Załącznik 1
OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE WARSTW OCHRONNYCH

1.   Sposoby obliczeń

Zależnie od konstrukcji podtorza i dostępności danych niezbędnych do obliczeń, grubości warstw ochronnych układanych na gruntach spoistych można określić dwoma sposobami:

I     Z warunku nieprzekroczenia dopuszczalnych naprężeń w gruntach znajdujących się pod warstwą; nomogramy pokazane na rys, 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 umożliwiają wymiarowanie warstw ochronnych z materiałów o module sprężystości E = 150 MPa np. warstw z piasków lub pospólek (moduł sprężystości jest to moduł odkształcenia uzyskany z drugiego obciążenia podłoża gruntowego płytą o średnicy 0,30 m do próbnych obciążeń). Grubości projektowanych tym sposobem warstw mogą być różnicowane odpowiednio do przewidywanych miejscowych warunków techniczno-eksploatacyjnych.

II    Na podstawie ekwiwalentnego modułu sprężystości wymaganego dla podtorza; nomogram przedstawiony na rys. 1-5 umożliwia określenie grubości jednowarstwowych pokryć ochronnych (np. z gruntów stabilizowanych) oraz sprawdzenie grubości pokryć wielowarstwowych, wykonywanych z różnych materiałów.

2.   Dane do obliczeń:

Do obliczeń niezbędne są następujące dane:

w sposobie I - wytrzymałość na ścinanie miejscowego gruntu (u - kąt tarcia wewnętrznego, Cu - spójność) oraz kategoria toru

w sposobie II - moduł sprężystości miejscowego gruntu Eg, moduł sprężystości materiału warstwy ochronnej Eo oraz wymagany ekwiwalentny moduł sprężystości Ee2dla wzmocnionego podtorza (zob. tabl. 3)

* W przypadku braku wyników szczegółowych badań, niektóre parametry gruntu można szacować.

Moduły sprężystości E gruntów i innych materiałów można przyjmować z tablicy 1-1. Natomiast moduły sprężystości drobnoziarnistych gruntów mineralnych szacować na podstawie wyników badań CBR

gdzie:

E - moduł sprężystości, MPa

CBR - kalifornijski wskaźnik nośności, %.

W przypadku napraw podtorza wykonywanych systemem gospodarczym na krótkich odcinkach dopuszcza się szacowanie właściwości gruntu oraz grubości warstw ochronnych na podstawie makroskopowych badań gruntu (sposób Ib, tabl. 1-2)

3. Praktyczne postępowanie

Sposób wymiarowania Ia

W sposobie Ia łączną grubość podsypki i warstwy ochronnej odczytuje się bezpośrednio z nomogramu 1-1, 1-2, 1-3 lub 1-4 dla zadanej wytrzymałości na ścinanie miejscowego gruntu. Grubość warstwy ochronnej oblicza się odejmując od grubości łącznej rzeczywistą grubość warstwy podsypki. Na przykład, jeśli wytrzymałość gruntów na ścianie wynosi u = 7° i Cu = 0,02 MPa, to normalne grubości podsypki i warstwy ochronnej będą wynosiły (linie ciągłe na rys. 1-1,1-2,1-3 lub 1-4):

0,90 m - dla toru kat. 0
0,75 m - dla toru kat. 1
0,56 m - dla toru kat. 2
0,37 m - dla toru kat. 3 i 4

Normalne grubości warstw ochronnych wyniosą więc odpowiednio

0,90 - 0,30 = 0,60 m
0,75 - 0,25 = 0,50 m
0,56-0,20 = 0,36 m
0,37 - 0,16 = 0,21 m

Grubości te należy skorygować uwzględniając rzeczywiste grubości warstw podsypki.

Warstwy ochronne o grubościach minimalnych (linie kreskowane) zapewniają przeciętne warunki pracy nawierzchni i można projektować je tylko wtedy, gdy nie ma możliwości budowy warstw o grubościach normalnych bądź zbliżonych do normalnych (np. w przypadku niektórych napraw podtorza).

Sposób wymiarowania Ib

W przypadku konieczności wykonania wzmocnienia bez badań laboratoryjnych gruntu podtorza, spoistość i stan gruntu można oszacować. W tym celu należy wykonać próbę wałeczkowania gruntu i próbę jego rozmakania (tabl. 1-2).

Próbę wałeczkowania wykonuje się na małej grudce gruntu pobranej ze środka większej bryły. Z grudki tej usuwa się większe ziarna i formuje się z niej kulkę o średnicy 7-8 mm. ( Kulkę kładzie się na wyprostowanej lewej dłoni, prawą zaś (poduszką przy kciuku) naciska lekko kulkę i przesuwa wzdłuż osi lewej dłoni tam i z powrotem (szybkością około i 2 ruchów dłoni na sekundę) tak długo, aż wałeczek osiągnie średnicę 3 mm. Jeśli po i uzyskaniu tej średnicy wałeczek nie wykazuje spękań, to należy ponownie ugnieść go i w kulkę i znowu wałeczkować.

Czynność tę powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek popęka lub l rozkruszy się. Podczas tych czynności należy liczyć ilość wałeczkowań do chwili spękania I (ostatniego wałeczkowania, podczas którego wałeczek popękał lub rozsypał się - nie liczy się) oraz obserwować połysk i sposób spękania wałeczka.

Dodatkowym sprawdzianem spoistości gruntu jest próba rozmakania gruntu w wodzie. Grudkę gruntu wrzuca się do wody i określa czas jej rozmakania.

Sposób postępowania ilustruje poniższy przykład;

W wyniku badania stwierdzono, że grunt przy jedenastej próbie wałeczkowania popękał poprzecznie, pod koniec wałeczkowania stał się połyskliwy. Grudka gruntu zanurzona w wodzie rozmokła (rozsypała się) po kilkunastu minutach.

Z tablicy 1-2 wynika, że jest to grunt spoisty zwięzły.

Stopień plastyczności II tego gruntu wynosi 0,053 x liczba wałeczkowań, a więc 0,053 x 10 = 0,53. Stan gruntu jest zatem miękkoplastyczny.

Mając te dane, z tablicy 1-2 można odczytać, że łączna grubość podbudowy, tzn. podsypki warstwy ochronnej powinna wynosić 120-130 cm w torze kat. 0 i 80-90 cm w torze kat. 3 i 4.

Sposób wymiarowania II

Sposób II polega na określeniu takiej grubości warstwy ochronnej ho, z materiału o module Eo, aby po ułożeniu jej na miejscowym gruncie o module Eg, ekwiwalentny moduł podtorza Ec był równy co najmniej modułowi wymaganemu dla podtorza Ec2 (rys. 1 -6).

Na przykład, dla wymaganego modułu Ee2 = 80 MPA i danych wg rysunku 1-6 przyjąć należy, że Ee = Ee2

Wtedy:

Dla powyższych stosunków odczytać można (rys. 1-5)

gdzie:

D - średnica płyty używanej do próbnych obciążeń gruntu (D = 0,3 m)

Stąd ho =1,05x0,3 = 0,315 m

Tę samą grubość warstwy można również odczytać z poziomej skali nomogramu 1-5.

W przypadku sprawdzenia grubości pokrycia dwuwarstwowego obliczenia wykonuje się w dwóch etapach.

Dla dolnej części pokrycia o grubości ho i module Eo oblicza się stosunek (1) i (2), znomogramu 1-5 odczytuje się Ee/Eo i na tej podstawie określa się Ee, tzn. moduł ekwiwalentny dla podtorza wzmocnionego jedną warstw;} (rys. 1-6).

Następnie obliczenia powtarza się dla warstwy górnej.

Jako moduł podłoża tej warstwy Eg przyjmuje się jednak wtedy określony poprzednio ekwiwalentny moduł Ee.

Uzyskany ekwiwalenty moduł F.e dla górnej warstwy nie może być mniejszy od modułu wymaganego dla podtorza Ee2,

Tablica 1-1 Orientacyjne moduły sprężystości E materiałów