Katalog typowych nawierzchni
Od 1997 roku w Polsce obowiÄ…zuje 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 dobÄ™ na pas obliczeniowy w dziesiÄ…tym roku po oddaniu drogi do
eksploatacji
N1, N2, N3  średni dobowy ruch samochodów ciężarowych odpowiednio: bez przyczep, z
przyczepami i autobusów w przekroju drogi w dziesiątym roku prognozowanej eksploatacji
r1, r2, r3  współczynniki przeliczeniowe samochodów ciężarowych i autobusów na osie obliczeniowe
f1  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, wskaz
nika 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 Gi.
Wybór metody wzmocnienia słabego podłoża
Podłoża gruntowe z grupy nośności G2, G3, G4 muszą być wzmocnione do poziomu nośności G1.
Zalecane sÄ… 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 stabilizacjÄ™ spoiwem hydraulicznym zwiÄ…zane jest z wykonaniem:
- 10 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem (cementem, wapnem, aktywnym popiołem
lotnym) o Rm = 1,5 MPa na podłożu o grupie nośności G2,
- 15 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem o Rm = 2,5 MPa na podłożu o grupie nośności G3,
- 25 cm warstwy z gruntu stabilizowanego spoiwem o Rm = 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 Rm = 2,5 MPa, a warstwa dolna
Rm = 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 Rm = 2,5 MPa
- kruszywa stabilizowanego mechaniczne o wskaz
niku 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 G1 Katalog podaje typowe
konstrukcje nawierzchni podatnych i półsztywnych.
Nawierzchnie podatne i pół sztywne z podbudową wykonaną z:
- chudego betonu,
- gruntu stabilizowanego cementem,
- kruszywa Å‚amanego stabilizowanego mechanicznie,
- betonu asfaltowego.
Nawierzchnie sztywne z zastosowaniem podbudowy z:
- chudego betonu,
- gruntu stabilizowanego cementem,
- kruszywa Å‚amanego stabilizowanego mechanicznie,
- kruszywa Å‚amanego 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 hz 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 Wskaz
nik 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 Hzwym
4. Przyjęcie konstrukcji
5. Obliczenie Hzproj
6. Sprawdzenie Hzproj > Hzwym
Założenie:
Hzproj e" Hzwym
gdzie:
Hzproj  grubość projektowa
Hzwym  grubość wymagana
Grubość wymagana
Hzwym = D · e · c [cm]
Gdzie:
e  współczynnik klimatyczny zależny od głębokości przemarzania
hz = 0,8 e = 0,9
hz = 1,0 e = 1,0
hz = 1,2 lub 1,4 e = 1,15  1,20
c  współczynnik zależny od maksymalnego obciążenia
0,5 0,1 ·
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
Hzproj = x · h1 + y · h2 + z · h3 [cm]
gdzie:
x, y, z  stałe materiałowe (x  warstwa ścieralna, y  podbudowa zasadnicza, z  podbudowa
pomocnicza)
h1, h2, h3  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 wskaz
nikiem przydatności użytkowej nawierzchni
(Present Serviceability Index  PSI), który charakteryzuje wygodę jazdy samochodem. Znaleziono
wyraz matematyczny dla PSI:
nawierzchnie podatne
5,03 1,9 log 1 0,01" 1,38
nawierzchnie sztywne
5,41 1,8 log 1 0,9"
Gdzie:
PSI  wskaz
nik przydatności nawierzchni
SV  wskaz
nik 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
poczÄ…tkowe PSI oznaczone jako p0:
p0 = 4,2 dla nawierzchni asfaltowych
p0 = 4,5 dla nawierzchni betonowych
Obecnie można przyjąć wartoÅ›ci poczÄ…tkowe PSI jako p0 = 4,3 ÷ 4,7  nowsze technologie
Równanie AASHTO  liczba przejść osi standardowych z uwzględnieniem warunków gruntowo
klimatycznych:
4,2 / 4,2 1,5 1
9,36 log 1 0,20 0,372 3,0
0,40 1049/ 1 ,
Gdzie:
Wt18  liczba przejść osi o obciążeniu 18000 funtów
SN  wskaz
nik strukturalny nawierzchni (Structural Number)
PSI  wskaz
nik zdatności użytkowej krytyczny dla danej nawierzchni
R  wskaz
nik klimatyczny
St  wskaz
nik nośności gruntu
Przebieg projektowania (stara wersja):
1) Należy określić wskaz
nik nośności podłoża S
2) Należy wyznaczyć liczbę przejść osi 80 KN, opierając się na prognozie ruchu i
współczynnikach równoważności osi
3) Należy określić wskaz
nik 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 wskaz
nik
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 wskaz
nika 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
PoczÄ…tkowe PSI = 4,4
Projektowane obniżenie PSI = 4,4  2,5 = 1,9