DIMENSIONAREA SISTEMELOR RUTIERE SUPLE - Alcatuirea si calculul sistemelor rutiere

UNIVERSITATEA TEHNICA  FACULTATEA DE CAI FERATE

DE CONSTRUCTII BUCURESTI DRUMURI SI PODURI

ANUL I  - Studii doctorale

DIMENSIONAREA

SISTEMELOR RUTIERE SUPLE

DISCIPLINA ELECTIVA 3: Alcatuirea si calculul sistemelor rutiere

CAPITOLUL I

1.1. Introducere

Importanta cailor de comunicatii pentru ansamblul economiei nationale si pentru populatie decurge din faptul ca fara acest sector nu se poate imgina cooperarea intre ramurile productiei materiale, desfasurarea si dezvoltarea legaturilor interregionale, aprovizionarea cu materii prime si materiale, deplasarile pentru munca si agrement ale populatiei, activitatile sociale si culturale etc., ele avand un rol hotarator si in dezvoltarea relatiilor internationale si de comert exterior.

Intr-o provire strict economica, caile de comunicatie par un "rau necesar, adica orice cale, prin transportul care se desfasoara pe ea, conduce la scumpirea produsului finit, dar in absenta cailor de comunicatie nu ar exista nici productie de bunuri materiale, nici comunicare interumana.

Caile de cominicatie terestre (drumurile si caile ferate) se incadreaza perfect in caracteristicile sus-mentionate ale cailor de comunicatie, fiind cele mai raspandite si cele mai exploatate in toate statele lumii.

O cale de comunicatie terestra trebuie sa fie utila, frumoasa. Confortabila, sigura si, nu in ultimul rand, durabila. Drumurile trebuie sa se realizeze cu materiale performante, prin aplicarea unor tehnologii adecvate, astfel incat sa se obtina o constructie capabila sa preia pe o durata cat mai indelungata de timp solicitarile din trafic si din conditiile climaterice.

MATERIALE PENTRU CAI DE COMUNICATIE TERESTRE

1.2. Agregate naturale

La constructia, reabilitarea si intretinerea cailor de comunicatie terestre se utilizeaza mari cantitati de materiale de masa (pamant, agregate naturale, inclusiv filer si lianti)

Agregatele naturale sunt materiale granulare de origine minerala, provenind din sfaramarea naturala sau artificiala a rocilor. Acestea reprezinta aproximativ 85% din masa totala a structurii rutiere, ceea ce echivaleaza cu 5075% din valoarea suprastructurii.

1.2.1 Agregate naturale de balastiera

Agregatele naturale de balastiera (nisip, pietris, balast) po fi neprelucrate sau prelucrate prin spalare, sortare, concasare, conform necesitatilor impuse de lucrarile la care urmeaza a fi utilizate. Ele se gasesc in albiile raurilor, in balastiere si in unele depozite naturale izolate.

Agregatele naturale de balastiera servesc la executarea imbracamintilor, a straturilor de fundatie si de baza din alcatuirea sistemelor rutiere. De asemenea, se folosesc la prepararea betoanelor si a mortarelor de ciment utilizate la lucrarile de incadrare a imbracamintilor, de protejare a taluzurilor si dispozitivelor de scurgere a apelor de suprafata, precum si la executarea lucrarilor de arta (poduri, viaducte, tuneluri, ziduri de sprijin etc.)

NISIPUL este agregatul natural de balastiera, neprelucrat sau prelucrat prin sortare si spalare, cu granulozitate 07,1 mm. Sorturile de livrare sunt: 0-3; 3-7 si 0-7.

Nisipul se foloseste in principal pentru realizarea straturilor rutiere izolatoare si din nisip stabilizat cu ciment sau cu lianti puzzolanici, pentru realizarea macadamurilorsi a pavajelor, pentru prepararea mixturilor asfaltice si a betoanelor de ciment.

PIETRISUL este agregatul natural de balastiera cu granulozitatea 7,171,0 mm, selectionat in sorturi si calitati dupa domeniul de utilizare. Sorturile folosite sunt: 7-16; 7-31; 7-40; 16-31 si 16-40. Pietrisul 7-16 este denumit si margaritar.

Pietrisul este folosit la executarea straturilor rutiere prin stabilizare cu ciment sau lianti puzzolanici, pentru prepararea betoanelor de ciment si a mixturilor asfaltice. In anumite conditii, pietrisul poate fi folosit la realizarea prismei caii.

BALASTUL este agregatul natural de balastiera constituit dintr-un amestec de nisip si pietris cu granulozitatea 071 mm. Sorturile de livrare sunt 0-16; 0-20; 0-31; 0-40 si 0-71.

Balastul se foloseste in special pentru realizarea straturilor rutiere de fundatie, anticapilare, izolatoare si din balast stabilizat cu ciment sau lianti puzzolanici, pentru prepararea mixturilor asfaltice si a betoanelor de ciment, pentru intretinerea drumurilor pietruite.

BOLOVANII au forme rotunjite, cu dimensiunile cuprinse intre 71 si 160 mm. Ei se pot folosi la executarea fundatiilor rutiere, la incadrarea imbracamintilor rutiere, la ziduri de sprijin sau la producerea pietri sparte prin concasare.

Fiecare tip de agregat natural, functie de lucrarea la care urmeaza a fi utilizat, trebuie sa respecte anumite conditii de calitate bine determinate prin normele si standardele in vigoare.

1.2.2 Agregate naturale sfaramate artificial

Agregatele naturale sfaramate artificial sunt produse in cariere prin concasarea si sortarea rocilor cu caracteristici fizico-mecanice corespunzatoare. In aceasta categorie se inscriu: piatra bruta, piatra sparta, criblurile si nisipul de concasaj.

PIATRA BRUTA are forme neregulate, utilizandu-se in principal pentru fundatii de drumuri, pereuri, anrocamente, pavaje si acostamente.

Piatra bruta pentru executarea fundatiilor de drumuri (blocaje) si a pereurilor trebuie sa aiba forma apropiata de un trunchi de piramida sau o pana.

PIATRA SPARTA se obtine prin sfaramarea pietri brute cu ajutorul concasoarelor, urmata de sortare. Din aceasta categorie fac parte:

Savura care se obtine prin procesul de concasare simpla a rocilor dure si de

duritate medie. Se foloseste de regula ca material de agregatie la executarea macadamului, livrandu-se de obicei in sortul 0-8, cu maxim 5% granule care raman pe ciurul de 8 mm.

Splitul care rezulta din concasarea simpla a rocilor si selectionarea in sorturile

8-16; 16-25 si 25-40. Continutul de granule mai mari decat d_max va fi max. 5% si mai mici decat d_min de max. 10%.

Piatra sparta mare care se livreaza in sorturile 40-60 si 63-90 si trebuie sa

respecte aceleasi conditii de calitate ca si spitul.

Piatra sparta sort 25-40 pentru prepararea betoanelor de ciment rutiere care

are un continut de granule mai mari de 40 mm de max. 5%, mai mici de 25 mm de max. 10% si mai mici de 0,09 mm de max. 0,30%

Criblura este agregatul natural alcatuit din granule de forma poliedrica, obtinut

prin concasare, dubla granulare si selectionare in sorturi a rocilor dure, de regula magmatice (bazice si neutre). Sorturile de livrare sunt 3-8; 8-16 si 16-25.

Nisipul de concasaj este agregatul natural sfaramat artificial cu dimensiunile

03,15 mm. Granulozitatea sa trebuie sa fie continua, fara corpuri straine si cu un continut de granule mai mari de 3,15 mm de max. 5%.

Criblurile si nisipul de concasaj se utilizeaza cu precadere pentru prepararea unei mari diversitati de mixturi asfaltice la cald si la rece si pentru prepararea betoanelor de ciment rutiere.

1.3. Filerul

Filerul este o pulbere minerala cu granulozitatea sub 0,63 mm (granule mai mici de 0,09 mm, min. 80%), obtinuta prin macinarea fina a rocilor calcaroase, a cretei brute sau prin stingerea in pulbere a varului bulgari, urmata de separarea corespunzatoare.

Principalele conditii pe care trebuie sa le indeplineasca filerul utilizat la prepararea mixturilor asfaltice sunt urmatoarele:

sa nu reactioneze chimic cu liantii;

sa asigure o buna adezivitate a liantului pe granulele de filer;

granulele sale sa nu fie poroase, pentru a nu mari consumul de liant prin absorbtie;

sa nu absoarba in mod selectiv anumiti componenti ai bitumului, care sa conduca la modificarea in mod necorespunzator a caractesiticilor liantului;

1.4. Lianti

Liantii sunt materiale naturale sau artificiale care servesc la legarea intre ele a granulelor agregatelor naturale cu care se afla in contact.

Liantii de baza utilizati in sectorul rutier se pot clasifica astfel:

lianti minerali;

lianti puzolanici;

lianti hidrocarbonati;

lianti micsi;

Ca si agregatele naturale, liantii trebuie sa respecte anumite conditii de admisibilitate pentru a putea fi utilizati la o larga diversitate de lucrari de cai de cominicatie terestre.

1.4.1 Lianti minerali

Liantii minerali sunt substante pulverulente care in amestec cu apa formeaza paste vasco-plastice, care sub aspecteul proceselor fizico-chimice se intaresc in timp. Dupa modul de comportare in mediu umed, liantii minerali sunt de doua tipuri:

lianti hidraulici (ciment);

lianti nehidraulici (ipsos, var);

Liantii hidraulici sunt caracterizati prin faptul ca priza si intarirea se produc in mediu umed si rezista la actiunea apei.

Cimentul

Cimenturile sunt lianti hidraulici obtinuti prin macinarea fina a unui singur clincher (cimenturile unitare), sau macinarea fina a unui clincher amestecat cu adausuri minerale active. In general, cimenturile se utilizeaza la o mare varietate de lucrari de cai de comunicatie terestre, si anume:

realizarea imbracamintilor rutiere din beton de ciment;

stabilizarea unor agregate naturale pentru realizarea de straturi rutiere (de baza sau de fundatie);

executarea unor lucrari accesorii de drumuri sau cai ferate (benzi de incadrare, santuri, borduri etc.);

realizarea traverselor din beton;

executarea diferitelor lucrari de arta (poduri, viaducte, tuneluri, podete, ziduri de sprijin etc.);

Varul

Varul este cel mai important liant nehidraulic utilizat in sectorul rutier. El are o utilizare mai restransa in sectorul feroviar. Varul se utilizeaza la prepararea mortarelor, la stabilizarea pamanturilor coezive, ca activant al liantilor puzolanici etc.

1.4.2 Lianti puzzolanici

Liantii puzzolanici sunt materiale silicioase sau silico-aluminoase, care contin compusi ce se combina cu varul sau cimentul in prezenta apei la temperatura obisnuita si dau nastere unor formatiuni noi, greu solubile in apa, care manifesta proprietati liante. Ei au aparut in tehnica rutiera ca o necesitate a inlocuirii partiale sau totale a liantilor hidraulici, cu efecte directe asupra micsorarii costurilor lucrarii.

Naturali

Arificiali

1.4.3 Lianti hidrocarbonati

Liantii hidrocarbonati sunt amestecuri complexe de hidrocarburi de origine naturala sau obtinute prin pirogenare, insotite deseori de combinatiile lor cu oxigenul, azotul, sulful etc. In categoria liantilor hidrocarbonati se incadreaza bitumul si gudronul.

Bitumul se gaseste in stare naturala sau poate fi preparat prin distilarea fractionata a anumitor titeiuri si derivate naturale ale acestora. Bitumul este solubil in sulfura de carbon.

Bitumul natural se gaseste asociat cu diferite substante minerale si, in acest caz, se numeste roca asfaltica (asfalt natural sau nisip bituminos).

Bitumul de petrol este liantul hidrocarbonat cel mai utilizat in tara noastra la constructia si intretinerea drumurilor, deoarece are calitati corespunzatoare cerintelor rutiere si se poate prepara in cantitati mari.

Prin distilarea fractionata a titeiului se obtin:

fractiuni usoare (benzima, petrol, petrosin);

fractiuni mijlocii (motorina si uleiuri);i

fractiuni grele (pacura);

Prin incalzirea pacurei, care reprezinta 40 . 50% din titei, la o temperatura de peste 150⁰C, suflandu-se concomitent prin ea un curent de aer cu un anumit debit, se obtin diferite tipuri de bitumuri.

Structura bitumului este alcatuita din faza continua (mediul dispersant), care este un ulei, si faza discontinua (mediul dispersat), care este formata din micele.

La bitumul de petrol utilizat la lucrarile de drumuri compozitia aproximativa pe fractiuni este urmatoarea:

uleiuri 40 . 60%

rasini  18 . 48%

asfaltene 15 . 35%

Gudronul rutier este un liant hidrocarbonat de culoare bruna-neagra, cu consistenta de la moale pana la tare vascos, obtinut prin distilarea uscata a huilei. In general, gudronul are aceleasi utilitati ca bitumul, dar este inferior calitativ acestuia, din cauza imbatranirii rapide. Chiar daca utilizarea gudronului in tehnica rutiera este posibila din punct de vedere tehnic, nu trebuie uitat faptul ca acesta este inflamabil si deosebit de toxic. Cum in aceasta etapa masurile de protectia muncii in timpul lucrarilor cu gudron nu pot fi asigurate, la noi in tara s-a interzis folosirea acestuia la prepararea mixturilor asfaltice si la executarea tratamentelor bituminoase.

Caracteristicile liantilor hidrocarbonati sunt legate de proprietatile lor de natura fizica, deoarece liantii hidrocarbonati prezinta o puternica inertie la reactii chimice.

Principalele caracteristici ale liantilor hidrocarbonati se pot grupa astfel:

caracteristici in legatura cu consistenta;

caracteristici in legatura cu plasticitatea;

caracteristici in legatura cu adezivitatea;

Comportarea liantilor hidrocarbonati are un caracter reologic pronuntat. Acesta se manifesta prin deformatii elastico-plastice, care depind de viteza cu care sunt aplicate sarcinile, de durata lor si de temperatura la care se produc acestea.

1.4.3.1 Consistenta

Consistenta este caracteristica bitumului care reflecta dependenta dintre deformatia specifica si solicitarile care produc aceasta deformatie. Gradul de consistenta al liantilor hidrocarbonati in stare lichida se apreciaza prin viscozitate.

Vascozitatea este proprietatea fluidelor de a opune rezistenta la curgere datorita frecarii interioare. Punerea in evidenta a vascozitatii liantilor hidrocarbonati in stare solida se poate face prin determinarea penetratiei standart la 25⁰C.

Bitumurile pentru care Indicele de penetratie variaza intre -1 si 1 sunt considerate normale. Cu cat indicele de penetratie este mai mare, cu atat bitumul este mai susceptibil la temperatura; astfel, bitumurile foarte susceptibile au un indice de penetratie negativ, pe cand cele mai putin susceptibile au un indice de penetratie cu o valoare pozitiva mare.

Susceptibilitatea termica este influentata de continutul de parafina. Parafinele sunt hidrocarburi saturate al caror punct de solidificare este cuprins in intervalul 28 . 72⁰C. Bitumurile fara parafina sunt mai fragile la temperaturi joase (utilizarea lor se recomanda in zone climaterice calde si structuri rutiere pentru trafic greu). Bitumurile usor parafinose sunt preferabile pentru zone climaterice reci si in zonele cu un ecart mare de temperatura in timpul anului.

1.4.3.2 Plasticitatea

Plasticitatea este proprietatea unor materiale consistente de a putea capata deformatii permanente sub actiunea solicitarilor, fara sa se fisureze.

Liantii hidrocarbonati sunt plastici numai intr-un interval de temperatura, ei trecand treptat din starea solida in starea lichida. Astfel, bitumul nu are un punct de topire definit, ci prezinta o curba de inmuiere. Neavand un punct de topire precis, acesta este inlocuit conventional prin punctul de inmuiere, care reprezinta temperatura la care bitumul inceteaza de a mai fi plastic si devine lichid. Pentru aprecierea plasticitatii bitumului, in practica se mai foloseste si determinarea punctului de picurare. Punctul de picurare se considera temperatura la care se desprinde prima picatura de bitum topit si cade sub actiunea propriei greutati.

Punctul de rupere Frass reprezinta temperatura la care bitumul inceteaza a mai fi plastic si devine rigid.

Ca si susceptibilitatea, plasticitatea bitumului este influentata de continutul de parafina, care este o substanta total lipsita de plasticitate, cristalina, cu punct de topire fix. In functie de continutul de parafina, bitumul devine foarte brusc fluid, sau se solidifica brusc, retragandu-se astfel in mare masura campul lui de plasticitate.

1.4.3.3 Adezivitatea

Teoretic, adezivitatea este forta pe unitatea de suprafata care leaga moleculele unui corp A de moleculele unui corp B. Adezivitatea mecanica este forta pe unitatea de suprafata necesara pentru ruperea ansamblului liant-agregat.

Adezivitatea este proprietatea liantilor de a adera la suprafata agregatelor si de a lipi granulele intre ele. Ea este cea mai importanta caracteristica a liantilor. Adezivitatea este eficienta daca se realizeaza pe orice fel de roca si se mentine si in prezenta apei. Un liant adera bine pe o granula minerala daca "uda" suprafata acesteia. Liantii hidrocarbonati fiind in general uleiosi, adera bine numai pe suprafete hidrofobe, motiv pentru care se recomanda folosirea agregatelor bazice.

Agregatele naturale murdare (cu argila, praf sau alte impuritati ), se dezanrobeaza sub actiunea apei si traficului in primele luni de la darea in circulatie a startului rutier, motiv pentru care astfel de materiale nu se vor folosi niciodata la prepararea mixturilor asfaltice. Adezivitatea buna se manifesta, in general, pe rocile bazice. Pentru realizarea unei adezivitati corespunzatoare pe orice fel de roca, este necesara innobilarea suprafetei agregatelor naturale sau folosirea activantilor.

Folosirea activantilor la producerea mixturilor asfaltice prezinta urmatoarele avantaje tehnice si economice:

permite folosirea rocilor acide (silicioase);

da posibilitatea folosirii materialelor locale;

permite executarea lucrarilor pe timp rece si umed;

In tehnica rutiera, rezistenta opusa de filmul de liant la dezanrobare se numeste adezivitate pasiva. Daca anrobarea este corecta, interfata continua liant-agregat natural este foarte subtire, cea ce face neglijabila posibilitatea ruperii interfaciale. Lucrul mecanic necesar pentru a obtine o astfel de discontinuitate este foarte mare, deci in primul rand ruperea se va produce prin materialul care are coeziunea cea mai mica (liantul).

1.4.3.4 Tipuri de lianti hidrocarbonati folositi in tara noastra

1. Bitumul neparafinos pentru drumuri se obtine din titeiuri neparafinoase selectionate si se prezinta ca o masa solida sau semisolida cu proprietati caracteristice de aglomerare. La noi in tara acesta se livreaza, dupa criteriul consistentei, in sase tipuri, ale caror caracteristici trebuie sa corespunda conditiilor tehnice de calitate: D 25/40; D 40/50; D 50/80; D 80/120; D 120/180; si D 180/200.
2. Bitumul industrial se obtine prin oxidarea reziduurilor provenite din prelucrarea titeiurilor si se prezinta ca o masa solida sau semisolida. Se produce bitum industrial neparafinos (I) in patru tipuri si bitum industrial parafinos (Ip): I 45/55; I 60/70; I 85/95; Ip 85/100.
3. Bitumul natural se obtine la noi in tara prin extragerea din nisip bituminos sau distilarea si oxidarea bituminei
4. Bitumina este un liant hidrocarbonat natural, care se prezinta sub forma unei mase asfaltice lucioase, de consistenta foarte moale si cu puritate de 98 . 99%

CAPITOLUL II

SUPRASTRUCTURA DRUMURILOR

Activitatea practica de constructie, modernizare si intretinere a drumurilor preconizeaza utilizarea unor materiale de calitate care sa fie procurate, pe cat posibil, din apropierea zonei de amplasament a drmului, astfel incat cheltuielile de transport sa fie minime.

Marea varietate de materiale folosite in tehnica rutiera (pamanturi, agregate naturale, lianti) si de tehnologii conduce implicit la aparitia unei diversitati largi de sisteme rutiere a caror comportare in exploatare sub actiunea solicitarilor (trafic si conditii climaterice) trebuie corect apreciata prin calcule de dimensionare specifice.

2.1. Clasificarea sistemelor rutiere

Pentru o corecta clasificare a sistemelor rutiere este necesar sa se cunoasca in totalitate materialele utilizabile in straturile rutiere prin caracteristicile lor care intervin in cadrul metodelor de dimensionare adoptate, precum si modul de comportare al acestora in exploatare, care poate conduce, prin studii atente si, din pacate de durata, la concluzii menite de multe ori sa influenteze etapele de calcul de dimensionare, tehnologiile de executie, implementarea unor noi solutii etc.

Sistemul rutier este elementul de rezistenta al drumului, prevazut si realizat pe partea carosabila si pe benzile de incadrare, alcatuit dintr-un ansamblu de straturi executate din materiale granulare stabilizate sau nu cu lianti, dupa tehnologii adecvate, si dimensionate conform anumitor norme, avand in ansamblu o capacitate portanta stabilita in principal functie de intensitatea traficului greu.

Sistemul rutier se construieste pe o fundatie formata din:

terasamente, in care se include, dupa caz, stratul de forma;

terenul natural;

Tinand seama de modul de alcatuire si de comportare in exploatare, s-a ajuns la urmatoarea clasificare a sistemelor rutiere:

sistem rutier suplu este alcatuit dintr-un ansamblu de straturi realizate din materiale necoezive stabilizate mecanic sau/si cu lianti hidrocarbonati, imbracamintea si stratul de baza fiind realizate din mixturi asfaltice, sau, in mod exceptional, din macadam bituminos sau din macadam (pietruire);

sistem rutier rigid este alcatuita dintr-un ansamblu de straturi stabilizate cu lianti, peste care se realizeaza o imbracaminte din beton de ciment;

sistem rutier mixt este constituit din straturi din agregate naturale stabilizate mecanic si cu lianti hidraulici sau puzzolanici, in care apar in timp fisuri din contractie, iar imbracamintea si eventual stratul de baza sunt straturi bituminoase.Stratul rutier din agregate naturale stabilizate cu ciment sau cu lianti puzzolanici poate fi strat de fundatie sau/si strat de baza.

Straturile rutiere care alcatuiesc sistemele rutiere s-a propus sa aiba urmatoarele denumiri:

imbracamintea rutiera (strat de uzura si strat de legatura, pentru sistemele rutiere suple si mixte, respectiv strat de uzura si strat de rezistenta pentru sistemele rutiere rigide);

stratul de baza (pentru sistemele rutiere suple si mixte);

stratul (sau straturile) de fundatie, care s-ar putea denumi strat de rezistenta (pentru sistemele rutiere suple si mixte);

stratul (sau straturile) de fundatie, care s-ar putea denumi strat portant (pentru sistemele rutiere rigide);

stratul (sau straturile) de protectie.

Complexul rutier poate fi definit ca o constructie alcatuita din fundatie (terasamente si teren natural) si sistemul rutier, cu scopul de a servi in bune conditii si in siguranta circulatia rutiera.

Se impune acordarea unei atentii deosebite stratului de forma, definit ca fiind stratul superior al terasamentelor, amenajat pentru uniformizarea si sporirea capacitatii portante la nivelul patului drumului.

Avand in vedere modul de alcatuire, materialele si tehnologiile folosite, metodele de dimensionare si comportarea in exploatare a structurilor rutiere realizate in Romania, s-a obtinuit clasificarea acestora in forma prezentata in figura urmatoare:

2.2. Clasificarea sistemelor rutiere

IMBRACAMINTEA RUTIERA

Este situata la partea superioara a sistemului rutier si poate fi alcatuita din unul sau doua straturi care suporta direct actiunea traficului rutier si a factorilor climaterici. Tipurile de imbracaminti rutiere moderne sunt:

imbacaminti rutiere bituminoase

imbacaminti rutiere din beton de ciment

imbacaminti rutiere din piatra fasonata

Imbacamintea rutiera bituminoasa in doua straturi este alcatuita din stratul de uzura si stratul de legatura.

Imbaramintea rutiera din beton de ciment in doua straturi are in alcatuire srratul de uzura si stratul de rezistenta.

Stratul de uzura

Este stratul superior al sistemului rutiere menit sa reziste actiunilor tangentiale date de trafic si la actiunea factorilor climaterici. Stratul de uzura trebuie sa aiba in plus o rugozitate corespunzatoare, sa asigure o buna drenare a apelor din precipitatii si sa impidice patrunderea acestora in corpul drumului.

Stratul de legatura

Este stratul inferior al imbracamintii bituminoase in doua straturi, care face legatura dintre stratul de uzura si stratul de baza sau stratul superior de fundatie al sistemului rutier. Principalele roluri ale stratului de legatura sunt de a prelua o parte din eforturile tangentiale si de a repartiza pe suprafete mai mari eforturile unitare vericale datorate traficului.

STRATUL DE BAZA

Este situat intre imbracamintea bituminoasa si stratul (straturile) de fundatie. Acesta are rolul de a prelua incarcarile date de trafic, in special sforturile unitare tangentiale si de intindere, si de a repartuza sforturile unitare verticale pe suprafete mai mari, pred'ndu-le apoi stratului inferior in limita capacitatii portante a acestuia. Tipul clasic de strat de baza, preferat, care indeplineste aceste conditii, este cel realizat din anrobate bituminoase.

STRATUL(STRATURILE) de fundatie este situat intre stratul de baza sau imbracamintea rutiera si terenul de fundare, avand urmatoarele roluri:

rol de rezistenta: preia eforturile unitare verticale de la stratul rutier superior, le repartizeaza pe suprafete mai mari si le transmite stratului imediat inferior sau terenului de fundare in limita capacitatii portante a acestora.

rol drenant: asigura drenarea si evacuarea apelor infiltrate in structura rutiera, impiedicand stagnarea acestora la nivelul patului drumului. Acest rol este esential pentru mentinerea constanta a capacitatii portante a sistemului rutier. Prezenta apei este deosebit de daunatoare, ea provocand o reactie in lant ce conduce la distrugerea sistemului rutier.

tol anticapilar: rupe ascensiunea capilara a apelor subterane. Acest rol este indeplinit de straturi rutiere alcatuite din materiale granulare avand o grosime mai mare decat inaltimea ascensiunii capilare a apelor subterane, amplasate pe terenul de fundare.

rol antigel: impiedica patrunderea inghetului pana la nivelul pamantului din patul drumului, recomandandu-se, in acest caz, folosirea in straturile de fundatie a unor materiale negelive, cu o conductibilitate termica redusa.

rol anticontaminator (izolator): opreste patrunderea argilei din terenul de fundare spre straturile rutiere superioare de rezistenta ale sistemului rutier.

PATUL DRUMULUI

Este suprafata amenajata a terasamentelor pe care se aseaza sistemul rutier.

CAPITOLUL III

DIMENSIONAREA SISTEMELOR RUTIERE SUPLE

Dimensionarea sistemelor rutiere suple se bazeaza pe indeplinirea concomitenta a urmatoarelor criterii:

deformatia specifica de intindere admisibila la baza straturilor bituminoase.

deformatia specifica de compresiune admisibila la nivelul patului drumului.

Dimensionarea sistemului rutier comporta realizarea urmatoarelor etape:

1. stabilirea traficului de calcul.
2. stabilirea capacitatii portante la nivelul patului drumului.
3. alegerea unei alcatuiri a sistemului rutier.
4. analiza sistemului rutier la solicitarea osiei standard.
5. stabilirea comportarii sub trafic a sistemului rutier.

3.1 Stabilirea traficului de calcul

La dimensionarea sistemelor rutiere suple se ia in considerare traficul de calcul corespunzator perioadei de perspectiva, exprimat in osii standart de 115 kN, echivalent vehiculelor care circula pe drum. Perioada de perspectiva se ia de minim 15 ani in cazul constructiilor de autostrazi,drumuri expres, drumuri europene si drumurile din clasele tehnice I si II si de minim 10 ani in cazul drumurilor din clasele tehnice III, IV si V. La stabilirea traficului de calcul de perspectiva se vor avea in vedere atat compozitia traficului cat si variatia acestuia in timp expicitandu-se in final valorile de trafic pe categorii de vehicule la nivelul traficului mediu zilnic anual (MZA) pentru diferite orizonturi de timp.

Traficul de calcul se exprima in milioane de osii standart de 115 kN si se stabileste pe baza structurii traficului mediu zilnic anual in posturile de recenzare aferente sectorului de drum, cu relatia:

In care:

N_c    traficul de calcul

numarul de zile calendaristice dintr-un an

P_p    perioada de perspectiva

c_rt    coeficientul de repartitie transversala, pe benzi de circulatie si anume:

pentru drumuri cu doua si trei benzi de circulatie c_rt = 0,50

pentru drumuri cu patru sau mai multe benzi de circulatie c_rt = 0,45

n_ki intensitatea medie zilnica anuala a vehiculelor din grupa k, conform rezultatelor

recensamantului de circulatie.

P_kR   coeficientul de evolutie al vehiculelor din grupa k, corespunzator anului de dare

in exploatare a drumului, anul R, stabilit prin interpolare.

P_kF   coeficientul de evolutie al vehiculelor din grupa k, corespunzator sfarsitului

perioadei de perspectiva luata in consideratie.

f_ek coeficientul de echivalare al vehiculelor din grupa k in osii standart de 115 kN.

3.2 Stabilirea capacitatii portante la nivelul patului drumului

Suportul sistemului rutier este constituit din terasamente alcatuite din pamanturi de fundare si este caracterizat in vederea dimensionarii prin caracteristicile de deformabilitate : modulul de elasticitate dinamic si coeficientul lui Poisson.

Caracteristicile de deformabilitate ale pamantului de fundare se stabilesc in functie de tipul pamantului, de tipul climateric al zonei in care este situat drumul si de regimul hidrologic al complexului rutier.

Imbunatatirea capacitatii portante la nivelul patului drumului se poate face prin prevederea unui strat de forma. Modul de alcatuire a stratului de forma se stabileste pe baza de calcule tehnico-economice, in functie de materialele care alcatuiesc terasamentele, de materialele disponibile in zona drumului si de functiile stratului de forma, atat in perioada de executie a drumului, cat si cea de exploatare a acestuia. Pentru folosirea rationala a agregatelor naturale in straturile de fundatie se recomanda sa se asigure la nivelul patului drumului o capacitate portanta minima, caracterizata prin valoarea modulului de elasticitate dinamic echivalent a sistemului bistrat (strat de forma-pamant de fundare) de minim 80Mpa. Grosimea stratului de forma necesara realizarii acestei capacitati portante se stabileste cu ajutorul diagramei din figura 2 pentru straturile de forma din materiale coezive, in functie de modulul de elasticitate dinamic al materialului respectiv.

Diagrama de stabilire a modulului de elasticitate dinamic echivalent (E_ech) la nivelul patului drumului in functie de modulul de elasticitate dinamic al pamantului de fundare (E_p) si de grosimea stratului de forma din materiale necoezive (h_s.f)

Fig.1 Strat de forma din materiale necoezive

Diagrama de stabilire a modulului de elasticitate dinamic echivalent (E_ech) la nivelul patului drumului in functie de modulul de elasticitate dinamic al pamantului de fundare (E_p) si de grosimea stratului de forma din pamanturi stabilizate cu ciment (h_s.f)

Fig.2 Strat de forma din pamanturi stabilizate cu ciment

3.3 Alegerea alcatuirii sistemului rutier

Sistemele rutiere suple, comporta o imbracaminte bituminoasa pe straturi de baza si de fundatie alcatuite in general din agregate naturale.

Variantele de alcatuire sunt date in tabelul urmator:

Tipul de sistem rutier se stabileste in functie de materialele preponderente in regiune si anume:

agregate naturale de cariera care au o pondere importanta in sistemele rutiere suple.

3.4 Analiza sistemului rutier la solicitarea osiei standard

Sistemul rutier supus analizei este caracterizat prin grosimea fiecarui strat rutier si prin caracteristicile de deformabilitate ale materialelor din straturile rutiere si ale pamantului de fundare (modulul de elasticitate dinamic, E, in Mpa si coeficientul lui Poisson, μ).

Analiza sistemului rutier la solicitarea osiei standard comporta calculul deformatiilor specifice si tensiunilor in punctele critice ale complexului rutier, caracterizate printr-o stare de solicitare maxima.

In cazul sisitemelor rutiere suple se calculeaza urmatoarele:

deformatia specifica orizontala de intindere (ξ_r) la baza straturilor bituminoase, in microdeformatii.

deformatia specifica verticala de compresiune (ξ_z) la nivelul patului drumului, in microdeformatii.

3.5 Stabilirea comportarii sub trafic a sistemului rutier

Stabilirea comportarii sub trafic a sistemului rutier are drept scop compararea valorilor deformatiilor specifice si tensiunilor calculate cu cele admisibile, stabilite pe baza proprietatilor de comportare ale materialelor.

Criteriul deformatiei specifice de intindere admisibile la baza straturilor bituminoase este respectat daca rata de degradare prin oboseala are o valoare mai mica sau egala cu rata de degradare prin oboseala admisibila.

Rata de degradare prin oboseala se calculeaza cu relatia:

In care:

N_c    - traficul de calcul in milioane osii standard de 115 kN

N_adm    - numarul de solicitari admisibil, care poate fi preluat de straturile bituminoase,

corespunzator starii de deformatie la baza acestora.

Numarul de solicitari admisibil al osiei standard de 115kN se stabileste cu ajutorul diagramei din figura urmatoare, unde dreptele 6a si 6b sunt expresia relatiilor:

Pentru autostrazi, drumuri expres, drumuri europene, drumuri si strazi cu trafic de calcul mai mare de 1 x 10⁶ o.s 115)

a. N_adm =   4,27 x 10⁸ x _r

Pentru drumuri si strazi cu trafic de calcul cel mult egal cu 1 x 10⁶ o.s 115)

b. N_adm = 24,50 x 10⁸ x _r

Diagrama de stabilire a numarului de solicitari admisibil in functie de deformatia

specifica orizontala de intindere la baza straturilor bituminoase

Grosimea necesara a straturilor bituminoase este cea pentru care se respecta conditia:

RDO RDO_admisibil

In care RDO admisibil are urmatoarele valori:

max. 0,80 pentru autostrazi si drumuri expres

max. 0,85 pentru drumuri europene

max. 0,90 pentru drumuri nationale principale si strazi

max. 0,95 pentru drumuri nationale secundare

max. 1,00 pentru drumuri judetene si comunale

In cazul in care conditia de mai sus nu este satisfacuta, se repeta calculul ratei de degradare prin oboseala pentru o grosime mai mare a straturilor bituminoase. In general se variaza grosimea stratului de baza din mixtura asfaltica (recomandabil din 2 in 2 cm), pana ce este respectata conditia mentionata.Grosimea necesara a straturilor bituminoase se obtine prin interpolare, intre ultimele doua valori consecutive.

Criteriul tensiunii de intindere admisibila la baza stratului/straturilor din agregate naturale stabilizate cu lianti hidraulici este respectat, daca este indeplinita conditia:

σ_r = σ_{r adm}

in care:

σ_r tensiunea orizontala de intindere la baza stratului/straturilor din agregate

naturale stabilizate cu lianti hidraulici, in Mpa

σ_{r adm}   tensiunea de intindere admisibila, in Mpa

σ_{r adm} = R_t (0,60 - 0,056 x log Nc)

in care:

R_t rezistenta la intindere a agregatelor naturale stabilizate cu lianti hidraulici in

MPa

N_c    traficul de calcul, in milioane osii standard de 115 kN.

In cazul in care sistemul rutier nu satisface acest criteriu, se reface calculul pentru o alta alcatuire a sistemului rutier. Se recomanda ingrosarea stratului din agregate naturale stabilizate cu lianti hidraulici.

Criteriul deformatiei specifice verticale admisibile la nivelul pamantului de fundare este respectat daca este indeplinita conditia:

ξ_z ξ_{z adm}

in care:

ξ_z   deformatia specifica vericala de compresiune la nivelul pamantului de fundare.

ξ_{z adm}  deformatia specifica vericala admisibila la nivelul pamantului de fundare

Diagrama de stabilire a deformatiei specifice verticale admisibile la nivelul pamantului de fundare in functie de traficul de calcul

Deformatia specifica verticala admisibila se poate stabili si cu ajutorul diagramei din figura de mai sus unde dreptele 11a si 11b sunt expresia urmatoarelor relatii:

Pentru autostrazi, drumuri expres, drumuri europene

ξ_{z adm} = 329 N_C^-0,27

Pentru drumuri si strazi cu trafic de calcul cel mult egal cu 1 x 106 o.s115

ξ_{z adm} = 600 N_C^-0,28

In cazul in care conditia nu este indeplinita, se ,odifica alcatuirea sistemului rutier.

Se recomanda ingrosarea stratului de fundatie din balast pana la grosimea de 30cm, iar daca in aceste conditii sistemul rutier nu respecta aceasta conditie, se majoreaza si grosimea straturilor bituminoase.

4. Utilizarea materialelor geosintetice la cai de comunicatii

Elemente generale.

Geotextile

Decurgand din structura constructiei si caracteristicile produselor, rolul geotextilelor in lucrari este exprimat prin urmatoarele cinci functii principale:

1. filtranta.
2. drenanta.
3. de separare.
4. de protectie.
5. de ranforsare.

Functia de ranforsare.

Pamantul este un material de constructie cu multe avantaje, dar prin excelenta nu poate prelua tensiuni, iar rezistentele sale la taiere depind de incarcare, unghiul de frecare interna, coeziune si sunt in general reduse. O asociere intre calitatile pamantului (este un material local, cu costuri relativ reduse pentru extragere, transport si punere in opera; cu rezistente bune la compresiune) si cele ale geotextilelor (rezistente importante la intindere dar reduse la compresiune: alungiri elastice mari) poate extinde domeniul constructiilor din pamant in doua directii:

imbunatatirea solutiilor actuale.

dezvoltarea unor solutii cu totul noi.

Un geotextil indeplineste functia de ranforsare atunci cand, inglobat intr-un masiv de pamant, confera ansamblului caracteristici superioare sau genereaza rezolvari noi. Aceeasi functie de ranforsare o poate avea un geotextil si atunci cand este inglobat intr-un mastic sau mixtura asfaltica.

4.1 DRUMURI SI RAMBLEE PENTRU CAI DE COMUNICATII

Problemele specifice care pot fi solutionate prin utilizarea geotextilelor la drumuri si ramblee pentru cai de comunicatii sunt urmatoarele:

1. imbunatatirea conditiilor de fundare prin:

realizarea unui strat de separare intre terenul de fundare si infrastructura drumului sau materialului de umplutura din care este constituit rambleul;

ranforsarea rterenului la nivelul de fundare;

2. ranforsarea structurii;

constituirea sau echiparea sistemelor de drenaj;

protectia antierozionala;

Este cazul in special a drumurilor napavate unde se poate aplica un singur strat de geotextil pentru fundatii cu capacitatea portanta medie si redusa: CBR cuprins intre 3 si 5. In acest fel, se poate diminua grosimea stratului de material granular pentru sistemul rutier, solutia apreciindu-se in tarile dezvoltate, ca fiind mai economica.

In continuare sunt prezentate schematic, prin sectiune transversala caraceristica, cateva tipuri de ranforsari cu geotextile atat la complexe rutiere cat si la calea ferata.

Sectiuni transversale caracteristice cu elemente de ranforsare

Atunci cand lucrarile sunt executate pe terenuri cu capacitatea portanta scazuta, functia geotextilului ca strat de separare este intotdeauna asociata cu cea de ranforsare. In toate situatiile insa, geotextilul trebuie sa aiba o permeabilitate corespunzatoare pentru a evita stagnarea apei in masivul de umplutura sau dezvoltarea subpresiunilor la baza acestuia.

De asemenea, prin conceptia lucrarilor, geotextilul reprezinta si un element drenant care asigura atat evacuarea apelor din precipitatii, in afara platformei drumului sau rambleului, cat si controlul nivelelor subterane, atunci cand lucrarile sunt executate in zone cu niveluri de apa apropiate de suprafata terenului.

Lucrari pe terenuri slabe (cu capacitate portanta nesatisfacatoare)

In utilizarea geotextilelor ca element de separare si ranforsare la constructia drumurilor si rambleelor pe terenuri moi, se disting doua cazuri:

cel al rambleelor joase, pentru care incarcatura dinamica data de trafic este mare in comparatie cu greutatea rambleului;

cel al rambleelor inalte, pentru care supraincarcarea dinamica este relativ mica si nu are decat o influenta minora asupra stabilitatii;

In cazul rambleelor joase, principala functie a geotextilelor este de separare si ranforsare. De asemenea, plasat intre rambleu si terenul de fundare el actioneaza si ca element filtrant sau filtrant-drenant.

Ca strat de separare, geotextilul trebuie sa impiedice pe toata durata de serviciu a constructiei penetrarea in rambleu a particulelor fine din terenul de fundare, sub actiunea sarcinilor dinamice. In faza de executie asigura, de asemenea, evitarea consumului suplimentar de material granular si permite accesul utilajelor pe terenurile cu capacitate portanta scazuta.

Ca element de ranforsare, geotextilul actioneaza in urmatoarele moduri:

1. limiteaza deplasarile laterale ale stratului de fundare. La solicitari, un drum se comporta ca o grinda incarcata. Sub efectul flexiunii, stratul de agregat granular este supus unei compresiuni la partea superioara si de intindere, la baza. Materialele granulare, neputand prelua tractiunile, acestea se transmit stratului de fundare. Prezenta unui geotextil la baza rambleului permite, prin mobilizarea rezistentei sale la intindere, limitarea deplasarilor orizontale. Rezulta in consecinta ca, modul de deformare al geotextilului si coeficientul lui de frecare cu pamantul sunt parametrii determinanti in modul de actionare al acestuia.
2. exercita efect de -strat de continuitate- la sarcini concentrate.

Ca urmare a sarcinilor generate de rotile vehiculelor, in terenul de fundare se produc fagase. Prezenta geotextilului nu poate impiedica ci numai limiteaza dezvoltarea acestora iar geotextilul se deformeaza prin intindere. Daca acesta are un modul de deformabilitate acoperitor, tractiunea dezvoltain geotextil o componenta verticala care echilibreaza, in parte, incarcarea data de roti.

Efectul geotextilului de limitare a deplasarilor orizontale ale terenului de fundare

Efectul de strat de continuitate exercitat de geotextil

Rezulta in consecinta ca efectul acesta nu se manifesta fara prezenta fagaselor si deci este specific drumurilor provizorii.

In cazul rambleelor inalte, principala functie a geotextilului este de ranforsare si numai in etapa de executie are si rol de separare.

Ca element de ranforsare, geotextilul imbunatatteste conditiile de stabilitate prin:

- efect global de strat de continuitate. Situatia corespunde cazurilor in care terenul de fundare este mai moale.

4.3 Utilizarea geogrilelor la armarea fundatiilor de drumuri

Geogrilele utilizate la drumuri nepavate au rol de armare si separare. Ele imbunatatesc comportarea drumurilor nepavate in sensul ca, pentru acelasi trafic, grosimea stratului de agregat poate fi redusa.

Taluzuri din pamant armat cu geogrile

Geogrilele se utilizeaza pentru armarea taluzurilor in acelasi scop ca si geotextilele, pentru a prelua eforturile de intindere pe care pamantul nu le poate prelua.

Solutii de realizare a taluzurilor armate cu geogrile

4.4 Tipuri structuri de sprijin din pamant armat cu geogrile

Geogrilele sunt dispuse in straturi, fiind prinse in diferite moduri la fata masivului. Dintre solutiile de realizare a paramentului structurilor de sprijin armate se amintesc:

panouri prefabricate din beton, articulate, cu insertii pentru conectarea geogrilelor;

panouri prefabricate pe intreaga inaltime, din beton. Sunt sprijinite pana la realizarea integrala a umpluturii, in general, nu sunt recomandate pentru ca induc eforturi importante in geogrila atunci cand este indepartata sprijinirea.

panouri din beton turnate pe loc. Capetele geogrilelor sunt intoarse la nivelul paramentului astfel incat sa formeze o protectie a acestuia. Panourile se toarna peste capetele geogrilei.

parament din blocheti. Geogrilele sunt prinse cu dispozitive speciale intre blocheti.

dulapi. Geogrilele sunt prinse sau sunt mentinute doar prin frecare, fiind asezate intre dulapi.

gabioane din polimeri sau sarma umplute cu piatra, geogrilele fiind fixate intre gabioane.

Plasa de sarma, geogrilele sunt fixate de aceasta cu inele metalice cu geogrila intoarsa la fata structurii. Necesita protectie contra UV si a vandalismului. Deobicei se aplica deasupra un strat de bitum sau beton torcretat.

Proiectarea acestor structuri se bazeaza pe calculul clasic al zidurilor de sprijin.

Taluzuri din pamant armat

Geogrilele se utilizeaza pentru armarea taluzurilor in acelasi scop ca si geotextilele, pentru a prelua eforturile de intindere pe care pamantul nu le poate prelua.

Umplutura

Pante abrupte armate  Ramblee armate

Aplicatii ale pamantului armat pentru taluzuri si ramblee.

In figura de mai jos sunt prezentate cateva aplicatii ale pamantului armat

Prezenta armarii cu geogrile: *contribuie la reducerea fortelor ce determina cedarea si la marirea fortelor rezistente care se opun cedarii.

* duce la posibilitatea proiectarii de taluzuri cu pante mai abrupte.

In figura de mai jos este aratata actiunea armarii cu geogrile asupra unui taluz abrupt si in figura imediat urmatoare cea asupra unui rambleu fundat pe un teren slab.

Calculul taluzurilor armate cu geogrile se face dupa principiile analizez de stabilitate clasice din geotehnica.

In figura de mai jos este schematizat principiul calculului de stabilitate al unui taluz armat cu geogrile in cazul unei suprafete de cedare circular - cilindrice.

Straturile de geogrila trebuie sa fie ancorate pe o lungime suficienta, care trebuie determinata prin calcul.

Aplicand metoda echilibrului limita in acest caz, rezulta urmatoarea expresie pentru factorul de stabilitate:

unde:

- F_s este factor de stabilitate.

- M_rez   momentul fortelor ce se opun alunecarii, datorate exclusiv rezistentei pamantului.

- M_al    momentul fortelor care provoaca alunecarea.

- T_iadm  rezistenta admisibila a stratului care se opune alunecarii.

- y_i bratul de parghie pentru forta T_iadm.

- m numarul de straturi de armatura.

Cele trei elemente ale armaturii care trebuie calculate sunt:

distanta pe vericala intre straturile de geogrila.

lungimea necesara de ancorare a geogrilelor.

Rezistenta la intindere a geogrilelor.

BIBLIOGRAFIE

Gheorghe Lucaci, Florin Belc - "Cai de cominicatie Terestre - Elemente de constructie"

Indicativ PD 177-2001 - Normativ pentru Dimensionarea sistemelor rutiere suple si semirigide.

NP 095-04 - Normativ privind proiectarea zonei platformei caii din punct de vedere al protectiei impotriva inghetului.

Diana TENEA, Dragos VINTILA, Cornel CIUREA, Dan PASCALE, Carmen MAFTEI - Folosirea geosinteticelor pentru drenarea terasamentelor la calea ferata, Facultatea de Constructii, Universitatea 'Ovidius' din Constanta, Romania, 2000.

Lieberenz, Göbel - The use of geocomposite materials in enhancing load bearin capacity of railroad structures, Techtextil-Symposium 1995, Germany.

EN 13250:2001 - Geotextiles and geotextile-related products - Characteristics required for use in the construction of railways.

Raymond G.P. - Durability of geotextiles in railway rehabilitation, Department of Civil Engineering, Queen's University, Kingston, Canada.