A California Bearing Ratio (CBR) egy behatolási vizsgálat, amely az altalaj, az alsó- és felsőágyazati rétegek szilárdságát méri egy szabványos zúzottkőhöz viszonyítva, százalékban kifejezve. A CBR-értékek elsődleges bemeneti paraméterei az empirikus rugalmas burkolatvastagság-tervezésnek az FAA AC 150/5320-6G, az AASHTO és az ICAO szabványai szerint.
A California Bearing Ratio (CBR) egy szabványosított behatolási vizsgálat, amely az altalajok, az alsóágyazati és a felsőágyazati rétegek nyírószilárdságát és teherbíró képességét számszerűsíti a pályaszerkezet-építésben használt anyagok esetében. A vizsgálati eredményt százalékban fejezik ki — annak az erőnek az arányaként, amely egy hengeres dugattyú meghatározott sebességű behatolásához szükséges a vizsgált anyagban, összehasonlítva az azonos behatolás eléréséhez szükséges erővel egy szabványos, kiváló minőségű zúzottkő-mintában. Definíció szerint a szabványos zúzottkő CBR-értéke 100%.
A CBR vizsgálatot 1928 és 1929 között O.J. Porter, a Kaliforniai Útügyi Hatóság (California Division of Highways, ma Caltrans) anyag- és kutatómérnöke fejlesztette ki. Porter feladata egy racionális módszer kidolgozása volt a növekvő forgalmi terhelések melletti altalaj-meghibásodás megelőzéséhez szükséges pályaszerkezeti rétegvastagságok meghatározására. Megközelítése elegánsan egyszerű volt: mérje meg a talaj ellenállását egy kis dugattyú ellenőrzött körülmények közötti behatolásával szemben, és fejezze ki ezt az ellenállást egy stabil, jól ismert referenciaanyaghoz — a zúzottkőhöz — viszonyítva. Az eredeti berendezés 3 négyzethüvelyk (19,4 cm²) keresztmetszetű dugattyút használt, 0,05 hüvelyk/perc (1,27 mm/perc) behatolási sebességgel. A szabványos referenciaerőt 1000 psi-nél 0,1 hüvelyk behatolásnál határozták meg — ez a jól osztályozott, kiváló minőségű zúzottkő ellenállása.
Porter vizsgálata gyorsan elfogadást nyert Kaliforniában, és az 1930-as évek során más állami útügyi hivatalokhoz is eljutott. A CBR kritikus fordulópontja a második világháború idején következett be. Az Amerikai Egyesült Államok Hadseregének Mérnöki Testülete (USACE) feladata volt katonai repülőterek gyors építése változatos terepen — a Csendes-óceán dzsungeleitől Észak-Afrika sivatagaiig — a szövetséges légitámadások támogatására. A testület összeállított egy csapatot Porter, Arthur Casagrande, Donald Middlebrooks és Roy Bertram részvételével, hogy gyakorlati tervezési módszert dolgozzanak ki a B-17 Flying Fortress bombázók (kb. 60 000 font, azaz 27 200 kg össztömeg) nehéz kerékterheléseit elviselő repülőtéri pályaszerkezetekhez. A csapat Porter CBR vizsgálatát fogadta el a tervezési módszer alapjaként, kiterjesztve az eredeti úttervezési görbéket repülőgép-terhelésekre gyorsított forgalmi tesztek sorozatán keresztül.
Az USACE kutatása elkészítette az első átfogó CBR tervezési görbéket repülőtéri pályaszerkezetekhez, amelyeket 1944-ben Technical Memorandum No. 213-1 címmel publikáltak. Ezek a görbék az altalaj CBR-értékét, a repülőgép kerékterhelését, a gumiabroncsnyomást és a terhelésismétlések számát kapcsolták össze a szükséges burkolatvastagsággal. A tervezési módszert tényleges repülőgépekkel és nehéz katonai járművekkel végzett teljes léptékű gyorsított forgalmi tesztekkel validálták, bizonyítva, hogy a CBR módszerrel tervezett pályaszerkezetek az előrejelzettnek megfelelően teljesítenek ismételt terhelés alatt. Az USACE munkája a CBR módszert az útterhelésekről (5000–10 000 font kerékterhelés) a repülőgép-terhelésekre (kerékenként 60 000 font) terjesztette ki — ez egy nagyságrendi növekedés, amely az eredeti Porter-görbék extrapolációját igényelte. A későbbi gyorsított forgalmi tesztek az USACE Waterways Experiment Station (WES) létesítményében, Vicksburgben, Mississippiben, igazolták a tervezési görbéket akár 200 000 font kerékterhelésig, megerősítve a CBR-megközelítés alapvető helyességét.
A második világháborút követően a CBR vizsgálatot szabványos vizsgálati módszerré formálták az American Society for Testing and Materials (ASTM) révén ASTM D1883, valamint az American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) révén AASHTO T193 jelöléssel. A Nemzetközi Polgári Repülési Szervezet (ICAO) átvette a CBR módszert a repülőtéri pályaszerkezetek tervezéséhez az Aerodrome Design Manual — Part 3, Pavements (ICAO Doc 9157) kiadványában, és a Szövetségi Légügyi Hatóság (FAA) beépítette a CBR-t az 150/5320-as Advisory Circular sorozatába a repülőtéri pályaszerkezet-tervezéshez. Annak ellenére, hogy kifinomultabb mechanisztikus-empirikus tervezési módszerek fejlődtek ki — beleértve az FAA FAARFIELD szoftverében 2009 óta használt rétegzett rugalmas analízist (LEA) —, a CBR továbbra is az elsődleges bemeneti paraméter az altalaj szilárdsági jellemzésére gyakorlatilag az összes pályaszerkezet-tervezési szabványban világszerte.
A CBR vizsgálati eljárást szigorúan az ASTM D1883 (Standard Test Method for California Bearing Ratio of Laboratory-Compacted Soils) és az AASHTO T193 (California Bearing Ratio) határozza meg. A két szabvány műszakilag egyenértékű, kisebb eljárásbeli eltérésekkel. A vizsgálatot szabványos hengeres formába tömörített talajmintákon végzik meghatározott nedvességtartalom és sűrűség mellett, majd a mintát szabványos dugattyúval hatolják át. A teljes eljárás a következő egymást követő lépésekből áll:
A minta előkészítése a talaj levegőn történő szárításával és egy 19,0 mm-es (3/4 hüvelyk) szitán történő átszitálásával kezdődik a túlméretes részecskék eltávolítása érdekében. A 19,0 mm-es szitán visszamaradt anyagot azonos tömegű, a szitán átesett, de a 4,75 mm-es (4-es számú) szitán visszamaradt anyaggal helyettesítik, biztosítva a minta szemeloszlásának reprezentativitását. Az optimális nedvességtartalmat (OMC) és a maximális száraz sűrűséget (MDD) az ASTM D698 (Standard Proctor) tömörítéssel határozzák meg — 5,5 fontos kalapács 12 hüvelykes ejtésével, három rétegben, rétegenként 25 ütéssel —, kivéve, ha az anyag módosított Proctor-erőfeszítést igényel (ASTM D1557, 10 fontos kalapács, 18 hüvelykes ejtés) nagyobb sűrűséget igénylő alkalmazásokhoz, mint például repülőtéri felsőágyazati rétegek.
A mintát elegendő vízzel keverik össze a cél-nedvességtartalom eléréséhez — jellemzően OMC ± 1% a tervezési állapothoz. A nedves talajt légmentesen zárt edénybe helyezik, és legalább 16 órán át (egy éjszakán át) érlelik a nedvesség egyenletes eloszlásának biztosítása érdekében a mintában. Felsőágyazati anyagok és kezeletlen adalékanyagok esetén az érlelési idő a projekt minőségellenőrzési tervében meghatározottak szerint 1–3 órára csökkenthető.
A tömörítés a szabványos CBR formában történik — egy hengeres acéltartály, amelynek átmérője 152,4 mm (6,0 hüvelyk) , magassága 177,8 mm (7,0 hüvelyk) , eltávolítható gallérhosszabbítóval, amely lehetővé teszi, hogy a tömörítés után a próbatest magassága körülbelül 127 mm (5,0 hüvelyk) legyen, miután a gallért eltávolították és a mintát a forma tetejével egy szintbe vágták. A forma perforált alaplemezzel rendelkezik a vízelvezetés biztosítására áztatás során, valamint egy távtartó koronggal (körülbelül 61,3 mm vagy 2,42 hüvelyk vastag), amelyet a tömörítés során az aljára helyeznek, hogy a minta alatt üreget hozzanak létre a későbbi duzzadásméréshez.
A tömörített próbatestet öt egyenlő rétegben tömörítik, minden réteg 55 ütést kap az 5,5 fontos (2,5 kg) tömörítő kalapács 304,8 mm-es (12 hüvelyk) ejtésével, egyenletesen elosztva a forma felületén (Standard Proctor erőfeszítés). Módosított Proctor erőfeszítést igénylő anyagok esetén a próbatestet öt rétegben tömörítik, rétegenként 56 ütéssel, a 10 fontos (4,54 kg) kalapács 457 mm-es (18 hüvelyk) ejtésével. A tömörített próbatest magassága a levágás után 127 ± 2,5 mm (5,0 ± 0,1 hüvelyk) legyen.
Az áztatás a CBR vizsgálat legkritikusabb fázisa a pályaszerkezet-tervezés szempontjából. A tömörítést követően a formaegységet (beleértve a perforált alaplemezt és egy szűrőpapírt) víztartályba helyezik, és egy 4,54 kg-os (10 fontos) terhelősúlyt helyeznek a minta tetejére a fedő pályaszerkezeti rétegek ráterhelésének szimulálására. A terhelősúly biztosítja, hogy a minta az áztatás során stabil maradjon, és a tényleges pályaszerkezet alatt az altalajra ható befogási nyomást képviseli. Vizet engednek a tartályba, hogy a mintát körülbelül 25 mm (1 hüvelyk) mélységben ellepje a felső felület felett.
A minta 96 órán (4 napon) át ázik — ez az időtartam évtizedes tapasztalaton alapul, amely összefüggést teremt a 4 napos áztatott CBR-értékek és a helyszíni pályaszerkezeti teljesítmény között. Az áztatás során duzzadásméréseket végeznek duzzadási lemez és mérőóra-egység segítségével. A duzzadás a talaj vízfelvétel miatti függőleges tágulása, a kezdeti mintamagasság százalékában kifejezve. A nagy duzzadási potenciál azt jelzi, hogy az altalaj jelentős térfogatváltozást szenvedhet víz hatására, ami a pályaszerkezet felpúposodásához és károsodásához vezethet. Expanzív agyagok esetében az 5–15%-os duzzadás nem ritka, és különleges tervezési intézkedések (meszes stabilizálás, nedvességzáró rétegek vagy túlásás) szükségesek a pályaszerkezet károsodásának mérséklésére.
A behatolási vizsgálat közvetlenül az áztatás után következik. A formaegységet kiveszik a víztartályból, és 15 percig hagyják lecsöpögni. A mintát egy legalább 50 kN (11 200 font) kapacitású kompressziós vizsgálógépbe (terhelőkeretbe) helyezik. Egy behatoló dugattyút — átmérője 49,63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005 hüvelyk), keresztmetszete 1935 mm² (3,0 négyzethüvelyk) — helyeznek a minta felületének közepére. A dugattyúnak tisztának és talajszemcséktől mentesnek kell lennie az egyenletes felfekvés biztosítása érdekében. Egy gyűrű alakú 4,54 kg-os (10 fontos) terhelősúlyt — az áztatás során használttal azonos — helyeznek a mintára a dugattyú köré a befogás fenntartására.
A dugattyút 1,27 mm/perc (0,05 hüvelyk/perc) állandó sebességgel hatolják a mintába — ez a pontos behatolási sebesség biztosítja, hogy a vizsgálat a talaj drénezetlen nyírószilárdságát mérje kvázi-statikus terhelési körülmények között, megközelítve a forgalmi terhelések altalajra történő átvitelének sebességét. Terhelési (erő) értékeket rögzítenek 0,25 mm-es (0,01 hüvelyk) behatolási lépésenként legalább 12,7 mm (0,5 hüvelyk) teljes behatolásig. A maximális behatolás jellemzően 12,7 mm-re korlátozódik, kivéve, ha az anyag kivételesen erős, ebben az esetben a vizsgálat 17,8 mm-ig (0,7 hüvelyk) folytatódhat.
A referencia zúzottkő anyag szabványos erőit mind az ASTM D1883, mind az AASHTO T193 táblázatosan tartalmazza. A szabványos erő 2,54 mm (0,1 hüvelyk) behatolásnál 13,34 kN (3000 lbf) , és 5,08 mm (0,2 hüvelyk) behatolásnál 20,02 kN (4500 lbf) . Ezek az értékek a szabványos dugattyú kiváló minőségű zúzottkőbe történő behatolásához szükséges erőt képviselik a megfelelő behatolási mélységeknél.
| Behatolási mélység | Szabványos erő (kN) | Szabványos erő (lbf) | Szabványos erő (psi) |
|---|---|---|---|
| 2,54 mm (0,1 hüvelyk) | 13,34 | 3000 | 1000 |
| 5,08 mm (0,2 hüvelyk) | 20,02 | 4500 | 1500 |
| 7,62 mm (0,3 hüvelyk) | 25,58 | 5750 | 1917 |
| 10,16 mm (0,4 hüvelyk) | 30,69 | 6900 | 2300 |
| 12,70 mm (0,5 hüvelyk) | 35,14 | 7900 | 2633 |
Az alkalmazott erő és a behatolási mélység közötti kapcsolatot ábrázolva CBR behatolási görbét (erő-behatolás görbe) kapunk. Ez a görbe a CBR vizsgálat elsődleges adatkimenete, amelyet gondosan elemezni kell a helyes CBR-érték meghatározásához.
Ideális körülmények között az erő-behatolás görbe sima, fokozatosan emelkedő görbe, amely az origóból indul (nulla erő nulla behatolásnál). Sok talaj — különösen a tömörített kohéziós talajok és a nagy tömörítési sűrűségű szemcsés anyagok — azonban az origó közelében kezdetben homorú alakú görbét produkál, ami azt jelzi, hogy a dugattyú beülésének vagy a felületi egyenetlenségek tömörödésének hatására a kezdeti meredekség mesterségesen megnőtt. Amikor ez előfordul, a görbe origójának korrekciója szükséges.
A korrekciós eljárás magában foglalja egy érintő egyenes meghúzását az erő-behatolás görbe legmeredekebb szakaszához (jellemzően 1,0 mm és 3,0 mm behatolás között). Meghatározzák ennek az érintőnek a nulla erő tengellyel való metszéspontját. Ha ez a metszéspont nullánál nagyobb behatolásnál következik be (azaz az érintő nem megy át az origón), a teljes görbét vízszintesen eltolják úgy, hogy az érintő áthaladjon az origón. Ez a korrekció hatékonyan eltávolítja a kezdeti beülési hibát, és biztosítja, hogy a CBR számítása a valódi talajellenállási viselkedésen alapuljon.
A görbe korrekciója után (ha szükséges) a 2,54 mm és 5,08 mm behatolásnál mért erőértékeket közvetlenül a korrigált görbéről olvassák le. A CBR-t minden behatolási mélységre a következő képlettel számítják:
CBR (%) = (Mért erő / Szabványos erő) × 100
A 2,54 mm-es behatolásra: CBR₂,₅₄ = (F₂,₅₄ / 13,34 kN) × 100
Az 5,08 mm-es behatolásra: CBR₅,₀₈ = (F₅,₀₈ / 20,02 kN) × 100
A jelentett CBR-érték a két számított érték közül a magasabb. Gyakorlatilag minden olyan esetben, ahol a vizsgálatot helyesen végezték el és a görbekorrekciót megfelelően alkalmazták, a 2,54 mm-es behatolásnál számított CBR a mértékadó — azaz ez adja a magasabb értéket. Ha az 5,08 mm-es behatolásnál számított CBR magasabb, mint a 2,54 mm-esnél, a vizsgálatot eljárási hibák, anyagi rendellenességek vagy további görbekorrekció szükségessége szempontjából kell megvizsgálni.
A behatolási görbe minőségi információkat is nyújt a talaj viselkedéséről. Meredek, gyorsan emelkedő görbe nagy modulusra és szilárdságra utal — jellemző a jól osztályozott szemcsés anyagokra, zúzottkövekre és cementtel kezelt talajokra. Lapos, lassan emelkedő görbe alacsony modulusra és szilárdságra utal — jellemző a telített agyagokra, iszapokra és szerves talajokra. A görbe alakja 0 és 5,08 mm behatolás között különösen tanulságos, mivel tükrözi az anyag merevségét a pályaszerkezet-tervezés szempontjából releváns alakváltozási szinteken.
Minőségellenőrzési vizsgálatokhoz építés közben a teljes, 12,7 mm-es behatolási vizsgálat nem feltétlenül szükséges. Az ASTM D1883 lehetővé teszi egy egyszerűsített eljárást a rutinszerű minőségellenőrzéshez: a vizsgálatot csak 5,08 mm-es (0,2 hüvelyk) behatolásig végzik el, és a CBR-t a 2,54 mm-es és 5,08 mm-es szabványos erők segítségével számítják a fent leírtak szerint. Ez az egyszerűsített megközelítés csökkenti a vizsgálati időt, miközben megfelelő adatokat biztosít a napi építésirányításhoz.
Az áztatott és nem áztatott CBR vizsgálat közötti választás az egyik legfontosabb döntés a pályaszerkezet-tervezési vizsgálatokban, mivel közvetlenül befolyásolja a tervezési vastagságot és a pályaszerkezet hosszú távú teljesítményét.
Az áztatott CBR vizsgálat a tömörített mintát 96 órás (4 napos) vízbe merítésnek veti alá a behatolási vizsgálat előtt. A mintát körülbelül 25 mm (1 hüvelyk) víz alá merítik, a felületén 4,54 kg (10 font) terhelősúllyal. Az áztatás során a minta vizet szív fel, a pórusnyomások kiegyenlítődnek, és a talaj meglágyulhat, megduzzadhat, vagy mindkettő. Az áztatott CBR a legrosszabb esetnek megfelelő helyszíni nedvességállapotot képviseli — jellemzően hosszan tartó csapadék, emelkedő talajvízszint vagy a pályaszerkezet repedezése miatti felületi zárás megszűnése után jelentkezik. A pályaszerkezet-tervezés során az áztatott CBR az egyetemes előírás szerinti tervezési CBR-érték az új pályaszerkezetek vastagságának meghatározásához. Ez a konzervatív megközelítés biztosítja, hogy a pályaszerkezet még akkor is megfelelő szerkezeti alátámasztást nyújtson, amikor az altalaj a leggyengébb üzemszerű állapotában van.
Az áztatás során végzett duzzadásmérés kritikus adatokat szolgáltat a pályaszerkezet-tervezéshez. A duzzadást a felső terhelőlemezhez rögzített mérőórával vagy lineáris változó differenciáltranszformátorral (LVDT) mérik. A duzzadás százalékos aránya a következőképpen számítható:
Duzzadás (%) = (Mintamagasság változása / Kezdeti mintamagasság) × 100
Erősen expanzív agyagok (USCS szerinti CH, MH talajtípusok) esetében az 5–15%-os duzzadási értékek gyakoriak. Ha a duzzadás meghaladja a 2%-ot, különleges tervezési intézkedések szükségesek: meszes stabilizálás a duzzadási potenciál csökkentésére; nedvességzáró rétegek a víz behatolásának megakadályozására; alávágás és nem expanzív töltőanyaggal történő pótlás; vagy vastagabb pályaszerkezeti szakaszok a duzzadás elnyomásához szükséges nagyobb ráterhelési nyomás biztosítására. Az FAA AC 150/5320-6G előírja, hogy a 2%-ot meghaladó duzzadású altalajok különleges kezelési intézkedéseket igényelnek a pályaszerkezet építése előtt.
A nem áztatott CBR vizsgálatot közvetlenül a tömörítés után, vízbe merítés nélkül végzik el. A mintát a tömörítéskori nedvességtartalmán vizsgálják behatolással. A nem áztatott CBR-értékek mindig magasabbak vagy egyenlőek az áztatott CBR-értékekkel, mivel a vízfelvétel több mechanizmuson keresztül gyengíti a talajszerkezetet: (1) pórusnyomás-fejlődés csökkenti az effektív feszültséget és a nyírószilárdságot; (2) az agyagásványok vizet szívnak fel, növelve a szemcsék közötti távolságot és csökkentve a kohéziót; (3) a stabilizált talajokban a cementációs kötések gyengülhetnek a víz behatolása miatt; és (4) a szemcsés anyagok elveszítik a látszólagos kohéziót, amikor a finom frakció telítődik.
A szilárdságveszteségi tényező — az áztatott CBR és a nem áztatott CBR aránya — hasznos indexe a talaj nedvességérzékenységének. A jól osztályozott homokok és kavicsok (SW, GW) szilárdságveszteségi tényezője 0,85–0,95 lehet, telítéskor szilárdságuknak csak 5–15%-át veszítve el. Ezzel szemben a magas plaszticitású agyagok (CH) szilárdságveszteségi tényezője 0,15–0,35 lehet — telítéskor nem áztatott szilárdságuk 65–85%-át veszítik el. Ez a drámai szilárdságveszteség magyarázza, hogy az agyagos altalajok miért híresek a pályaszerkezeti meghibásodásokról hosszú nedves időszakok után, és hogy az áztatott CBR vizsgálat miért elengedhetetlen a tervezéshez.
| Talajtípus | Nem áztatott CBR (%) | Áztatott CBR (%) | Szilárdságveszteségi tényező |
|---|---|---|---|
| Jól osztályozott kavics (GW) | 70–90 | 60–80 | 0,85–0,90 |
| Rosszul osztályozott homok (SP) | 25–45 | 15–30 | 0,60–0,70 |
| Iszapos homok (SM) | 15–30 | 8–18 | 0,50–0,65 |
| Sovány agyag (CL) | 8–15 | 3–8 | 0,30–0,55 |
| Zsíros agyag (CH) | 5–10 | 1–4 | 0,15–0,40 |
| Szerves iszap (OH) | 3–8 | 0,5–3 | 0,15–0,40 |
A Kaliforniai Közlekedési Hatóság (Caltrans) — a szervezet, amely létrehozta a CBR vizsgálatot — az áztatott CBR vizsgálat egy olyan változatát használja, amelyben a mintákat optimális nedvességtartalmon tömörítik és 4 napig áztatják, de az anyagot nem az optimális nedvességtartalmon tömörítik az áztatott vizsgálathoz. Ehelyett a Caltrans olyan eljárást alkalmaz, amelyben a mintát az optimálisnál 2–4%-kal magasabb nedvességtartalmon tömörítik az áztatott vizsgálathoz, szimulálva egy olyan altalaj állapotát, amely élettartama során nedvességfelhalmozódásnak volt kitéve. Ez az eljárás konzervatívabb tervezési CBR-értékeket eredményez, és több nyugat-amerikai állami útügyi hivatal is átvette.
A CBR-értékek drámaian változnak a talajtípusok spektrumában, a szerves talajok és lágy agyagok 1% alatti értékétől a kiváló minőségű zúzottkő felsőágyazati anyagok 80% feletti értékéig. Az egyes talajtípusok jellemző CBR-tartományának ismerete elengedhetetlen az előzetes pályaszerkezet-tervezéshez, a problémás altalajok helyszíni azonosításához és az építési anyagok minőségbiztosításához.
Az Unified Soil Classification System (USCS), amelyet az ASTM D2487 határoz meg, szabványos keretrendszert biztosít a talajok osztályozásához és a várható CBR-tartományokkal való összefüggésbe hozatalához. Az USCS a talajokat durva szemcséjű (kavicsok és homokok), finom szemcséjű (iszapok és agyagok) és erősen szerves (tőzeg) kategóriákra osztja.
Kavicsok (G csoportok) — a 4-es számú szitán (4,75 mm) több mint 50%-ban visszamaradó talajok — a természetes talajtípusok közül a legmagasabb CBR-értékeket mutatják. A jól osztályozott kavics (GW) a 75 mm-től a finom homokig és iszapig terjedő részecskeméretek jó eloszlásával jellemzően 40–80%-os áztatott CBR-értékeket produkál. A magas CBR a kiváló szemcsék közötti összekapcsolódásból, az alacsony hézagtérfogatból és a magas belső súrlódási szögből (φ = 40°–50°) ered. A rosszul osztályozott kavics (GP) — keskeny szemcseméret-eloszlású kavics — gyengébb szemcsék közötti összekapcsolódással rendelkezik, de így is 30–60%-os CBR-értékeket ér el. Az iszapos kavics (GM) legfeljebb 12% 200-as számú szitán áteső finomrész-tartalommal 20–50%-os CBR-t produkál, míg az agyagos kavics (GC) CBR-értéke az agyagfrakció plaszticitásától függően 15–40%-ra csökkenhet.
Homokok (S csoportok) — a 4-es számú szitán több mint 50%-ban áteső, de a 200-as számú szitán (75 μm) több mint 50%-ban visszamaradó talajok — általában alacsonyabb CBR-értékeket produkálnak, mint a kavicsok, de a legtöbb altalaj alkalmazáshoz még mindig megfelelőek. A jól osztályozott homok (SW) 20–40%-os áztatott CBR-t ad, míg a rosszul osztályozott homok (SP) 10–25%-ot produkál. Az iszapos homok (SM) — 5–12% nem plasztikus vagy alacsony plaszticitású finomrész-tartalmú homok — 10–20%-os CBR-t generál. Az agyagos homok (SC) — plasztikus finomrészt tartalmazó homok — 5–15%-os CBR-t produkál, az alsó érték a magasabb plaszticitású finomrésznek felel meg.
Iszapok (M csoportok) — 50 alatti folyáshatárú (LL) és az A-vonal alatti plaszticitási indexű (PI) finom szemcséjű talajok — mérsékelt vagy alacsony CBR-értékeket mutatnak. Az alacsony plaszticitású iszap (ML) — kőzetliszt, lösz vagy szervetlen iszap LL < 50 — 3–15%-os áztatott CBR-t ad. A magas plaszticitású rugalmas iszap (MH) — csillámos vagy kovamoszatos iszap LL > 50 — 2–8%-os CBR-t produkál. Az iszapok különösen problematikusak a pályaszerkezet-tervezésben, mivel erősen fagyérzékenyek, és jelentős szilárdságveszteséget mutatnak a tavaszi olvadás során, amikor a jégcsapok megolvadnak és többlet pórusvíznyomást hoznak létre.
Agyagok (C csoportok) — az A-vonal feletti PI-vel rendelkező finom szemcséjű talajok — a természetes szervetlen talajok közül a legalacsonyabb CBR-értékeket adják. Az alacsony plaszticitású sovány agyag (CL) — LL < 50 — 3–10%-os áztatott CBR-t produkál. A magas plaszticitású zsíros agyag (CH) — LL > 50 — 1–5%-os áztatott CBR-t ad. Az agyagok CBR-értéke erősen függ a tömörítési víztartalomtól: az optimálistól 2–3%-kal szárazabb oldalon tömörített agyagok jelentősen magasabb CBR-értékkel rendelkezhetnek, de hajlamosak a duzzadásra nedvesség behatolásakor, míg az optimálistól nedvesebb oldalon tömörített agyagok alacsonyabb CBR-értékkel, de kisebb duzzadási potenciállal rendelkeznek.
Szerves talajok (O csoportok és tőzeg) — szerves anyagot tartalmazó talajok — a legalacsonyabb CBR-értékeket adják. A szerves iszap vagy agyag (OL/OH) 0,5–3%-os áztatott CBR-t produkál, míg a tőzeg (Pt) CBR-értéke 0,5% alatt lehet. Ezek az anyagok általában alkalmatlanok pályaszerkezeti altalajként, és eltávolítást és cserét, talajjavítást (kőoszlopok, előregyártott függőleges drének) vagy speciális alapozási rendszereket igényelnek.
| USCS csoport | Talaj leírása | Jellemző áztatott CBR (%) | Fagyérzékenység | Pályaszerkezeti alkalmasság |
|---|---|---|---|---|
| GW | Jól osztályozott kavics | 40–80 | Alacsony | Kiváló |
| GP | Rosszul osztályozott kavics | 30–60 | Alacsony | Jó |
| GM | Iszapos kavics | 20–50 | Közepes | Jó |
| GC | Agyagos kavics | 15–40 | Közepes | Megfelelő |
| SW | Jól osztályozott homok | 20–40 | Alacsony | Jó |
| SP | Rosszul osztályozott homok | 10–25 | Alacsony | Megfelelő |
| SM | Iszapos homok | 10–20 | Közepes–Magas | Megfelelő |
| SC | Agyagos homok | 5–15 | Közepes | Gyenge |
| ML | Alacsony plaszticitású iszap | 3–15 | Magas | Gyenge |
| CL | Sovány agyag | 3–10 | Közepes | Gyenge |
| MH | Rugalmas iszap | 2–8 | Magas | Nagyon gyenge |
| CH | Zsíros agyag | 1–5 | Közepes | Nagyon gyenge |
| OL/OH | Szerves talajok | 0,5–3 | Nagyon magas | Alkalmatlan |
| Pt | Tőzeg | <0,5 | Nagyon magas | Alkalmatlan |
A Szövetségi Légügyi Hatóság (FAA) az 1960-as évek óta használja a CBR módszert a rugalmas repülőtéri burkolatvastagság-tervezés alapjaként, amikor az első FAA pályaszerkezet-tervezési tanácsadói körlevél megjelent. A jelenlegi tervezési eljárást az FAA Advisory Circular AC 150/5320-6G — Airport Pavement Design and Evaluation határozza meg, amely 2021 júniusában jelent meg, és minden korábbi verziót felülír. A tervezés a FAARFIELD (FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design) 2.0 verziójú szoftverrel történik, amely rétegzett rugalmas elméletet (LET) alkalmaz a korábbi verziókban (AC 150/5320-6F és korábbi) használt hagyományos CBR tervezési görbék helyett.
A rétegzett rugalmas analízisre való áttérés ellenére a CBR továbbra is az alapvető bemeneti paraméter az altalaj szilárdsági jellemzésére a FAARFIELD-ben. A szoftver két módszert kínál az altalaj szilárdságának meghatározására: a reziliens modulus (Mr) közvetlen bevitele, ha laboratóriumi vizsgálati adatok állnak rendelkezésre, vagy az Mr becslése a tervezési CBR-értékből a Heukelom és Klomp korreláció segítségével: Mr (psi) = 1500 × CBR (finom szemcséjű talajokra, ahol CBR ≤ 10). Magasabb CBR-értékek esetén a FAARFIELD belsőleg a Powell et al. korrelációt alkalmazza: Mr (psi) = 2550 × CBR^0,64.
Az FAA tervezési eljárása a rugalmas pályaszerkezetekre a FAARFIELD-del a következő lépéseket foglalja magában:
1. lépés: A tervezési altalaj CBR meghatározása. A tervezési CBR-értéket egy geotechnikai vizsgálati program keretében határozzák meg, amely magában foglalja a talajfúrásokat, mintavételeket és laboratóriumi CBR-vizsgálatokat (ASTM D1883, 4 napos áztatott) a tervezett pályaszerkezet nyomvonala mentén reprezentatív helyeken. Futópálya és gurulóút projektek esetén a fúrásokat jellemzően 150 m (500 láb) távolságonként végzik a középvonal mentén és a széleken, további fúrásokkal a feltételezett altalaj-változékonyságú területeken. Az eredményül kapott CBR-értékeket a szelvényszám függvényében ábrázolják a nyomvonal mentén. A tervezési CBR kiválasztása a 90–95. percentilis érték — azaz a vizsgált helyek 90–95%-ának CBR-értéke egyenlő vagy nagyobb a tervezési értéknél. Ez a statisztikai megközelítés biztosítja, hogy a pályaszerkezet megfelelő legyen az altalajviszonyok többségéhez, miközben elfogadja, hogy a gyengébb területek kis százaléka egyedi kezelést igényel (pl. túlásás és pótlás, stabilizálás vagy geotextília-erősítés).
2. lépés: A tervezési repülőgép és forgalom meghatározása. A pályaszerkezetet a kritikus tervezési repülőgépre kell tervezni — arra a repülőgéptípusra, amely a legnagyobb pályaszerkezet-vastagságot igényli. Kereskedelmi repülőterek esetén a kritikus repülőgép jellemzően az a legigényesebb repülőgéptípus, amelytől évente 500 vagy több indulás várható. A FAARFIELD szoftver a következő bemeneteket fogadja el: repülőgéptípus (a beépített repülőgép-könyvtárból, amely a Cessna 172-től az Airbus A380-ig minden kereskedelmi és katonai típust lefed); éves indulási szintek (500, 1500, 5000, 10 000, 20 000+); és futómű-konfiguráció (egykerék, kétkerék, két-két kerék, két-két kerék iker-tricikli, három-két kerék tandem stb.).
3. lépés: Rétegjellemzők megadása. A FAARFIELD megköveteli a reziliens modulus (vagy CBR-alapú becslés) megadását minden pályaszerkezeti réteghez: altalaj (tervezési CBR-érték), alsóágyazat (jellemzően CBR 15–30 kezeletlen anyagok esetén, vagy modulus 100–300 MPa kezelt anyagok esetén), felsőágyazat (CBR 20–80 kötőanyag nélküli adalékanyag esetén, vagy modulus 200–6900 MPa stabilizált anyagok esetén), és aszfaltfelület (modulus 1000–3500 MPa a hőmérséklettől, a kötőanyag minőségétől és a keverék tulajdonságaitól függően).
4. lépés: Iteratív vastagságszámítás. A FAARFIELD kiszámítja a kritikus feszültségeket és alakváltozásokat a pályaszerkezeti rétegek közötti határfelületeken a Boussinesq-féle rugalmas elmélet több rétegre kiterjesztett változatával (Burmister-megoldás). A rugalmas pályaszerkezetek kritikus tervezési kritériumai az aszfaltfelületi réteg alján fellépő vízszintes húzó alakváltozás (fáradási repedések szabályozása) és az altalaj tetején fellépő függőleges nyomó alakváltozás (altalaj nyomvályúsodásának szabályozása). A szoftver iteratív módon módosítja a rétegvastagságokat, amíg a tervezési forgalmi szinten számított alakváltozások kisebbek lesznek a megengedett alakváltozásoknál. A megengedett alakváltozási összefüggések az FAA National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) létesítményében, a William J. Hughes Technical Center-ben (Atlantic City, New Jersey) végzett teljes léptékű gyorsított pályaszerkezeti vizsgálatok (APT) adatain alapulnak.
Azon repülőtér-fejlesztési projektek esetében, ahol a FAARFIELD szoftver nem áll rendelkezésre, az FAA szabványos tervezési görbéket biztosít az AC 150/5320-6G függelékeiben, amelyek összefüggésbe hozzák a CBR-t a szükséges teljes pályaszerkezet-vastagsággal különböző repülőgéptípusok és éves indulási szintek esetében. Ezek a görbék a FAARFIELD-del megegyező tönkremeneteli kritériumokkal rendelkező rétegzett rugalmas analízisből származnak, és előzetes tervezéshez, tervezési ellenőrzéshez és olyan projektekhez használhatók, ahol a szoftver nem elérhető.
Az alsóágyazati réteg az FAA tervezésben jellemzően legalább 15-ös CBR-értékű anyagból készül. A felsőágyazati rétegnek (az FAA P-208 vagy P-209 tétel szerinti adalékanyag-alap, vagy P-210 cementtel kezelt alap) legalább 20-as CBR-rel kell rendelkeznie P-208 esetén és 30-assal P-209 esetén, laboratóriumi vizsgálattal igazolva. A teljes pályaszerkezet vastagságát — beleértve a felületet, a felsőágyazatot és az alsóágyazatot — a FAARFIELD határozza meg úgy, hogy az altalajra ható függőleges feszültség ne haladja meg az altalaj teherbírását, amely a tervezési CBR függvénye. Az altalaj feszültségi arányát — az alkalmazott feszültség és az altalaj teherbírásának arányát — rugalmas pályaszerkezetek esetén jellemzően 0,5–0,7 között korlátozzák, a forgalmi szinttől és a megbízhatóságtól függően.
A CBR-értékek képezik az alapját a pályaszerkezet-tervező szervezetek által világszerte használt altalaj-szilárdsági osztályozási rendszereknek. Az FAA AC 150/5320-6G az altalaj szilárdságát négy kategóriába sorolja a CBR alapján:
| FAA altalaj osztály | CBR-tartomány (%) | Leírás | Jellemző talajtípusok | Tervezési következmények |
|---|---|---|---|---|
| Magas (H) | > 15 | Nagy szilárdságú altalaj | GW, GP, SW, jól tömörített SM | Minimális burkolatvastagság szükséges |
| Közepes (M) | 8–15 | Közepes szilárdságú altalaj | SP, SM, CL (alacsony PI), GM | Mérsékelt burkolatvastagság |
| Alacsony (L) | 4–8 | Kis szilárdságú altalaj | ML, CL (magas PI), SC, MH | Jelentős burkolatvastagság szükséges |
| Rendkívül alacsony (UL) | < 4 | Nagyon kis szilárdságú altalaj | CH, OH, OL, Pt | Altalajjavítás szükséges a burkolás előtt |
Az ICAO Aerodrome Design Manual — Part 3 (Doc 9157) egyenértékű osztályozási rendszert alkalmaz, az altalaj szilárdsági kategóriáit közvetlenül a CBR-tartományokhoz kapcsolva a nemzetközi egységesség érdekében. A kategóriák megegyeznek az FAA rendszerével: Magas (CBR > 15), Közepes (CBR 8–15), Alacsony (CBR 4–8) és Rendkívül alacsony (CBR < 4). Ezt az osztályozást nemcsak a vastagságtervezéshez, hanem a megfelelő PCN (Pavement Classification Number) jelentési kód kiválasztásához is használják. Merev (beton) pályaszerkezetek esetén az altalaj szilárdságát A (Magas), B (Közepes), C (Alacsony) vagy D (Rendkívül alacsony) kategóriába sorolják azonos CBR-határokkal, az altalajreakció effektív modulusában (k-érték) kifejezve a beton pályaszerkezet tervezéséhez.
A CBR és az altalajreakció modulusa (k-érték) közötti összefüggést a merev pályaszerkezetek tervezéséhez a következő képlet írja le:
k (pci) = CBR × 7,5 (közelítő, finom szemcséjű altalajokra)
Például egy CBR 6 altalaj k = 45 pci (font/köbhüvelyk) értéket ad, míg CBR 15 esetén k = 113 pci. A k-értéket a merev (beton) pályaszerkezet vastagságtervezésében használják a FAARFIELD merev pályaszerkezeti moduljában vagy a Westergaard-féle feszültség-egyenletekben a betonlemez-tervezéshez.
A Kaliforniai Közlekedési Hatóság (Caltrans) az R-értéket (ellenállási érték) — más néven Stabilométeres R-értéket — használja a CBR helyett a pályaszerkezet-tervezésben. Míg a CBR a behatolási ellenállást méri, az R-érték a függőleges terhelés alatti oldalirányú nyomásellenállást méri a Hveem-stabilométer segítségével. Összefüggést állapítottak meg az R-érték és a CBR között:
CBR = (R + 10) / 2 (közelítő, 0–80 közötti R-érték tartományra érvényes)
Így egy 50-es R-érték körülbelül CBR 30-nak felel meg, míg egy 10-es R-érték körülbelül CBR 10-nek. Az R-érték vizsgálatot elsősorban az Egyesült Államok nyugati részén használják, míg a CBR-t a keleti részen és nemzetközi szinten alkalmazzák.
Az Amerikai Egyesült Államok Hadseregének Mérnöki Testülete (USACE) az altalajokat a repülőtéri pályaszerkezet-tervezéshez a második világháború alatt kifejlesztett és teljes léptékű vizsgálatokkal folyamatosan finomított CBR tervezési görbék segítségével osztályozza. Az USACE osztályozása az altalajokat 1. kategória (CBR > 20) , 2. kategória (CBR 10–20) , 3. kategória (CBR 5–10) , 4. kategória (CBR 3–5) és 5. kategória (CBR < 3) csoportokba sorolja. Az USACE módszere konzervatívabb az FAA-nál a rendkívül alacsony szilárdságú altalajok esetében, további védőrétegeket írva elő, ha a CBR 3 alá csökken.
A reziliens modulus (Mr) — a talaj rugalmas merevsége ismétlődő, mozgó kerékterhelések alatt — a mechanisztikus-empirikus pályaszerkezet-tervezésben használt alapvető anyagjellemző. Míg a CBR a talaj behatolással szembeni ellenállását méri egyetlen terhelési sebességnél (lényegében a drénezetlen nyírószilárdság mértéke), addig a reziliens modulus a ciklikus terhelés alatti visszaalakítható (rugalmas) alakváltozást méri — ami a pályaszerkezeti anyag mozgó forgalmi terhelésekre adott válaszának közvetlenebb reprezentációja. A CBR és Mr közötti kapcsolat azért elengedhetetlen, mert a legtöbb pályaszerkezet-tervező szervezet évtizedes CBR-vizsgálati adatokkal rendelkezik, de egyre inkább Mr-bemenetet igénylő mechanisztikus-empirikus módszereket használ.
A legszélesebb körben használt korreláció a Heukelom és Klomp (1962) képlet, amelyet a finom szemcséjű altalajokon végzett CBR és ciklikus triaxiális vizsgálatok kiterjedt adatbázisa alapján fejlesztettek ki:
Mr (psi) = 1500 × CBR finom szemcséjű talajokra, ahol CBR ≤ 10
Például:
Ez a képlet beépült az AASHTO Guide for Design of Pavement Structures (1993) című kiadványba, és ez az alapértelmezett átváltás az FAA FAARFIELD szoftverében a CBR ≤ 10 altalaj anyagok esetében. A 10 feletti CBR-értékekre az AASHTO a Powell et al. (1984) képletet ajánlja:
Mr (psi) = 2550 × CBR^0,64
Ez az összefüggés a következőket adja:
Az európai szabvány — BS 8006 (Code of Practice for Strengthened/Reinforced Soils and Other Fills) — az Alpan (1970) korrelációt ajánlja finom szemcséjű talajokra:
Mr (MPa) = 16 × CBR^0,64 (közelítő, Mr-t MPa-ban használva)
A Transport and Road Research Laboratory (TRRL) az Egyesült Királyságban a brit altalajok kiterjedt vizsgálata alapján a következő korrelációt fejlesztette ki:
Mr (MPa) = 17,6 × CBR^0,64
Szemcsés felső- és alsóágyazati anyagok esetén az Mr kevésbé megbízhatóan becsülhető a CBR-ből, mivel a szemcsés anyagok feszültségfüggő merevséget mutatnak — a modulus növekszik a növekvő befogási nyomással. A Shell pályaszerkezet-tervezési módszer a következőket ajánlja:
Mr (psi) = 3000 × CBR^0,50 szemcsés anyagokra
| CBR (%) | Mr (psi) — Finom szemcséjű | Mr (psi) — Szemcsés | Mr (MPa) — Finom szemcséjű |
|---|---|---|---|
| 2 | 3000 | 4240 | 20,7 |
| 5 | 7500 | 6710 | 51,7 |
| 10 | 15 000 | 9490 | 103,4 |
| 20 | 15 950* | 13 420 | 110* |
| 50 | 27 800* | 21 210 | 192* |
| 80 | 38 500* | 26 830 | 265* |
*A Powell et al. képlet használatával CBR > 10 esetén
Az FAA kiterjedt kutatásokat végzett a CBR-Mr korrelációk terén a National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) adatainak felhasználásával, ahol ismert altalaj CBR-értékű teljes léptékű rugalmas pályaszerkezeti szakaszokat ellenőrzött repülőgép-terhelésnek vetettek alá, miközben folyamatosan mérték az altalaj alakváltozásait. A NAPTF validáció megerősítette, hogy a Heukelom és Klomp összefüggés konzervatív a repülőtéri altalajok esetében — ami azt jelenti, hogy a Mr = 1500 × CBR korrelációval tervezett pályaszerkezeti vastagságok általában enyhén túltervezettek a NAPTF által mért teljesítményhez képest. Az FAA azonban továbbra is a Heukelom és Klomp korrelációt használja a tervezésben a meglévő empirikus tervezési tapasztalatokkal való konzisztencia fenntartása érdekében.
Kritikus repülőtéri pályaszerkezeti projektek esetén (E és F kódú repülőgépeket kiszolgáló nagy kereskedelmi repülőterek) az FAA közvetlen Mr-vizsgálatot ajánl az AASHTO T307 (Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials) segítségével, ahelyett, hogy a CBR-Mr korrelációkra hagyatkoznának. Az AASHTO T307 az anyagot ciklikus triaxiális terhelési sorozatoknak veti alá változó befogási nyomások és deviátor feszültségek mellett, közvetlenül mérve a reziliens (visszaalakítható) tengelyirányú alakváltozást. A vizsgálati protokoll 15 terhelési sorozatot tartalmaz altalaj anyagokra és 30 sorozatot felső-/alsóágyazati anyagokra, mindegyik 100 terhelésismétlést alkalmazva 0,1 másodperces terhelési időtartammal és 0,9 másodperces pihenőidővel. A közvetlen Mr-vizsgálat jelentős többletköltséggel jár — körülbelül 500–1000 USD vizsgálatonként, szemben a szabványos áztatott CBR vizsgálat 75–150 USD-jával —, de rétegspecifikus modulusértékeket biztosít, amelyek optimalizálják a burkolatvastagságot és csökkentik az idő előtti tönkremenetel kockázatát.
A dinamikus kúpos penetrométer (DCP) egy hordozható, gyors és költséghatékony helyszíni eszköz, amely folyamatos in-situ szilárdsági profilt biztosít az altalajok és kötőanyag nélküli pályaszerkezeti rétegek számára. A DCP-t eredetileg az 1950-es években fejlesztették ki Dél-Afrikában útburkolatok vizsgálatára, és nemzetközileg az ASTM D6951 (Standard Test Method for Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Pavement Applications) szabvány szerint szabványosították. Az FAA kifejezetten elismeri a DCP vizsgálatot a laboratóriumi CBR-vizsgálat elfogadható alternatívájaként az altalaj vizsgálatához az AC 150/5320-6G D függelékében.
A szabványos DCP-berendezés egy 16 mm (0,63 hüvelyk) átmérőjű acél rúdból áll, cserélhető 60 fokos kúpos heggyel az alsó végén és egy csúszó kalapáccsal a felső végén. A kalapács tömege 8 kg (17,6 font) , és rögzített 575 mm (22,6 hüvelyk) magasságból ejtik rá egy üllőre, ami a kúpot a talajba hajtja. Feljegyzik a kalapácsütésenkénti behatolási mélységet, és a kumulatív behatolást az ütések számának függvényében ábrázolják. A DCP folyamatos szilárdsági profilt biztosít a mélység függvényében — ez jelentős előny a laboratóriumi CBR-vizsgálathoz képest, amely csak egyetlen sűrűségi és nedvességi állapotban értékeli az anyagot.
A DCP behatolási sebessége és a CBR közötti korrelációt az US Army Corps of Engineers és az ASTM D6951 által elfogadott általános képlet fejezi ki:
CBR = 292 / (DCP behatolási sebesség)^1,12
Ahol a DCP behatolási sebesség (PR) az átlagos behatolás milliméter per ütés (mm/ütés) egységben egy adott mélységintervallumon belül. Például:
Különböző talajtípusok esetére specifikusabb korrelációs képleteket fejlesztettek ki kiterjedt helyszíni kalibráció révén. A Transport Research Laboratory (TRL, Egyesült Királyság) talajspecifikus képleteket ajánl:
A DCP különösen értékes az építési minőségellenőrzésben, ahol gyors, gyakori vizsgálatra van szükség. Egy DCP vizsgálat 600 mm (24 hüvelyk) mélységig — ami elegendő a teljes altalaj profil értékeléséhez a legtöbb repülőtéri pályaszerkezeti szakaszon — körülbelül 10–15 percet vesz igénybe, szemben a laboratóriumi áztatott CBR vizsgálat 4–7 napjával. Ez a gyorsaság lehetővé teszi a geotechnikai mérnök vagy az építési minőségbiztosítási csapat számára, hogy egyetlen nap alatt több tucat vizsgálati helyet értékeljenek, valós idejű adatokat szolgáltatva az építési döntésekhez.
A DCP-t pályaszerkezeti forenzikus vizsgálatokra is használják a gyenge rétegek helyének és nagyságának azonosítására a pályaszerkezeten belül. Például egy meglévő rugalmas pályaszerkezeten áthaladó DCP-profil feltárhatja: nagy behatolási ellenállást (alacsony CBR) a felületen az aszfaltkötőanyag vagy cementstabilizáció miatt; mérsékelt behatolási ellenállást a felső- és alsóágyazati rétegeken keresztül (jellemzően CBR 30–80); és alacsony behatolási ellenállást az altalajban (jellemzően CBR 3–15). A behatolási sebesség hirtelen növekedése egy adott mélységben gyenge réteget jelez, amely a pályaszerkezeti károsodás oka lehet — például egy telített agyaglencse homok altalaj alatt, vagy egy rosszul tömörített töltés zónája.
Az FAA (AC 150/5320-6G D függelék) konkrét útmutatást ad a DCP vizsgálathoz repülőtéri pályaszerkezeti projektekhez: a vizsgálati helyeket maximum 150 m (500 láb) távolságonként kell elhelyezni a pályaszerkezet középvonala mentén, eltolt vizsgálatokkal a vállhelyeken; a vizsgálati mélységnek legalább 1,5 m-rel (5 láb) a tervezett altalajszint alá kell terjednie a mélyebb gyenge zónák azonosításához; a nedvességtartalom vizsgálatának kísérnie kell a DCP vizsgálatot a telítés szilárdságra gyakorolt hatásának értékeléséhez; és a DCP-ből származtatott CBR-értékeket korrelálni kell a reprezentatív mintákon végzett laboratóriumi áztatott CBR-vizsgálatokkal a projektspecifikus kalibráció érdekében.
A DCP vizsgálat korlátai közé tartozik: a vizsgálat a helyszíni nedvességtartalom mellett méri a szilárdságot, ami nem feltétlenül képviseli a tervezési (áztatott) állapotot; a szemcsés anyagokat megzavarhatja a kúp behatolása, befolyásolva a mért ellenállást a későbbi ütéseknél; és a kúpot eltéríthetik vagy akadályozhatják a durva adalékanyagok vagy kőtöredékek, tévesen magas CBR-értékeket eredményezve. E korlátok ellenére a DCP-t széles körben a legpraktikusabb helyszíni eszköznek tartják az altalaj szilárdságának értékelésére, és számos repülőtér-építési előírás megköveteli.
A CBR használatát a repülőtéri pályaszerkezet-tervezésben az ICAO Annex 14 — Aerodromes, Volume 1 (Aerodrome Design and Operations) szabályozza, és az ICAO Doc 9157 — Aerodrome Design Manual, Part 3: Pavements részletezi. Az ICAO kézikönyv átfogó áttekintést nyújt a CBR tervezési módszerről, beleértve a részletes tervezési görbéket, anyagspecifikációkat és a nemzetközi alkalmazáshoz adaptált minőségellenőrzési eljárásokat.
Az ICAO Annex 14 négy Altalaj Szilárdsági Kategóriát határoz meg a pályaszerkezet-tervezéshez és a PCN-jelentéshez:
| ICAO kód | Altalaj szilárdság | CBR-tartomány (%) | k-érték tartomány (MN/m³) |
|---|---|---|---|
| A | Magas | > 15 | > 150 |
| B | Közepes | 8–15 | 80–150 |
| C | Alacsony | 4–8 | 40–80 |
| D | Rendkívül alacsony | < 4 | < 40 |
Ezeket a kódokat a PCN (Pavement Classification Number) jelentési rendszerben használják — ez egy ICAO által előírt módszer a pályaszerkezet szilárdságának jelentésére a pilóták és légitársaságok számára. A PCN-kód az altalaj szilárdsági kategóriáját tartalmazza az öt kódelem egyikeként, lehetővé téve a repülőgép-üzemeltetők számára, hogy a repülőgép-terheléseket (az Aircraft Classification Number — ACN formában kifejezve) a pályaszerkezet szilárdságához illesszék. Például egy 65/F/B/W/T PCN egy 65-ös PCN-értékű, rugalmas pályaszerkezetet jelez, közepes altalajjal (CBR 8–15), gumiabroncsnyomás-korlátozás nélkül, műszaki elemzéssel értékelve. Az altalaj szilárdsági kódja (ebben a példában a B betű) közvetlenül a CBR-alapú osztályozásra hivatkozik.
Az ICAO tervezési módszere rugalmas pályaszerkezetekhez a CBR-alapú empirikus megközelítést követi, hasonlóan a korábbi FAA módszerhez (AC 150/5320-6E és korábbi). A tervezési görbék az altalaj CBR-jét, a repülőgép-terhelést, a gumiabroncsnyomást és a lefedettségek (áthaladások) számát kapcsolják össze a szükséges teljes pályaszerkezeti vastagsággal az altalaj felett. A módszer különbséget tesz könnyű repülőgépek (össztömeg ≤ 5700 kg vagy 12 500 font) és nehéz repülőgépek (össztömeg > 5700 kg) között, külön tervezési görbéket biztosítva minden kategóriához. Könnyű repülőgépek esetén a tervezési görbék egykerekű terheléseken alapulnak, legfeljebb 0,7 MPa (100 psi) gumiabroncsnyomással. Nehéz repülőgépek esetén a görbék figyelembe veszik a többkerekű futómű-konfigurációkat (dupla, dupla-tandem, dupla-tandem iker-triciklivel) és a legfeljebb 1,5 MPa (220 psi) gumiabroncsnyomást.
Az ICAO tervezési eljárás a következő bemeneteket igényli:
A tervezési vastagságot ezután szabványos görbékről olvassák le, vagy az ICAO tervezési egyenleteivel számítják ki, amelyek az USACE CBR összefüggéseiből származnak, a modern repülőgép-futómű konfigurációkhoz igazított módosításokkal. Bármely repülőtéri pályaszerkezet minimálisan ajánlott pályaszerkezeti vastagsága (CBR-től függetlenül) 300 mm (12 hüvelyk) rugalmas pályaszerkezetek és 150 mm (6 hüvelyk) merev pályaszerkezetek esetén, biztosítva a megfelelő fagyvédelmet és építési stabilitást.
Repülőtéri pályaszerkezet-értékeléshez — a meglévő pályaszerkezetek teherbíró képességének meghatározásához — a CBR-értékeket helyszíni DCP vizsgálattal (ASTM D6951) vagy a meglévő pályaszerkezetből kivett magminták és minták laboratóriumi vizsgálatával nyerik. A meglévő altalaj CBR-jét a helyszíni nedvességtartalom mellett értékelik, de áztatott CBR-értéket becsülnek a helyszíni és laboratóriumi értékek közötti projektspecifikus korreláció segítségével. Az értékelt pályaszerkezeti teherbírást ezután PCN-ként fejezik ki az ICAO jelentési formátumban.
Az Airbus és Boeing repülőgép pályaszerkezet-tervezési kézikönyvei — amelyeket a gyártók adnak ki repülőtér-tervezési célokra — mind a CBR-t használják elsődleges altalaj paraméterként a rugalmas pályaszerkezetek tervezéséhez. Az Airbus szabványos CBR tervezési diagramokat biztosít minden repülőgéptípushoz (A320, A330, A380 stb.), amelyek a szükséges burkolatvastagságot az altalaj CBR-hez kapcsolják mind rugalmas, mind merev pályaszerkezetek esetén. A Boeing hasonló diagramokat tesz közzé a Boeing Airport Compatibility Documents-ban minden repülőgépcsaládhoz (737, 747, 777, 787). Egy repülőtér-tervező, aki egy új repülőgéptípus pályaszerkezeti követelményeit értékeli, ezeket a diagramokat használhatja ismert altalaj CBR-rel annak meghatározására, hogy a meglévő burkolatvastagság megfelelő-e.
A kritikus szempont a repülőtéri pályaszerkezet-tervezésben, hogy a tervezési CBR a legrosszabb üzemszerű állapotot képviseli — jellemzően az altalaj CBR-je az egyensúlyi nedvességtartalom mellett, amely finom szemcséjű talajok esetén 2–5%-kal az optimális nedvességtartalom felett lehet. Az FAA és az ICAO a 4 napos áztatott CBR-t írja elő, mivel bizonyítottan olyan burkolatvastagságokat eredményez, amelyek megfelelőek a hosszú távú teljesítményhez. Nem áztatott CBR-értékeket soha nem szabad repülőtéri pályaszerkezet-tervezéshez használni, mivel nem veszik figyelembe a vízgőzvándorlás, a talajvíz-ingadozások és a repedéseken és hézagokon keresztüli felszíni vízbeszivárgás miatt az át nem eresztő pályaszerkezeti felületek alatt idővel bekövetkező elkerülhetetlen nedvességnövekedést.
A CBR jövője a repülőtéri pályaszerkezet-tervezésben az empirikus módszerekről a mechanisztikus-empirikus (M-E) tervezési módszerekre való áttéréssel együtt fejlődik. Az FAA FAARFIELD szoftvere ma már rétegzett rugalmas analízist használ közvetlen Mr-bevitellel, és a jelenleg fejlesztés alatt álló Airport Pavement M-E Design Guide tovább finomítja majd a CBR szerepét bemeneti paraméterként. A CBR azonban valószínűleg nem fog teljesen eltűnni — a CBR-vizsgálati eredmények hatalmas meglévő adatbázisa, a vizsgálat egyszerűsége és alacsony költsége, valamint az ICAO-ban és a nemzeti szabványokban való folyamatos előírása biztosítja, hogy a CBR a repülőtéri pályaszerkezet-tervezés sarokköve maradjon az elkövetkező évtizedekben.
A pontos CBR-értékelés alapvető fontosságú a biztonságos és költséghatékony pályaszerkezet-tervezéshez. Fejlett geotechnikai vizsgálati szolgáltatásaink pontos altalaj-szilárdsági adatokat biztosítanak repülőtéri pályaszerkezet-projektekhez világszerte.
A reziliens modulusz (Mr) az altalaj talaj vagy kötőanyag nélküli pályaszerkezeti anyagok dinamikus rugalmassági modulusza ismétlődő (ciklikus) terhelés alatt, ...
A híd tervezési terhelésének meghatározása azt a biztonságos hasznos teherbíró képességet állapítja meg, amelyet kapacitástényezőként (RF) vagy metrikus tonnata...
A tartókábelek nagy szilárdságú acél húzóelemek, amelyek a kábelhíd pillérét kötik össze a pályaszerkezettel, elsődleges teherviselő utat képezve. A kábel állap...
