi o kategorii ruchu KR6 (grubość warstwy mrozoochronnej zależy od głębokości przemarzania) 9
Badania we Francji w latach 1990 1994 Obciążenie pojazdami ciężkimi. Tory doświadczalne. Samochód osobowy. Samochody ciężarowe. 10
Badacze francuscy porównywali wpływ różnego obciążenia na nawierzchnie drogowe. Przyjmowali typowe obciążenie na oś w samochodzie osobowym 5 kn/oś. Porównali wpływ liczby przejazdów samochodu osobowego i samochodów ciężarowych. Samochód ciężarowy np. 100 kn/oś. 11
N N i j P P j i N i, N j liczba obciążeń osi potrzebnych do zniszczenia materiału nawierzchni, P i, P j obciążenie osi (kn), γ współczynnik (wykładnik potęgi) określający równoważność obciążenia osi. 12
Na podstawie badań ustalili, że wartość γ = 4. Oznaczało to, że przejazd 1 samochodu ciężarowego o obciążeniu 100 kn/oś odpowiadał: 13
N N i j 100 4 160000 5 14
Program DIVINE 1993 1997 r. Zbadanie dynamicznych oddziaływań pojazdów na nawierzchnie. W konstrukcjach pojazdów stosowane są zawieszenia sprężyste (mechaniczne) i pneumatyczne. Ich zadaniem jest zredukowanie wpływu nierówności drogi na drgania pojazdu. Różnice wynikające z zawieszeń. 15
Dynamiczne oddziaływanie zawieszeń pneumatycznych (a) i sprężystych (b) na nawierzchnię 16
Rozwój nierówności nawierzchni pod wpływem pojazdów z zawieszeniem sprężystym (a) i pneumatycznym (b) 17
Raporty OECD i FEHRL 2009 r. 2 raporty opracowane w 2009 roku: - OECD/ECMT JTRC Truck Report, - European Long-Life Pavement Group ELLPAG. Weryfikacja oddziaływania ciężkich pojazdów na nawierzchnie. 18
γ zależy od rodzaju nawierzchni. Jeśli nawierzchnia bardziej sztywna - tym γ większe. 19
Dotychczas: prawo 4 potęgi, czyli γ = 4. Oznaczało, że przejazd 1 samochodu ciężarowego o obciążeniu 100 kn/oś odpowiadał przejazdowi 160 000 samochodów osobowych. 20
Po nowych badaniach: - nawierzchnie asfaltowe γ = 5, - nawierzchnie betonowe γ =12. 21
Nawierzchnie asfaltowe: 100 5 5 3 200000 Nawierzchnie betonowe: 100 5 12 20 12 22
Analiza widma obciążeń Obecny sposób projektowania konstrukcji nawierzchni w uproszczony sposób uwzględnia oddziaływanie dynamiczne od ruchu pojazdów. Wiarygodnym sposobem oceny tych oddziaływań jest badanie tzw. widma obciążeń, czyli pomiaru rzeczywistych sił działających na nawierzchnię. 23
Analiza widma obciążeń pozwala na dokładniejsze uwzględnienie oddziaływań poszczególnych grup pojazdów na nawierzchnię drogową. 24
number of axles 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 1 2 3 4 5 6 7 day <20 kn <40kN <60kN <80kN <100 kn <120 kn <140 kn Przykład widma obciążeń 25
Podsumowanie Oddziaływanie dynamiczne ciężkich pojazdów jest większe niż wynikało z wcześniejszych badań. 26
Konieczna jest weryfikacja dotychczasowych zasad projektowania nawierzchni drogowych. Należy uwzględnić nowe raporty dotyczące oddziaływania ciężkich pojazdów na nawierzchnie. 27
Przemarzanie nawierzchni i podłoża 28
W naszym klimacie istotny wpływ na nawierzchnie drogowe mają następujące czynniki: - wysokie temperatury dodatnie, - niskie temperatury ujemne, - cykle zamrażania i odmrażania. 29
30
W warunkach polskich jezdnie dróg mogą osiągać w lecie temperaturę +70 C, a w zimie -30 C. Taka różnica temperatur ma istotny wpływ na konstrukcje nawierzchni drogowych. 31
Ważnym problemem jest oddziaływanie na nawierzchnię i podłoże temperatur ujemnych. W Polsce nawierzchnie drogowe projektuje się zachowując ograniczoną ochronę mrozową. 32
Oznacza to, że grubość warstw nawierzchni nie musi chronić podłoża gruntowego przed przemarzaniem. Taki sposób projektowania stwarza ryzyko powstawania wysadzin w podłożu gruntowym. 33
Zjawisko powstawania wysadzin polega na tworzeniu się w gruncie soczewek lodowych lub warstw lodowych. 34
Powstawanie soczewek lodowych w podłożu a) warstwy lodowe b)soczewki lodowe 35
36
Wysadziny powodują zwiększenie objętości gruntu podłoża i powstawanie sił pionowych mogących działać na nawierzchnie. Wyeliminowanie wysadzin jest jednym z warunków trwałości nawierzchni drogowych. 37
Obecnie przyjmuje się, że nawierzchnia i podłoże gruntowe powinny być ochronione przed mrozem do głębokości mniejszej od głębokości przemarzania h z. Grubość warstw nawierzchni i podłoża odpornych na działanie mrozu wynosi 0,4-0,85 h z przyjmowanej na podstawie mapy klimatycznej Polski. 38
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. 39
Podsumowanie Obecne zasady projektowania nawierzchni drogowych pozwalające na powstawanie wysadzin w podłożu nawierzchni drogowych wymagają weryfikacji. 40
41