Katalog typowych nawierzchni

Od 1997 roku w Polsce obowiązuje w projektowaniu konstrukcji nawierzchni drogowych „Katalog

typowych konstrukcji podatnych i półsztywnych” opracowany w Instytucie Badawczym Dróg i

Mostów, a w 2001 roku został wprowadzony „Katalog typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych”

Stosowanie katalogu ma na celu przede wszystkim uproszczenie i ujednolicenie projektowania

konstrukcji nawierzchni. Mając na uwadze, że katalog opracowano z wykorzystaniem nowoczesnej

techniki projektowo-wykonawczej, uwzględniając przy tym doświadczenia krajowe należy stwierdzić,

że jego zaistnienie przyczyniło się do poprawy racjonalizacji rozwiązań technicznych w polskim

budownictwie drogowym.

Typowe konstrukcje zaprojektowano mechanistycznymi metodami stosując następujące kryteria

zmęczeniowe:

- dla konstrukcji podatnych:

- Instytutu Asfaltowego, USA

- Shell

- dla konstrukcji półsztywnych

- Instytutu Asfaltowego, USA

- Centrum Badań Drogowych CRR, Belgia

- Narodowego Instytutu Badań Transportu i Dróg CSIR, RPA

- Uniwersytetu w Illinois, USA

Procedura projektowania konstrukcji wg Katalogu

1)

Określenie projektowanego obciążenia ruchem i wyznaczenie kategorii ruchu

2)

Analiza warunków gruntowo-wodnych i określenie grupy nośności podłoża

3)

Wybór metody wzmocnienia słabego podłoża

4)

Zapewnie warunków odwodnienia konstrukcji

5)

Dla wyznaczonej kategorii ruchu wybór typowej konstrukcji nawierzchni

6)

Sprawdzenie warunku mrozoodporności

Określenie projektowanego obciążenia ruchem i wyznaczenie kategorii ruchu

Projektowanie według katalogu odbywa się na podstawie prognozowanego średniego-dobowego

ruchu w przekroju drogi określonego dla dziesiątego roku po oddaniu drogi do eksploatacji. Analizę

ruchu przeprowadza się w trzech grupach pojazdów: samochody ciężarowe bez przyczep, samochody

ciężarowe z przyczepami i autobusy. Na podstawie prognozowanego ruchu oblicza się liczbę osi

obliczeniowych według wzoru

 







 







 







Gdzie:

L – liczba osi obliczeniowych na dobę na pas obliczeniowy w dziesiątym roku po oddaniu drogi do

eksploatacji

N

1

, N

2

, N

3

– średni dobowy ruch samochodów ciężarowych odpowiednio: bez przyczep, z

przyczepami i autobusów w przekroju drogi w dziesiątym roku prognozowanej eksploatacji

r

1

, r

2

, r

3

– współczynniki przeliczeniowe samochodów ciężarowych i autobusów na osie obliczeniowe

f

1

– współczynnik obciążenia obliczeniowego pasa ruchu

Kategorie ruchu wyznacza się na podstawie obliczonej wielkości L

Analiza warunków gruntowo-wodnych i określenie grupy nośności podłoża

Rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych przeprowadza się na podstawie wyników badań

polowych i laboratoryjnych. Wykonuje się odwierty w podłożu gruntowym do głębokości 2,0 m

poniżej projektowanej niwelety korony robót ziemnych. Ustala się rodzaj i własności gruntów pod

względem wysadzinowości na podstawie zawartości drobnych cząstek, wskaźnika piaskowego,

kapilarności biernej.

Poziom zwierciadła wody gruntowej określa się na podstawie dostępnych najwyższych notowań

poziomu w okresie największych opadów atmosferycznych lub wysokich stanów wód

powierzchniowych. Wg Katalogu warunki wodne klasyfikuje się jako dobre, złe lub przeciętne, w

zależności od głębokości poniżej spodu konstrukcji poziomu swobodnego zwierciadła wody

gruntowej. Znając rodzaj gruntu podłoża i warunki wodne określa się grupę nośności podłoża

nawierzchni G

i

.

Wybór metody wzmocnienia słabego podłoża

Podłoża gruntowe z grupy nośności G

2

, G

3

, G

4

muszą być wzmocnione do poziomu nośności G

1

.

Zalecane są dwa podstawowe sposoby wzmocnienia:

1)

Wymiana warstwy gruntu podłoża nawierzchni na warstwę materiału niewysadzinowego,

2)

Ulepszenie gruntu w górnej warstwie podłoża dodatkiem spoiwa hydraulicznego

Katalog proponuje wzmacniać podłoże geosyntetykiem, gdy wymagana grubość wymiany podłoża

jest większa niż 50 cm.

Ulepszenie gruntu poprzez stabilizację spoiwem hydraulicznym związane jest z wykonaniem:

- 10 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem (cementem, wapnem, aktywnym popiołem

lotnym) o R

m

= 1,5 MPa na podłożu o grupie nośności G2,

- 15 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem o R

m

= 2,5 MPa na podłożu o grupie nośności G3,

- 25 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem o R

m

= 2,5 MPa na podłożu o grupie nośności G4,

Na podłożu G4 zamiast jednej grubiej sztywnej warstwy można ułożyć 2 warstwy stabilizowane

cementem po 15 cm, z których górna warstwa charakteryzuje się R

m

= 2,5 MPa, a warstwa dolna

R

m

= 1,5 MPa.

W niektórych przypadkach, takich jak projektowanie podbudowy z mieszanki mineralno-asfaltowej na

podłożu gruntowym, również dla dróg kategorii ruchu KR5 i KR6 ze względu na możliwość

występowania w okresie budowy nawierzchni ciężkiego ruchu technologicznego, należy górną

warstwę podłoża grubości 10 cm wykonać wg następującej technologii:

- gruntu stabilizowanego cementem o R

m

= 2,5 MPa

- kruszywa stabilizowanego mechaniczne o wskaźniku nośności CBR > 40%

Zapewnienie warunków odwodnienia konstrukcji

Spełnienie tego warunku związane jest z zaprojektowaniem warstwy odsączającej z materiałów

mrozoodpornych o współczynniku filtracji k > 8 m/dobę. Grubość takiej warstwy powinna być równa

co najmniej 15 cm, a szerokość obejmować cały korpus drogowy. Gdy nie jest spełniony warunek

szczelności, projektuje się również warstwę odcinającą grubości co najmniej 10 cm, którą należy

umieścić pomiędzy warstwą odsączającą i podłożem gruntowym nie ulepszonym spoiwem.

Wybór typowej konstrukcji nawierzchni

Dla wyznaczonej kategorii ruchu i grupy nośności podłoża gruntowego G

1

Katalog podaje typowe

konstrukcje nawierzchni podatnych i półsztywnych.

Nawierzchnie podatne i pół sztywne z podbudową wykonaną z:

- chudego betonu,

- gruntu stabilizowanego cementem,

- kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie,

- betonu asfaltowego.

Nawierzchnie sztywne z zastosowaniem podbudowy z:

- chudego betonu,

- gruntu stabilizowanego cementem,

- kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie,

- kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie i betonu asfaltowego,

- betonu asfaltowego.

Sprawdzenie warunku mrozoodporności

Warunek mrozoodporności sprawdza się dla konstrukcji nawierzchni posadowionych na podłożach

wysadzi nowych i wątpliwych. Należy określić czy rzeczywista grubość wszystkich warstw

nawierzchni i ulepszonego podłoża jest nie mniejsza od wartości podanej w tablicy i jeżeli warunek

ten nie jest spełniony, to należy niżej położoną warstwę ulepszonego podłoża pogrubić do wartości

wymaganej. W tablicy h

z

oznacza głębokość przemarzania gruntów w miejscu projektowanej drogi.

Katalog dopuszcza przypadek, dla którego nie zachodzi potrzeba sprawdzania warunku

mrozoodporności. Dotyczy to konstrukcji spełniających warunek nośności, a jednocześnie

posiadających najniżej położoną warstwę podłoża wykonaną na całej szerokości korpusu drogowego z

gruntu stabilizowanego spoiwem o Rm = 1,5 MPa i grubości co najmniej 15 cm.

Metoda CBR

Metoda CBR (California Bearing Ratio – Kalifornijski Wskaźnik Nośności) powstała w Kalifornii w

latach 1928-1929. W latach tych przeprowadzono badania, które wskazały, że uszkodzenia

nawierzchni powstały wskutek:

1)

Poziomych przemieszczeń materiału podłoża

2)

Różnicy osiadań podłoża

3)

Nadmiernych ugięć podłoża

Przeprowadzono badania na materiale, warstw nośnych nawierzchni, którym było kruszywo o

szerokich granicach uziarnienia. Nośność tego materiału oznaczono jako CBR = 100.

Przeprowadzono badania gruntów podłoża pod nawierzchniami, które dobrze zachowywały się i pod

nawierzchniami, które uległy uszkodzeniom. Na tej podstawie opracowano krzywe zależności

grubości nawierzchni od nośności podłoża wyrażonego za pomocą CBR.

W roku 1940 Korpus Inżynierów zaadoptował metodę CBR do projektowania nawierzchni lotnisk i

dlatego metoda ta znana jest również pod nazwą metody Korpusu Inżynierów (Corps od Engineers).

Polska modyfikacja metody CBR powstała w 1970 roku na bazie metody CBR z USA, AASHO Road

Test oraz polskich doświadczeń.

Głównym założeniem metody jest:

1)

Grubość nawierzchni musi być taka, aby naprężenia na grunt były mniejsze od

dopuszczalnych

2)

Grubość zależy od obciążenia koła, ciśnienia kontaktowego i od nośności gruntu (CBR)

3)

Naprężenia ściskające od koła przekazywane na grunt, na spodzie warstw rzeczywistych i

równoważnych, są jednakowe

Procedura projektowania

1. Określenie CBR gruntu

2. Określenie ruchu (osie 80 kN)

3. Określenie Hz

wym

4. Przyjęcie konstrukcji

5. Obliczenie Hz

proj

6. Sprawdzenie Hz

proj

> Hz

wym

Założenie:

H

z

proj

≥ H

z

wym

gdzie:

H

zproj

– grubość projektowa

H

zwym

– grubość wymagana

Grubość wymagana

H

z

wym

= D · e · c [cm]

Gdzie:

e – współczynnik klimatyczny zależny od głębokości przemarzania

h

z

= 0,8

→

e = 0,9

h

z

= 1,0

→

e = 1,0

h

z

= 1,2 lub 1,4

→

e = 1,15 – 1,20

c – współczynnik zależny od maksymalnego obciążenia

  0,50,1 · 

80 kN

→

c = 1,0

100 kN

→

c = 1,15

115 kN

→

c = 1,20

D – wartość zastępcza nawierzchni w przeliczeniu na tłuczeń odczytana z nomogramu. Zależna od:

ilości osi 80 kN/dobę/pas, okresu eksploatacji oraz CBR gruntu.

Grubość projektowa

H

z

proj

= x · h

1

+ y · h

2

+ z · h

3

[cm]

gdzie:

x, y, z – stałe materiałowe (x – warstwa ścieralna, y – podbudowa zasadnicza, z – podbudowa

pomocnicza)

h

1

, h

2

, h

3

– grubości poszczególnych warstw

Zalety:

Wady:

- prostota

- nieuwzględniona wysadzinowość

- łatwość użycia

- niemożliwe użycie dla dużego wsp. ruchu:

- dość ”rozsądne” wyniki

- naciski 115 kN i większe

- częściowo sprawdzona

- natężenie bardzo duże

- nieprzydatna dla nowych materiałów i
technologii

Metoda AASHTO

W latach 1958-1960 Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Drogowych (American Association of

State Highway Officials – AASHO) przeprowadziło w Ottawie, w stanie Illinois, wielkie badanie

drogowe, zwane AASHO Road Test. W ciągu 25 miesięcy samochody ciężarowe przejechały po 836

odcinkach doświadczalnych na 6 pętlach drogowych 27 mln km. Każdy pas ruchu przeniósł ponad 1/2

miliona przejść osi. W wyniku analizy tych wyników badań Komitet Projektowania AASHO

opublikował w 1961 roku Tymczasowe Wytyczne projektowania nawierzchni podatnych i sztywnych.

Wytyczne te były zalecone do stosowania i sprawdzenia. W roku 1972 Amerykańskie Stowarzyszenie

Inżynierów Drogowych i Transportu (American Association of State Highway and Transportation

Officials – AASHTO), gdyż taką nazwę przybrało AASHO, wydało Tymczasowe Wytyczne

AASHTO projektowania konstrukcji nawierzchni.

W metodzie tej po raz pierwszy posłużono się wskaźnikiem przydatności użytkowej nawierzchni

(Present Serviceability Index – PSI), który charakteryzuje wygodę jazdy samochodem. Znaleziono

wyraz matematyczny dla PSI:

nawierzchnie podatne

  5,03  1,9 log1    0,01√    1,38 !

""""



nawierzchnie sztywne

  5,41  1,8 log1    0,9√  

Gdzie:

PSI – wskaźnik przydatności nawierzchni

SV – wskaźnik równości nawierzchni (Slope Variance)

RD – głębokość kolein (Rut Depth) w calach mierzona łatą 1,2 m (3 ft)

C+P – pęknięcia i łaty (Cracking and Patching)

Skala ocen nawierzchni wynosi od 0 do 5 (idealna nawierzchnia). Uznano, że przy PSI = 2,5

nawierzchnię dróg głównych trzeba odnawiać, a podrzędnych przy PSI = 2,0. Przy PSI = 1,5 jazda jest

już bardzo utrudniona (duże zniekształcenia jezdni).

W teście AASHTO po wybudowaniu nowych nawierzchni stwierdzono następujące wartości

początkowe PSI oznaczone jako p

0

:

p

0

= 4,2 dla nawierzchni asfaltowych

p

0

= 4,5 dla nawierzchni betonowych

Obecnie można przyjąć wartości początkowe PSI jako p

0

= 4,3 ÷ 4,7 –nowsze technologie

Równanie AASHTO – liczba przejść osi standardowych z uwzględnieniem warunków gruntowo

klimatycznych:

$%&'

()

 9,36 log

""""  1  0,20 

$%&,4,2   /4,2  1,5 .

0,40  ,1049/

""""  1

/,0

.

 $%&

1

 0,372

(

 3,0

Gdzie:

Wt18 – liczba przejść osi o obciążeniu 18000 funtów

SN – wskaźnik strukturalny nawierzchni (Structural Number)

PSI – wskaźnik zdatności użytkowej krytyczny dla danej nawierzchni

R – wskaźnik klimatyczny

St – wskaźnik nośności gruntu

Przebieg projektowania (stara wersja):

1)

Należy określić wskaźnik nośności podłoża S

2)

Należy wyznaczyć liczbę przejść osi 80 KN, opierając się na prognozie ruchu i

współczynnikach równoważności osi

3)

Należy określić wskaźnik klimatyczny R na podstawie przewidywanego zwilgocenia podłoża

4)

Z punktu określającego nośność podłoża prowadzi się prostą przez punkt określający liczbę

przejść osi 80 kN do przecięcia się z prostą SN; w ten sposób wyznacza się wskaźnik

strukturalny bez uwzględnienia warunków klimatycznych

5)

Z punktu przecięcia się z osią SN prowadzi się prostą przez punkt określający warunki

klimatyczne R do przecięcia się z prostą skorygowaną SN

Na podstawie wyznaczonego SN z nomogramu i na podstawie ustalonych współczynników

materiałowych „a” można obliczyć grubość poszczególnych warstw nawierzchni.

Korzysta się z dwóch nomogramów: z pierwszego który został ustalony dla wskaźnika zdatności

użytkowej nawierzchni 2,5 i drugiego, który został ustalony dla PSI = 2,0.

Nowe elementy w AASHTO 1993

- inny nomogram do projektowania

- projektuje się na założony dopuszczalny spadek PSI w okresie eksploatacji

- uwzględnia się spadek PSI wywołany czynnikami klimatycznymi (dodaje do spadku PSI

wywołanego przez ruch)

- uwzględnia się poziom niezawodności konstrukcji nawierzchni

- uwzględnia się wpływ warunków odwodnienia

- uwzględnia się niejednorodność materiałów do budowy nawierzchni, podłoża i zmienności ruchu

- uwzględnia się modułu mieszanek mineralno-asfaltowych

Reliability = niezawodność

- Poziom niezawodności zależy od rodzaju drogi

- Poziom niezawodności powinien być wyższy dla ważniejszych dróg, np.: poziom niezawodności

R=90% oznacza, że w przypadku 90% powierzchni nawierzchni jej stan na końcu okresu

projektowego będzie zgodny z założeniami, a w przypadku 10% powierzchni będzie gorszy niż

zakładano

- Im wyższy założony poziom niezawodności tym z projektu wyjdzie grubsza nawierzchnia

Niejednorodność materiałów konstrukcji i ruchu

- Wartość od 0,2 do 0,6. Im wyższa tym większa niejednorodność.

- Im wyższe przyjęte odchylenie standardowe tym z projektu wyjdzie grubsza nawierzchnia.

- AASHTO zaleca przyjmowanie odchylenia standardowego wg danych lokalnych

- Gdy takich danych brak zaleca 0,35 dla nawierzchni betonowych i 0,45 dla asfaltowych

Założenie dopuszczalnego spadku PSI w czasie eksploatacji - Design Serviceability Loss

• Projektowane obniżenie PSI

- Jest to wartość obniżenia PSI wskutek działania ruchu

- Wartość tę określa projektant jako maksymalną możliwą w konkretnym przypadku

• Przykład:

Droga główna – minimalny PSI na końcu eksploatacji = 2,5

Początkowe PSI = 4,4

Projektowane obniżenie PSI = 4,4 – 2,5 = 1,9