1.1. Wprowadzenie
W Polsce w okresie ostatnich 10 lat (2004 - 2014) wybudowano ponad 2000 km nowych autostrad i dróg ekspresowych, przebudowano również wiele odcinków istniejących dróg. Społeczeństwo oczekuje, aby nawierzchnie drogowe jak najdłużej były w dobrym stanie technicznym i zapewniały bezpieczeństwo i komfort podróżnym. Stan techniczny nawierzchni zależy od jej trwałości i wieku, z kolei na trwałość nawierzchni wpływają warunki klimatyczne, jej konstrukcja i właściwości materiałów, z której została wykonana, a przede wszystkim obciążenie ruchem drogowym.
Trwałość zmęczeniowa konstrukcji nawierzchni, której analiza stanowi ważny element w niniejszej pracy, jest to sumaryczna liczba powtarzalnych obciążeń od osi pojazdów jaką może przenieść nawierzchnia do wystąpienia stanu krytycznego, określonego liczbą spękań zmęczeniowych, głębokością kolein lub nierównością podłużną. Obciążenia przekazywane na nawierzchnię od poszczególnych osi pojazdów są zmienne, dlatego do projektowania i analiz konstrukcji nawierzchni obciążenia te są przeliczane na liczbę obciążeń równoważną osią standardową za pomocą współczynników równoważności obciążenia. W zależności od tego, czy rozpatrywane jest oddziaływanie na nawierzchnie całych pojazdów, czy osi w pojazdach, stosuje się współczynniki równoważności odpowiednio pojazdu lub osi.
W okresie ostatnich 25 lat ruch ciężki na drogach krajowych w Polsce wzrósł trzykrotnie. Istotnie zmieniła się również struktura ruchu ciężkiego, przy czym obecnie w transporcie drogowym najczęściej występującymi pojazdami są ciągniki siodłowe z naczepą, których dopuszczalna masa całkowita wynosi do 40 ton1. Wzrosły również dopuszczalne obciążenia osi pojazdów, które wynoszą maksymalnie 115 kN. Zmieniły się rodzaje opon stosowane w pojazdach i wprowadzono opony typu super single w wyniku czego naprężenia kontaktowe na styku opony i nawierzchni są wyższe niż dawniej. Skutkiem tych zmian jest przyspieszenie procesu narastania uszkodzeń nawierzchni, dlatego właściwa ocena oddziaływania pojazdów na nawierzchnie jest podstawą do projektowania konstrukcji nawierzchni trwałych i zarazem ekonomicznych.
Można powiedzieć, że niszczące oddziaływanie pojazdów na nawierzchnie podatne w przybliżeniu rośnie wraz z obciążeniem osi pojazdów podniesionym do czwartej potęgi. Szczególne istotny wpływ na trwałość nawierzchni mają zatem pojazdy najcięższe, wśród których znaczna część to pojazdy przeciążone. Wraz ze wzrostem ruchu ciężkiego zaczął nasilać się problem ruchu pojazdów
1 W transporcie kombinowanym masa całkowita pojazdu może wynosić do 44 ton
12
przeciążonych. Jednym z elementów przeciwdziałania zjawisku przeciążania pojazdów są stacje preselekcyjnego ważenia pojazdów w ruchu WIM (ang. „Weigh in Motion”). W ostatnich kilku latach nastąpił znaczący rozwój technologii ważenia pojazdów w ruchu a dane z tych stacji są wykorzystywane do badań obciążenia dróg przez pojazdy. Wyniki tych badań mają praktyczne zastosowanie do projektowania i analiz konstrukcji nawierzchni nowych i remontowanych, a także do zarządzania ruchem drogowym.
W okresie ostatnich lat w USA opracowano nową metodę mechanistyczno-empirycznego projektowania konstrukcji nawierzchni MEPDG (ang. „Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide”). Dzięki kryteriom zmęczeniowym rozwiniętym w nowej metodzie MEPDG możliwa jest bardziej dokładna niż dawniej ocena rzeczywistego oddziaływania pojazdów na nawierzchnie drogowe. Warto zaznaczyć, że zagadnienie obciążenia dróg przez pojazdy ciężkie i ich oddziaływanie na nawierzchnie od wielu lat jest aktualne i często poruszane w publikacjach naukowych.
Katedra Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej od wielu lat prowadzi badania nad oddziaływaniem pojazdów ciężkich na nawierzchnie drogowe. Badania te zostały zapoczątkowane przez prof. Józefa Judyckiego a ich wyniki zostały opublikowane w licznych pracach naukowych. W latach 2009 - 2012 realizowano program badawczy na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad pt.: „Weryfikacja i aktualizacja Katalogu Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych” [78] w ramach którego między innymi opracowano nowe współczynniki przeliczeniowe pojazdów ciężkich na równoważne osie standardowe oraz udoskonalono metodę określania ruchu projektowego do wymiarowania nawierzchni podatnych i półsztywnych. Równolegle na Politechnice Wrocławskiej opracowano Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych [148] i podano w nim współczynniki przeliczeniowe odpowiednie dla nawierzchni sztywnych. Przeprowadzone w niniejszej pracy analizy oddziaływania pojazdów ciężkich oraz wpływu pojazdów przeciążonych na trwałość zmęczeniową nawierzchni nie dotyczą nawierzchni sztywnych.
1.2. Cel pracy
Głównym problemem naukowym stawianym w badaniach przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy jest ocena obciążenia pojazdów i ich oddziaływania na nawierzchnie podatne i półsztywne. Ocena ta została przeprowadzona poprzez realizację następujących celów pracy:
1. Rozpoznanie charakterystyki ruchu ciężkiego i analiza obciążenia nawierzchni drogowych ruchem ciężkim na podstawie danych ze stacji preselekcyjnego ważenia pojazdów w ruchu.
2. Określenie i analiza współczynników równoważności obciążenia osi i pojazdów na podstawie metod dostępnych w literaturze oraz w oparciu o
13 analizę mechanistyczno-empiryczną konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych.
3. Określenie zależności pomiędzy udziałem pojazdów przeciążonych w ruchu a współczynnikami równoważności obciążenia pojazdów.
4. Analiza oddziaływania pojazdów ciężkich i wpływ pojazdów przeciążonych na trwałość zmęczeniową nawierzchni podatnych.
1.3. Zakres pracy
Praca doktorska składa się z sześciu rozdziałów:
Rozdział 1 zawiera wprowadzenie w omawiane w pracy zagadnienia, uzasadnienie potrzeby prowadzenia badań oraz postawione cele badawcze i zakres pracy.
Rozdział 2 zawiera studia literatury dotyczące obciążenia dróg przez pojazdy ciężkie i ich wpływu na trwałość nawierzchni. Opisano metody określania obciążenia ruchem do projektowania nawierzchni stosowane w wybranych krajach europejskich i w USA. Przedstawiono studia dotyczące obciążenia pojazdów oraz technologii ciągłego ważenia pojazdów w ruchu. Opisano wpływ niszczącego oddziaływania pojazdów na trwałość nawierzchni podatnych i półsztywnych oraz podano metody określania współczynników równoważności obciążenia osi pojedynczych i wielokrotnych.
Rozdział 3 dotyczy analizy danych pomiarowych z ciągłego ważenia pojazdów w ruchu. Przedstawiono w nim metodykę oraz wyniki przeprowadzonych analiz obciążenia dróg przez pojazdy ciężkie. Opisano strukturę ruchu ciężkiego oraz określono rozkłady masy całkowitej pojazdów i rozkłady obciążenia osi pojazdów.
Zbudowano modele statystyczne opisujące rozkłady obciążenia osi pojazdów.
Zamieszczono obliczenia i analizę średnich współczynników równoważności obciążenia pojazdów oraz porównano wybrane metody wyznaczania współczynników równoważności obciążenia pojazdów. Określono agresywność względną poszczególnych typów pojazdów. Przedstawiono analizę rocznych, tygodniowych i dobowych zmian w ruchu ciężkim.
Rozdział 4 dotyczy analizy oddziaływania pojazdów ciężkich na nawierzchnie podatne. Analizę obliczeniową przeprowadzono na założonym modelu nawierzchni podatnej. Analizowano odkształcenia i naprężenia powstające w modelu nawierzchni na skutek obciążenia osi pojedynczych i wielokrotnych o zmiennym obciążeniu. Określono funkcję jednostkowej szkody zmęczeniowej nawierzchni i funkcję współczynników równoważności obciążenia osi w zależności od obciążenia osi. Na podstawie wyznaczonych funkcji oraz rozkładów obciążenia osi obliczono średnie współczynniki równoważności obciążenia osi pojazdów.
14
Rozdział 5 zawiera analizę obliczeniową wpływu pojazdów przeciążonych na trwałość konstrukcji nawierzchni podatnych. Przedstawiono problem ruchu pojazdów przeciążonych oraz podano procentowy udział pojazdów przeciążonych w ruchu i ich udział w całkowitej szkodzie zmęczeniowej nawierzchni. Określono modele statystyczne na podstawie których analizowano wpływ udziału pojazdów przeciążonych w ruchu na współczynniki równoważności obciążenia pojazdów oraz na trwałość nawierzchni.
Rozdział 6 zawiera wnioski wynikające z przeprowadzonych badań i analiz oraz kierunki dalszych prac.
15