Co to jest podbudowa zasadnicza w konstrukcjach nawierzchni?

Definicja

Podbudowa zasadnicza to warstwa nawierzchni pod warstwą ścieralną, która rozkłada obciążenia kół na podbudowę pomocniczą lub podłoże gruntowe. AC 150/5320-6G wymienia cztery części konstrukcji nawierzchni: warstwę ścieralną, podbudowę zasadniczą, podbudowę pomocniczą i podłoże gruntowe (1.6).

Funkcja zależy od typu nawierzchni:

• Nawierzchnia podatna. Podbudowa jest głównym elementem konstrukcyjnym. Rozkłada obciążenie kół na podbudowę pomocniczą lub podłoże (AC 150/5380-6C, 2.2.1).
• Nawierzchnia sztywna. Podbudowa zapewnia płytom betonowym równomierne, stabilne podparcie (AC 150/5320-6G, 3.16.3.1). Kontroluje też działanie mrozu, wspomaga odwodnienie, ogranicza pęcznienie podłoża i zapobiega pompowaniu gruntów drobnoziarnistych (AC 150/5380-6C, 2.2.2).

Pavement Interactive opisuje tę samą warstwę dla autostrad. Mówi, że podbudowa zasadnicza leży bezpośrednio pod warstwą nawierzchniową. Dodaje, że rozkłada obciążenie i wspomaga odwodnienie oraz odporność na mróz.

Podbudowa to nie podbudowa pomocnicza. Podbudowa pomocnicza leży między podbudową zasadniczą a podłożem. AC 150/5380-6C mówi, że działa podobnie jak podbudowa, ale jej wymagania materiałowe są mniej rygorystyczne, bo przenosi mniejsze naprężenia. Stosuje się ją tam, gdzie przemarzanie jest silne albo podłoże jest słabe. W nawierzchni podatnej AC 150/5320-6G wymaga podbudowy pomocniczej na podłożu o CBR poniżej 20 (3.15.5.1). Szczegóły są w haśle o podbudowie pomocniczej.

Rodzaje podbudowy

FAA dzieli podbudowy na dwie klasy (AC 150/5320-6G, 1.6 i Tabela 1-1).

• Podbudowa niezwiązana. Kruszywo łamane i niełamane, na przykład pozycje P-208 i P-209.
• Podbudowa stabilizowana. Kruszywo ustabilizowane cementem lub asfaltem. Są to pozycje P-401 i P-403 (asfalt), P-304 (kruszywo stabilizowane cementem), P-306 (chudy beton), P-307 (przepuszczalna podbudowa stabilizowana cementem) i P-407 (przepuszczalna podbudowa stabilizowana asfaltem).

AC zaleca ostrożność przy P-304, P-306 i P-307, ponieważ wszystkie trzy są podatne na pęknięcia odbite. Wymaga podbudowy stabilizowanej, gdy rozkład ruchu projektowego obejmuje statki powietrzne o masie 100 000 lb (45 360 kg) lub większej (3.5).

W nawierzchni podatnej standardową podbudową z kruszywa jest P-209. Jako podbudowę P-208 stosuje się tylko w nawierzchniach projektowanych na 60 000 lb (27 200 kg) lub mniej (Tabela 1-1, uwaga 5). Pozycje P-210, P-212 i P-213 mają ten sam limit (3.15.4.4). Pozycje P-207 i P-219 wymagają badań laboratoryjnych. Jeśli CBR jest większe niż 80, P-207 lub P-219 może zastąpić P-209. Jeśli jest większe niż 60, którakolwiek z nich może zastąpić P-208 (Tabela 3-3, uwaga 6 i 3.15.4.6).

Materiały podbudowy z kruszywa

Podbudowa z kruszywa to czyste, zdrowe i trwałe ziarna tłucznia lub łamanego żwiru z drobnym kruszywem. P-208 może też zawierać inny zmieszany materiał, na przykład piasek i przesiewki. Musi być wolna od grudek iłu, materii organicznej i innych szkodliwych powłok (AC 150/5370-10H, 208-2.1 i 209-2.1).

Uziarnienie P-209 ma te limity. 100 procent przechodzi przez sito 2 in (50 mm). 55 do 85 procent przechodzi przez sito 3/4 in (19 mm). 30 do 60 procent przechodzi przez sito nr 4 (4,75 mm). Obie pozycje ograniczają drobne frakcje. Frakcja nr 200 (75 µm) nie może przekraczać dwóch trzecich frakcji nr 40 (425 µm). Dla materiału nieulegającego przemarzaniu maksymalny udział przechodzący przez sito nr 200 spada do 0 do 5 procent. Tam, gdzie przemarzanie sięga głęboko, specyfikacja zaleca warstwę rozdzielającą filtracyjną albo geosyntetyczną.

To samo słowo nie oznacza tego samego materiału na drodze gruntowej. Podręcznik Gravel Roads Maintenance and Design Manual mówi, że żwir podbudowy ma większy kamień maksymalny i bardzo mało drobnych cząstek plastycznych. Daje to wytrzymałość i odwodnienie. Żwir powierzchniowy potrzebuje więcej drobnych cząstek, aby związać powierzchnię. W przykładowej specyfikacji stanowej podręcznika żwir podbudowy ma od 3 do 12 procent drobnych cząstek i wskaźnik plastyczności od 0 do 6. Podręcznik mówi, że jeden żwir zwykle nadaje się do jednego z tych celów, ale nie do obu.

Podbudowy cementowane i asfaltowe

Podbudowa cementowana (pozycja P-304) to kruszywo zmieszane z cementem i wodą. Projekt mieszanki używa zawartości cementu, która daje wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach od 300 do 600 psi (2 068 do 3 447 kPa) według ASTM D1633. FAA mówi, by unikać wyższych wytrzymałości, bo powodują skurcz i pęknięcia odbite (304-3.2). Kruszywo grube ma maksymalną stratę w badaniu ścieralności Los Angeles 40 procent. Drobne kruszywo ma granicę płynności 25 lub mniej i wskaźnik plastyczności nie większy niż 6 (304-2.1). Pozycja P-306, chudy beton, ma wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach od 500 do 800 psi (3 445 do 5 516 kPa). FAA nie zaleca P-306 w konstrukcjach nawierzchni podatnych.

Podbudowa asfaltowa używa gorącej mieszanki asfaltowej P-401 lub P-403. Tabela 3-3 FAA ustala minimalną grubość 5 in (125 mm) dla podbudowy stabilizowanej pod nawierzchniami dla statków o masie 100 000 lb lub większej. Standardową podbudową stabilizowaną FAA jest P-401 albo P-403, a FAARFIELD przyjmuje dla niej stały moduł 400 000 psi (2 760 MPa) (3.15.4.7). P-401, tabela 5, ustala niższy limit gęstości maty dla podbudowy niż dla warstwy nawierzchniowej. Wynosi on 92,0 procent wobec 92,8 procent. Gdy P-403 pełni rolę podbudowy stabilizowanej pod nawierzchnią betonową (P-501), specyfikacja wymaga przekładki rozdzielającej (bond breaker). Pavement Interactive mówi, że mieszanka podbudowy HMA zwykle ma większy największy wymiar kruszywa niż mieszanka warstwy nawierzchniowej. Jest bardziej otwarto uziarniona i ma luźniejsze specyfikacje.

FAA dopuszcza w niektórych przypadkach zastąpienie podbudowy stabilizowanej lepszym materiałem. Materiał musi wykazać CBR po przeformowaniu i nasyceniu wynoszący 100 lub więcej oraz sprawdzoną historię pracy pod podobnymi obciążeniami i w podobnym klimacie. Minimalna grubość zamiennika wynosi 6 in (150 mm). Podbudowa pod podbudową stabilizowaną powinna mieć CBR po przeformowaniu i nasyceniu co najmniej 35 (3.5).

Grubość, zagęszczenie i wytrzymałość

AC 150/5320-6G ustala minimalne grubości warstw według najcięższego statku (Tabele 3-3 i 3-4). Dla statków o masie 60 000 lb lub większej nawierzchnia podatna potrzebuje podbudowy z kruszywa łamanego o grubości co najmniej 6 in (150 mm). Podbudowa stabilizowana ma co najmniej 5 in (125 mm) dla statków o masie 100 000 lb lub większej. FAARFIELD oblicza też grubość podbudowy chroniącej warstwę o kalifornijskim wskaźniku nośności (CBR) równym 20. Wartością projektową jest większa z obu tych wartości (3.15.4.9). Podbudowa może być wykonana na szerokość do 12 in (300 mm) szerszą od asfaltowej warstwy nawierzchniowej (3.15.4.10).

P-208 buduje podbudowę w warstwach o grubości po zagęszczeniu od 4 do 12 in (100 do 300 mm). Grubość warstwy ustala pas kontrolny (208-3.1, 208-3.4). Tekst wzorcowej specyfikacji podaje zagęszczenie w terenie co najmniej 100% maksymalnej gęstości. Wilgotność mieści się w granicach 2 punktów procentowych od wilgotności optymalnej (208-3.5).

AC mówi, by stosować ASTM D698 dla obszarów przeznaczonych dla statków o masie 60 000 lb lub mniejszej. Dla cięższych statków stosuje się ASTM D1557 (3.15.4.8.5). Pozycja P-304 ma w tekście wzorcowym zagęszczenie co najmniej 98 procent. Zagęszczenie kończy się w ciągu 2 godzin od rozpoczęcia mieszania (304-5.7).

Powierzchnia gotowej podbudowy P-209 nie może odchylać się o więcej niż 3/8 in (9 mm) pod łatą o długości 12 ft (3,7 m) (209-3.8). Ekipa układa materiał tylko wtedy, gdy temperatura powietrza wynosi co najmniej 40 °F (4 °C) i rośnie. Podłoże lub podbudowa pomocnicza nie mogą być mokre ani zamarznięte (209-3.6).

Woda i zanieczyszczenia

Drobne frakcje z podłoża mogą zanieczyścić podbudowę lub podbudowę pomocniczą i zmniejszyć ich nośność. Warstwa separacyjna z geosyntetyku to ogranicza (AC 150/5320-6G, 3.6).

AC zaleca warstwy drenażowe dla nawierzchni obsługujących statki o masie powyżej 60 000 lb. Nadają się na obszary z nadmiarem wilgoci podpowierzchniowej i przepuszczalnością gruntu poniżej 20 ft/dzień (6 m/dzień). Skuteczna warstwa odprowadza 85% wody w ciągu 24 godzin dla dróg startowych i dróg kołowania, a w ciągu 10 dni dla płyt postojowych. Przepuszczalność od 500 do 1 500 ft/dzień może być stosowana bez obliczeń (3.7).

Podbudowa a inspekcja

Podbudowa leży pod nawierzchnią, więc inspektor widzi jej skutki. W nawierzchniach podatnych osłabienie podbudowy, podbudowy pomocniczej lub podłoża przez wodę jest jedną z głównych przyczyn zniszczenia (AC 150/5380-6C, 2.3). W nawierzchniach betonowych pompowanie wyrzuca wodę i podłoże przez złącza i pęknięcia. Powoduje to postępującą utratę podparcia nawierzchni (AC 150/5380-6C, 3.2.2 oraz instrukcja PAVER, Pompowanie 69). AC 150/5380-6C wiąże pęknięcia narożne z utratą podparcia, którą może spowodować pompowanie (3.2.2).

Oceniając podbudowę, inżynierowie stosują te badania:

• FWD lub HWD. Dane z ugięć dają sztywność każdej warstwy metodą odwrotną (AC 150/5320-6G, C.5.3).
• Rdzenie lub GPR. Dają grubość warstw. GPR wykrywa też nadmiar wody i może wskazać pustki (C.4.1, E.1).
• DCP. Szacuje sztywność podbudowy, podbudowy pomocniczej i podłoża (D.1).

Stan wizualny ocenia się zwykle według ASTM D5340, czyli badania PCI dla lotnisk (C.4.1). AC 150/5320-6G mówi, że badanie ugięć ocenia stan konstrukcyjny, a do stanu wizualnego potrzebne są inne metody. Przegląd dronem może zarejestrować objawy powierzchniowe słabej podbudowy, ale nie mierzy samej podbudowy.

Kiedy podbudowę się wymienia

AC 150/5320-6G nazywa usunięcie i wymianę dowolnej warstwy konstrukcyjnej pod warstwą nawierzchniową przebudową. W nawierzchni podatnej obejmuje to podbudowę pomocniczą, podbudowę zasadniczą i podbudowę stabilizowaną (4.4). Frezowanie i nakładka warstwy nawierzchniowej to natomiast rehabilitacja.