Jerzy PA W LIC K I Jan Ć O R EJ
ANALIZA CHARAKTERYSTYK ODKSZTAŁCENIA PODŁOŻA NAWIERZCHNI DROGOWEJ
S tre szc ze n ie . W artykule zaprezentow ano m etodę oceny nośności podłoża nawierzchni drogowej. Z badano w pływ w ilgotności na poziom statycznego modułu odkształcenia w dw óch cyklach obciążenia oraz zależność pom iędzy statycznym a dynam icznym modułem odkształcenia.
ANALYSIS OF DEFORMATION CHARACTERIZATION OF THE ROAD SURFACE SUBGRADE
S u m m a ry . T he m ethod o f carrying capacity estim ation o f road surface subgrade is presented in this paper. The effect o f m oisture on the static deform ation m odule level in two load cycles and dependence betw een static and dynam ic deform ation m odule has been exam ined.
1. W P R O W A D Z E N IE
D o najw ażniejszych charakterystyk nośności podłoża naw ierzchni drogowej należą m oduły sprężystości i odkształcenia. D ostarczają one w stępnych inform acji przydatnych w projektow aniu i przy ocenie naw ierzchni. W artości charakterystyk nośności podłoża zależą w różnym stopniu od w ilgotności gruntu, masy objętościow ej, rodzaju obciążenia (statyczny, dynam iczny, pierw szy i drugi cykl) oraz od wielu innych czynników , które rozpatruje się na różnych poziom ach procesu badaw czego [3,4,8,12], W yniki m ogą później zależeć od przyjętej m etodyki pom iarów , jak rów nież od sposobu ich szacowania.
D o badania różnych aspektów m echaniki naw ierzchni i podłoża opracowano
„E ksperym entalne stanow isko naw ierzchni drogow ych” w postaci zagłębienia (dołu) o szerokości 3,0 m i głębokości 0,9 m z dw om a podłużnym i pasam i, w których zakotwiono dw ie stalow e ram y w celu w yw ołania w ym aganego nacisku osiow ego. Pasy żelbetu o
objętościow ą suchego gruntu pd max = 1,75 g-cm '3 określono za pom ocą m etody B Proctor Standard przy optym alnej w ilgotności Wopt=17%. W artość p rojektow ą m odułu sprężystości podłoża gruntow ego Epr,s=20 M P a otrzym ano z badania CBR=3% .
2. M E T O D Y K A P O M IA R U
M etodykę badania dobrano w celu określenia zależności:
- m odułów sprężystości i odkształcania od w ilgotności gruntów w podłożu,
m iędzy m odułam i sprężystości otrzym anym i w pierw szym i drugim cyklu obciążenia, - m iędzy m odułam i deform acji w pierw szym i drugim cyklu obciążenia,
m iędzy statycznym a dynam icznym m odułem deform acji.
D o statycznego badania obciążeniow ego użyto płyty w kształcie koła o pow ierzchni 0,1 m2, na podstaw ie którego obliczono statyczny m oduł odkształcenia Eo [M Pa] oraz statyczny m oduł sprężystości E [M Pa] w edług wzorów:
E 0 = f ~ - ( 1- P 2) (1)
^ ‘ łoi gdzie: p - w spółczynnik Poissona,
p - ciśnienie pod płytą [M Pa], r - prom ień płyty [m],
ft« - średni całkow ity w cisk płyty przy ciśnieniu „p” [m],
E .
4 v )
(2 )gdzie: fe - średni sprężysty w cisk płyty przy ciśnieniu „p” [m],
W dw óch cyklach badania statycznego zastosow ano obciążenia 50, 100, 150 i 200 kPa.
M aksym alne ciśnienie w pierw szym cyklu obciążeniow ym przyjęto zgodnie z norm ą [9] 0,1 M Pa, w drugim - zgodnie z norm ą [10] 0,2 M Pa, co um ożliw iło obliczenie m odułu deform acji E jc o
B adanie udarow e w ykonano za pom ocą lekkiej płyty dynam icznej o średnicy 300 mm.
M o d u ł s p r ę ż y s t o ś c i (1 c y k l )
U U 15 18 17 18 19 20 21 22 20 24 25
w ilgotność (% ]
BO 1 r o
ts 60 ■
•£•« 50 - Ł & «O'
" Ś . 3 0 -
1
g 10 •M o d u ł s p i ę ż y j t o ś c i ( 2 c y k l )
»
1 y = -4.5475X + 131.62
• t i R3 = 0.7255
r ' r i ---
9 --- ---i r • i i i
t3 14 15 16 17
wi
B 19 20 21 22 23 24 25
g otność [% ]
M o d u ł o d k s z t a ł c e n i a (1 c y k l )
w ilgotność [% ]
M o d u ł o d k s z t a ł c e n i a ( 2 c y k l )
w ilgotność [% ]
Rys. 1. Z ależność statycznego m odułu sprężystości od w ilgotności [2]
Fig. 1. D ependence o f the resilience static m odule upon the m oisture [2]
Zależności liniow e m odułów sprężystości i deform acji od w ilgotności w obu cyklach (rys.
1) otrzym ano za pom ocą analizy regresji w g wzoru:
y = a x + b (3)
W spółczynniki korelacji były zaw arte w przedziale 0,6-0,9. N iższe w artości korelacji m odułów deform acji spow odow ane były w iększym rozproszeniem w artości przy niższych w ilgotnościach (14-17% ).
Z w ykresów w ynika, że w rozw ażanym przedziale w ilgotności 14-25% dochodzi do trzykrotnego obniżenia w artości charakterystyk deformacji.
4. C H A R A K T E R Y S T Y K I O D K S Z T A Ł C E N IA PO D Ł O Ż A W P IE R W S Z Y M I D R U G IM C Y K L U O B C IĄ Ż E N IO W Y M
Przy badaniu w pływ u cyklu obciążeniow ego na w artość charakterystyki zakłada się, że podłoże zostaje dodatkow o zagęszczane podczas pierw szego statycznego obciążenia. Z tablicy 1 i rysunku 2 w ynika, że dotyczy to przede w szystkim m odułów deform acji, natom iast w artości m odułów sprężystości są w obu cyklach sobie bliskie. R ów nocześnie potw ierdziło się zgodność z zaleceniam i zaw artym i w w ytycznych austriackich [5], w których podano następującą zależność:
Ev2 = 2 - E v1 (4)
Poniew aż g runtu ilastego, z którego zbudow ane jest podłoże, nie m ożna uznać za materiał sprężysty, lepszą charakterystyką je st w tym przypadku m oduł deform acji.
Tablica 1 _____________ S tatystyczne charakterystyki m odułów sprężystości i odkształcenia____________
C harakterystyka
C harakterystyki statystyczne [M Pa]
Cykl obciążeniow y
Średnia Cykl 2 / cykl 1 O dchylenie standardow e M oduł
sprężystości
cykl 1 36,8 1,1 18.5
cykl 2 41,0 15,5
M oduł odkształcenia
cykl 1 9,3 2,0 4,4
cykl 2 18,3 6,5
Źródło: [2]
80 70 60 50 40 30 20 10 n
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2 3 24 25 w ilg o tn o ś ć [ % |
-O— Modu) sprężystości w 1 cyklu
— M oduł sprężystości w 2 cyklu
A — M oduł o dkształcenia w 1 cyklu
■A M oduł o dkształcenia w 2 cyklu
Rys. 2. C harakterystyki odkształcenia [2]
Fig. 2. D eform ation characterizations [2]
Przy jakościow ej ocenie nośności podłoża naw ierzchni (szczególnie z gruntów ilastych i gliniastych) w łaściw szym byłoby posługiw anie się statycznym m odułem odkształcenia, podobnie ja k czynią to drogow cy kolejow i [4,5],
5. K O R E L A C J A S T A T Y C Z N E G O I D Y N A M IC Z N E G O M O D U Ł U S P R Ę Ż Y S T O Ś C I
Przy śledzeniu zależności korelacyjnych statycznego i dynam icznego m odułu deform acji znalazło szerokie zastosow anie badanie udarow e lekką p łytą dynam iczną ze w zględu na takie jej zalety, ja k operatyw ność, ekonom iczna efektyw ność oraz łatw ość użycia w trudnych w arunkach m iejscow ych.
N ajczęściej zależność korelacyjna dotyczyła m odułów E va i Edcr.r
E ^r.z (5)
W spółczynnik k dla niektórych gruntów przyjm uje w artości z następujących przedziałów:
k = l,3 - l,5 grunty gliniaste i ilaste, k = l , 8-2,0 piaski, żw iry gliniaste,
k= 2,0-3,0 żw iry rzeczne, żw iry gruboziarniste, k = 3 ,0-4,0 grunty kam ieniste.
(6)
gdzie: d - średnica płyty obciążeniow ej [m], o - naprężenie pod płytą [M Pa],
ymi- am plituda ugięcia pod środkiem płyty [m], 7i - w spółczynnik Poissona (dla gruntów 0,35).
M ożna przypuszczać, że naprężenie pod płytą nie je st w e w szystkich przypadkach jednakow e. Z e w zrostem w artości m odułu sprężystości podłoża pow inno rosnąć. H ipotezę popiera fakt, że im lepszy jakościow o materiał, tym w yższa w artość w spółczynnika korelacji k w e w zorze (4).
M ateriał w yższej jak o ści pow inien m ieć w yższe w artości m odułu sprężystości, co pow inno generow ać w yższe am plitudy siły udaru. Z ostanie w tedy przekroczone naprężenie pod płytą, którego w artość podaje producent - 0,1 M P a (spow odow ane siłą o am plitudzie ok. 7 kN w czasie 18 ms).
70 60 -
° E 0 - 1 cykl (0-0,1 M P a )
ą = 0,73^+ 17,47
R? = 0,55
£ E 0 - 2 cykl (0-0,1 M P a )E 0 - 2 cykl
E 0 - t cykl
0
0
10 20 30 40 50
Evd IMPa]
Rys. 3. Zależność statycznego i dynam icznego m odułu odkształcenia przy p = 0 ,l M P a [2]
Fig. 3. D ependence o f the static and dynam ic deform ation m odule at p = 0 ,l M Pa [2]
Pow yższe w nioski popiera zaczerpnięta z austriackiej norm y [7] zależność korelacyjna m iędzy statycznym m odułem odkształcenia Ev2 w drugim cyklu obciążeniow ym a dynam icznym m odułem odkształcenia, któ ra ma następującą postać:
E vł = 0 ,4 + 0 ,8 5 - E ^ (7)
R ysunek 3 prezentuje korelację statycznego i dynam icznego m odułu deform acji dla naprężenia 0,1 M Pa. Transform ując zależność Eo,2=>EVd do postaci zalecanej w [7], otrzym a się w artość k = l,3 .
N a rysunku 4 pokazano zależność obliczoną dla naprężenia 0,2 M P a zgodnie z normam i [9,10], P rzedstaw ione pow iązania, ze w zględu na ograniczoną liczbę pom iarów , powinno się traktow ać ja k o przybliżone, lecz stosunkow o w ysoka w artość w spółczynnika korelacji (Eo.2=>Evd , p = 0 ,lM P a , R =0,74) w skazuje na bliskie zw iązki m iędzy tymi w ielkościam i
Rys. 4. Z ależność statycznego i dynam icznego m odułu odkształcenia przy p=0,2 M P a [2]
Fig. 4. D ependence o f the static and dynam ic deform ation m odule at p=0,2 M Pa [2]
6. W N IO SK I
Z przedstaw ionej analizy w ynikają następujące zalecenia i wnioski:
- w celu dokonania oceny jakościow ej nośności podłoża naw ierzchni drogowej pow inno się stosow ać przede w szystkim statyczne badania obciążeniow e,
podobny efekt m ożna uzyskać poprzez rozpoznanie zależności korelacyjnych w ystępujących pom iędzy m odułam i odkształcenia a w ilgotnością w przypadku konkretnych rodzajów gruntów ,
- do oceny nośności słabego podłoża (grunty ilaste i gliniaste) bardziej przydatny m oże być m oduł odkształcenia,
- dalsze badania nad korelacyjnym i pow iązaniam i m iędzy statycznym a dynam icznym m odułem deform acji pow inny w yjaśnić w sposób bardziej w iarygodny m echanizm rządzący tym i zależnościam i.
L i t e r a t u r a
1. Ćorej T eoretické otâzky zlepśovania prevâdzkovej spôsoblivosti cestnÿch vozoviek.
Z âverecna sprava grantovej ulohy 1/3127/96, Żilina 1999.
2. D eckÿ M ., Ćorej J., C ardasovâ J.: A nalÿza vÿsledkov merani deform aënÿch Charakteristik podlożia cestnej vozovky. Sem inar „T echnologie üdrzby ciest” , Ż ilinska univerzita, Żilina, 3-4 m aja 2000, s. 143-150.
3. G lazer Z.: M echanika gruntów , W ydaw nictw a G eologiczne, W arszaw a 1972.
4. Izvolt L., Paw licki J.: M etody w zm ocnienia podtorza dróg kolejow ych Ż SR i ĆD. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, ser. T ransport, z.30, G liw ice 1998, s.97-107.
5. Izvolt L.:System and m ethods o f a railw ay subgarde diagnistics in the process o f the Slovak R ailw ays m odernisation. IO* International S cientific Conference
„C om m unications on the edge o f the m illennium s” , Żilina, 9-11 Septem ber 1998, p. 133- 136.
6. K ukułka J., Szydło A.: Projektow anie i budow a dróg. W KŁ, W arszaw a 1986.
7. L itzka J.: B em essung von A sphaltstrassen. Institut fur V erkehrsw esen, W ien 1997.
8. Paw licki J., Izvolt L., Slepecky J.: M etodyka rozpoznaw ania przyczyn i klasyfikacja odkształceń podtorza na m odernizow anych drogach kolejow ych Ż SR i PKP. Zeszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, ser. T ransport, z.29, G liw ice 1997, s.83-91.
9. STN 73 6190 Statickâ zat’ëzovaci zkouśka podlożi a podkladnich vstev vozovek.
10. S T N 72 1006 K ontrola zhutnenia zem in a sypanin.
11. STN 73 6190 R azova zat’ezovaci zkouska netuhych vozovek a podlozi.
12. Stypulkow ski B., red.: Zagadnienia utrzym ania i m odem izacji drog i ulic. W KL, W arszaw a 1995.
Recenzent: Doc. dr inz. Z bigniew Ginalski
A b s t r a c t
F or surface subgrade carrying capacity estim ation first o f all static loads are being used. G ood m easure for quality surface estim ation, especially m ade o f clayey and loam y soil, is deform ation m odule. The m ethod o f carrying capacity estim ation o f road surface subgrade is presented in this paper. The effect o f m oisture on the static deform ation m odule level in tw o load cycles and dependence betw een static and dynam ic deform ation m odule has been exam ined.
