Praca nawierzchni w różnych warunkach temperatur i obciążeń

Rodzaje obciążeń i czynników środowiskowych

działających na nawierzchnię drogową.

Czynniki działające na nawierzchnię drogową można usystematyzować w trzech grupach:

1. do pierwszej grupy należą: obciążenia statyczne i dynamiczne pochodzące od kół różnego rodzaju pojazdów,

2. do drugiej grupy należą czynniki środowiskowe, do których zalicza się wodę gruntową i wpływy atmosferyczne,

3. do trzeciej grupy należą: środki chemiczne stosowane w utrzymaniu zimowym.

Grupa pierwsza obejmuje następujące czynniki:

1. obciążenia pionowe statyczne, przekazywane przez koła pojazdów,

2. obciążenia pionowe dynamiczne, wywołane nierównościami jezdni i drganiami układu zawieszenia pojazdu,

3. siły poziome, powstające przy zmianie momentu obrotowego na kołach napędowych, tj. przy hamowaniu lub przyśpieszaniu,

4. siły ssące, wywołane przez podciśnienie powstające za obracającymi się kołami pojazdu.

Grupa druga obejmuje czynniki:

1. wodę gruntową, dostającą się w obręb nawierzchni wskutek podciągania kapilarnego w gruncie podłoża,

2. wodę opadową penetrującą od nawierzchni przez nieszczelną powierzchnię jezdni (nawierzchnie żwirowe lub tłuczniowe, spoiny w nawierzchniach brukowanych wypełnione piaskiem, spękania i wyboje w nawierzchniach bitumicznych i betonowych, nadmierna ilość wolnych przestrzeni w warstwach ścieralnych tych nawierzchni), a także przedostającą się od strony poboczy; jako wodę opadową traktuje się zarówno wodę z opadów deszczowych, jak i powstałą z topnienia śniegu,

3. temperaturę zmieniającą się w ciągu doby i roku oraz zmienną na głębokości nawierzchni,

4. promienie słoneczne powodujące utlenianie się i starzenie lepiszczy bitumicznych.

Do grupy trzeciej należą:

Środki chemiczne stosowane w utrzymaniu zimowym. Ich działanie jest szkodliwe:

• w nawierzchniach betonowych, w których wywołują zjawisko korozji betonu.

• w nawierzchniach bitumicznych szkodliwość ich wpływu polega na utrzymaniu powierzchni jezdni w stałej wilgotności, co ułatwia penetrację wody w głąb konstrukcji.

• środki chemiczne w pewnym stopniu stymulują kształtowanie się pola temperaturowego w nawierzchni ponieważ

• w procesie topnienia śniegu i lodu pod działaniem chlorków, pobierana jest z otoczenia określona ilość ciepła. Ciepło to jest pobierane także z nawierzchni, w której temperatura w związku z tym obniża się nawet o kilkanaście stopni. Zjawisko to jest przyczyną powstania dodatkowych naprężeń termicznych, w więc może sprzyjać pojawianiu się spękań w warstwie ścieralnej.

• Ponadto woda powstała z topnienia się śniegu penetrując od ochłodzonej nawierzchni szybciej zamarza, powodując naruszenie struktury nawierzchni.

Przekazywanie obciążeń na nawierzchnię.

Rzeczywista powierzchnia kontaktu opony koła samochodu z nawierzchnią ma kształt elipsy o powierzchni
, gdzie P jest naciskiem od koła samochodu, a p naprężeniem przekazywanym na nawierzchnię, równym ciśnieniu w oponie zwiększonemu o około 10 % ze względu na sztywność materiału opony. Dla uproszczenia rozważań elipsę, a w przypadku koła bliźniaczego dwie elipsy styku opony z nawierzchnią, zastępuje się kołem o równoważnej powierzchni i charakterystycznej średnicy D (rys. 1), zwanym dalej kołem zastępczym.

Rys. 1 Kołowa powierzchnia zastępcza styku bliźniaczego koła samochodu z nawierzchni

Przyjęcie uproszczenia według rys.1 daje nieco gorsze warunki działania obciążeń, gdyż koła podwójne powodują mniejsze naciski niż koło pojedyncze przy tym samym obciążeniu. Powierzchnia kontaktu koła pojazdu z nawierzchnią jest miejscem wzajemnego oddziaływania różnego rodzaju czynników:

1. generowanych przez pojazd:

• prędkość ruchu pojazdów,

• rodzaj zawieszenia pojazdu, sztywność opon, amortyzacja oraz układ mas nie resorowanych,

• wielkość i układ mas resorowanych pojazdu oraz jego ładunku,

• poziome obciążenie powierzchni styku koła pojazdu z nawierzchnią (wpływ hamowania, jazdy na pochyleniu porzecznym i łuku)

2. generowanych przez nawierzchnię drogi:

• własności sprężyste, lepkosprężyste i lepkie nawierzchni drogowej.

• wpływ pory roku, warunków atmosferycznych, czasu pracy nawierzchni oraz wielkości i charakteru ruchu drogowego,

• geometryczny makroprofil jezdni powstały bezpośrednio po jej wybudowaniu,

• geometryczny makroprofil jezdni w stanie aktualnym, tj. po określonym czasie eksploatacji drogi.

Na podstawie amerykańskich badań można podać schemat działania pojedynczego koła samochodu na nawierzchnię lub grunt, oraz - dla porównania - schemat działania trzech kół samochodowych

Rys. 3 Schemat porównawczy działania trzech różnych kół samochodowych na nawierzchnię drogową

Dobrze zaprojektowana konstrukcji nawierzchni powinna „przenieść” obciążenie od kół samochodów, nie powodując przekroczenia dopuszczalnych naprężeń w podłożu (rys. 4)

Rys. 4 Rozkład naprężeń w podłożu od obciążenia na powierzchni jezdni

Wpływ temperatury na pracę nawierzchni bitumicznej w warunkach obciążenia ruchem.

Własności reologiczne bitumicznych mas nawierzchniowych ulegają znacznym zmianom w zależności od temperatury:

W okresie lata

• ciemna nawierzchnia bitumiczna pochłania promienie słoneczne, w związku z czym jej temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia.

• w lecie, w temperaturach podniesionych, kiedy sztywność masy bitumicznej jest nieduża, znaczną rolę odgrywają naprężenia pionowe. Pod ich wpływem na powierzchni jezdni powstają odkształcenia trwałe w postaci kolein i wgniotów; deformacje te są wynikiem przekroczenia dopuszczalnych naprężeń na ścinanie.

• W lecie, naprężenia poziome, występujące obok naprężeń pionowych, powodują natomiast powstawanie nierówności ( podłużnej)w warstwach bitumicznych.

W okresie zimy

• W okresie zimy wartości modułów sprężystości bitumicznych warstw nawierzchniowych wzrastają szybko w miarę spadku temperatury, co jest związane z usztywnianiem się lepiszcza. Dla przykładu, w temp. 0˚C moduły sprężystości betonu asfaltowego są około 3-krotnie wyższe niż w temp. +20˚C.

• spadek temperatury wpływa na wielkość naprężeń powstających w nawierzchni od obciążeń:

• Naprężenia pionowe przy spadku temperatury nieco maleją, naprężenia rozciągające przy zginaniu wzrastają. Równocześnie wzrasta znacznie wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu i zmniejszają się wydłużenia względne przy zginaniu.

• Można więc powiedzieć, że w temperaturach obniżonych (poniżej 10˚C) masy bitumiczne dzięki dużej sztywności zaczynają zachowywać się jak materiał sprężysty;

• dolne włókna warstwy pracują głównie na rozciąganie przy zginaniu i uszkodzenia w tych warunkach mają postać spękań. Powstają one, jeśli rzeczywiste odkształcenia i naprężenia rozciągające, wywołane łącznie przez obciążenia, temperaturę i ruchy podłoża gruntowego, przekraczają wartości dopuszczalne dla tego rodzaju mas.

• Niezależnie od obciążenia ruchem niska temperatura powoduje występowanie w nawierzchni naprężeń rozciągających, które po przekroczeniu wartości dopuszczalnych powodują powstawanie spękań tzw.mrozowych

Spękania mrozowe są usystematyzowane w dwu grupach.

• Pierwsza grupa obejmuje spękania wywołane przenikaniem mrozu przez całą nawierzchnię do podłoża, w którym powstają naprężenia skurczowe.

• Grupa druga związana jest z powstawaniem i stopniowym powiększaniem się mikrospękań skurczowych na powierzchni jezdni.

Lokalizacja spękań mrozowych i ich propan\gacja:

Ze względu na cechy geometryczne jezdni oś główna naprężeń termicznych wywołanych niskimi temperaturami, przebiega wzdłuż osi jezdni i

• większość spękań mrozowych ma kierunek poprzeczny do osi.

• najczęściej spotykany ich odstęp wynosi 6 - 9 metrów,

• spotyka się również odstępy dużo mniejsze, a także dochodzące do kilkudziesięciu metrów.

• innym problemem jest przenoszenie się spękań przy dużej sztywności mieszanek mineralno- bitumicznych, z dalszych partii nawierzchni, np. ze starej nawierzchni wzmacnianej dywanikiem, na powierzchnię jezdni w postaci tzw. spękań odbitych.

Najistotniejszymi czynnikami w procesie powstawania spękań mrozowych są:

• wysoki moduł sztywności lepiszcza bitumicznego oraz spadek temperatury. Im moduł sztywności lepiszcza jest wyższy, a temperatura niższa, tym naprężenia rozciągające, a tym samym spękania, są większe.

• wiek nawierzchni, typ podłoża oraz grubość warstw,

• wiek nawierzchni ma znaczenie z dwóch powodów. Pierwszy związany jest ze wzrostem sztywności lepiszcza w miarę upływu lat, drugi pośrednio wskazuje na prawdopodobieństwo wystąpienia krytycznych warunków mrozowych w okresie pracy nawierzchni.

• obserwując występowanie spękań w zależności od rodzaju podłoża, stwierdzono iż przy identycznym obciążeniu ruchem i konstrukcji nawierzchni poprzeczne spękania mrozowe są znacznie większe dla podłoża piaszczystego niż spoistego.

• zwieszenie grubości warstwy bitumicznej prowadzi do zmniejszenia się naprężeń rozciągających, niemniej w przypadku, gdy masa bitumiczna ze względu na charakter lepiszcza jest wrażliwa na niskie temperatury, zwiększenie grubości warstwy nie hamuje procesu tworzenia się spękań.

Analiza stanu naprężeń od obciążeń pionowych

w nawierzchni podatnej jako ośrodku sprężystym.

Wprowadzenie.

Istnieją dwa teoretyczne modele zachowania się materiałów konstrukcyjnych nawierzchni podatnych:

• pierwszy model traktujący materiał jako ciało sprężyste, oraz

• drugi model zakładający, że materiał jest ciałem lepkosprężystym.

Pierwszy model jest oparty na teorii sprężystości, co w odniesieniu do nawierzchni podatnych oznacza, że rozpatruje się ich pracę w temperaturach niewysokich, w których powstające odkształcenia mają charakter sprężysty.

Drugi model jest bardziej nowoczesny, lecz równocześnie stopień jego złożoności utrudnia szersze stosowanie ze względów praktycznych.

Dla wybranych punktów nawierzchni (włókien górnych i dolnych każdej warstwy) oblicza się naprężenia pionowe σ_z, naprężenia radialne σ_r, odkształcenia pionowe ε_z i odkształcenia radialne ε_r.

Założenia metody obliczania naprężeń w układzie warstwowym.

Do analizy stanu naprężeń powstających od działania obciążeń pionowych od kół pojazdów, przyjmuje się następujący model nawierzchni:

• układ warstw zespolonych ze sobą w sposób ciągły, tj. w sposób zapewniający doskonałe przyleganie i całkowite tarcie, wskutek czego zachowują się one jako wspólny, jednolity obiekt.

• górna, swobodna powierzchnia tego układu jest obciążona jednostajnie powierzchnią koła zastępczego o średnicy D, wyznaczoną dla śladu opony pojazdu obliczeniowego,

• jako oś symetrii konstrukcji nawierzchni przyjmuje się oś walca zbudowanego na powierzchni obciążonej.

• wszystkie warstwy są poziome i posiadają wymiary nieograniczone w płaszczyźnie poziomej.

• warstwy spoczywają na podłożu traktowanym jako półprzestrzeń sprężysta.

• każdy z materiałów, z którego są wykonane warstwy, jest uważany za homogeniczny, izotropowy i sprężysty.

• stosunek siły do naprężenia jest liniowy,

• moduły sprężystości dla materiałów poszczególnych warstw przyjmuje się jednakowe dla ściskania i rozciągania.

• typowy schemat stosowany do analizy przedstawia rysunku.

Rys. 5 Układ warstwowy nawierzchni podatnej stosowany do analizy stanu naprężeń .

Obliczanie naprężeń pionowych.

Rozkład naprężeń pionowych w ośrodku jednorodnym, izotropowym i sprężystym o module sprężystości E i współczynniku Poissona μ, można przedstawić wzorem (1) i rys.6:

Rys. 6. Ideowy rozkład naprężeń pionowych od ciśnienia p wzdłuż osi z .

(1)

gdzie:

p - ciśnienie na powierzchni,

z - głębokość punktu, w którym oblicza się naprężenia,

γ - współczynnik koncentracji naprężeń, dla półprzestrzeni równy 2,5

D - średnica powierzchni obciążającej.

W odniesieniu do układu wielowarstwowego, jaki stanowi nawierzchnia bitumiczna, powyższy wzór przybiera postać (2):

(2)

gdzie:

- naprężenie pionowe w dolnych włóknach i-tej warstwy,

S_i - suma grubości warstw od pierwszej warstwy od góry do warstwy i-tej,

n_i - parametr transformacji równy
, przy czym
jest to średni moduł sprężystości układu warstwowego od pierwszej warstwy od góry do warstwy i-tej, a E_ei oznacza moduł zastępczy dla układu warstw od warstwy i-tej do warstwy n-tej oraz podłoża, obliczany na powierzchni kontaktu warstwy i-tej z warstwą i + 1,

0,8 - współczynnik koncentracji naprężeń dla układu wielowarstwowego.

Obliczanie naprężeń radialnych.

Naprężenia radialne, tj. poziome σ_ri, powstające od obciążeń pionowych na powierzchniach styku warstw, można z wystarczającą dokładnością obliczać ze wzoru (3):

(3)

gdzie:

M. - moduł zginający przekroju,

J - moment bezwładności,

Z_c - rzędna osi obojętnej,

Z - rzędna punktu, dla którego oblicza się naprężenia radialne,

E_i - moduł sprężystości i-tej warstwy,

E_n - moduł sprężystości warstwy położonej najniżej w konstrukcji nawierzchni.

Przykład rozkładu naprężeń radialnych, obliczonych dla typowej konstrukcji podatnej nawierzchni drogowej od ciśnienia jednostkowego na powierzchni, równego 0,7 MPa, podano na rys. 7.

Rys. 7. Przykład rozkładu naprężeń radialnych p = 0,7 MPa w danej konstrukcji nawierzchni

Zjawisko zmęczenia nawierzchni.

Konstrukcyjne warstwy nawierzchni poddane działaniu powtarzających się dynamicznych obciążeń ruchem drogowym wykazują skłonność do spękań wywołanych kumulacją naprężeń. Wielkość powstających naprężeń oraz czas ich trwania związane są z naciskiem jednostkowym od kół, konstrukcją nawierzchni, charakterystykami dynamicznymi materiałów oraz szybkością pojazdu.

Ogólnie zmęczenie każdego materiału określa się zjawiskiem powstania spękań, pod działaniem powtarzalnych naprężeń lub odkształceń o wielkościach niższych od granicznych parametrów dopuszczalnych dla tego materiału.

W przypadku konstrukcji nawierzchni zmęczenie zdefiniowano jako stan nawierzchni w którym w wyniku kumulacji naprężeń i odkształceń rozciągających przy zginaniu nawierzchnia przestaje zachowywać się w sposób satysfakcjonujący z punktu widzenia jej nośności.

Trwałość nawierzchni wyrażono dopuszczalną ilością przejazdów N_n w określonych warunkach obciążenia lub ilością przejazdów N_o w określonych warunkach odkształceń.

Zależność można opisać wzorami opracowanymi przez Wöhlera dla materiałów pracujących pod obciążeniami dynamicznymi:

gdzie:

K, C, m., n - współczynniki zależne od składu i własności masy, określane metodami regresji liniowej,

σ - amplituda naprężenia rozciągającego,

ε - amplituda odkształceń rozciągających.

Ze względu na różną masę pojazdów poruszających się po drogach wielkości amplitud obciążeń i odkształceń dynamicznych są zmienne. Sumowanie ich oddziaływań przeprowadza się wg zasady Minera :

gdzie:

n_i - liczba cykli stosowanego odkształcenia ε_i,

N_i - liczba cykli potrzebna do wywołania zniszczenia przy stałej amplitudzie odkształcenia ε_i.

W latach 1960-1980 nastąpił gwałtowny wzrost metod badawczych laboratoryjnych, terenowych i na poligonach doświadczalnych w celi określenia K, C, m, n do wzorów zmęczeniowych.

Określenia podstawowe

1. Trwałość nawierzchni jest funkcją jej nośności oraz odporności na działanie czynników atmosferycznych.

2. Nośność jest rozumiana jako zdolność przenoszenia obciążeń o określonej wartości na jeden pas ruchu w ciągu doby. Oznacza to, że obciążenia o dopuszczalnej wielkości powinny być przenoszone na podłoże przez konstrukcję nawierzchni bez powstawania nadmiernych odkształceń, które utrudniałyby normalną eksploatację nawierzchni, tj. pogarszły jej równość lub skracały trwałość.

Miarą trwałości jest długość okresu między datą oddania nawierzchni do eksploatacji a jej pierwszym wzmocnieniem lub między kolejnymi wzmocnieniami.

Trwałość nawierzchni zapewniona jest jeśli:

1. obciążenie ruchem nie będzie przekraczać wartości, dla których nawierzchnia została zaprojektowana; obciążenie ruchem rozumiane jest tutaj jako wielkość obciążeń od kół oraz powtarzalność tych obciążeń,

2. podłoże gruntowe wykazuje odpowiednią nośność, niezależną od pory roku,

3. warstwy nośne konstrukcji wykonane są z materiałów odpowiedniej jakości,

4. przenikanie wody gruntowej i opadowej do nawierzchni będzie ograniczone,

5. masa warstwy ścieralnej będzie szczelna, stabilna w wysokich temperaturach, odporna na niskie temperatury oraz odporna na ścieranie,

6. odpowiednie utrzymanie nawierzchni będzie zabezpieczać ją przed przedwczesnym zniszczeniem.

Stan graniczny nośności i użytkowania konstrukcji nawierzchni określają cechy eksploatacyjne nawierzchni .

Podstawowymi wymaganiami stawianymi nawierzchni przez użytkowników dróg jest umożliwienie wygodnej, bezpiecznej i ekonomicznej jazdy. Dla spełnienia tych wymagań nawierzchnia drogowa powinna zapewniać następujące, podstawowe cechy eksploatacyjne:

1. trwałość (nośność)

2. równość,

3. szorstkość i właściwości przeciwpoślizgowe.

• Równość, szorstkość i własności przeciwpoślizgowe określane są jako cechy powierzchniowe nawierzchni.

• Równość może wynikać z braku nośności

• Szorstkość i właściwości przeciwpoślizgowe są związane z parametrami technologicznymi warstwy ścieralnej.

Miarą trwałości jest długość okresu między datą oddania nawierzchni do eksploatacji a jej pierwszym wzmocnieniem lub remontem wymaganym ze względu na cechy eksploatacyjne nawierzchni.

Podsumowanie omówionych metod wymiarowania nawierzchni

Wady i zalety metod empirycznych

Zalety:

1. metody sprawdzone w procesie eksploatacji istniejących nawierzchni.

2. metody proste w zastosowaniu.

Wady:

1. Zastosowanie mało wiarygodne przy:

• innych warunkach gruntowo-wodnych,

• innych warunkach klimatycznych,

• innych materiałach,

• innych konfiguracjach konstrukcji nawierzchni,

• większym ruchu, większym nacisku na osie,

• innych konfiguracjach kół i osi pojazdów (np. koła pojedyńcze o szerokich podstawach , pojazdy wieloosioweniż w warunkach w jakich przeprowadzono doświadczenie.

Wady i zalety metod teoretyczno-empirycznych (mechanistycznych)

Zalety:

1. Możliwość analizy nowych typów konstrukcji nawierzchni.

2. Możliwość projektowania dla nowych materiałów.

3. Możliwość projektowania dla ruchu znacznie większego od dotychczasowego.

4. Możliwość uwzględniania nowych typów konfiguracji kół i osi pojazdów.

5. Możliwość uwzględnienia zwiększonych obciążeń na osie.

Wady:

1. Konieczność weryfikacji modeli predykcji wytrzymałości zmęczeniowej dla konkretnych warunków klimatycznych i stosowanych materiałów.

2. Dyskusyjny charakter kryterium deformacji trwałych nawierzchni, opartego jedynie na odkształceniach podłoża gruntowego.

3. Uproszczenia w kryterium trwałości zmęczeniowej warstw asfaltowych, opartym nie na wszystkich składowych stanu naprężenia i odkształcenia, a jedynie na maksymalnym wydłużeniu względnym.

4. Nieuwzględnianie lub przybliżone określanie deformacji trwałych warstw asfaltowych.

Wykład 5 -

Materiałem do wykładu jest Katalog

• Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. IBDiM, GDDP, W-wa 1997,

Wykład z nawierzchni - 4 Barbara Strycharz

15

Jak widać, naprężenia szybko zmniejszają się wraz z głębokością, ale wzrost nacisków jednostkowych na powierzchnię znacznie powiększa strefę działania naprężeń w konstrukcji.

Rys. 2 Schemat oddziaływania koła pojedyńczego samochodu na nawierzchnię drogową.

---