Dwa problemy związane z jakością dróg

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.
2.
Obciążenia nawierzchni.
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 i  Pj 
  
N j  Pi 

Ni, Nj – liczba obciążeń osi potrzebnych do zniszczenia materiału
nawierzchni,
Pi, Pj – 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
4
N i  100 

  160 000
Nj  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:
5
 100 

  3 200 000
 5 
Nawierzchnie betonowe:
12
 100 
12

  20
 5 
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
9 000
8 000
number of axles
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 hz.
• Grubość warstw nawierzchni i podłoża
odpornych na działanie mrozu wynosi
0,4 - 0,85 hz 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