dr inż. krzysztof Chlipalski rzeczoznawca SIiTK
adiunkt, Wyższa Szkoła Techniczna w Katowicach
P
rzyjęcie optymalnego rozwiązania konstrukcji nawierzchni uwzględ-nia kryterium trwałości eksploata-cyjnej, przy czym wiąże się ono najczę-ściej z optymalizacją kosztów realizacji, co nie jest zadaniem łatwym dla projek-tanta. Podczas projektowania nawierzchni powinien on uwzględnić:obciążenie ruchem, w tym strukturę ro-dzajową i funkcjonalną obciążenia w okre-sie zakładanego czasu eksploatacji (w tym prędkość, szczególny rodzaj oddziaływa-nia w obrębie skrzyżowań, zatok autobu-sowych czy placów manewrowych);
warunki gruntowo-wodne w odnie-sieniu do strefy klimatycznej (warunki mrozowe), w tym ich zmienność zwią-zaną np. z warunkami regionalnymi, jak górniczymi obniżeniami terenu,
i wła-ściwym zaprojektowaniem systemu od-wodnienia;
czasami także potrzebę dopasowania rozwiązań technologicznych do harmo-nogramu robót w odniesieniu do pory roku realizacji inwestycji (lub uwzględnie-nie przez inwestora właściwej pory roku dla jej realizacji), w tym zakresie istotna jest wrażliwość rozwiązań na określone warunki:
-korytowanie w gruntach słabych, wyma-gających ulepszenia – w okresie jesiennych opadów możliwe przewilgocenie;
-ulepszanie gruntów lub wbudowywanie kruszyw ulepszanych spoiwami − w okre-sie późnojew okre-siennym z przymrozkami lub zimowym;
-wbudowywanie warstw betonowych – konieczność realizacji przy reżimie
tempe-raturowym wbudowania 5−25OC (utrzy-mującej się temperaturze w ciągu całej doby, bez specjalnych zabiegów) i tempe-raturze w okresie pielęgnacji ponad 5OC;
-wbudowywanie warstw bitumicznych – trudne w okresie późnojesiennym z przymrozkami czy zimowym, szczegól-nie warstw na bazie asfaltów modyfikowa-nych − konieczność realizacji z reżimem całodobowej temperatury powyżej 0OC, a przy wbudowaniu wymaganej tempera-turze podłoża ponad 5OC, powietrza zaś powyżej 10OC.
Dobrze zaprojektowana i wykonana na-wierzchnia dla warunków przyjętych na eta-pie projektowania ma zakładaną trwałość (ponad 20 lub ponad 30 lat) określaną wg kryterium zmęczeniowego zgodnie z wyma-ganiami zawartymi w katalogach [1] i [2].
tEChNoLoGIE
Fot. © martinfredy – stock.adobe.com
TECHNOLOGIE
PRzYCzYNY wYmIaNY NawIERzChNI dRoGowEJ
Dobrze zaprojektowana nawierzchnia z prawidłowo dobranych materiałów i poprawnie wykonana powinna spełniać swoją funkcję w założonym okresie. Każdy produkt ma jednak określoną trwałość eksploatacyjną – procesy starzenia i zu-życia są nieodłącznie związane z ich eks-ploatacją, wpływając destrukcyjnie na ich stan techniczny i prowadząc nieuchronnie do dających się obserwować uszkodzeń.
Użytkownikom dróg trwałość koja-rzy się z brakiem kolein, wybojów i in-nych uszkodzeń wpływających na bez-pieczeństwo i komfort podróżowania samochodem, rowerem lub w ruchu pie-szym. W tym aspekcie podstawą do pod-jęcia działań naprawczych jest systemowa ocena stanu nawierzchni (jej powierzchni) w aspekcie trwałości funkcjonalnej wg kryteriów SOSN i SOPO [4].
Zmiany stanu powierzchni mogą być związane z czynnikami zewnętrznymi (mechaniczne uszkodzenia powierzchni, nasłonecznienie, szok termiczny zimo-wego utrzymania), często jednak odpo-wiada za nie cała kondycja konstrukcji i jej podłoża (zmęczenie materiałowe, przeciążenie, zmiana poziomu wody gruntowej, czynniki oddziaływań robót górniczych). W takim zakresie w celu ustalenia przyczyn niezbędna jest ocena trwałości strukturalnej z wykorzystaniem metod badawczych: inwentaryzacja kon-strukcji z badaniami materiałowymi, ba-danie nośności/ugięć nawierzchni, bada-nie równości.
Zdarza nam się zastanawiać, widząc roboty drogowe, dlaczego prują nową na-wierzchnię, a jednocześnie ulica obok ma nawierzchnię, po której strach jechać. Bio-rąc pod uwagę przedstawione rozważania, można usystematyzować przyczyny wy-miany nawierzchni.
Przyczyny wymiany nawierzchni dobrze zaprojektowanej i poprawnie wykonanej:
wyczerpanie trwałości zmęczeniowej w projektowanym okresie jej trwałości – koleiny strukturalne, spękania, wyboje;
wyczerpanie trwałości zmęczeniowej wskutek ponadnormatywnego obciąże-nia pojazdów – koleiny strukturalne, spę-kania, wyboje;
konieczność wzmocnienia nawierzchni przy braku możliwości podniesienia niwelety;
zużycie warstwy ścieralnej zgodne z jej funkcją ujętą w nazwie (wytarcie lub wy-gładzenie w śladzie koła) – utrata walorów przeciwpoślizgowych (szorstkości);
zużycie warstwy ścieralnej wskutek zmian termicznych (nasłonecznienie – zmiany lepkoplastyczne; szok ter-miczny w procesie odladzania, spękania niskotemperaturowe) – koleiny, spęka-nia, wykruszenia;
zużycie warstwy ścieralnej w strefach skrzyżowań z drogami technologicznymi (wpływ czynnika emulgacji) – wykru-szenia;
szkody górnicze (strefa spełzania i rozpełzania) – rozerwania, wypiętrze-nia, uskoki, uszkodzenia infrastruktury podziemnej;
szkody górnicze (obniżenie terenu w ujęciu makro) – zmiany ukształtowa-nia zlewni;
budowa lub wymiana infrastruktury podziemnej (brak koordynacji działań);
awaria infrastruktury podziemnej zlo-kalizowanej w pasie jezdni;
narzucone projektantowi błędne założe-nia funkcji drogi.
Przyczyny wymiany nawierzchni wyni-kające z błędów wykonawczych:
zmęczenie materiałowe w następstwie braku przyczepności międzywarstwo-wej (zabrudzona warstwa dolna, opady atmosferyczne w trakcie robót, niedo-puszczalnie niska temperatura dla wbu-dowania warstwy) – spękania, zsunięcia (tarka), wyboje – znaczne obniżenie trwa-łości zmęczeniowej;
zmęczenie materiałowe w następstwie nadmiernego dynamicznego oddziaływa-nia kół pojazdów ciężarowych na nierów-nościach podłużnych – sfalowania, spęka-nia, wyboje – znaczne obniżenie trwałości zmęczeniowej;
błędne wbudowanie materiału (błędy temperatury, wilgotności, zagęszczenia itp.) – znaczne obniżenie trwałości zmęczeniowej;
zastosowanie złego materiału (błędy re-ceptury, uziarnienia, jakości) – znaczne obniżenie trwałości zmęczeniowej;
brak rozpoznania niedostatecznych pa-rametrów technicznych warstwy istnieją-cej, wcześniej wbudowanej – znaczne ob-niżenie trwałości zmęczeniowej;
brak weryfikacji dokumentacji podłoża i dokumentacji projektowej (nasuwa się pytanie, czy wykonana nawierzchnia wg złego projektu będzie trwała);
niedostosowanie technologii do wa-runków atmosferycznych (temperatura, opady, wiatr) – znaczne obniżenie trwa-łości zmęczeniowej.
Rys. 1. Propozycja wymiany całej konstrukcji nawierzchni z koniecznością ulepszenia podłoża. Podłoże nienośne (Eśr = 76 mPa), lokalnie nienośna podbudowa (Emin = 76 mPa) przy grubości ponad 20 cm, słaby pakiet bitumiczny (Eśr = 1779 mPa) przy grubości 15−20 cm
TECHNOLOGIE
Przyczyny wymiany nawierzchni wyni-kające z błędów projektowych:
niewystarczająca stabilność dla stref in-tensywnego oddziaływania sił poziomych skrętnych i hamowania (strefa skrzyżo-wania, łuki o dużych krzywiznach, zatoki autobusowe) – sfalowania, koleiny;
niewystarczająca nośność konstruk-cji (konstrukcja niedowymiarowana dla występującego obciążenia ruchem) – koleiny strukturalne, spękania, wyboje
– znaczne obniżenie trwałości zmęcze-niowej;
niewystarczająca trwałość materiału konstrukcji (projektant przyjął błędne założenia materiałowe wg deklaracji pro-ducenta) – koleiny strukturalne, spęka-nia, wyboje – znaczne obniżenie trwało-ści zmęczeniowej;
niewystarczająca nośność podłoża dla przyjętej konstrukcji (niedostateczne wzmocnienie podłoża dla występującego
Rys. 2. Propozycja wymiany całej konstrukcji nawierzchni. Podłoże nośne (Eśr = 167 mPa), tragicznie nienośna podbudowa (Eśr = 47 mPa) przy grubości ponad 20 cm, tragicznie słaby pakiet bitumiczny (Eśr = 764 mPa) przy grubości 22−33 cm z wynikiem badania kolein na drodze na rys. 3 i z wynikiem laboratoryjnego badania koleinowania na rys. 4
Rys. 4. Pobrany rdzeń z nawierzchni z wynikiem badania koleinowania dolnej warstwy Rys. 3. ocena stanu kolein
obciążenia ruchem) – koleiny struktu-ralne, spękania, wyboje – znaczne obni-żenie trwałości zmęczeniowej;
niewystarczające rozpoznanie zmien-ności podłoża w planie, a także w czasie (np. w okresie suszy geologicznej) – lo-kalnie znaczne obniżenie trwałości zmę-czeniowej;
szkody górnicze (obniżenie terenu – zmiana warunków wodnych obniżająca nośność gruntu, zmiany pochyleń w syste-mie odwodnienia) – koleiny strukturalne, zmiany wysadzinowe – znaczne obniżenie trwałości zmęczeniowej;
szkody górnicze (obniżenie terenu – zmiany widoczności lub skrajni przy ko-nieczności rektyfikacji niwelet towarzyszą-cej infrastruktury).
wYmIaNa NawIERzChNI dRoGowEJ Stosownie do ustalonej przyczyny wy-miana nawierzchni drogowej może doty-czyć całej konstrukcji lub tylko jednej czy kilku warstw. Wyróżnia się dwa sposoby podejścia: remont, czyli odtworzenie (bez konieczności wzmocnienia konstrukcji nawierzchni, czyli nie zwiększając trwa-łości zmęczeniowej nawierzchni w sto-sunku do założonej w chwili oddania na-wierzchni do eksploatacji), i przebudowę (z koniecznością wzmocnienia konstruk-cji nawierzchni, czyli przy ustaleniu no-wej kategorii ruchu drogi na okres eksplo-atacji po przebudowie). W katalogu [3]
ujęto zalecenia wykonywania remontu i przebudowy istniejących nawierzchni dróg. Podano w nim podstawowe zale-cenia dokonywania oceny stanu istnieją-cej nawierzchni i podejmowania decyzji o sposobie i zakresie naprawy. Fot. 1 i 2 GDDKiA
Fot. 1
TECHNOLOGIE
Rys. 5. Propozycja tylko lokalnej wymiany całej konstrukcji nawierzchni, a zakres wymiany pakietu bitumicznego wymaga rozpoznania lokalizacji słabej warstwy. Podłoże nośne (Eśr = 154 mPa), nośna podbudowa (Eśr = 331 mPa) przy grubości ponad 20 cm, przyzwoity pakiet bitumiczny (Eśr = 4712 mPa) przy grubości 12−21 cm
Aby środki przeznaczone na wymianę nawierzchni nie poszły w błoto, istotne jest właściwe zdiagnozowanie zasadności re-montu czy przebudowy, aby usunąć przy-czynę „choroby”.
Na rysunkach przedstawiono przy-kłady zróżnicowania konstrukcji wzdłuż odcinka tej samej drogi: grubość pakietu bitumicznego od 12 do 33 cm, grubość podbudowy kruszywowej od 15 do 30 cm, przy łącznej grubości konstrukcji od 30 do 50 cm. Na wykresie grubości nawierzchni
z pomiaru GPR naniesiono wyniki ana-lizy nośności warstw z badania ugięć me-todą FWD.
Odrębnym podejściem jest ocena trwałości zmęczeniowej zinwentaryzo-wanej konstrukcji i ocena potrzeby jej wzmocnienia stosownie do warunków ob-ciążenia ruchem KR.
Ocenę wykonano obliczeniowo w pro-gramie MWS Pavement i wyniki zesta-wiono na rys. 6.
Z przytoczonego przykładu możemy ocenić wpływ jakości parametrów poszcze-gólnych warstw na trwałość zmęczeniową:
konstrukcja wg rys. 1 ma najgorsze warunki podłoża − stąd deformacja
REKLAMA Fot. 2
TECHNOLOGIE
Literatura
1. Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2014.
2. Katalog typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2014.
3. Katalog przebudów i remontów nawierzchni podatnych i półsztywnych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2013.
4. Systemy oceny stanu nawierzchni (podatnych, półsztywnych i sztywnych) oraz stanu poboczy i odwodnienia, Generalna Dyrekcja Dróg Krajo-wych i Autostrad, Warszawa.
Rys. 6. zestawienie wyników obliczeń pozostałej trwałości zmęczeniowej
strukturalna i najgorszy wynik trwało-ści zmęczeniowej;
konstrukcja wg rys. 2 przy dobrych wa-runkach podłoża i najgrubszym pakiecie bitumicznym, jednak o bardzo złych
pa-rametrach ma wynik trwałości zmęcze-niowej zbliżony do konstrukcji wg rys. 1;
najcieńsza konstrukcja (wg rys. 5), z podłożem i podbudową o dobrych rametrach przy niskich parametrach
pa-kietu bitumicznego (relatywnie najlep-szego) ma najwyższą pozostałą trwałość zmęczeniową.
Przedstawiony przykład częściowo ilu-struje zestawione przyczyny wymiany na-wierzchni drogowej i może stanowić pod-stawę do przemyśleń.