تحلیل و طراحی روسازی
1
روش طراحی آشتو
براساس نتایج آزمایش بزرگ AASHO در اتاوا- ایلینویز در اواخر دهه 1950 و اوایل 1960 استوار است.
ابتدا در راهنمایی در سال 1961 ارائه، سپس در سال های 1972 و 1981 اصلاح شد.
در سال های 1985-1984 کمیته طراحی روسازی و گروه مشاوران راهنما را تحت عنوان پروژه NCHRP 20-7/24 اصلاح و گسترش دادند.
راهنمای فعلی مربوط به سال 1986 است.
معادلات عملکردی تجربی بدست آمده از آزمایش AASHTO همچنان استفاده می شود.
تغییراتی جهت قابل استفاده کردن آنها برای سایر مناطق انجام شده است.
معادلات اولیه تحت شرایط آب و هوایی و مشخصات مصالطح معین توسعه یافتند.
شرایط محلی معتدل با متوسط بارندگی 34 اینچ بود.
عمق متوسط یخبندان حدود 28 اینچ بود.
خاک بستر شامل A-6 و A-7-6 با زهکشی ضعیف با مقادیر CBR، 2 تا 4 بود.
2
رده بندی خاک- آشتو
3
رده بندی خاک- آشتو
4
عمر روسازی
5
عمر روسازی
6
عمر طراحی
7
عمر طراحی
8
ترافیک
طراحی براساس تعداد محور 80 کیلونیوتنی ساده پیش بینی شده باید انجام شود (ESAL).
چگونگی محاسبه محورهای ساده مشابه فصل قبل است.
اگر طرح بدون در نظر گرفتن تعمیر و روکش باشد، باید همه ESAL در دوره طرح در نظر گرفته شود.
اگر ساخت مرحله ای با تعمیر رو روکش مد نظر باشد، باید ESAL در هر دوره برای طراحی استفاده شود.
9
قابلیت اطمینان
اطمینان از دوام طرح و اعمال اثر تغییرات احتمالی ترافیک پیش بینی شده در عملکرد روسازی لازم است.
سطح قابلیت اطمینان (R)، انحراف معیار کلی (S0) و انحراف معیار نرمال (ZR) در محاسبات منظور می شود.
سطح قابلیت اطمینان: با چه درصد اطمینانی می توان انتظار داشت روسازی طرح شده معادل عمر طراحی دوام بیاورد.
با افزایش حجم ترافیک، مشکل شدن انحراف ترافیک و انتظارات عمومی از در دسترس بودن راه، سطح قابلیت اطمینان برای طراحی بایستی افزایش یابد.
انتخاب صحیح سطح قابلیت اطمینان و انحراف معیار کلی، جبران کننده تغییرات احتمالی در داده های طراحی است.
برای آزادراه ها و بزرگراه ها سطح قابلیت اطمینان 90 درصد، برای راه های اصلی 80 درصد و انحراف معیار کلی، 0/35 باشد.
در طراحی مرحله ای قابلیت اطمینان برای هر مرحله باید مطابق زیر اعمال شود:
10
قابلیت اطمینان
11
نشانه خدمت دهی و عملکرد روسازی
عملکرد وظیفه ای: چگونگی خدمت دهی روسازی به استفاده کنندگان از راه از نظر راحتی رانندگی و کیفیت سواری است.
عملکرد سازه ای: به شرایط فیزیکی آن مانند بروز ترک و گسیختگی مربوط می شود و بر باربری سازه اثر دارد.
خدمت دهی روسازی توانایی آن برای ارائه خدمت به ترافیکی است که از آن استفاده می کند.
خدمت دهی برحسب نشانه خدمت دهی فعلی (PSI) بیان می شود.
PSI با اندازه گیری ناهمواری و خرابی (لکه گیری و شیار) در یک زمان معین در طی عمر طراحی و بهره برداری تعیین می شود.
ناهمواری عامل غالب در تخمین نشانه خدمت دهی روسازی است.
نشانه خدمت دهی از صفر (غیر قابل استفاده) تا 5 (راه بسیار عالی) تغییر می کند.
برای طراحی روسازی انتخاب نشانه خدمت دهی اولیه و نهایی ضرورت دارد.
نشانه خدمت دهی در روزهای اولیه حداکثر بوده و بعد از مدتی استفاده کاهش می یابد.
ترافیک و شرایط محیطی در کاهش نشانه خدمت دهی موثر است.
نشانه خدمت دهی اولیه 4/2 و نهایی برای آزادراه ها و بزرگراه ها قبل از بازسازی یا روکش 3، برای راه های اصلی برابر 2/5 و راه های فرعی 2 است.
هیچ گاه سطح سرویس دهی نهایی کمتر از 2 در نظر گرفته نشود.
12
PSI (Present Serviceability Index)
PSI براساس آزمایش بزرگ آشتو نهاده شده است.
PSI براساس ارزیابی های گروهی از ناظرین در طول 1958 تا 1960 در راه های ایلینویز و ایندیانا برای PSR نهاده شده است.
سپس تلاش شد رابطه ای میان مواردی نظیر تغییر شیب و ترک و … جهت توسعه PSI پیدا شود.
مقدار PSI بین صفر (مضمحل) تا 5 (بالاترین سطح خدمت) تغییر می کند.
13
Pavement Condition
Defined by users (drivers)
Develop methods to relate physical attributes to driver ratings
Result is usually a numerical scale
From the AASHO Road Test
(1956 – 1961)
14
کری و اریک با ارائه مفهوم شاخص خدمت دهی فعلی PSI سعی نمودند تا با سنجش ناهمواری که ملاکی عینی است تخمینی از خدمت دهی روسازی ارائه دهند .
شاخص خدمت دهی فعلی:(PSI)
و
15
مطالعات نشان دادند که متغیر های بکار رفته و رگرسیون انجام شده انطباق قابل قبولی را داده است و وارد کردن متغیرهای دیگر بهبودی در روابط پدید نمی آورد.
شاخص خدمت دهی فعلی:(PSI)
16
کاهش نشانه خدمت دهی روسازی
تورم رس ها و بالاآمدگی ناشی از یخبندان مصالح بستر روسازی، موجب کاهش نشانه خدمت دهی می شود.
در صورت نبود رس های تورم زا یا یخبندان، تغییر نشانه خدمت دهی تنها ناشی از ترافیک است.
17
تاثیرات محیطی
معادلات طراحی آشتو براساس ترافیک در بازه زمانی دو ساله بود.
تاثیرات بلند مدت دما و رطوبت بر کاهش سرویس دهی دیده نشده بود.
اگر تاثر مشکلاتی نظیر تورم رس و یخبندان در منطقه ای زیاد باشد، کاهش سطح سرویس دهی را خواهیم داشت.
شیب کاهش سرویس دهی کاهشی است.
این کاهش شیب با ساخت مرحله ای راه انطباق دارد.
18
تاثیر رطوبت
مقاومت خاک های ریزدانه و درشت دانه با افزایش رطوبت و ایجاد شرایط اشباع کاهش می یابد.
تاثیر ناشی از افزایش رطوبت با اصلاح مصالح، زهکشی، بالا بردن رقوم روسازی، بکارگیری مواد تثبیت کننده نظیر آهک، سیمان، قیر و افزودنی های شیمیایی حذف می شود.
تراز آب زیرزمینی از بستر راه کمتر از 1/2 متر فاصله نداشته باشد.
سطح ایستابی با حفر کانال عمیق و نصب لوله های زهکشی و پر کردن آن با مصالح پایین بیاید.
در آیین نامه تاثیر مستقیم زهکشی بر خاک بستر و مقاومت اساس و زیراساس در نظر گرفته شده است.
آب های آزاد قابل زهکشی بشیوه عمودی یا جانبی است.
آب های ناشی از خاصیت مویینگی قابل زهکشی نیست و تاثیر آنها بر خواص مصالح باید دیده شود.
خاک های تورم زا با جذب رطوبت تغییر حجم موضعی دارند.
تاثیر تورم بر کاهش نشانه خدمت دهی بدلیل تاثیرات نامتجانس بر پروفیل طولی راه است.
اگر خاک بستر در تمامی طول مسیر تورم یکنواخت داشته باشد، نباید اثر تورم در کاهش خدمت دهی لحاظ شود.
19
تاثیر رطوبت
20
قابلیت تورم قائم
21
احتمال تورم
نسبت درصد طولی از راه که احتمال متورم شدن دارد به کل مسیر.
اگر در محلی خاص بستر راه دارای دامنه خمیری بیش از 30 و ضخامت بستر بیش از 60 سانتیمتر باشد، یا قابلیت تورم بیش از 5 میلیمتر داشته باشد، احتمال تورم در آن منطقه 100 درصد است.
22
ضریب نرخ تورم
23
t، عمر طراحی
t عمر طراحی است مگر در مواردی که طرح و اجرای مرحله ای مد نظر باشد.
24
تاثیر یخبندان
یخبندان با بالاآمدگی و کاهش باربری بستر در دوره ذوب یخ همراه است.
یخبندان دو اثر منفی دارد: 1- تورم روسازی که منجر به شکست و خرابی می شود و 2- کاهش قدرت باربری در موقع ذوب یخ
بالا آمدگی در فصل زمستان و ذوب در اوایل بهار موجب کاهش دوام روسازی می شود.
شرایط رخداد یخبندان (همراهی هر3 مورد زیر)
1- هوای سرد با دمای زیرصفر
2- وجود خاک های حساس در مقابل یخبندان
3- آب در دسترس (عمدتاً تراز آب در عمق کمتر از 3 متر)
منبع آب معمولاً آب زیرزمینی است.
حرکت آب از سطح زیرزمینی به بالا براساس قابلیت موئینگی است.
خاک های درشت دانه غیریکنواخت با ذرات ریزتر از 0/02 میلیمتر بیش از 3 درصد، مستعد یخبندان هستند.
خاک های ماسه خیلی ریزدانه، لای دار و رس با دامنه خمیری کمتر از 12، مستعدترین خاک ها هستند.
25
میزان حساسیت خاک ها در برابر یخبندان
26
حذف و کنترل یخبندان
27
تاثیر یخبندان
جهت حذف اثر برودت هوا باید ضخامت کل روسازی از عمق یخبندان منطقه ساخت راه بیشتر اختیار شود.
لایه روسازی نظیر یک عایق حرارتی عمل می کند و از یخ زدن جلوگیری می کند.
حفاظت نیمه کامل: ضخامت روسازی تا حد امکان زیاد ولی نه برابر با عمق یخبندان منطقه است.
حذف اثر خاک نسبتاً ریزدانه مصالح بستر با مصالح غیرحساس
مصالح نیازمند تعویض= قسمتی از خاک بستر که در برابر یخبندان حساس است منهای ضخامت روسازی
حذف آب زیرزمینی با زهکشی عمقی یا قرار دادن راه در خاکریز
معمولاً زهکشی عمقی در طول زیادی از راه ناممکن بوده و چندان موثر نیست.
قرار دادن راه در خاکریز و بالا آوردن محور راه راه حل مناسب تری است.
28
کاهش خدمت دهی در اثر یخبندان
29
30
31
32
تعیین عمق یخبندان
براساس
33
آزمایش تعیین عمق یخبندان
لوله حاوی مایع فلورسین و یا لوله حباب دار برای تعیین عمق یخبندان بطور مستقیم استفاده می شود.
مایع فلورسین در اثر برودت هوا تغییر رنگ می دهد.
لوله شیشه ای نازک مایع فلورسین در داخل حفره ای در زمین قرار می گیرد و با تغییر رنگ بخشی از لوله عمق یخبندان تعیین می شود.
در لوله حباب دار در طول آن تعدادی حباب کوچک شیشه ای تعبیه شده است.
حباب ها در اثر سرمای زیرصفر ترک خورده و می شکند.
لوله حباب دار در حفره ایجاد شده در خاک قرار و محل ترک ها ملاحظه و عمق یخبندان تعیین می شود.
34
تعیین عمق یخبندان تجربی
اطلاعات کافی در مورد تغییرات درجه حرارت هوای منطقه و خصوصیات خاک و مصالح در دست است.
عمق یخبندان برای مصالح با جنس یکنواخت متناسب با شدت و دوام برودت هوا و خصویات حرارتی مصالح است.
Z عمق یخبندان (سانتی متر)
FI شاخص برودت تابع شدت و دوام برودت
A عدد ثابت تابع خصوصیات حرارتی مصالح
35
𝑍=𝐴 𝐹𝐼
شاخص برودت FI
تفاوت بین رقوم نقاط حداکثر و حداقل منحنی برودت است.
نمایش تغییرات جبری درجه حرارت متوسط روزانه بر حسب زمان است.
واحد شاخص برودت «روز درجه» است که شدت و دوام برودت هوا را نشان می دهد.
مثال 10 روز درجه:
الف- ده روز متوالی با درجه حرارت متوسط هوا هر روز برابر منفی یک درجه سانتیگراد
ب- یک روز با درجه حرارت متوسط هوای منفی 10 درجه سانتیگراد
شیب منفی روزهای با متوسط دمای هوای زیرصفر است.
فاصله زمانی بین نقاط حداکثر و حداقل منحنی طول فصل سرما است.
هر اندازه اهمیت راهی بیشتر باشد شاخص برودت بزرگتری برای طرح روسازی لازم است.
بزرگترین عدد در یک دوره تناوب ده ساله مورد نظر است.
36
شاخص برودت FI
37
روش استفان- آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان
Z عمق یخبندان برحسب سانتیمتر
FI شاخص برودت بر حسب روز درجه سانتیگراد
38
𝑍=𝜆 48𝐹𝐼 𝐿 𝐾
𝐿 𝐾 = 2 𝑍 ∗ 2 ℎ 1 𝑘 1 ( 𝐿 1 ℎ 1 2 + 𝐿 2 ℎ 2 +…+ 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 )+ ℎ 2 𝑘 2 ( 𝐿 2 ℎ 2 2 + 𝐿 3 ℎ 3 +…+ 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 )+ ℎ 𝑛 𝑘 𝑛 ( 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 2
39
روش استفان- آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان
در رابطه قبلی
عمق یخبندان تخمینی (سانتی متر)
ضخامت لایه iام روسازی
ضریب هدایت حرارتی لایه iام (کالری بر سانتی متر بر درجه سانتیگراد بر ساعت)
حرارت تغییر حالت لایه iام از حالت غیرانجماد به حالت انجماد در درجه حرارت ثابت
درصد رطوبت
وزن مخصوص خشک مصالح (گرم بر سانتی متر مکعب)
عدد 80 حرارت تغییر حالت آب
40
𝑍 ∗
ℎ 𝑖
𝑘 𝑖
𝐿 𝑖
𝐿=80( 𝑤 100 ) 𝛾 𝑑
𝑤
𝛾 𝑑
روش استفان- آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان
ضریب توسط آلدریچ برای تصحیح رابطه اصلی پیشنهاد شد.
تابعی از نسبت حرارتی ( ) و پارامتر ذوب ( ) است.
V اختلاف درجه حرارت متوسط سالیانه و درجه حرارتی است که خاک یخ می زند (صفر درجه سانتیگراد)
T طول فصل سرما برحسب روز (مدت زمانی که زمین یخ زده است)
C ضریب حرارت حجمی مصالح (کالری بر سانتی متر مکعب بر درجه سانتیگراد)
ضریب حرارت حجمی: تغییر انرژی حرارتی یک جسم با حجم واحد در اثر تغییر یک درجه است.
41
𝜆
𝛼
𝜇
𝛼= 𝑉.𝑡 𝐹𝐼
𝜇= 𝐶.𝐹𝐼 𝐿.𝑡
42
روش استفان- آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان
w درصد رطوبت خاک
وزن مخصوص خشک خاک
0/17، 1و 0/5 حرارت مخصوص دانه های جامد خاک، آب و یخ است.
43
𝑐 𝑢 = 𝛾 𝑑 (0.17+ 𝑊(1.0 100 𝑐 𝑓 = 𝛾 𝑑 (0.17+ 𝑊(0.5 100
𝛾 𝑑
روش استفان- آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان
متوسط ضریب هدایت حرارتی و ضریب حرارت حجمی مصالح در حالت یخ نزده و یخ زده بکار رود.
44
𝐿 𝐾 = 2 𝑍 ∗ 2 ℎ 1 𝑘 1 ( 𝐿 1 ℎ 1 2 + 𝐿 2 ℎ 2 +…+ 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 )+ ℎ 2 𝑘 2 ( 𝐿 2 ℎ 2 2 + 𝐿 3 ℎ 3 +…+ 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 )+ ℎ 𝑛 𝑘 𝑛 ( 𝐿 𝑛 ℎ 𝑛 2
𝜇= 𝐶.𝐹𝐼 𝐿.𝑡
𝑘=0.5( 𝑘 𝑢 + 𝑘 𝑓 𝐶=0.5( 𝐶 𝑢 + 𝐶 𝑓
معادلات طراحی
معادلات اولیه صرفاً مبتنی بر نتایج آزمایش آشتو بود.
روابط سپس براساس تئوری و تجربه جهت اصلاح شرایط بستر و آب و هوایی اصلاح گردید.
45
معادلات اصلی
46
معادلات اصلی
47
معادلات اصلی
48
معادلات اصلاح شده
49
MR مدول برجهندگی خک بستر است.
اگر MR معادل 3000psi باشد، معادله اصلی و اصلاح شده یکی خواهد شد.
معادلات اصلاح شده
50
m2 ضریب زهکشی لایه اساس است.
m3 ضریب زهکشی لایه زیراساس است.
معادلات اصلاح شده
51
معادلات اصلاح شده- آخرین معادله
52
معادلات اصلاح شده- آخرین معادله
53
مثال
54
مقاومت خاک بستر
مقاوم برحسب ضریب برجهندگی یا سی بی آر تعیین می شود.
تبدیل سی بی آر به مدول برجهندگی:
55
تعریف : در این آزمایش مصالح مورد آزمایش با مصالح سنگ شکسته استاندارد کالیفرنیا مقایسه می شود. مصالح خیلی قوی باشد = 100 CBR مصالح خیلی ضعیف باشد = 0 CBR به طوریکه میزان فشار وارده برای مقدار معینی از نفوذ پیستون در مصالح مورد آزمایش نسبت به میزان فشار وارده برای همان مقدار نفوذ پیستون در مصالح سنگ شکسته مبنا تحت شرایط یکسان (میزان سرعت نفوذ پیستون در هر دو یکسان و برابر 25/1 میلیمتر بر دقیقه باشد.) مقایسه می شود: فشار وارده برای فرو رفتن پیستون استاندارد با سرعت و مقدار معین در مصالح آزمایش CBR = ———————————————————————————————— ×100 فشار وارده برای فرو رفتن پیستون استاندارد با سرعت و مقدار معین در مصالح سنگ شکسته استاندارد
آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا
56
مدول برجهندگی خاک وجود رابطه غیر خطی بین تنش و کرنش در مصالح اساس، زیر اساس و خاک بستر سالیان متمادی است که ثابت گردیده است و مفهوم مدول برجهندگی که تابع سطح تنش می باشد برای بیان این رابطه غیر خطی مورد استفاده قرار گرفته است. مدول برجهندگی از سال 1986 در آیین نامه آشتو جایگزین پارامتر CBR گردیده است و در طراحی روسازی ها به عنوان پارامتر تعیین مقاومت مصالح مورد استفاده قرار می گیرد. هر دفعه که یک بار از روی روسازی عبور می نماید، روسازی به سمت پایین خیز برداشته و پس از عبور بار مزبور به حالت اول باز می گردد. لیکن این برگشت خیز پس از باربرداری معادل خیز بعد از بارگذاری نبوده واختلاف این دو خیز، نشست دائم روسازی می باشد. بعد از یک تعداد بارگذاری و باربرداری، سهم نشست دائم نسبت به نشست برگشت پذیر ناچیز بوده و بیشتر خیز روسازی برگشت پذیر خواهد بود. برای تشریح این ویژگی خاک ها محققین مفهوم مدول برجهندگی را معرفی نمودند که به صورت زیر بیان می شود. نسبت فشار قائم اضافی (تنش انحرافی) به تغییر شکل نسبی قائم را مدول برجهندگی نامند.
57
ضریب برجهندگی موثر
لحاظ کردن تغییرات فصلی درصد رطوبت در مقاومت خاک بستر روسازی
ضریب برجهندگی موثر، اثر ترکیبی همه مقادیر ضریب برجهندگی فصلی خاک بستر است.
آزمایش ضریب برجهندگی بر روی نمونه های با شرایط رطوبتی مختلف (مطابق شرایط بهره برداری) تعیین می گردد.
برای محاسبه ضریب برجهندگی موثر، سال باید به ماه ها و فواصل زمانی مشخص تقسیم شود.
مقدار ضریب برجهندگی برای هر فاصله باید تعیین شود.
میزان خرابی نسبی برای مقادیر ضریب برجهندگی در فصول مختلف تعیین می شود.
58
ضریب برجهندگی موثر
کلیه مقادیر Uf با هم جمع و بر تعداد ماه ها یا فاصله زمانی مورد استفاده تقسیم شود (12 یا 24 ماه)
ضریب برجهندگی موثر مقدار نظیر متوسط میزان خرابی نسبی است.
59
ضریب برجهندگی موثر
60
ضرایب قشر
معیاری از توانایی نسبی یک قشر با مصالح مشخص جهت ارائه نقش به عنوان یک جز از ساختمان روسازی است.
تعیین ضریب قشر با مدول برجهندگی انجام می شود.
برای قشر بستر مدول برجهندگی (MR) و برای سایر لایه ها از مدول الاستیسیته استفاده می شود.
61
m2 ضریب زهکشی لایه اساس است.
m3 ضریب زهکشی لایه زیراساس است.
لایه رویه
از بکارگیری مدول های بیشتر از 450000psi به خاطر پتانسیل ترک خستگی و گرمایی خودداری شود.
برای آزمایش آشتو عدد 0/44 معادل مدول 4500000psi استفاده شد.
62
زیراساس
63
اساس شکسته
64
اساس قیری
65
ضرایب زهکشی
زهکشی نامناسب و حضور آب اضافی در اساس و زیراساس ضرایب ارتجاعی را تا 50 درصد کاهش می دهد.
کیفیت زهکشی برحسب مدت زمانی که طی آن 50 درصد آب آزاد زهکشی و تخلیه می شود تعریف می گردد.
66
ضرایب زهکشی
67
تعیین ضخامت لایه ها
با تعیین SN باید مجموعه ای از ضخامت ها برای رسیدن به SN تعیین شود.
تعداد زیادی از حالات برای تعیین ضخامت قابل قبول وجود دارد.
هزینه به فایده بودن همراه با محدودیت های اجرای و نگهداری باید در نظر گرفته شود.
غیراقتصادی است که برای لایه های مختلف از یک مقدار مشخص ضخامت را کمتر در نظر گرفت.
68
فرآیند کلی
69
مثال
70
پاسخ
71
72