Kontrola parametrów jakościowych nawierzchni drogowych metodą prędkości fazowych

(1)

Seria: T R A N SPO R T z.38 N r kol. 1433

Jerzy PA W L IC K I Jan M A N D U L A

KONTROLA PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH NAWIERZCHNI DROGOWYCH METODĄ PRĘDKOŚCI FAZOWYCH

S treszczen ie. W artykule przedstaw iono sposób spraw dzania oraz w yniki obliczeń param etrów jakościow ych nietradycyjnej naw ierzchni drogow ej m etodą dynam iczną. Spośród licznych m odeli opisujących w łaściw ości m echaniczne i kinetyczne naw ierzchni można w yodrębnić trzy zasadnicze grupy: m odele dynam iczne, m odele w ykorzystujące teorię pełzania i konsolidacji oraz teorię sprężystości.

CONTROL OF ROAD SURFACES QUALITY PARAMETERS WITH PHASE VELOCITIES METHOD

S u m m a ry . T he models characterizing mechanic and kinetic properties o f the road can be divide into three main groups: using the resilience theory, the crawl and consolidation theory and the dynam ic m odels. In the article there is described way o f calculation and checking up the quality param eters of non-traditional road surface with the dynam ic m ethod.

M etoda prędkości fazow ych należy do nieniszczących m etod kontroli jak o ści naw ierzchni drogow ych, w której rejestruje się prędkość rozprzestrzeniania fal harm onicznych. Prędkości fazow e fal określa się na podstaw ie param etru przesunięcia fazy pom iędzy drganiami w ygenerow anym i przez środek w zbudzający, który w ysyła fale sinusoidalne o znanej częstotliw ości / do konstrukcji naw ierzchni, a drganiam i odbiornika um ieszczonego w ustalonej odległości.

1. W STĘP

(1)

(2)

74 J.Paw licki, J.M andula

Ten sposób oceny przydatności użytkow ej naw ierzchni znajduje zastosow anie zarów no po ukończeniu budow y, ja k też w trakcie układania poszczególnych w arstw . Bada się więc jak o ść i w łasności:

a) w ykonanych naw ierzchni sztyw nych, półsztyw nych, podatnych oraz podłoża gruntow ego, b) w arstw podczas ich układania,

c) w ybranych w arstw po zakończeniu procesu budowy, d) budow li ziem nej.

K ontroli i obserw acjom poddaw ane są głów nie : - rów ność naw ierzchni,

przygotow anie i dobór składu m ieszanki i m ateriałów naw ierzchniow ych, dotrzym anie w arunku grubości,

- zm iany nośności górnych w arstw , spow odow ane obciążeniem ruchem i w arunkam i atm osferycznym i,

zm iany sztyw ności pokrycia jezd n i w ynikające z czasu eksploatacji, stan w arstw podbudow y,

- jak o ść p o d ło ża i jeg o zagęszczenie.

2. M ETO D A PR Ę D K O ŚC I FA ZO W Y C H

Param etram i diagnozy stanu naw ierzchni są m iędzy innymi:

a) Edf- dynam iczny m oduł sprężystości przy rozciąganiu i ściskaniu, b) Gdf - dynam iczny m oduł sprężystości przy ścinaniu,

c) heku - ekw iw alentna grubość w arstw y, d) E y J - dynam iczna sztyw ność na zginanie,

e) w„ - ugięcie naw ierzchni od pionow ego norm ow ego obciążenia na krążku.

W jedn o ro d n ej, izotropow ej oraz idealnie sprężystej przestrzeni m ogą się rozchodzić fale dylatacyjne i ścinające. R ozprzestrzeniają się bez dyspersji, to znaczy, że ich prędkość nie zależy od c z ę s to tliw o ś c i/ lub od długości fali A.

Prędkość fal dylatacyjnych oblicza się ze wzoru:

(2)

gdzie: p - m asa objętościow a m ateriału v - w spółczynnik Poissona.

(3)

Prędkość fal podłużnych wynosi:

— i

⁽³⁾

a w płycie

p ( l - v ) 2 (4)

R uch cząstek m ateriału przy rozchodzeniu się fal ścinających je s t prostopadły do kierunku posuw ania się fali. Prędkość tych fal otrzymuje się ze w zoru:

Prędkość rozchodzenia się fal Rayleigha w izotropow ej, jednorodnej i doskonale sprężystej półprzestrzeni oblicza się z rów nania (1).

je6 -8)C 4 - ( 2 4 - 1 6 a 2) c 2 + ( l 6 a 2 - l ó ) = 0 , (6)

przy czym

K = - (7)

2 ci

o r = - V = l - 2 v 2(1- v )

(8)

P rzy aplikacji m etody prędkości fazow ych w konstrukcjach naw ierzchni w w arunkach w ysokich częstotliw ości i gdy długość fali je st m ała w stosunku do grubości w ierzchniej w arstw y, m ożna zm ierzyć prędkości rozchodzenia się fal, odpow iadające prędkościom pow ierzchniow ym fal w w arstw ie w ierzchniej. W tedy m o żn a zastosow ać rów nanie (6).

R ozw iązanie stanow ią w artości stosunków prędkości cr/c

2

i cr/co- Ich przebieg w funkcji w spółczynnika Poissona pokazano na rys. 1.

W artości stosunków oblicza się z zależności:

— = 0 , 8 7 6 3 + 0 , 1 6 3 4 V (9)

— = 0,6154 - 0,1322 v (10)

(4)

1,40 J

1,20--

1,00 —

p -

0 , 8 0 - 0,60 0

0,40 Ą- 0,20

0,00 0,00

c R /c 2 = 0 ,8763 + 0 ,1 6 3 4 v o--- -o ' -P -

cR/c0 = 0 ,6 1 5 4 - 0 ,1 3 2 2 v

0,t0 ^0,20 ^0,30 ^0,40 ^0,50

Rys. 1. W artości stosunków prędkości fal pow ierzchniow ych Fig. 1. P roportion values o f speed o f surface waves

3. PR ZY K ŁA D Z A STO SO W A N IA M ETO D Y DO O B L IC Z EN IA PA RA M ETR Ó W W A R S T W Y STA B ILIZO W A N EJ CEM EN TEM

M ieszankę w arstw y podbudow y z kruszyw a stabilizow anego cem entem naw ierzchni drogi 1/18 (rys. 2) ułożono w dw óch 10 cm w arstw ach. M aksym alną m asę objętościow ą p = 1990 kg/m 3 osiągnięto przy 6% zaw artości cem entu B -S32,5R oraz optym alnej w ilgotności w o p t= 11,1%.

W ytrzym ałość na ściskanie badano w laboratorium zaw sze na trzech próbkach m etodą destrukcyjną w w ilgotnym środow isku. Po 7 dniach dojrzew ania osiągnięto średnią wartość 2,3 M Pa, natom iast po 28 dniach i 10 cyklach zam rażania próbki w ykazyw ały średnią w ytrzym ałość 3,1 M Pa (odpow iada w artościom SC II).

W tej sprężystej w arstw ie podbudow y m ogą rozchodzić się zarów no fale podłużne, ja k też fale zginające. K ształt krzyw ych dyspersji prędkości fazow ych fal c zależy od stosunku grubości płyty h do długości fali A. T eoretyczny przebieg krzyw ych dyspersji prędkości w podbudow ie dla w spółczynnika Poissona A = 0,22 przedstaw ia rys.3 (por.tabl. 1).

P odstaw ow a gałąź prędkości fazow ych fal podłużnych w ychodzi z prędkości rozprzestrzeniania się tych fal w płycie cj przy znacznych długościach fal A.

(5)

A B S II 5 cm Beton asfaltowy A B S III 6 cm Beton asfaltowy

OK II 11 cm Kryszywo otoczone asfaltem

SC II 20 cm Stabilizacja cem entem żużla wielkopiecowego

SP 15 cm Żużel wielkopiecowy (VPT VSZ)

Y l 57 cm

Rys. 2. K onstrukcja badanej naw ierzchni Fig. 2. C onstructions o f investigated road surface

W raz ze skracaniem długości fali prędkość fazow a ulega zm niejszeniu, a przy małych w artościach A zbliża się do w artości cR - prędkości fal Rayleigha.

Podstaw ow a gałąź prędkości fazow ych fal naprężenia zginającego w płycie posiada przy znacznych długościach fal w artość rów ną zero. Ze w zrostem stosunku h jA prędkości fazowe fal zginających rosną, by przy małych długościach zbliżyć się do poziom u prędkości fal pow ierzchniow ych ^{c r}.

T a b lic a 1 W artości teoretycznych stosunków prędkości

V cr/c<, c2/c 0 C}/Co

0,22 0,586 0,640 1.025

Źródło: [2]

D iagnozow aną w arstw ę podbudow y (żużel w ielkopiecow y stabilizow any cem entem ) układano w dw óch podw arstw ach o grubości 10 cm każda. W yniki zaprezentow ane w tablicach 2 i 3 odnoszą się odpow iednio do częściowo i całościow o w ykonanej konstrukcji.

O bserw acje przeprow adzono 15 dni po ułożeniu dolnej i 8 dni - górnej podw arstw y na trzech w ybranych odcinkach drogi. Jednorodność stabilizow anej spoiw em hydraulicznym m asy oraz jak o ść je j w budow ania w naw ierzchnię opisują zm ierzona długość fali A lub prędkość rozprzestrzeniania się fali c, które w raz z grubością, ale rów nież z pow odu starzenia się stabilizow anego m ateriału wzrastają.

(6)

h /X

Rys. 3. K rzyw e dyspersji prędkości fazow ych fal

Fig. 3. C urves o f th e phase velocities dispersion o f the w aves

T ablica 2 T ablica 3

W yniki p o m iaró w w arstw y (10 cm ) W yniki pom iarów w arstw y (20 cm)

C zęstotliwość X c

[H z] [m ] [ m s ‘]

5000 0,172 860

1000 0,671 671

500 1,002 501

300 1,298 389

200 1,669 334

C zęstotliw ość X c

[H z] [m ] [m -s1]

5000 0,139 695

1000 0,463 463

500 0,713 357

300 0,896 269

200 1,218 244

Źródło: [2] Źródło: [2]

K o rzystając z danych zam ieszczonych w tablicach 2 i 3 określono w artości prędkości fal pow ierzchniow ych Cr, następnie prędkości fal podłużnych co i Ci, a przy znanej masie objętościow ej w arstw y łatw o m ożna było ustalić m oduły Eay i G<//(tabl. 4).

T ablica 4 W ybrane param etry w arstw y podbudow y naw ierzchni

G rubość

w a rstw y Cr co Cl Cl Edf Gdf

[cm ] [m -s'1] [m -s'1] [ m -s 1] [ m -s 1] [M Pa] [M Pa]

10 834 1424 912 1460 4037 1655

20 925 1578 1010 1617 4951 2031

Źródło: [2]

(7)

4. P O D S U M O W A N E

Z porów nania tablic 2 i 3 w ynika, że prędkość rozchodzenia się fal c przy w szystkich częstotliw ościach w zrosła w w arstw ie grubszej. Ze w zrostem grubości i w ieku badanego składnika konstrukcji rosną prędkości cr, co, C2 i Cj, co odzw ierciedla przyrost modułu dynam icznego Ejj i G y.

W praw dzie zastosow ana m etoda prędkości fazowych nie m oże zastąpić statycznej metody obciążeniow ej, dostarcza ona jed n ak w iele inform acji o w łasnościach m ateriałów naw ierz

chni, sztyw ności i jakości. U m ożliw ia ponadto obserwacje zm ian jakościow ych w w arstw ach konstrukcyjnych zbudow anych z m ateriału nietradycyjnego, jak im je s t żużel w ielkopiecow y.

Literatura

1. M artinćek G.: D ynam icka diagnostika vozoviek. V ydavatelstvo SA V V ED A , B ratislava 1983.

2. M andula J.: K ontrola kvalitativnych param etrov vozovky metodon fazovych rychlosti.

M ateriały K onferencyjne sem inarium nt. „Kvalita, norm y a technicke predpisy v cestnom stavitel’stve” , Żilinska univerzita, Żilina, 4-5 luty 1999, s. 1 3 2 - 1 3 8

R ecenzent: Doc. dr inż. Zbigniew G inalski

W płynęło do Redakcji 15.10.1999 r.

Abstract

The m odels characterizing m echanic and kinetic properties o f the road can be divide into three main groups: using the resilience theory, the craw l and consolidation theory and the dynam ic m odels. In the article there is described way o f calculation and checking up the quality param eters o f non-traditional road surface with the dynam ic method.

The paper deals with the results o f long-term observation of the road construction of highw ay connection in K osice on the road 1/68. The reason for the observation o f this

(8)

construction w as the usage blast-fum ace slag from the Eastern Slovak Iron-W orks (VSZ K osice). T he slag was used in protection and filtration layers (faction 0-32) and cem ented bottom layer (faction 0-16). D iagnostics o f individual construction layers and pavem ent as a w hole w as carried out by dynam ic non-destructive method o f phase velocities.