Budowa dróg - cały kurs PDF

Preview

Summary

Wykłady z budowy dróg...

Description

BUDOWA DRÓG – wykłady dr Jacek Alenowicz

ROBOTY ZIEMNE – proces polegający na: - odspojeniu gruntu z miejsca zalegania - przemieszczeniu (przetransportowaniu) gruntu na miejsce wbudowania - rozłożeniu i zagęszczeniu gruntu zgodnie z wymaganiami. Ze względu na kształt i rozmiar pasa, w którym wykonuje się roboty, wyróżnia się 3 rodzaje robót ziemnych: - skupione – zlokalizowane na niewielkim obszarze np. wykopy pod budynki - liniowe – charakteryzują się niewielkim zasięgiem poprzecznym w stosunku do długości; typowe dla tras komunikacyjnych, rurociągów - powierzchniowe – charakteryzują się znacznym zasięgiem wzdłuż i w poprzek, np. lotniska, place. Ze względu na położenie wykonywanych robót ziemnych w stosunku do powierzchni terenu wyróżnia się: - nasypy – budowla wykonana gruntu ponad powierzchnią terenu – spoczywająca na podłożu gruntowym - wykopy – budowla powstała w wyniku odspojenia i usunięcia gruntu. ELEMENTY BUDOWLI ZIEMNEJ wg PN-S-02205 (1998) Szerokość korony, pochylenie skarp, wymiary rowów określają: - „Wytyczne projektowania dróg” GDDP - Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie.

Rys. Podstawowe elementy drogowej budowli ziemnej. SKARPA Skarpa może mieć pochylenie: - prostoliniowe - zmienne (nieprostoliniowe). Kształt musi zapewniać stateczność skarpy. Wpływ mają również względy bezpieczeństwa ruchu i estetyczne. Pochylenie prostoliniowe określa się w stosunku 1:n. Max 1:1,5 (wyjątkowo 1:1).

2

Skarpy o zmiennym pochyleniu. 1:n1, 1:n2

paraboliczne

Odsadzki o szerokości „a” (przeważnie 1-1,5 m).

Wyokrąglenie dla dróg o większych prędkościach projektowych (bezpieczeństwo, estetyka). 1:3 - 1:5; R=2-3 m Wyokrąglenie załamań między koroną i skarpą oraz skarpą i terenem. PODSTAWA NASYPU, ROWY Jeżeli poprzeczne pochylenie terenu jest znaczne (1:5) lub jest bardziej strome to należy wykonać stopnie (wcięcia), by zmniejszyć niebezpieczeństwo zsuwania gruntu.

Stopień powinien mieć pochylenie 4 ze względu na odwodnienie. Od górnej strony powinien być rów stokowy, aby przejmował wodę z góry. Rowy wykonuje się w wykopie oraz w nasypie zawsze wtedy, kiedy jest niebezpieczeństwo gromadzenia się wody i podmywania korpusu. Rowy trapezowe – najpopularniejsze, odprowadzają najwięcej wody. Nachylenie skarp 1:1,5.

Rowy trójkątne – korzystniejsze ze względów bezpieczeństwa, łagodniejsze nachylenie skarp 1:3.

Rowy opływowe – R=1-2 m.

3

PRZEKRÓJ ODCINKOWY – przekrój poprzeczny częściowo w nasypie i częściowo w wykopie. Wszystkie czynności związane z robotami ziemnymi można podzielić na 2 etapy: - projekt - wykonanie. PROJEKT - wybór przebiegu trasy - projekt poszczególnych elementów trasy - ocena warunków geotechnicznych (badania) - obliczenia objętości robót ziemnych - rozdział mas ziemnych (projekt transportu i koszty) - określenie technologii robót. WYKONANIE - prace pomiarowe związane z przeniesieniem projektu w teren - prace przygotowawcze - wykonanie wykopów - transport mas ziemnych - wykonanie nasypów (zagęszczenie) 3 ostatnie z wymienionych czynności określa się niekiedy jako „właściwe roboty ziemne”. Uzyskany korpus ziemny powinien charakteryzować się dwiema zasadniczymi cechami eksploatacyjnymi: - trwałością, czyli niezmiennością geometrii (kształtu) w czasie (odporność na wpływy atmosferyczne – stateczność) - nośnością, czyli zdolnością do przejmowania obciążeń (dotyczy w szczególności górnej części korpusu). Obie cechy są ze sobą związane. CZYNNIKI NISZCZĄCE KORPUS ZIEMNY Do głównych czynników niszczących należą: - obciążenie użytkowe (oddziaływanie pojazdów) - woda - czynniki atmosferyczne (opady, temperatura, wiatr). 1. Obciążenia użytkowe – oddziaływanie statyczne (naprężenia pionowe) oraz dynamiczne. Obciążenia użytkowe mogą powodować dogęszczenie gruntu (koleiny, nierównomierne osiadanie) lub rozluźnienie gruntu (głównie pod płytami nawierzchni betonowej, pod podkładami kolejowymi – zjawisko „pompowania”).

4

Strefa czynna korpusu – obserwuje się w niej dodatkowe naprężenia związane z obciążeniami eksploatacyjnymi. Przyjmuje się, że strefa czynna korpusu sięga poziomu, na którym naprężenia dodatkowe wynoszą 5% naprężeń działających na koronie. Dogęszczanie występuje częściej niż rozluźnienie. 2. Woda - opadowa - bieżąca - stojąca - gruntowa (kapilarna).

Główne skutki niszczącego działania wody: - obniżenie nośności podłoża gruntowego – uplastycznienie gruntów spoistych, migracja cząstek gruntu w gruntach niespoistych - obniżenie wytrzymałości gruntu na ścinanie – spływ skarp - erozja skarp. 3. Temperatura - ujemna – powstanie wysadzin – woda + mróz + grunt wysadzinowy (wysadzina – soczewka lodowa powstająca w gruncie) - dodatnia – skurcz gruntów spoistych (pękanie), utrata przez grunty sypkie pozornej spoistości. Wiatr - erozja skarp. Przeciwdziałanie czynnikom niszczącym korpus ziemny odbywa się zarówno w fazie projektowania jak i wykonania korpusu. PROJEKT: - przyjęcie właściwej geometrii korpusu ziemnego – zapewnienie stateczności (nachylenia) - odwodnienie - założenie wykorzystania odpowiednich gruntów - przyjęcie właściwej technologii wykonania robót ziemnych (zagęszczanie) - w szczególnych przypadkach – projekt posadowienia nasypu (słabonośne podłoże gruntowe). WYKONANIE: ogólnie – przestrzeganie wymagań projektowych, kontrola jakości robót. - dobór odpowiednich gruntów - kształtowanie korpusu zgodnie z projektem - zagęszczanie gruntów - wykonanie urządzeń odwadniających (rowy, dreny) - zabezpieczanie skarp przed erozją.

5

BADANIA WARUNKÓW GRUNTOWO-WODNYCH Roboty ziemne polegają na wykonaniu budowli, której środowiskiem i materiałem jest grunt. Ze względu na to określenie warunków gruntowo-wodnych oraz właściwości gruntów jest bardzo ważnym etapem związanym z projektowaniem robót ziemnych. Badania mają dostarczyć informacji dotyczących: - form zalegania warstw gruntu - grubości warstw gruntu - rodzaju gruntu - warunków wodnych - szczegółowych danych o właściwościach i stanie gruntu określonych na podstawie pobranych próbek. Podstawowe cele badań warunków gruntowo-wodnych: - dostosowanie trasy do istniejących warunków gruntowo-wodnych (np. omijanie bagien) - określenie przydatności gruntów na nasypy oraz jako podłoże pod nawierzchnie - prawidłowe zaprojektowanie przekrojów poprzecznych w nasypie i wykopie (kształt, nachylenie skarp) - określenie sposobów odwodnienia wgłębnego i powierzchniowego - prawidłowe zaprojektowanie konstrukcji nawierzchni drogowej (kolejowej) - ocena przydatności gruntów do stabilizacji - wyszukanie złóż materiałów miejscowych - prawidłowe określenie technologii robót. Wyróżnia się trzy etapy badań podłoża wg „Instrukcji badań podłoża”: 1. Rozpoznawczy – faza studiów 2. Podstawowy – faza dokumentacji (dla uzyskania wskazań lokalizacyjnych, decyzji, materiałów przetargowych – koncepcji projektu wstępnego, budowlanego, wykonawczego) 3. Uzupełniający – w fazie projektowania, budowy, utrzymania, modernizacji. Wykonanie trzech odrębnych etapów badań jest zalecane tylko dla dużych obiektów w złożonych i skomplikowanych warunkach podłoża. W typowych przypadkach należy wykonać badania w dwóch etapach, a dla małych robót w prostych warunkach gruntowych, zwłaszcza modernizacji i utrzymania – w jednym etapie. O liczbie etapów decyduje inwestor w porozumieniu z biurem projektowym. W „Instrukcji” znajduje się tablica charakteryzująca złożoność podłoża: - proste - złożone - skomplikowane. ETAP ROZPOZNAWCZY Cel badania – dostarczenie informacji dotyczących podłoża gruntowego, które umożliwią wybór najkorzystniejszego wariantu trasy oraz przyjęcie koncepcji rozwiązania technicznego i wstępną ocenę kosztów. Uzyskane informacje: - ogólny model budowy geologicznej i warunków hydrologicznych - określenie obszarów szczególnie niekorzystnych - możliwość uzyskania materiałów do budowli ziemnych

6

- dane do ogólnej oceny wpływu obiektu na środowisko. Badania powinny zawierać: - analizę materiałów archiwalnych - szczegółowy przegląd terenu Metody geofizyczne obejmują: - metodę elektrooporową - metodę sejsmiczną - metodę georadarową Metoda elektrooporowa – polega na przepuszczaniu przez podłoże gruntowe prądu elektrycznego, na podstawie pomiarów różnicy potencjałów określa się opór właściwy ośrodka gruntowego. Rys. Wykonuje się profilowanie poziome (przemieszczanie układu elektrod po określonym kierunku bez zmiany rozstawu) lub profilowanie pionowe (zmiana rozstawu elektrod – głębokości sondowania). Grunty różnią się opornością, jednak interpretacja wyników wymaga dużego doświadczenia. Celowe jest łączenie z metodą sejsmiczną. Metoda sejsmiczna – polega na wzbudzeniu drgań podłoża oraz na określeniu czasu w jakim drgania te pojawiają się w określonej odległości od punktu wzbudzenia (rejestratory – geofony). Wykorzystuje się zjawisko różnej prędkości rozchodzenia się fal w różnych warstwach gruntu podobnie jak w metodzie georadarowej. Metody geofizyczne mają wiele zalet: - są one szybkie i tanie w stosunku do prac bezpośrednich (np. wiercenia) - nie wymagają wyrobisk, nie niszczą środowiska - dają ciągły profil podłoża - odnoszą się do ośrodka zalegającego w naturalnych warunkach - można nimi objąć większy obszar niż badaniami bezpośrednimi. Wadą jest to, że ocena jest generalna i nie uzyskuje się szczegółowych parametrów gruntowych. Badania podstawowe i uzupełniające obejmują rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych przede wszystkim metodami bezpośrednimi. Należy też wykorzystać wyniki studiów. Metody bezpośrednie polegają na wykonaniu otworów próbnych (wiercenia, sondowania, odkrywki) oraz przeprowadzeniu badań – bezpośrednio w terenie oraz w laboratorium. OCENA CECH GRUNTÓW Badania geotechniczne powinny m.in. pozwolić na ocenę właściwości gruntów, które są istotne dla: - określenia ich przydatności do wykonania korpusu ziemnego

7

- prawidłowego zaprojektowania korpusu ziemnego - oceny nośności podłoża gruntowego (wykop – rodzime, nasyp – uformowane). PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE: - odporność na działanie wody (wL, wP, Ip) - wodoprzepuszczalność - porowatość - zawartość części organicznych. PODSTAWOWE CECHY MECHANICZNE: - wytrzymałość na ścinanie (, c) - nośność podłoża/gruntu (CBR, E, ESPR, M) INNE WŁAŚCIWOŚCI GRUNTU ISTOTNE W PROJEKTOWANIU I WYKONASTWIE ROBÓT ZIEMNYCH: - zagęszczalność (uziarnienie) - wysadzinowość (uziarnienie, granica konsystencji, kapilarność bierna) - odspajalność i spulchnienie (granica konsystencji, wilgotność naturalna, zagęszczenie w stanie naturalnym). NOŚNOŚĆ PODŁOŻA GRUNTOWEGO Nośność – zdolność do przenoszenia obciążeń bez powstania nadmiernych odkształceń. Nośność podłoża w budownictwie komunikacyjnym określa się przez: - wskaźnik CBR - moduł odkształcenia - moduł sprężystości. CBR (Californian Bearing Ratio) – wskaźnik empiryczny CBR=(p/pw2)x100% p – ciśnienie przy wciskaniu trzpienia w badany materiał na głębokość 2,5 lub 5 mm pw2 – ciśnienie przy wciskaniu trzpienia na głębokość 2,5 lub 5 mm (odpowiednio) w materiał wzorcowy – tłuczeń F=20 cm2 v=1,25 mm/min E=0,95 EPROCTORA pw2 dla zagłębienia trzpienia na głębokość 2,5 mm wynosi 7 MPa, dla 5,0 mm – 10 MPa. Po obliczeniu wybieramy wartość większą z dwóch. Wykres otrzymany w czasie wciskania trzpienia w próbkę:

8

Pełne badanie CBR obejmuje przygotowanie i zbadanie 3 (grunty niespoiste) lub 4 (grunty spoiste) próbek. PROCEDURA: - przygotowanie wymaganej liczby próbek (wopt) - badanie (penetracja trzpieniem) jednej z próbek - ustawienie pozostałych próbek do badania pęcznienia - pomiar pęcznienia - wciskanie trzpienia w kolejne próbki po 2, 4 (i ew. 6) dobach. Powstaje zależność CBR(w).

Miarodajna wartość wskaźnika CBR – jest to wartość dla wilgotności krytycznej. Według procedury IBDiM wilgotność krytyczną wyznacza się z krzywej Proctora.

Orientacyjna ocena nośności podłoża w zależności od wartości CBR: - ponad 15% - bardzo dobra - 8-15% - dobra - 5-8% - przeciętna - 3-5% - słaba - poniżej 3% - zła (niedostateczna). Wartości CBR dla gruntów zamykają się praktycznie w przedziale od 1% do 30%. Orientacyjne wskaźniki CBR niektórych gruntów: - gliny – 2-6% - gliny piaszczyste – 6-12% - piaski gliniaste – 6-15% - piaski – 10-30% - pospółki – 20-80% Wartość nośności podłoża CBR jest wykorzystywana w niektórych prostych metodach projektowania nawierzchni drogowych. MODUŁ ODKSZTAŁCENIA Moduł odkształcenia bada się metodą obciążeń płytowych. Średnica płyty wynosi 300 mm.

9

Obciążenie za pomocą siłownika hydraulicznego. Badanie w terenie. Podłoże obciąża się stopniowo co 0,05 MPa. Rejestruje się osiadanie płyty co 2 minuty. Po ustabilizowaniu się odkształceń na danym poziomie można zwiększyć obciążenie i procedura jest powtarzana. Zakres obciążenia: - 0,25 MPa – dla podłoża gruntu zwykłego - 0,35 MPa – do ulepszonego podłoża.

Moduł odkształcenia jest liczony z następującego wzoru: 3 p E   D 4 s p -

przyrost obciążenia [MPa] s - przyrost odkształcenia [m] D – średnica płyty obciążającej [m] (30 cm) Z pierwszego obciążenia wylicza się moduł odkształcenia pierwotny (E1), a z drugiego wtórny (Ew). Moduł wtórny jest większy – bierzemy go do obliczeń. Orientacyjne wartości wtórnego modułu odkształcenia dla gruntów: - pospółka 100-120 MPa - piasek 60-100 MPa - piasek gliniasty 30-60 MPa - glina piaszczysta 30-60 MPa - glina 10-30 MPa - grunty organiczne spoiste pl/mpl 1-10 MPa W przypadku gruntów spoistych nośność Ew zależy w decydującym stopniu od wilgotności naturalnej i spoistości (stopnia plastyczności). Obciążenie płytowe można również wykorzystać do określenia modułu sprężystości gruntów. W obliczeniu modułu sprężystości uwzględnia się tylko część całkowitego odkształcenia podłoża – odkształcenie sprężyste. Nowa norma dotycząca robót ziemnych podaje wymagania w zakresie wtórnego modułu odkształcenia (dziesięciokrotność wskaźnika CBR – dla CBR do 10%). Wymagania takie podaje się również w normach OST dla warstw podbudowy z kruszywa: - CBR materiału podbudowy 60% - Ewmin = 120 MPa - CBR materiału podbudowy 80% - Ewmin = 140 MPa - CBR materiału podbudowy 120% - Ewmin = 180 MPa

10

Moduł sprężystości i odkształcenia różnią się tym, jakie odkształcenia podstawia się do wzoru, sprzęt do obciążania jest ten sam. W module sprężystości wykorzystuje się tylko odkształcenie sprężyste. MODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI Podłoże obciąża się stopniami co 0,05 MPa, rejestruje się osiadanie płyty co 2 minuty. Po ustabilizowaniu się odkształceń podłoże odciąża się i oczekuje na ustabilizowanie odkształceń. Następnie procedura jest powtarzana dla wyższego poziomu obciążenia. Wykres obciążeń:

Moduł jest liczony z następującego wzoru:  p E  D (1   2 ) 4 sspr p -

przyrost obciążenia (ciśnienia) [MPa]

sspr

- przyrost odkształcenia sprężystego dla p [m] D - średnica płyty obciążającej [m]  - współczynnik Poissona gruntu (0,30-0,35) Dla gruntów niespoistych i mało spoistych wartość modułu sprężystości jest zbliżona do wtórnego modułu odkształcenia (Ew). Mniejsza odkształcalność = lepsza nośność, większa wartość modułu. ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW Zagęszczalność jest to zdolność gruntu do osiągania maksymalnych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego, określa łatwość zagęszczenia gruntu. Zagęszczalność jest związana ze wskaźnikiem różnoziarnistości gruntu.

d60 d10 UA>UB – grunt A jest lepiej zagęszczony niż grunt B U

grunt różnoziarnisty

grunt równoziarnisty

11

masa _ szkieletu - gęstość objętościowa obj.  dB

d  dA

Grunt uważa się za różnoziarnisty jeżeli U>5. Grunty o wskaźniku U w przedziale 3-5 są nieźle zagęszczalne. Dla U5%) – wodochłonne, sole są wypłukiwane (w Polsce nie stanowią problemu, ale np. w krajach arabskich). INNE KLASYFIKACJE KLASYFIKACJA WIŁUNA Jest ona przydatna w budownictwie komunikacyjnym. Prof. Wiłun opracował klasyfikacje do celów drogowych, uprościł klasyfikacje wg PN, a jednocześnie bardzo ją rozbudował, podając dla każdego gruntu wiele (34, 36) parametrów. KLASYFIKACJA WIŁUNA podaje: - przeciętne parametry gruntów w stanie naturalnym - przydatność do budowy nasypów - przydatność jako podłoża nawierzchni - przydatność do stabilizacji - korelację z klasyfikacją Cassagrande, stosowaną w wielu krajach. Zalety:

15

- prostota, bazuje na wynikach prostych badań - opracowana przez inżyniera-praktyka - pozwala na oszacowanie wielu cech fizycznych i mechanicznych na podstawie rozpoznania rodzaju gruntu. Wady: - zbytnia przesadność w dokładności parametrów przypisywanych danemu gruntowi - zbyt wiele parametrów. PROJEKTOWANIE ROBÓT ZIEMNYCH SPULCHNIENIE GRUNTÓW Spulchnienie – jest to zdolność gruntu do powiększania swej objętości na skutek naruszenia naturalnej spoistości i struktury. Zależy od rodzaju gruntu i sposobu odspajania. Rozróżnia się 2 rodzaje spulchnienia: - chwilowe (początkowe) - trwałe (końcowe). Spulchnienie chwilowe – występuje podczas odspajania gruntu, ważne w planowaniu transportu gruntu. Spulchnienie chwilowe zawsze jest dodatnie. Zawsze je uwzględniamy. Spulchnienie trwałe – określa stan (spulchnienie) gruntu po wbudowaniu w nasyp, w odniesieniu do stanu rodzimego (zaleganie – wykop), wiąże się z bilansem robót ziemnych. Spulchnienie trwałe może być dodatnie lub ujemne: - jeżeli grunt wbudowany w nasyp jest mniej zagęszczony niż w stanie rodzimym – dodatnie (1, 2, 3%) - jeżeli grunt wbudowany w nasyp jest bardziej (lepiej) zagęszczony niż w stanie rodzimym – spulchnienie ujemne.

 - współczynnik spulchnienia trwałego [%]  - współczynnik spulchnienia chwilowego [%] Współczynnik spulchnienia jest to wyrażona w % zmiana objętości gruntu względem objętości w stanie rodzimym (w wykopie). Współczynniki te uwzględnia się w projektowaniu i organizacji wykonawstwa robót. Objętość nasypu: - objętość geometryczna bryły nasypu - ilość m3 gruntów w wykopie do wykonania danego nasypu  - współczynnik spulchnienia trwałego 1. Ile m3 nasypu wykonamy z określonej objętości wykopu? VN VW (1 

 ) 100

16

2. Ile m3 wykopu potrzeba na nasyp o określonej objętości? Vw  VN (

100 ) 100  

Współczynnik  może przyjmować wartości dodatnie i ujemne: 0 – zagęszczenie N gorsze niż w W.  - współczynnik spulchnienia chwilowego Objętość transportowa gruntu: VTransp.  VW (1 

 ) 100

DOKUMENTACJA TECHNICZNA ROBÓT ZIEMNYCH Dokumentacja robót ziemnych jest elementem dokumentacji projektowej na kolejnych etapach projektowania – projekt wstępny, techniczny, wykonawczy. Zakres (stopień dokładności) odpowiada stadium projektu. Dokumentacja na podstawie której wykonuje się roboty ziemne składa się z 2 części: - dokumentacja określająca geometrię korpusu ziemnego (rysunki) - wymagania technologiczne i specyfikacje techniczne (ST). RYSUNKI – jednoznaczne określenie geometrii korpusu ziemnego powstaje w wyniku zrzutowania na 3 wzajemnie prostopadłe płaszczyzny. 1. Rzut na płaszczyznę poziomą – plan sytuacyjny 2. Przekrój powierzchnią pionową przechodzącą przez oś trasy i rozwinięcie na płaszczyznę – profil (przekrój podłużny) 3. Rzut na płaszczyznę pionową prostopadłą do osi trasy – przekroje poprzeczne. ad. 1. Linia osiowa składa się z linii prostych i krzywych poziomych (łuki kołowe, krzywe przejściowe). Widoczna linia przecięcia skarp z istniejącym terenem – zasięg pasa robót ziemnych. ad. 2. Linia osi trasy w przekroju podłużnym – niweleta. Różnica rzędnej niwelety i terenu to rzędna robocza (W – ujemna, N – dodatnia). Skala profilu jest skażona np. 1:100/1000. ad. 3. PRZEKROJE POPRZECZNE - Przekrój normalny – przedstawia podstawowe parametry projektowanej trasy, typowe dla danego odcinka – kształt korpusu i korony, typowa skala 1:50 - Przekrój konstrukcyjny – przedstawia szczegóły konstrukcji korpusu ziemnego, nawierzchni, urządzeń odwadniających itd., typowa skala 1:50 - Przekrój roboczy – przekrój stanowiący podstawę obliczeń robót ziemnych, typowa skala 1:100. Tworzy się zbiór przekrojów. Liczba przekrojów roboczych zależy od ukształtowania terenu. Powinna dobrze odwzorować teren i umożliwiać dokładn...