CERTIFIKOVANÁ METODIKA METODICKÝ PRŮVODCE NÁVRHEM A REALIZACÍ VOZOVEK NÍZKOKAPACITNÍCH KOMUNIKACÍ ZKUŠEBNÍ POLOPROVOZNÍ ÚSEK KOMUNIKACE Abstrakt Aleš Florian, Lenka Ševelová V polovině roku 2015 byla akceptována a schválena k užívání nová certifikovaná metodika 23327/2015-MZE-16222/M108 Metodický průvodce návrhem a realizací vozovek nízkokapacitních komunikací. Metodika je v řadě aspektů inovativní, a její použití představuje významný krok k navrhování spolehlivých a trvanlivých nízkokapacitních komunikací. Pro ověření navržených postupů byl realizován poloprovozní zkušební úsek komunikace, na kterém jsou ověřovány varianty možného vylepšení podloží a porovnáno chování vozovky s jednou a s dvěma konstrukčními vrstvami. Zkušební úsek v celkové délce 309 m byl rozdělen na dva úseky. Vozovku prvního tvoří pouze jedna 250 mm silná vrstva mechanicky zpevněného kameniva (MZK). Na druhém úseku byla navržena dvouvrstvá konstrukce - 250 mm podkladní vrstva ze štěrkodrti (ŠD) a 200 mm krytová vrstva z MZK. Pro porovnání variant vylepšení podloží byla vybrána úprava aktivní zóny pomocí dvou typů fluidního popílku, vápna, Dorosol C50, pazdeří z technického konopí setého, cihelného recyklátu a lomové prosívky. Ne jednotlivých konstrukčních vrstvách i kompletní vozovce byla prováděny základní geotechnické zkoušky in-situ i v laboratoři. Také byla prováděna kontrola změny chemismu v bezprostředním okolí zkušebního úseku. Abstract The main aim of the project TA01020326 "Optimization of the design and realization of low volume roads pavements" was to elaborate and draw up a comprehensive guide on design and realization of low volume roads pavements on the basis of the new categorization of the subgrade soils complemented by catalogue sheets with structural layers of roads for wide practical use. The methodological guide provides comprehensive approach to design, realization, control and maintenance of low volume roads (especially forest and field roads).the main emphasis is placed on assessing the subgrade and the active zone of the roads and possible treatments, selection of the appropriate road structure with regard to the category of subgrade soils in relation to the level of load (annual average daily traffic). The methodological guide also focuses on simple procedures for the design and construction of low volume roads, taking into account local conditions, with regard to the possible subgrade soil treatment and to the methods the use of materials suitable for the pavement construction. Within the defining catalogue sheets four load levels were determined (high, medium, low and very low). On that basis a total of 24 variants of low volume roads pavements have been designed. Úvod Projekt TA ČR č. TA01020326 Optimalizace procesu návrhu a realizace vozovek nízkokapacitních komunikací se zabýval problematikou dimenzování vozovek účelových komunikací se zaměřením na zlepšení únosnosti zemní pláně a novou kategorizaci podloží v kontextu ochrany přírodních zdrojů, zvláště neobnovitelných a humánních aspektů prostředí. Tento druh komunikací tvoří v ČR nezanedbatelnou část dopravní sítě. Zatímco dálnice, rychlostní komunikace a silnice I, II. a III. třídy představovaly v roce 2009 cca 55 700 km,
délka lesních cest je zhruba trojnásobná - 160 000 km a na její údržbu a opravy je vydáváno cca 55 % celkové částky na silniční komunikace. Cílem projektu bylo vypracovat a sestavit komplexní manuál návrhu a realizace vozovek nízkokapacitních komunikací na podkladě nové kategorizace podloží doplněný o katalogové listy konstrukčních vrstev vozovek pro široké praktické použití na základě jednotného parametru únosnosti. Tento parametr únosnosti měl respektovat specifičnost a snadnou proveditelnost nízkokapacitních komunikací. V polovině roku 2015 byla akceptována a schválena k užívání nová certifikovaná metodika 23327/2015-MZE-16222/M108 Metodický průvodce návrhem a realizací vozovek nízkokapacitních komunikací [1] (dále jen Metodika), jejíž součástí je i počítačový program pro vlastní dimenzování vozovek. Metodika je v řadě aspektů inovativní, a její použití představuje významný krok k navrhování spolehlivých a trvanlivých nízkokapacitních komunikací. Pro ověření navržených postupů byl realizován poloprovozní zkušební úsek komunikace (dále zkušební úsek), na kterém jsou ověřovány varianty možného vylepšení podloží a porovnáno chování vozovky s jednou a s dvěma konstrukčními vrstvami. Popis Metodiky Metodika je určená pro nízkokapacitní komunikace. Jedná se o nově zavedený terminologický pojem coby ekvivalent anglického pojmu Low Volume Roads, který doposud nebyl v českých normativech definován. V zahraničních předpisech (např. americká organizace AASTHO [2]) jsou tímto pojmem označeny komunikace s průměrnou denní intenzitou těžkých nákladních vozidel (TNVk) pro všechny jízdní pruhy v návrhovém období méně než 400. Při srovnání s českým předpisem TP 170 [3] tudíž zahrnuje komunikace s nižší třídou dopravního zatížení třídy TDZ IV, V a VI a návrhovou úrovní porušení vozovky D2. V našich podmínkách pod tento pojem budou především spadat: vozovky lesních cest, vozovky polních cest, obslužné místní komunikace, dočasné komunikace, odstavné a parkovací plochy, příp. turistické cyklistické stezky. Jedná se tedy o komunikace, k jejichž návrhu a realizaci není možné či vhodné - z jakýchkoli důvodů - využít postupy uvedené v jiných českých předpisech (např. TP 170). Stávající předpisy není možné využít zejména z následujících důvodů: nepřipouštějí výstavbu v podmínkách, kdy hodnota modulu přetvárnosti podloží vozovky (Edef,2) nedosahuje požadovaných 30 MPa, neodráží specifické nároky na multifunkčnost vozovek (sezónnost, rekreační využití apod.), nedovolují v konstrukčních vrstvách vozovky využít nestmelené materiály a technologie s nižšími kvalitativními nároky, přestože evropské předpisy využití těchto materiálů pro nízkokapacitní komunikace dovolují, neuvažují časové, kvalifikační a finanční limity při návrhu nízkokapacitních komunikací. Metodika je určena pro: zadavatele stavby, zhotovitele geotechnického průzkumu, projektanta stavby, zhotovitele stavby, technický dozor stavby,
autorský dozor stavby, uživatele stavby. Metodika se především soustředí na technologickou stránku výstavby, neobsahuje části týkající se legislativy s výstavbou spojené, včetně napojení nízkokapacitních komunikací na veřejnou síť komunikací. Je zaměřena na postup při navrhování, provádění, na kontrolu, popř. údržbu vozovek nízkokapacitních komunikací, na jednoduchý návrh a provádění nízkokapacitních komunikací se zohledněním lokálních podmínek nejen vlastní trasy, ale i dostupnosti vhodných materiálů pro jejich stavbu. Je řešena problematika geotechnického průzkumu, postupů při vlastním návrhu vozovky, doporučení a pokynů pro provádění, kontrolu a dozor při výstavbě. Důraz je kladen zejména na posouzení podloží vozovky a jeho případných úprav, výběru vhodné skladby vozovky s ohledem na kategorii podloží vozovky ve vztahu k úrovni zatížení - počet přejezdů těžkých nákladních vozidel (TNVk). Jsou navrženy postupy pro praktické užití při výstavbě nových nízkokapacitních komunikací a rekonstrukcí komunikací stávajících v návaznosti na podmínky a specifika rezortu, finančních možností, omezení ve výběru potenciálních projektantů a zajištění podkladů průzkumu. Pro praktické použití je Metodika rozdělena na dva oddíly. Oddíl 1 se věnuje postupu návrhu a realizace vozovek od geotechnického průzkumu, přes samotný návrh a realizaci vozovky včetně charakteristiky doporučovaných stavebních materiálů, až po kontrolu při přebírce a údržbu vozovek. Oddíl 2 obsahuje konkrétní katalogové listy vozovek nízkokapacitních komunikací podle navržené úrovně dopravního zatížení. Skladby vozovek jsou navrženy s ohledem na minimální únosnost zemní pláně a jsou uvedeny min. hodnoty únosnosti pojížděných vrstev v MPa (Mvd stanovený lehkou dynamickou deskou [4], resp. Edef,2 stanovený statickou zatěžovací zkouškou [5]). Dále tento oddíl obsahuje informace o možnosti vlastního dimenzování vozovek pomocí počítačového programu, který umožňuje zohlednit specifika navrhované nízkokapacitní komunikací a uživateli poskytuje i možnost ekonomického posouzení návrhu vozovky dle cen dostupných stavebních materiálů, odvozní vzdálenosti apod. Potřebné doplňující údaje jsou uvedeny v přílohách Metodiky. Za hlavní přínosy Metodiky je možné považovat: nová kategorizace podloží dle objemové hmotnosti, snížení nároků na materiály použité v konstrukčních vrstvách, zvýšená možnost použití lokálních materiálů s menší dovozní vzdáleností, zvýšená možnost návrhu vozovek s jednou konstrukční vrstvou, rozšíření možností vylepšení únosnosti podloží, možnost stanovení únosnosti zemní pláně lehkou dynamickou deskou katalogové listy vycházející z únosnosti stanovené lehkou dynamickou deskou možnost použití počítačového dimenzačního programu. Popis lokality zkušebního úseku Pro realizaci zkušebního úseku byla vybrána lokalita v polesí Bílovice nad Svitavou lesní cesta Kuběnka (viz. obr. 1). Lokalita se nachází v Jihomoravském kraji, okres Brno-venkov v katastrálním území obce Kanice (663 000), vně jižních hranic CHKO Moravský kras. Území se nachází v přírodní lesní oblasti 30 Drahanská vrchovina. Z geologického hlediska území náleží do oblasti s výskytem devonských křemitých slepenců. Toto umístění bylo vybráno z důvodů dobré dopravní dostupnosti, malých výškových rozdílů v podélném směru, neúnosného podloží při vyšších vlhkostech a plánované brzké použití lesní cesty k odvozu dřeva v následujících letech. Trasa zkušebního úseku navazuje na původní lesní zemní cestu LC Kuběnka, využívanou pouze sezónně, která byla jen pomístně v kolejích zpevněna kamenivem.
Obr. 1 Lokalita poloprovozní zkušební konstrukce Obr. 2 Stav původní lesní cesty před zahájením realizace zkušebního úseku Příprava zkušebního úseku Po výběru lokality zkušebního úseku navazovala fáze přípravná, kdy bylo vybráno celkem sedm variant vylepšení podloží lesní cesty (aktivní zóny) a dvě varianty konstrukce vozovky. Zkušební úsek v celkové délce 309 m byl rozdělen na dva úseky, které se liší v použitých konstrukčních vrstvách vozovky. Vozovku prvního úseku (ve směru staničení od napojení na lesní cestu Červená) tvoří pouze jedna 250 mm silná vrstva mechanicky zpevněného kameniva (MZK). Na druhém úseku byla navržena dvouvrstvá konstrukce - 250 mm
podkladní vrstva ze štěrkodrti (ŠD) a 200 mm krytová vrstva z MZK. Pro porovnání variant vylepšení podloží byla vybrána úprava aktivní zóny pomocí dvou typů fluidního popílku (1, 2), vápna (3), Dorosol C50(4), pazdeří z technického konopí setého (5), cihelného recyklátu (6) a lomové prosívky (7). Úprava aktivní zóny byla pro potřeby srovnávání s neupraveným podložím realizována pouze v pravé koleji zkušebního úseku, levá byla upravena pouze mechanicky. Uspořádání konstrukčních vrstev je na obr. 3 a 4. Obr. 3 Podélný profil zkušebního úseku Obr. 4 Příčný řez tělesem zkušebního úseku Realizace zkušebního úseku Samotná realizace zkušebního úseku byla provedena firmou Ekostavby, a. s. jako spoluřešiteli projektu. Pro vrstvy vozovky byl využit místní materiál z lomu Líšeň, materiály pro vylepšení aktivní zóny (vápno, Dorosol a konopné pazdeří) byly nakoupeny od standardních dodavatelů, dva typy fluidních popílků byly dodány uhelnou elektrárnou Tisová (ČEZ), cihelný recyklát dodala firma Gremis, s.r.o. a lomová prosívka pochází z lomu Líšeň. Environmentální bezpečnost použití fluidních popílků je podložena certifikací dle technických podmínek TP 93 Návrh a provádění staveb pozemních komunikací s využitím popílků a popelů. V první fázi realizace zkušebního úseku byl sadou měření zdokumentován původní stav podloží lesní cesty ve vytyčených profilech (2x7 profilů). Veškerá geotechnická měření provedly firmy GEOSTAR, spol. s. r. o. a CDV v.v.i. Stejná sada měření na hodnocení únosnosti byla následně realizována na zlepšené aktivní zóně a na každé konstrukční vrstvě
vozovky (tj. 7x2 + 7x3 sad měření). Jedná se o následující sadu zkoušek in-situ pro hodnocení parametrů pro průzkum, projekt, výstavbu a kontrolu zemních prací: statická zatěžovací zkouška (SZZ) (Edef,1, Edef,2, Edef,2/Edef,1), lehká dynamická deska (LDD) (Evd), dynamická penetrace lehká (DPL) (qdyn), objemová hmotnost (OH) (membránový objemometr nebo kroužek) (ρd,max). Ve firmě CDV v.v.i. bylo zkonstruováno laboratorní geotechnické zkušební pole a společně s laboratoří firmy GEOSTAR, spol. s. r. o. byly k těmto zkouškám přidány další doplňující zkoušky laboratorní a to: Kalifornský poměr únosnosti (CBR), dynamická penetrace těžká (DPT), vlhkost (w) a maximální míra zhutnění (PS). Vedle těchto geotechnických zkoušek byla realizována kontrola změny chemismu v bezprostředním okolí zkušebního úseku, aby byl vliv chemických pojiv podrobně zdokumentován. Ke sledování chování konstrukce vozovky včetně aktivní zóny byl na zkušební úsek také nainstalován senzor pro měření průhybu. Některé technologické operace jsou uvedeny v obr. 5-8. Obr. 5 Úprava podloží pomocí tažené frézy Obr. 6 Úprava podloží - úsek s aplikací vápna Obr. 7 Instalace senzorů průhybu Obr. 8 Vozovka zkušebního úseku po dokončení Výsledky Výsledky rozsáhlých sad měření výše uvedených zkoušek získaných měřením in-situ i v laboratořích jsou průběžně vyhodnocovány. Měření probíhají průběžně v delším časovém
horizontu, tudíž se sleduje i vliv času na chování jednotlivých konstrukčních variant a variant vylepšení podloží. Jedním ze zásadních výsledků, které byly doposud dosaženy, je výběr parametru únosnosti zemní pláně pro vozovky nízkokapacitních komunikací ve formě polní zkoušky. Dosavadní běžně používaný parametr únosnosti podloží vozovek je statická zatěžovací zkouška kruhovou deskou (SZZ), která je časově i finančně náročná a vyžaduje použití protizátěže. Proto byla provedena řada srovnávacích zkoušek a pro pláně nízkokapacitních vozovek bylo doporučeno stanovení únosnosti z modulu přetvárnosti (Mvd) získaného ze zkoušky LDD. Ve složitějších základových podmínkách lze tento parametr doplnit o měrný dynamický odpor (qdyn) z dynamických penetračních zkoušek. Kombinaci uvedených parametrů lze podle našich výsledků považovat za oprávněnou, jednoduchou, ekonomickou a pro netuhé nestmelené vozovky vhodnou. Tyto parametry jsou v rámci Metodiky zakomponovány jako vstupní hodnoty pro návrh vozovek nízkokapacitních komunikací. Vedle reálných měření je prováděna rozsáhlá spolehlivostní analýza jednotlivých variant skladeb vozovky, která využívá pro modelování konstrukce vozovky metodu konečných prvků a pokročilé simulační metody [6]. Závěr Vybudovaný zkušební úsek byl cca 1 rok po svém dokončení podroben velmi intenzivnímu provozu v rámci rozsáhlé těžby dřeva v okolí, kdy byl využit k odvozu dřeva. Úsek je průběžně opakovaně zatěžován a pokračují na něm sady měření únosnosti a sleduje se vliv úprav podloží použitými technologiemi s ohledem na šetrnost vůči životnímu prostředí a na vliv na lesní ekosystémy. Poděkování Příspěvek byl vypracován za podpory TA ČR v rámci projektu č. TA01020326 "Optimalizace procesu návrhu a realizace vozovek nízkokapacitních komunikací". Autoři děkují za spolupráci při realizaci zkušebního úseku Školnímu lesnímu podniku Masarykův les Křtiny. Literatura [1] Ševelová a kol. Metodický průvodce návrhem a realizací vozovek nízkokapacitních komunikací. Certifikovaná metodika 23327/2015-MZE-16222/M108. 2015. Mendelova univerzita v Brně. ISBN 978-80-7509-261-8. [2] AASHTO. 2001. Guidelines for Geometric Design of Very Low-Volume Local Roads. ISBN 1-56051-166-3. [3] TP 170. 2004. Navrhování vozovek pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy ČR. [4] ČSN 73 6192. 1986. Rázové zatěžovací zkoušky vozovek a podloží. Český normalizační institut. [5] ČSN 73 6190. 1982. Statická zatěžovací zkouška podloží a podkladních vrstev vozovek. Český normalizační institut. [6] Florian. A., Ševelová. L. 2013. Simulation of Low Volume Roads Made From Recycled Materials. World Academy of Science, Engineering and Technology. č. 82, s. 1619-1623. ISSN 2010-376X.
jména autorů s tituly doc. Ing. Aleš Florian, CSc. Lieberzeitova 23a, Brno, Czech Republic E-mail: Ales.Florian@seznam.cz, Ing. Lenka Ševelová, Ph.D. Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta Zemědělská 3, 613 00 Brno Tel: +420 545 134 524 E-mail: lenka.sevelova@mendelu.cz