5.Obciążenie nawierzchni przez ruch drogowy i określanie

ruchu obliczeniowego do projektowania nawierzchni

Nawierzchnia drogowa jest projektowana tak, aby przenieść obciążenie wywołane

prognozowanych ruchem pojazdów, bez powstawania nadmiernych uszkodzeń w

projektowanym okresie eksploatacyjnym. Pojazdy ciężkie powodują powstawanie spękań

zmęczeniowych, deformacji, zniszczeń powierzchniowych, są też czynnikiem prowadzącym

do propagacji spękań odbitych w górę warstw bitumicznych. Pojazdy osobowe z uwagi na

swój niewielki całkowity ciężar nie mają zauważalnego wpływu na trwałość nawierzchni

drogowych. Powodują jednak ścieranie się nawierzchni i degradację warstwy ścieralnej.

Znaczącym parametrem wpływającym na dobór konstrukcji jest wielkość ruchu oraz jego

struktura. Obciążenie ruchem determinuje rodzaj oraz grubość zastosowanej konstrukcji a jej

prawidłowy dobór zapewnia odpowiednią trwałość nawierzchni.

Czynniki decydujące o oddziaływaniu pojazdów na nawierzchnię drogową:



typ pojazdu



całkowity ciężar pojazdu



nacisk na oś i rozmieszczenie osi



nacisk na koło i rozmieszczenie kół



ciśnienie w ogumieniu



typ ogumienia



charakterystyka zawieszenia



prędkość pojazdu

Aby prawidłowo określić agresywność pojazdów względem nawierzchni drogowej

ruch rzeczywisty przelicza się na ruch obliczeniowy stosując metody:

1) oparte ściśle o współczynniki równoważności obciążenia osi ( można stosować gdy zna

się dokładnie strukturę ruchu pojazdów)

2) uproszczone przypisujące współczynniki przeliczeniowe pewnym grupom pojazdów (

stosowana np. w polskich katalogach)

Ruch obliczeniowy może być przeliczany na jedną dobę, jako średnioroczny ruch

dobowy SRD, albo na jeden rok eksploatacji nawierzchni, albo na założony

całkowity projektowy okres eksploatacji nawierzchni (najczęściej 20 lat).

Obliczenia wykonywane są na obliczeniowy pas ruchu, czyli najbardziej

obciążony pas ruchu w przekroju poprzecznym jezdni.

Ad.1 Metoda oparta o współczynniki równoważności obciążenia osi

Współczynniki równoważności obciążenia osi są podstawą do projektowania

nawierzchni drogowych. Pozwalają przeliczyć ruch rzeczywisty na ruch

standardowy(obliczeniowy). Od ich prawidłowego określenia zależy wiarygodność obliczenia

ruchu projektowego i w konsekwencji projekt konstrukcji nawierzchni. Są także miarą

agresywności oddziaływania osi na nawierzchnie drogowe. Jeżeli dany pojazd jest

równoważny większej liczbie osi standardowych, to jest on bardziej agresywny dla

nawierzchni.

Przeliczanie liczby wszystkich osi rzeczywistych o różnych ciężarach, jakie

obciążają drogę w danym okresie czasu, na równoważną liczbę standardowych

osi równoważnych odbywa się według wzoru:

Ns = Σ Fj x Nj

gdzie:

• Ns – liczba osi standardowych, odpowiadająca Nj osiom

rzeczywistym,

• Nj – liczba osi rzeczywistych o określonym nacisku j-tym,

• Fj – współczynnik równoważności obciążenia osi,

Równoważność osi oznacza, że Ns standardowych osi równoważnych powoduje

takie samo destrukcyjne oddziaływanie na konstrukcję nawierzchni jak Nj osi

rzeczywistych o określonym nacisku j-tym.

Definicja współczynnika równoważności obciążenia osi

Poniżej podano dwie tożsame formy definicji współczynnika równoważności osi:

Pierwsza forma definicji. Współczynnik równoważności obciążenia osi Fj jest to

stosunek niszczącego oddziaływania, jaki na określoną nawierzchnię wywiera

przejście rozpatrywanej osi rzeczywistej, do niszczącego wpływu, jaki na tę samą

nawierzchnię wywiera przejście wybranej standardowej osi równoważnej.

Niszczący wpływ na nawierzchnię pojedynczego przejścia osi pojazdu określany

jest jako jednostkowa szkoda zmęczeniowa. Z definicji współczynnik

równoważności obciążenia osi Fj będzie równy:

Fj = dj / ds

gdzie:

• ds - jednostkowa szkoda zmęczeniowa w nawierzchni od pojedynczego

przejścia osi standardowej,

• dj - jednostkowa szkoda zmęczeniowa w nawierzchni od pojedynczego

przejścia osi rozpatrywanej j-tej.

Druga forma definicji. Współczynnik równoważności obciążenia osi Fj jest to

stosunek całkowitej ilości obciążeń osi standardowych, jakie może przenieść

nawierzchnia do jej zniszczenia do ilości osi rzeczywistych „j-tych”, jakie może

przenieść ta sama nawierzchnia do jej zniszczenia.

Stąd otrzymuje się inną, ale tożsamą, postać wzoru na współczynnik

równoważności obciążenia osi:

Fj = Nfs / Nfj

gdzie:

• Nfs - całkowita liczba obciążeń osi standardowych, jaką może przenieść

nawierzchnia do zniszczenia, czyli trwałość zmęczeniowa nawierzchni

wyrażona w osiach standardowych,

• Nfj - całkowita liczba obciążeń osi rzeczywistej „j-tej”, jaką może przenieść

nawierzchnia do zniszczenia, czyli trwałość zmęczeniowa nawierzchni

wyrażona w osiach rozpatrywanych j-tych.

Metody określania współczynnika równoważności:



analityczne (oparte o trwałość zmęczeniową warstw asfaltowych)



doświadczalne (AASHTO, Instytut Asfaltowy)

Na podstawie metody AASHTO powstało wiele różnorodnych modyfikacji wzorów,

do określania współczynnika równoważności obciążenia osi, między innymi tak zwany

„wzór czwartej potęgi ”. W dość dużym, ale akceptowalnym w praktyce uproszczeniu

można przyjąć, że współczynniki równoważności obciążenia osi z metody

AASHTO mogą być obliczone z tak zwanego „wzoru czwartej potęgi”, o następującej

postaci:

Fj = (Qj / Qs )

4

Bardziej ogólny wzór to:

Fj = (Qj / Qs )

n

Wzory uproszczone stosowane dla osi standardowych 100 kN:



nawierzchnie podatne

Wzór dla osi pojedynczych:

Fj = (Qj /100)

4

Wzór dla osi podwójnych:

Fj = (Qj / 184)

4

Wzór dla osi potrójnych:

Fj = (Qj /263)

4



nawierzchnie betonowe

Wzór dla osi pojedynczych:

Fj = (Qj /100)

4

Wzór dla osi podwójnych:

Fj = (Qj / 162)

4

Wzór dla osi potrójnych:

Fj = (Qj /215)

4

Ad.2 Metoda uproszczona przypisująca pewnym grupom pojazdów wg. polskich

katalogów

Jeżeli dokładne dane o ruchu nie są znane to może być wykorzystywana metoda

obliczeń, podana w „Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i

półsztywnych” z 1997 r., oparta o trzy grupy pojazdów ciężarowych (samochody

ciężarowe bez przyczep, samochody ciężarowe z przyczepami lub z naczepami,

autobusy). Jednak obliczenia wykonane w oparciu o dokładne współczynniki

równoważności osi wykazują, że współczynniki podane w Katalogu nie zapewniają pełnej

dokładności obliczeń (jest to przedstawione na

http://www.gddkia.gov.pl/userfiles/articles/p/prace-naukowo-badawcze-

zrealizow_3435//documents/gddkia-wrzesie2006.pdf

)

Jezdnię projektuje się w zależności od typu nawierzchni na okres eksploatacyjny

wynoszący 20 lat dla nawierzchni podatnych i półsztywnych, a 30 lat lub więcej dla

nawierzchni sztywnych. W tym czasie nie przewiduje się remontu kapitalnego, a jedynie

mogą mieć miejsce naprawy cząstkowe. Obecnie za granicą zaczyna się budować

nawierzchnie długotrwałe o okresie eksploatacyjnych przekraczającym nawet 50 lat.

W projektowaniu uwzględnia się jedynie pojazdy ciężkie o ciężarze powyżej 3,5 ton.

Dzieli się je na 3 grupy:



samochody ciężarowe bez przyczep,



samochody ciężarowe z przyczepami,



autobusy

Osią obliczeniową dla nawierzchni podatnych i półsztywnych jest 100kN, a dla nawierzchni

sztywnych 100kN lub 115kN

Współczynniki przeliczeniowe dla nawierzchni sztywnych

Współczynniki przeliczeniowe dla nawierzchni podatnych i półsztywnych

Wartości współczynnika obliczeniowego pasa ruchu

lub











n

i

i

calk

SDR

f

N

1

1

100

365

obl

srodek

calk

t

SDR

f

N









100

365

1

lub

c

SDR

f

N

o

calk









100

365

1

pas

dob

osi

r

N

r

N

r

N

SDR

i

/

/

)

(

100

3

3

2

2

1

1













N

1

– liczba samochodów ciężarowych bez przyczep

N

2

– liczba samochodów ciężarowych z przyczepami

N

3

– liczba autobusów

r

1

, r

2

, r

3

– współczynniki przeliczeniowe na osie obliczeniowe 100 kN