Metodický průvodce návrhem a realizací vozovek nízkokapacitních

CERTIFIKOVANÁ METODIKA „METODICKÝ PRŮVODCE NÁVRHEM A
REALIZACÍ VOZOVEK NÍZKOKAPACITNÍCH KOMUNIKACÍ“ – ZKUŠEBNÍ
POLOPROVOZNÍ ÚSEK KOMUNIKACE
Aleš Florian, Lenka Ševelová
Abstrakt
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. 7 Instalace senzorů průhybu
Obr. 6 Úprava podloží - úsek s aplikací vápna
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. 16191623. ISSN 2010-376X.
jména autorů s tituly
doc. Ing. Aleš Florian, CSc.
Lieberzeitova 23a, Brno, Czech Republic
E-mail: [email protected],
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: [email protected]