Návrh metody pro dimenzování þÿ n e s t m e l e n é k o n s t r u k n í v r s t v y v þÿ a a k t i v n í z ó n y p o d l e m o d u l u py

Transkript

1 DSpace VSB-TUO OpenAIRE þÿx a d a s t a v e b n í , r o. 7 / C i v i l E n g i n e e r i n g Návrh metody pro dimenzování þÿ n e s t m e l e n é o n s t r u n í v r s t v y v þÿ a a t i v n í z ó n y p o d l e m o d u l u py T08:2:22Z Downloaded from DSpace VSB-TUO

2 Sborní vědecých prací Vysoé šoly báňsé - Technicé univerzity Ostrava číslo, ro 2007, roční VII, řada stavební Ivana MAHDALOVÁ NÁVRH METODY PRO DIMENZOVÁNÍ NESTMELENÉ KONSTRUKČNÍ VRSTVY VOZOVKY A AKTIVNÍ ZÓNY PODLE MODULU PŘETVÁRNOSTI Abstract The paper describes proposal of method for dimensioning of unagglutinate constructional strata in roadways or in active zone according to modulus of deformability. The proposed method is derived from procedure for dimensioning of constructional stratum in railways subbase, which is defined by departmental prescript of Czech railway CD S4 and start from original theory of institute SOJUZDORNII for behaviour of multiply flabby constructional system. ÚVOD Intenzita provozu na pozemních omuniacích lade nemalé poţadavy na valitu pojíţděného povrchu. Konstruce vozove musí odolávat velým nápravovým tlaům plně naloţených těţých náladních vozidel a jsou navíc zatíţeny působením limaticých podmíne, zejména mrazem, v návaznosti na vodní reţim podloţí vozovy. Volba vhodné onstruce vozovy pro odpovídající zatíţení, ale taé valitní podlad v ativní zóně pod vozovou, jsou nutným předpoladem dlouhé ţivotnosti vozovy jao celu, bez potřeby častých oprav s následným dopadem do bezpečnosti a plynulosti dopravního provozu. Ativní zónou ve stavbách pozemních omuniací se rozumí horní vrstva zemního tělesa na násypu i v zářezu. Má tloušťu zpravidla 0,50 m, do níţ zasahují vlivy zatíţení a limatu. Tyto vlivy mohou vést e změnám fyziálních a mechanicých vlastností materiálů, z nichţ je tato vrstva sloţena. Proto se na ni vtahují přísnější valitativní parametry oproti ostatním částem zemního tělesa. Ativní zóna musí mít dostatečnou únosnost (ve smyslu odolnosti proti deformaci). Dimenzování vozove i ativní zóny pozemních omuniací se v ČR provádí podle resortního předpisu Technicé podmíny Ministerstva dopravy TP 70 Navrhování vozove pozemních omuniací [4]. Materiály do onstruce vozovy a do podloţí se podle něj navrhují a posuzují v závislosti na jejich modulu pruţnosti, případně podle jejich alifornsého poměru únosnosti CBR. Dimenzování ativní zóny v podloţí je řešeno taé v ČSN Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních omuniací, a to pouze na záladě poměru únosnosti CBR. Výpočtovým modelem pro dimenzování podloţí vozovy podle TP 70 je ideálně pruţný poloprostor, terý je pro výpočet reprezentován modulem pruţnosti. Vychází se přitom z předpoladu, ţe hmota, terá vyplňuje poloprostor, je ideálně pruţná, homogenní a izotropní, závislost mezi napětím a přetvořením je lineární, platí Hooův záon. Ve sutečnosti ale zemina v podloţí vozovy není doonale pruţná ani ideálně homogenní a izotropní láta. Po aţdém zatěţovacím cylu dochází celovému stlačení zeminy a deformaci povrchu. Po následném odlehčení má část zatlačení charater vratné (pruţné) deformace a část nevratné (plasticé) deformace. Při opaujících se zatěţovacích cylech se postupně zmenšuje část plasticé deformace a zemina v podloţí nabývá charater pruţné láty. Nahrazení chování podloţí pruţným poloprostorem představuje určité zjednodušení úlohy. Reálně je zemina v podloţí vozovy vystavena limaticým vlivům a dochází zde cylicým změnám vlastností, zejména u soudrţných zemin. Dopravním provozem, t.j. opaova- Ing., Ph. D., Katedra dopravního stavitelství, Faulta stavební, Vysoá šola báňsá Technicá univerzita Ostrava, tel. (+420) , ivana.mahdalova@vsb.cz 87

3 ným zatěţováním, dojde sice v průběhu rou postupně výraznému zmenšení aţ vymizení části plasticé deformace, ale v době jarního tání se významně zvyšuje vlhost soudrţných zemin a tím i jejich plasticita. Původně proběhlá onsolidace zeminy je tím porušena a opět se uplatní vliv plasticé části deformace v podloţí. Tento jev je znám jao sníţení únosnosti podloţí vozovy v době jarního tání. Chování podloţí vozovy tedy lépe vystihuje model pruţně plasticého poloprostoru. Pro definování návrhových hodnot materiálů je pa výhodnější uţití modulů přetvárnosti, teré lépe charaterizují jejich přetvárné vlastnosti. Ostatně následná ontrola vality zhotovených vrstev se provádí ontrolou dosaţení poţadovaného modulu přetvárnosti (nejčastěji staticou zatěţovací zoušou). Metodia dimenzování onstručních vrstev podle modulu přetvárnosti je dobře zpracována v resortním předpisu Česých drah ČD S4 Ţelezniční spode []. Vhodnost metodiy je dostatečně ověřena praxí dimenzování praţcového podloţí. 2 VÝPOČTOVÝ MODEL VÍCEVRSTVÉ NETUHÉ KONSTRUKCE PODLE MODULU PŘETVÁRNOSTI V dopravním stavitelství, při budování onstruční vrstvy v podloţí silničních i ţelezničních staveb, stejně jao při budování nestmelených onstručních vrstev vozovy, se jedná o řešení úlohy, dy vícevrstvý netuhý onstruční systém je tvořen ta, ţe tuţší vrstva spočívá na poddajnější vrstvě (viz obr. ). Horní tuţší vrstva je charaterizována modulem pruţnosti E, hodnotou prostředí (objemovou hustotou) a rychlostí šíření vln v. Spodní poddajnější vrstva je charaterizována modulem pruţnosti E 0, hodnotou prostředí (objemovou hustotou) 0 a rychlostí šíření vlnění v 0. V taové onstruci platí, ţe E > E 0. Obr. Šíření chvění ve dvouvrstvém systému Při formulaci výpočtového modelu pro přetváření vícevrstvého prostředí byly východisem původní práce institutu SOJUZDORNII z první poloviny 20. století a dílčí část práce H. Lahuty [2], terá se podrobněji zabývá matematicým rozpracováním zmíněné teorie. Výpočtový model byl podrobně odvozen autorou tohoto příspěvu v disertační práci [3]. Evivalentní modul přetvárnosti na povrchu dvouvrstvého systému, t.j. modul přetvárnosti taové homogenní hmoty, jejíţ stlačení (sednutí) pod stejným zatíţením se bude rovnat stlačení dvouvrstvého systému, odvozený ve [2], je vyjádřen rovnicí: 88

4 E E ev () 2 h n n arctg 3,5 n D de E ev je evivalentní modul přetvárnosti v MPa, E je modul přetvárnosti horní vrstvy v MPa, h je tloušťa horní vrstvy v m, D průměr ruhové zatěţovací desy v m a veličina n je vyjádřena rovnicí de E 0 je modul přetvárnosti spodní vrstvy v MPa, přitom E > E 0. E E n (2) 0 Evivalentní modul přetvárnosti lze vyjádřit z () na záladě modulu přetvárnosti horní vrstvy ve tvaru: de oeficient 3 lze vyjádřit jao: 3 n E ev 3 E MPa (3) 2 Kdyţ označíme poměr modulů přetvárnosti jao a poměr tloušťy horní vrstvy a průměru ruhové plochy jao E 3,5 h n n arctg 0 (5) E h 2 D (6) lze pa oeficient 3 v závislosti na oeficientech a 2 vyjádřit ve tvaru: 3 2 arctg D 2 Výsledem vyuţitelným pro zjednodušené dimenzování nestmelené onstruční vrstvy vozovy či ativní zóny pa můţe být návrhový nomogram pro určení evivalentního modulu přetvárnosti dvouvrstvé netuhé onstruce uvedený na obr. 2. Obdobný nomogram, terý je pro srovnání uveden na obr. 3, vyuţívá pro dimenzování onstruční vrstvy ţelezničního spodu předpis ČD S4. (4) (7) 89

5 Obr.2 Nomogram pro určení evivalentního modulu přetvárnosti dvouvrstvé netuhé onstruce podle [3] Obr.3 Nomogram pro určení evivalentního modulu přetvárnosti onstruce podle ČD S4 90

6 3 NAVRHOVÁNÍ NESTMELENÉ KONSTRUKČNÍ VRSTVY VOZOVKY A AKTIVNÍ ZÓNY PODLE MODULU PŘETVÁRNOSTI Podloţí vozovy, poud je část podloţí vozovy (ativní zóna) zlepšena, stejně jao samotnou netuhou vozovu, lze povaţovat za vrstevnatý, pruţně plasticý poloprostor. Při dimenzování onstruční vrstvy podle modulu přetvárnosti lze pouţít výše popsaný výpočtový model pro přetváření vícevrstvého prostředí. Metodu lze pouţít pouze dimenzování nezlepšené onstruční vrstvy ativní zóny nebo nestmelené onstruční vrstvy vozovy a pouze pro vícevrstvý systém, u terého má horní vrstva větší vlastní modul přetvárnosti neţ vrstva spodní. Výše popsaný výpočtový model a návrhový graf uvedený na obr. 2 se pouţije orientačnímu stanovení potřebné tloušťy onstruční vrstvy h nutné dosaţení předepsaného evivalentní modulu přetvárnosti E e na povrchu nestmelené onstruční vrstvy za předpoladu znalosti modulu přetvárnosti podloţí E 0, modulu přetvárnosti onstruční vrstvy E a průměru ruhové zatěţovací desy D. Poţadované minimální hodnoty modulů přetvárnosti jsou předepsány v TP 70 [4]. Postupuje se přitom ta, ţe se vypočtou oeficienty a 3, z návrhového grafu se odečte oeficient 2 a z něj se vypočte potřebná tloušťa onstruční vrstvy: h 2 D m (8) Právě tento postup lze s výhodou uplatnit při navrhování onstruční vrstvy vozovy nebo ativní zóny, dy je moţno vhodně volit onstruční materiál a jeho tloušťu ta, aby byl poţadovaný předepsaný modul přetvárnosti sutečně dosaţen. Dosavadní praxe, vycházející z hodnot CBR zemin a onstručních nestmelených materiálů, totiţ často zejména při sanaci zemní pláně vede tomu, ţe navrţenou onstrucí není na stavbě reálně dosaţeno poţadovaných parametrů na povrchu vrstvy, zhotovená onstruční vrstva se musí odtěţit a metodou pous-omyl a zpět se provádějí další opatření dosaţení předepsané únosnosti, coţ je metoda poněud náladná a zdlouhavá, ač naonec obvyle úspěšná. 4 OVĚŘENÍ SPOLEHLIVOSTI DIMENZOVÁNÍ NESTMELENÉ KONSTRUKČNÍ VRSTVY PODLE MODULU PŘETVÁRNOSTI Ověření spolehlivosti dimenzování nestmelených onstručních vrstev podle modulu přetvárnosti bylo provedeno porovnáním vypočtených předpoládaných hodnot evivalentního modulu přetvárnosti s hodnotami zísanými na záladě dostupných výsledů staticých zatěţovacích zouše prováděných na onstručních vrstvách staveb pozemních omuniací v Ostravě od léta 2005 do jara rou Výběr výsledů staticých zatěţovacích zouše pro ověření metodiy byl poměrně obtíţný, protoţe bylo nutné dohledat měření prováděná přibliţně ve stejném místě na podloţí onstruční vrstvy a následně na vlastní onstruční vrstvě. Vzhledem odchylám polohy zatěţovací desy při provádění staticé zatěţovací zoušy pod a na onstruční vrstvě a vzhledem velmi proměnným parametrů podloţí, ať uţ u rostlého podladu nebo u povrchu násypového tělesa (hlušinová sypanina - doloţeno E def,2 = 72,7 MPa aţ 57,4 MPa), můţe být ověření zatíţeno určitou chybou. Taé malý počet dohledaných měření vhodných vyhodnocení ovlivňuje průaznost ověření navrţené metody. Je taé nutno zohlednit sutečnost, ţe hodnoty modulů přetvárnosti E onstručních vrstev nebylo moţno zpětně přesně zjistit a byly pouze odhadovány ze známých obvylých intervalů hodnot pro příslušné pouţité suroviny. K ověření byly pouţity výsledy ze čtyř měření, a to: a) ativní zóna (výměnná vrstva) ze strusy na parovišti ul. Ostrčilova b) ativní zóna ze strusy na přeloţce silnice I/58 Hrušov-Bohumín c) ochranná vrstva ze štěrodrti na přeloţce silnice I/58 Hrušov-Bohumín d) sanace podloţí pod násyp ze strusy na přel. sil. I/58 Hrušov-Bohumín Výsledy pro jednotlivá měření a) aţ d) jsou přehledně sestaveny do grafu na obr. 4. 9

7 Obr.4 Graficé vyjádření naměřených a vypočtených hodnot evivalentního modulu přetvárnosti E e na povrchu onstruční vrstvy 5 ZÁVĚR Lze onstatovat, ţe hodnoty očeávaného modulu přetvárnosti na povrchu nestmelené onstruční vrstvy, vypočtené metodou podle modulu přetvárnosti, jsou relevantní se sutečně naměřenými hodnotami. Metodu je tedy moţno povaţovat za dostatečně věrohodnou pro pouţití při zjednodušeném dimenzování nestmelených onstručních vrstev ve stavbách pozemních omuniací. Ve zmíněné disertační práci [3] nebyl prostor pro podrobnější ověření metody dimenzování nestmelené onstruční vrstvy podle modulu přetvárnosti. Metoda by si zaslouţila ověření na rozsáhlejším souboru realizovaných staticých zatěţovacích zouše. Přesto je moţno předpoládat, ţe její uplatnění v praxi by mohlo přinést stavebním firmám nezanedbatelný eonomicý efet. LITERATURA [] ČD S4 Železniční spode Resortní předpis. Praha : Česé dráhy, 998 [2] LAHUTA, H. Příspěve využití staticé penetrace pro stanovení smyové pevnosti zemin Habilitační práce. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, FAST, 2005 [3] MAHDALOVÁ, I. Využití druhotných surovin v onstrucích vozove pozemních omuniací a v ativní zóně. Disertační práce. Ostrava : VŠB-Technicá univerzita Ostrava, s. ISBN [4] TP 70 Navrhování vozove pozemních omuniací Technicé podmíny Ministerstva dopravy ČR. Praha : Ministerstvo dopravy Česé republiy, 2004 Recenzent: Ing. Vladimíra Pchálová 92