California Bearing Ratio (CBR) w projektowaniu nawierzchni lotniskowych

California Bearing Ratio (CBR) — Definicja i historia

California Bearing Ratio (CBR) to standaryzowany test penetracyjny, który określa ilościowo wytrzymałość na ścinanie i nośność gruntów podłoża, podbudowy pomocniczej i materiałów warstwy nośnej stosowanych w budowie nawierzchni. Wynik badania wyrażany jest jako procent — stosunek siły wymaganej do wciśnięcia cylindrycznego tłoka w badany materiał z określoną prędkością, w porównaniu z siłą wymaganą do osiągnięcia takiego samego zagłębienia w standardowej próbce wysokiej jakości kruszywa łamanego. Z definicji, standardowe kruszywo łamane ma CBR równe 100%.

Badanie CBR zostało opracowane w latach 1928–1929 przez O.J. Portera, inżyniera materiałowego i badawczego w California Division of Highways (obecnie Caltrans). Porter otrzymał zadanie opracowania racjonalnej metody określania grubości warstw nawierzchni wymaganej do zapobiegania zniszczeniu podłoża pod wpływem rosnących obciążeń ruchem. Jego podejście było elegancko proste: zmierzyć opór gruntu na penetrację małym tłokiem w kontrolowanych warunkach i wyrazić ten opór w stosunku do stabilnego, dobrze poznanego materiału referencyjnego — kruszywa łamanego. Oryginalny aparat wykorzystywał tłok o polu przekroju poprzecznego 3 cali kwadratowych (19,4 cm²), wciskany z prędkością penetracji 0,05 cala na minutę (1,27 mm/min). Standardowa siła referencyjna została ustalona na 1000 psi przy 0,1 cala penetracji — opór wykazywany przez dobrze uziarnione, wysokiej jakości kruszywo łamane.

Test Portera szybko zyskał akceptację w Kalifornii i zaczął rozprzestrzeniać się do innych stanowych departamentów dróg w latach 30. XX wieku. Krytyczny punkt zwrotny dla CBR nastąpił podczas II wojny światowej. Amerykański Korpus Inżynieryjny (USACE) otrzymał zadanie szybkiej budowy wojskowych lotnisk na zróżnicowanym terenie — od dżungli Pacyfiku po pustynie Afryki Północnej — w celu wsparcia alianckiej kampanii powietrznej. Korpus zgromadził zespół obejmujący Portera, Arthura Casagrande’a, Donalda Middlebrooksa i Roya Bertrama w celu opracowania praktycznej metody projektowania nawierzchni lotniskowych, które mogłyby wytrzymać duże obciążenia kół bombowców B-17 Flying Fortress (masa całkowita około 60 000 funtów, czyli 27 200 kg). Zespół przyjął badanie CBR Portera jako podstawę metody projektowej, ekstrapolując oryginalne krzywe projektowe dla dróg na obciążenia lotnicze poprzez serię przyspieszonych testów ruchowych.

Badania USACE zaowocowały pierwszymi kompleksowymi krzywymi projektowymi CBR dla nawierzchni lotniskowych, opublikowanymi w 1944 roku jako Technical Memorandum No. 213-1. Krzywe te odnosiły wartość CBR podłoża, obciążenie koła statku powietrznego, ciśnienie w oponie i liczbę przyłożeń obciążenia do wymaganej grubości nawierzchni. Metoda projektowa została zweryfikowana poprzez pełnowymiarowe przyspieszone testy ruchowe z użyciem rzeczywistych statków powietrznych i ciężkich pojazdów wojskowych, co wykazało, że nawierzchnie zaprojektowane metodą CBR zachowują się zgodnie z przewidywaniami pod powtarzalnym obciążeniem. Prace USACE rozszerzyły metodę CBR z obciążeń drogowych (obciążenia kół 5 000 do 10 000 funtów) na obciążenia lotnicze sięgające 60 000 funtów na koło — wzrost o rząd wielkości wymagający ekstrapolacji oryginalnych krzywych Portera. Kolejne przyspieszone testy ruchowe w USACE Waterways Experiment Station (WES) w Vicksburgu w stanie Missisipi zweryfikowały krzywe projektowe dla obciążeń kół statków powietrznych do 200 000 funtów, potwierdzając fundamentalną poprawność podejścia CBR.

Po II wojnie światowej badanie CBR zostało sformalizowane jako standardowa metoda badawcza przez American Society for Testing and Materials (ASTM) jako ASTM D1883 oraz przez American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) jako AASHTO T193. Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego (ICAO) przyjęła metodę CBR do projektowania nawierzchni lotniskowych w swoim Aerodrome Design Manual — Part 3, Pavements (ICAO Doc 9157), a Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) włączyła CBR do swojego okólnika Advisory Circular 150/5320 dotyczącego projektowania nawierzchni lotniskowych. Pomimo opracowania bardziej zaawansowanych metod mechanistyczno-empirycznych — w tym warstwowej analizy sprężystej (LEA) stosowanej w oprogramowaniu FAARFIELD FAA od 2009 roku — CBR pozostaje podstawowym parametrem wejściowym do charakteryzacji wytrzymałości podłoża w praktycznie wszystkich normach projektowania nawierzchni na świecie.

Procedura badania CBR — ASTM D1883 i AASHTO T193

Procedura badania CBR jest rygorystycznie zdefiniowana w ASTM D1883 (Standardowa metoda badania California Bearing Ratio gruntów zagęszczonych w laboratorium) oraz AASHTO T193 (California Bearing Ratio). Obie normy są technicznie równoważne z niewielkimi różnicami proceduralnymi. Badanie wykonuje się na próbkach gruntu zagęszczonych w standardowej cylindrycznej formie przy określonej wilgotności i gęstości, a następnie poddaje się je penetracji standardowym tłokiem. Pełna procedura obejmuje następujące kolejne etapy:

Przygotowanie próbki rozpoczyna się od wysuszenia gruntu na powietrzu i przesiania go przez sito 19,0 mm (3/4 cala) w celu usunięcia zbyt dużych cząstek. Materiał zatrzymany na sicie 19,0 mm zastępuje się równą masą materiału przechodzącego przez sito, ale zatrzymanego na sicie 4,75 mm (nr 4), co zapewnia reprezentatywność uziarnienia próbki. Optymalna wilgotność zagęszczania (OMC) i maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (MDD) są określane przy użyciu zagęszczania ASTM D698 (Standard Proctor) — młotek 5,5 funta zrzucany z 12 cali, trzy warstwy i 25 uderzeń na warstwę, chyba że materiał wymaga zmodyfikowanego zagęszczania Proctora (ASTM D1557, młotek 10 funtów, zrzut 18 cali) dla zastosowań wymagających większej gęstości, takich jak warstwy nośne lotnisk.

Próbkę miesza się z odpowiednią ilością wody, aby osiągnąć docelową wilgotność — zazwyczaj OMC ± 1% dla warunków projektowych. Wilgotny grunt umieszcza się w szczelnym pojemniku i pozostawia do dojrzewania na minimum 16 godzin (przez noc) w celu zapewnienia równomiernego rozprowadzenia wilgoci w całej próbce. W przypadku materiałów warstwy nośnej i niezwiązanych kruszyw czas dojrzewania można skrócić do 1 do 3 godzin, zgodnie z planem kontroli jakości projektu.

Zagęszczanie wykonuje się w standardowej formie CBR — cylindrycznym stalowym pojemniku o średnicy 152,4 mm (6,0 cala) i wysokości 177,8 mm (7,0 cala), z wyjmowanym pierścieniem nadstawkowym umożliwiającym zagęszczenie do wysokości próbki około 127 mm (5,0 cala) po zdjęciu pierścienia i przycięciu próbki równo z górną krawędzią formy. Forma zawiera perforowaną płytę podstawy umożliwiającą drenaż podczas nasiąkania oraz krążek dystansowy (o grubości około 61,3 mm lub 2,42 cala) umieszczony na dnie podczas zagęszczania w celu utworzenia pustki pod próbką do późniejszego pomiaru pęcznienia.

Zagęszczona próbka jest zagęszczana w pięciu równych warstwach, z których każda otrzymuje 55 uderzeń młotka zagęszczającego 5,5 funta (2,5 kg) zrzucanego z wysokości 304,8 mm (12 cali), przykładanych równomiernie na powierzchnię formy (Standard Proctor). W przypadku materiałów wymagających zmodyfikowanego zagęszczania Proctora, próbkę zagęszcza się w pięciu warstwach po 56 uderzeń na warstwę przy użyciu młotka 10 funtów (4,54 kg) zrzucanego z 457 mm (18 cali). Wysokość zagęszczonej próbki po przycięciu powinna wynosić 127 ± 2,5 mm (5,0 ± 0,1 cala).

Nasiąkanie jest najbardziej krytyczną fazą badania CBR dla projektowania nawierzchni. Po zagęszczeniu zestaw formy (wraz z perforowaną płytą podstawy i bibułą filtracyjną) umieszcza się w zbiorniku z wodą, a na górze próbki umieszcza się obciążenie 4,54 kg (10 funtów) symulujące ciśnienie nadkładu od leżących powyżej warstw nawierzchni. Obciążenie zapewnia stabilność próbki podczas nasiąkania i reprezentuje ciśnienie ograniczające, jakie podłoże będzie doświadczać pod rzeczywistą konstrukcją nawierzchni. Do zbiornika dopuszcza się wodę, aby zanurzyć próbkę na głębokość około 25 mm (1 cal) powyżej górnej powierzchni.

Próbkę pozostawia się do nasiąkania na 96 godzin (4 dni) — czas trwania ustalony na podstawie dziesięcioleci doświadczeń korelujących 4-dniowe nasiąkliwe wartości CBR z terenową wydajnością nawierzchni. Podczas nasiąkania wykonuje się pomiary pęcznienia za pomocą płyty pomiarowej i zestawu czujników zegarowych. Pęcznienie to pionowe rozszerzanie się gruntu spowodowane absorpcją wody, wyrażone jako procent początkowej wysokości próbki. Wysoki potencjał pęcznienia wskazuje, że podłoże może ulegać znacznym zmianom objętości pod wpływem wody, prowadząc do wybrzuszeń i uszkodzeń nawierzchni. Dla iłów ekspansywnych pęcznienie rzędu 5% do 15% nie jest niczym niezwykłym i wymagane są specjalne środki projektowe (stabilizacja wapnem, bariery wilgotnościowe lub nadmierne wybranie) w celu ograniczenia uszkodzeń nawierzchni.

Badanie penetracyjne przeprowadza się natychmiast po nasiąkaniu. Zestaw formy wyjmuje się ze zbiornika z wodą i pozostawia do odsączenia na 15 minut. Próbkę umieszcza się w prasie wytrzymałościowej (ramie obciążeniowej) o udźwigu co najmniej 50 kN (11 200 funtów). Tłok penetracyjny — o średnicy 49,63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005 cala), co daje pole przekroju poprzecznego 1935 mm² (3,0 cala kwadratowe) — ustawia się w środku powierzchni próbki. Tłok musi być czysty i wolny od cząstek gruntu, aby zapewnić równomierny docisk do próbki. Wokół tłoka umieszcza się na próbce pierścieniowe obciążenie 4,54 kg (10 funtów) — identyczne z obciążeniem używanym podczas nasiąkania — w celu utrzymania stanu ograniczenia.

Tłok wciska się w próbkę ze stałą prędkością 1,27 mm/min (0,05 cala/min) — ta precyzyjna prędkość penetracji zapewnia, że badanie mierzy wytrzymałość gruntu na ścinanie w warunkach nieodwodnionych przy quasi-statycznym obciążeniu, przybliżając prędkość, z jaką obciążenia ruchem są przykładane do podłoża. Odczytów siły (obciążenia) dokonuje się przy przyrostach penetracji co 0,25 mm (0,01 cala) aż do całkowitej penetracji co najmniej 12,7 mm (0,5 cala). Maksymalna osiągnięta penetracja jest zazwyczaj ograniczona do 12,7 mm, chyba że materiał jest wyjątkowo wytrzymały — wówczas badanie można kontynuować do 17,8 mm (0,7 cala).

Siły standardowe dla referencyjnego materiału z kruszywa łamanego są zestawione w tabelach zarówno w ASTM D1883, jak i AASHTO T193. Standardowa siła przy penetracji 2,54 mm (0,1 cala) wynosi 13,34 kN (3000 lbf), a przy penetracji 5,08 mm (0,2 cala) wynosi 20,02 kN (4500 lbf). Wartości te reprezentują siłę wymaganą do wciśnięcia standardowego tłoka w wysokiej jakości kruszywo łamane na odpowiednie głębokości penetracji.

Krzywa penetracji CBR

Zależność między przyłożoną siłą a głębokością penetracji jest wykreślana w celu uzyskania krzywej penetracji CBR (krzywej siła-penetracja). Krzywa ta stanowi podstawowe wyjście danych z badania CBR i musi być dokładnie analizowana w celu określenia prawidłowej wartości CBR.

W idealnych warunkach krzywa siła-penetracja jest gładka, stopniowo narastająca i przechodzi przez początek układu współrzędnych (zero siły przy zerowej penetracji). Jednak wiele gruntów — szczególnie zagęszczone grunty spoiste i materiały ziarniste o wysokiej gęstości zagęszczenia — daje krzywe o początkowym wklęsłym w dół kształcie w pobliżu początku układu, co wskazuje, że osadzenie tłoka lub zagęszczenie nierówności powierzchni sztucznie zwiększyło początkowy nachylenie. W takich przypadkach wymagana jest korekta początku krzywej.

Procedura korekty polega na poprowadzeniu linii stycznej do najstromszej części krzywej siła-penetracja (zazwyczaj między 1,0 mm a 3,0 mm penetracji). Wyznacza się punkt przecięcia tej stycznej z osią zerowej siły. Jeśli to przecięcie występuje przy penetracji większej niż zero (tzn. styczna nie przechodzi przez początek układu), całą krzywą przesuwa się poziomo tak, aby styczna przechodziła przez początek układu. Korekta ta skutecznie usuwa początkowy błąd osadzenia i zapewnia, że obliczenia CBR opierają się na rzeczywistym zachowaniu oporowym gruntu.

Po korekcie krzywej (jeśli wymagana) wartości siły przy penetracjach 2,54 mm i 5,08 mm odczytuje się bezpośrednio z poprawionej krzywej. CBR oblicza się dla każdej głębokości penetracji według następującego wzoru:

CBR (%) = (siła zmierzona / siła standardowa) × 100

Dla penetracji 2,54 mm: CBR₂.₅₄ = (F₂.₅₄ / 13,34 kN) × 100

Dla penetracji 5,08 mm: CBR₅.₀₈ = (F₅.₀₈ / 20,02 kN) × 100

Zgłaszana wartość CBR to wyższa z dwóch obliczonych wartości. W praktycznie wszystkich przypadkach, gdy badanie zostało wykonane prawidłowo, a korekta krzywej została właściwie zastosowana, CBR przy penetracji 2,54 mm jest wartością decydującą — oznacza to, że daje wyższą wartość. Jeśli CBR przy penetracji 5,08 mm jest wyższe niż przy 2,54 mm, badanie należy zbadać pod kątem błędów proceduralnych, anomalii materiałowych lub konieczności dodatkowej korekty krzywej.

Krzywa penetracji dostarcza również informacji jakościowych o zachowaniu gruntu. Stroma, szybko rosnąca krzywa wskazuje na wysoki moduł i wytrzymałość — typowe dla dobrze uziarnionych materiałów ziarnistych, kruszywa łamanego i gruntów stabilizowanych cementem. Płaska, wolno rosnąca krzywa wskazuje na niski moduł i wytrzymałość — typowe dla nasyconych iłów, mułów i gruntów organicznych. Kształt krzywej między 0 a 5,08 mm penetracji jest szczególnie pouczający, ponieważ odzwierciedla sztywność materiału przy poziomach odkształcenia istotnych dla projektowania nawierzchni.

Do badań kontroli jakości podczas budowy pełne badanie penetracyjne do 12,7 mm może nie być wymagane. ASTM D1883 dopuszcza uproszczoną procedurę dla rutynowych badań QC: badanie wykonuje się tylko do penetracji 5,08 mm (0,2 cala), a CBR oblicza się przy użyciu sił standardowych przy 2,54 mm i 5,08 mm, jak opisano powyżej. To usprawnione podejście skraca czas badania, jednocześnie dostarczając odpowiednich danych do codziennej kontroli budowy.

Nasiąkliwy vs nienasiąkliwy CBR

Wybór między nasiąkliwym a nienasiąkliwym badaniem CBR jest jedną z najważniejszych decyzji w projektowaniu nawierzchni, ponieważ bezpośrednio wpływa na projektową grubość i długoterminową wydajność konstrukcji nawierzchni.

Nasiąkliwe badanie CBR poddaje zagęszczoną próbkę 96-godzinnemu (4 dni) zanurzeniu w wodzie przed badaniem penetracyjnym. Próbka jest zanurzona pod około 25 mm (1 cal) wody z obciążeniem 4,54 kg (10 funtów) na powierzchni. Podczas nasiąkania próbka absorbuje wodę, ciśnienia porowe ulegają wyrównaniu, a grunt może ulec zmiękczeniu, pęcznieniu lub obu tym procesom. Nasiąkliwy CBR reprezentuje najgorsze warunki wilgotnościowe w terenie — zazwyczaj występujące po przedłużających się opadach deszczu, podniesieniu się poziomu wód gruntowych lub utracie integralności uszczelnienia powierzchni w wyniku pękania nawierzchni. W projektowaniu nawierzchni nasiąkliwy CBR jest powszechnie określany jako projektowa wartość CBR do określania grubości nowych konstrukcji nawierzchni. To konserwatywne podejście zapewnia, że nawierzchnia będzie zapewniać odpowiednie wsparcie konstrukcyjne nawet wtedy, gdy podłoże jest w najsłabszym stanie eksploatacyjnym.

Pomiar pęcznienia wykonywany podczas nasiąkania dostarcza krytycznych danych do projektowania nawierzchni. Pęcznienie mierzy się za pomocą czujnika zegarowego lub liniowego przetwornika zmiennego różnicowego (LVDT) przymocowanego do górnej płyty obciążającej. Procent pęcznienia oblicza się według wzoru:

Pęcznienie (%) = (zmiana wysokości próbki / początkowa wysokość próbki) × 100

Dla silnie ekspansywnych iłów (CH, MH wg USCS) pęcznienie rzędu 5% do 15% jest powszechne. Gdy pęcznienie przekracza 2%, wymagane są specjalne środki projektowe: stabilizacja wapnem w celu zmniejszenia potencjału pęcznienia; bariery wilgotnościowe zapobiegające wnikaniu wody; wybranie i zastąpienie materiałem nieekspansywnym; lub grubsze sekcje nawierzchni w celu wywarcia większego ciśnienia nadkładu tłumiącego pęcznienie. FAA AC 150/5320-6G określa, że podłoża gruntowe o pęcznieniu przekraczającym 2% wymagają specjalnych środków zaradczych przed budową nawierzchni.

Nienasiąkliwe badanie CBR wykonuje się bezpośrednio po zagęszczeniu bez zanurzenia w wodzie. Próbkę bada się penetracyjnie przy jej wilgotności zagęszczenia. Nienasiąkliwe wartości CBR są zawsze wyższe lub równe nasiąkliwym wartościom CBR, ponieważ absorpcja wody osłabia strukturę gruntu poprzez kilka mechanizmów: (1) rozwój ciśnienia porowego zmniejsza efektywne naprężenie i wytrzymałość na ścinanie; (2) minerały ilaste absorbują wodę, zwiększając odległości międzycząsteczkowe i zmniejszając kohezję; (3) wiązania cementacyjne w stabilizowanych gruntach mogą być osłabione przez wnikającą wodę; oraz (4) materiały ziarniste tracą pozorną kohezję, gdy frakcja drobna ulega nasyceniu.

Współczynnik utraty wytrzymałości — stosunek nasiąkliwego CBR do nienasiąkliwego CBR — jest użytecznym wskaźnikiem wrażliwości gruntu na wilgoć. Dobrze uziarnione piaski i żwiry (SW, GW) mogą mieć współczynniki utraty wytrzymałości od 0,85 do 0,95, tracąc tylko 5% do 15% swojej wytrzymałości po nasyceniu. Natomiast iły o wysokiej plastyczności (CH) mogą mieć współczynniki utraty wytrzymałości od 0,15 do 0,35 — tracąc 65% do 85% swojej nienasiąkliwej wytrzymałości po nasyceniu. Ta dramatyczna utrata wytrzymałości wyjaśnia, dlaczego podłoża ilaste są znane z niszczenia nawierzchni po przedłużonych okresach wilgotnych i dlaczego badanie nasiąkliwego CBR jest niezbędne w projektowaniu.

California Department of Transportation (Caltrans) — organizacja, która stworzyła badanie CBR — stosuje odmianę nasiąkliwego badania CBR, w którym próbki są zagęszczane przy optymalnej wilgotności i nasiąkane przez 4 dni, ale materiał nie jest zagęszczany przy optymalnej wilgotności do badania nasiąkliwego. Zamiast tego Caltrans stosuje procedurę, w której próbka jest zagęszczana przy wilgotności 2% do 4% powyżej optymalnej do badania nasiąkliwego, symulując stan podłoża, które było poddane akumulacji wilgoci w okresie eksploatacji. Procedura ta daje bardziej konserwatywne projektowe wartości CBR i została przyjęta przez kilka zachodnich stanowych agencji drogowych w USA.

Typowe wartości CBR według typu gruntu

Wartości CBR różnią się diametralnie w całym spektrum typów gruntów, od poniżej 1% dla gruntów organicznych i miękkich iłów do ponad 80% dla wysokiej jakości kruszyw łamanych stosowanych w warstwach nośnych. Zrozumienie typowego zakresu CBR dla każdego typu gruntu jest niezbędne do wstępnego projektowania nawierzchni, identyfikacji problematycznych podłoży w terenie oraz zapewnienia jakości materiałów budowlanych.

System klasyfikacji gruntów Unified Soil Classification System (USCS), określony przez ASTM D2487, zapewnia standardowe ramy do klasyfikacji gruntów i przypisywania im oczekiwanych zakresów CBR. USCS dzieli grunty na gruboziarniste (żwiry i piaski), drobnoziarniste (muły i iły) oraz silnie organiczne (torfy).

Żwiry (grupy G) — grunty, w których ponad 50% pozostaje na sicie nr 4 (4,75 mm) — wykazują najwyższe wartości CBR ze wszystkich naturalnych typów gruntów. Żwir dobrze uziarniony (GW) z dobrym rozkładem wielkości cząstek od 75 mm w dół do drobnego piasku i mułu zazwyczaj daje nasiąkliwe wartości CBR od 40% do 80%. Wysokie CBR wynika z doskonałego zazębienia cząstek, niskiego wskaźnika porowatości i wysokiego kąta tarcia wewnętrznego (φ = 40° do 50°). Żwir źle uziarniony (GP) — żwir o wąskim rozkładzie wielkości cząstek — ma niższe zazębienie cząstek, ale nadal osiąga wartości CBR od 30% do 60%. Żwir pylasty (GM) z zawartością do 12% frakcji drobnej przechodzącej przez sito nr 200 daje CBR od 20% do 50%, podczas gdy żwir gliniasty (GC) może mieć CBR obniżone do 15% do 40% w zależności od plastyczności frakcji ilastej.

Piaski (grupy S) — grunty, w których ponad 50% przechodzi przez sito nr 4, ale ponad 50% pozostaje na sicie nr 200 (75 μm) — dają wartości CBR na ogół niższe niż żwiry, ale wciąż wystarczające dla większości zastosowań podłoża. Piasek dobrze uziarniony (SW) daje nasiąkliwy CBR od 20% do 40%, podczas gdy piasek źle uziarniony (SP) daje 10% do 25%. Piasek pylasty (SM) — piasek z 5% do 12% frakcji drobnej nieplastycznej lub o niskiej plastyczności — generuje CBR od 10% do 20%. Piasek gliniasty (SC) — piasek z plastyczną frakcją drobną — daje CBR od 5% do 15%, przy czym dolna granica odpowiada wyższej plastyczności frakcji drobnej.

Muły (grupy M) — grunty drobnoziarniste o granicy płynności (LL) poniżej 50 i wskaźniku plastyczności (PI) poniżej linii A — wykazują umiarkowane do niskiego CBR. Muł o niskiej plastyczności (ML) — mączka skalna, less lub muł nieorganiczny o LL < 50 — daje nasiąkliwy CBR od 3% do 15%. Muł sprężysty o wysokiej plastyczności (MH) — muł mikowy lub okrzemkowy o LL > 50 — daje CBR od 2% do 8%. Muły są szczególnie problematyczne w projektowaniu nawierzchni, ponieważ są silnie wrażliwe na mróz, wykazując znaczną utratę wytrzymałości podczas wiosennych roztopów, gdy soczewki lodu topnieją i wytwarzają nadmierne ciśnienie wody porowej.

Iły (grupy C) — grunty drobnoziarniste o PI powyżej linii A — dają najniższe wartości CBR z naturalnych gruntów nieorganicznych. Glina o niskiej plastyczności (CL) — LL < 50 — generuje nasiąkliwy CBR od 3% do 10%. Ił o wysokiej plastyczności (CH) — LL > 50 — daje nasiąkliwy CBR od 1% do 5%. CBR iłów jest silnie zależne od wilgotności zagęszczenia: iły zagęszczone 2% do 3% poniżej optymalnej wilgotności mogą mieć znacznie wyższe CBR, ale są podatne na pęcznienie po wniknięciu wilgoci, podczas gdy iły zagęszczone powyżej optymalnej wilgotności mają niższe CBR, ale mniejszy potencjał pęcznienia.

Grunty organiczne (grupy O i torfy) — grunty zawierające materię organiczną — dają najniższe wartości CBR. Muł lub ił organiczny (OL/OH) daje nasiąkliwy CBR od 0,5% do 3%, podczas gdy torf (Pt) może mieć CBR poniżej 0,5%. Materiały te są na ogół nieodpowiednie jako podłoża nawierzchni i wymagają usunięcia i wymiany, ulepszenia podłoża (kolumny kamienne, prefabrykowane dreny pionowe) lub specjalistycznych systemów fundamentowych.

CBR w projektowaniu nawierzchni podatnych — metoda FAA

Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) stosuje metodę CBR jako podstawę projektowania grubości podatnych nawierzchni lotniskowych od lat 60. XX wieku, kiedy opublikowano pierwszy okólnik FAA dotyczący projektowania nawierzchni. Obecna procedura projektowa jest zdefiniowana w FAA Advisory Circular AC 150/5320-6G — Airport Pavement Design and Evaluation, wydanym w czerwcu 2021 roku, który zastępuje wszystkie poprzednie wersje. Projektowanie wykonuje się za pomocą oprogramowania FAARFIELD (FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design) w wersji 2.0, które wykorzystuje teorię warstw sprężystych (LET), a nie tradycyjne krzywe projektowe CBR stosowane we wcześniejszych wersjach (AC 150/5320-6F i wcześniejszych).

Pomimo przejścia na warstwową analizę sprężystą, CBR pozostaje podstawowym parametrem wejściowym do charakteryzacji wytrzymałości podłoża w FAARFIELD. Oprogramowanie udostępnia dwie metody definiowania wytrzymałości podłoża: bezpośrednie wprowadzenie modułu sprężystości (Mr), jeśli dostępne są dane z badań laboratoryjnych, lub estymację Mr z projektowej wartości CBR przy użyciu korelacji Heukeloma i Klompa: Mr (psi) = 1500 × CBR (dla gruntów drobnoziarnistych o CBR ≤ 10). Dla wyższych wartości CBR FAARFIELD wewnętrznie stosuje korelację Powella i in.: Mr (psi) = 2550 × CBR^0,64.

Procedura projektowa FAA dla nawierzchni podatnych z wykorzystaniem FAARFIELD obejmuje następujące etapy:

Krok 1: Określenie projektowego CBR podłoża. Projektową wartość CBR ustala się w ramach programu badań geotechnicznych, który obejmuje wiercenia, pobieranie próbek i laboratoryjne badanie CBR (ASTM D1883, 4-dniowe nasiąkliwe) w reprezentatywnych lokalizacjach wzdłuż planowanego przebiegu nawierzchni. W przypadku projektów dróg startowych i kołowania, odwierty są zazwyczaj rozmieszczone w interwałach co 150 m (500 stóp) wzdłuż linii środkowej i w lokalizacjach krawędziowych, z dodatkowymi odwiertami w obszarach podejrzewanej zmienności podłoża. Uzyskane wartości CBR są wykreślane jako funkcja stacji wzdłuż przebiegu. Projektowe CBR jest wybierane jako wartość 90. do 95. percentyla — co oznacza, że 90% do 95% badanych lokalizacji ma CBR równe lub większe od wartości projektowej. To statystyczne podejście zapewnia, że konstrukcja nawierzchni jest odpowiednia dla większości napotkanych warunków podłoża, przy jednoczesnym zaakceptowaniu, że niewielki procent słabszych obszarów będzie wymagał indywidualnego traktowania (np. nadmierne wybranie i wymiana, stabilizacja lub wzmocnienie geotekstylne).

Krok 2: Określenie projektowego statku powietrznego i ruchu. Nawierzchnia musi być zaprojektowana dla krytycznego statku powietrznego — typu statku powietrznego, który powoduje największe wymagania co do grubości nawierzchni. W przypadku portów lotniczych obsługi komercyjnej, krytycznym statkiem powietrznym jest zazwyczaj najbardziej wymagający typ statku powietrznego, który ma wykonać 500 lub więcej rocznych operacji. Oprogramowanie FAARFIELD akceptuje dane wejściowe obejmujące: typ statku powietrznego (z wbudowanej biblioteki statków powietrznych obejmującej wszystkie typy komercyjne i wojskowe od Cessny 172 po Airbusa A380); roczne poziomy operacji (500, 1500, 5000, 10000, 20000+); i konfigurację podwozia (jednokołowe, dwukołowe, podwójne tandemowe, podwójne tandemowe z podwójnym trójkołowcem, potrójne podwójne tandemowe itp.).

Krok 3: Wprowadzenie właściwości warstw. FAARFIELD wymaga wprowadzenia modułu sprężystości (lub estymacji opartej na CBR) dla każdej warstwy nawierzchni: podłoża (projektowa wartość CBR), podbudowy pomocniczej (zazwyczaj CBR 15 do 30 dla materiałów niezwiązanych lub moduł 100 do 300 MPa dla materiałów związanych), warstwy nośnej (CBR 20 do 80 dla kruszywa niezwiązanego lub moduł 200 do 6900 MPa dla materiałów stabilizowanych) oraz warstwy ścieralnej (moduł 1000 do 3500 MPa w zależności od temperatury, rodzaju lepiszcza asfaltowego i właściwości mieszanki).

Krok 4: Iteracyjne obliczanie grubości. FAARFIELD oblicza krytyczne naprężenia i odkształcenia na granicach między warstwami nawierzchni przy użyciu teorii sprężystości Boussinesqa rozszerzonej dla wielu warstw (rozwiązanie Burmistera). Krytycznymi kryteriami projektowymi dla nawierzchni podatnych są poziome odkształcenie rozciągające na spodzie warstwy ścieralnej (kontrolujące zmęczeniowe pękanie) oraz pionowe odkształcenie ściskające na górze podłoża (kontrolujące koleinowanie podłoża). Oprogramowanie iteracyjnie dostosowuje grubości warstw, aż obliczone odkształcenia przy projektowym poziomie ruchu będą mniejsze niż odkształcenia dopuszczalne. Zależności dopuszczalnych odkształceń opierają się na danych z pełnowymiarowych przyspieszonych badań nawierzchni (APT) z National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) FAA w William J. Hughes Technical Center w Atlantic City w stanie New Jersey.

W przypadku projektów rozwoju lotnisk, gdzie oprogramowanie FAARFIELD nie jest dostępne, FAA udostępnia standardowe krzywe projektowe w dodatkach do AC 150/5320-6G, które odnoszą CBR do wymaganej całkowitej grubości nawierzchni dla różnych typów statków powietrznych i rocznych poziomów operacji. Krzywe te są wyprowadzone z warstwowej analizy sprężystej przy użyciu tych samych kryteriów zniszczenia co FAARFIELD i mogą być stosowane do wstępnego projektowania, weryfikacji projektu oraz projektów, w których oprogramowanie nie jest dostępne.

Warstwa podbudowy pomocniczej w projektowaniu FAA jest zazwyczaj wykonywana z materiału o CBR co najmniej 15. Warstwa nośna (wg pozycji FAA P-208 lub P-209 dla podbudowy z kruszywa lub P-210 dla podbudowy stabilizowanej cementem) musi mieć minimalne CBR 20 dla P-208 i 30 dla P-209, potwierdzone badaniami laboratoryjnymi. Całkowita grubość konstrukcji nawierzchni — obejmująca warstwę ścieralną, nośną i podbudowę pomocniczą — jest określana przez FAARFIELD tak, aby naprężenie pionowe na podłożu nie przekraczało nośności podłoża, która jest funkcją projektowego CBR. Wskaźnik naprężenia podłoża — stosunek naprężenia przyłożonego do nośności podłoża — jest zazwyczaj ograniczony do 0,5 do 0,7 dla nawierzchni podatnych, w zależności od poziomu ruchu i niezawodności.

CBR a klasyfikacja wytrzymałości podłoża

Wartości CBR stanowią podstawę systemów klasyfikacji wytrzymałości podłoża stosowanych przez agencje projektowania nawierzchni na całym świecie. FAA AC 150/5320-6G klasyfikuje wytrzymałość podłoża w czterech kategoriach w oparciu o CBR:

ICAO Aerodrome Design Manual — Part 3 (Doc 9157) stosuje równoważny system klasyfikacji z kategoriami wytrzymałości podłoża bezpośrednio powiązanymi z zakresami CBR dla spójności międzynarodowej. Kategorie są identyczne z systemem FAA: Wysoka (CBR > 15), Średnia (CBR 8 do 15), Niska (CBR 4 do 8) i Ultra-niska (CBR < 4). Klasyfikacja ta jest stosowana nie tylko do projektowania grubości, ale także do wyboru odpowiedniego kodu raportowania PCN (Pavement Classification Number) dla wytrzymałości. W przypadku nawierzchni sztywnych (betonowych) wytrzymałość podłoża klasyfikuje się jako A (Wysoka), B (Średnia), C (Niska) lub D (Ultra-niska) z tymi samymi granicami CBR, wyrażonymi jako efektywny moduł reakcji podłoża (wartość k) dla projektowania nawierzchni betonowych.

Korelacja między CBR a modułem reakcji podłoża (wartość k) dla projektowania nawierzchni sztywnych jest ustalona wzorem:

k (pci) = CBR × 7,5 (przybliżenie, dla podłoży drobnoziarnistych)

Na przykład podłoże o CBR 6 daje k = 45 pci (funtów na cal sześcienny), podczas gdy CBR 15 daje k = 113 pci. Wartość k jest stosowana w projektowaniu grubości nawierzchni sztywnych (betonowych) przy użyciu modułu nawierzchni sztywnych FAARFIELD lub równań naprężeń Westergaarda do projektowania płyt betonowych.

California Department of Transportation (Caltrans) stosuje wartość R (Resistance Value) — znaną również jako Stabilometer R-value — zamiast CBR do projektowania nawierzchni. O ile CBR mierzy opór penetracyjny, wartość R mierzy opór na ciśnienie boczne pod obciążeniem pionowym za pomocą stabilometru Hveema. Ustalono korelację między wartością R a CBR:

CBR = (R + 10) / 2 (przybliżenie, ważne dla zakresu wartości R 0 do 80)

Zatem wartość R 50 odpowiada w przybliżeniu CBR 30, podczas gdy wartość R 10 odpowiada w przybliżeniu CBR 10. Badanie wartości R jest stosowane głównie w zachodnich Stanach Zjednoczonych, podczas gdy CBR jest stosowane we wschodnich Stanach Zjednoczonych i na arenie międzynarodowej.

Amerykański Korpus Inżynieryjny (USACE) klasyfikuje grunty podłoża do projektowania nawierzchni lotniskowych przy użyciu krzywych projektowych CBR opracowanych podczas II wojny światowej i stale udoskonalanych poprzez pełnowymiarowe testy. Grupy klasyfikacyjne USACE dzielą podłoża na Kategorię 1 (CBR > 20) , Kategorię 2 (CBR 10 do 20) , Kategorię 3 (CBR 5 do 10) , Kategorię 4 (CBR 3 do 5) i Kategorię 5 (CBR < 3) . Metoda USACE jest bardziej konserwatywna niż FAA dla ultra-niskich podłoży, wymagając dodatkowych warstw ochronnych, gdy CBR spada poniżej 3.

Korelacje z modułem sprężystości

Moduł sprężystości (Mr) — sztywność sprężysta gruntu pod powtarzalnymi, ruchomymi obciążeniami kół — jest podstawową właściwością materiałową stosowaną w mechanistyczno-empirycznym projektowaniu nawierzchni. O ile CBR mierzy opór gruntu na penetrację przy pojedynczej prędkości obciążania (zasadniczo miara wytrzymałości na ścinanie w warunkach nieodwodnionych), moduł sprężystości mierzy odkształcenie odwracalne (sprężyste) pod obciążeniem cyklicznym — bardziej bezpośrednie odwzorowanie reakcji materiału nawierzchni na ruchome obciążenia ruchem. Zależność między CBR a Mr jest niezbędna, ponieważ większość agencji projektowania nawierzchni ma dziesięciolecia danych z badań CBR, ale coraz częściej stosuje metody mechanistyczno-empiryczne wymagające wprowadzania Mr.

Najczęściej stosowaną korelacją jest wzór Heukeloma i Klompa (1962), opracowany na podstawie obszernej bazy danych badań CBR i cyklicznych badań trójosiowych na drobnoziarnistych gruntach podłoża:

Mr (psi) = 1500 × CBR dla gruntów drobnoziarnistych o CBR ≤ 10

Na przykład:

• CBR 1 → Mr = 1500 psi (10,3 MPa)
• CBR 3 → Mr = 4500 psi (31,0 MPa)
• CBR 5 → Mr = 7500 psi (51,7 MPa)
• CBR 10 → Mr = 15000 psi (103,4 MPa)

Wzór ten jest zawarty w AASHTO Guide for Design of Pavement Structures (1993) i jest domyślną konwersją w oprogramowaniu FAA FAARFIELD dla materiałów podłoża o CBR ≤ 10. Dla wartości CBR powyżej 10, AASHTO zaleca wzór Powella i in. (1984) :

Mr (psi) = 2550 × CBR^0,64

Ta zależność daje:

• CBR 15 → Mr = 13200 psi (91 MPa)
• CBR 20 → Mr = 15950 psi (110 MPa)
• CBR 40 → Mr = 25100 psi (173 MPa)
• CBR 80 → Mr = 38500 psi (265 MPa)

Norma europejska — BS 8006 (Code of Practice for Strengthened/Reinforced Soils and Other Fills) — zaleca korelację Alpana (1970) dla gruntów drobnoziarnistych:

Mr (MPa) = 16 × CBR^0,64 (przybliżenie, przy użyciu Mr w MPa)

Transport and Road Research Laboratory (TRRL) w Wielkiej Brytanii opracowało następującą korelację na podstawie rozległych badań brytyjskich gruntów podłoża:

Mr (MPa) = 17,6 × CBR^0,64

Dla ziarnistych materiałów warstwy nośnej i podbudowy pomocniczej, Mr jest mniej wiarygodnie przewidywane na podstawie CBR, ponieważ materiały ziarniste wykazują sztywność zależną od naprężenia — moduł wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia ograniczającego. Metoda projektowania nawierzchni Shell zaleca:

Mr (psi) = 3000 × CBR^0,50 dla materiałów ziarnistych

*Przy użyciu wzoru Powella i in. dla CBR > 10

FAA przeprowadziła szeroko zakrojone badania korelacji CBR-Mr z wykorzystaniem danych z National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) , gdzie pełnowymiarowe odcinki testowe nawierzchni podatnych o znanych wartościach CBR podłoża były poddawane kontrolowanemu obciążeniu statków powietrznych, podczas gdy odkształcenia podłoża były stale mierzone. Walidacja NAPTF potwierdziła, że zależność Heukeloma i Klompa jest konserwatywna dla podłoży lotniskowych — co oznacza, że grubości nawierzchni zaprojektowane przy użyciu korelacji Mr = 1500 × CBR są zazwyczaj nieco przewymiarowane w porównaniu z wydajnością zmierzoną w NAPTF. Niemniej jednak FAA nadal stosuje korelację Heukeloma i Klompa do projektowania, aby zachować spójność z istniejącym zasobem empirycznych doświadczeń projektowych.

W przypadku krytycznych projektów nawierzchni lotniskowych (duże porty komercyjne obsługujące statki powietrzne kodu E i F), FAA zaleca bezpośrednie badanie Mr zgodnie z AASHTO T307 (Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials) zamiast polegania na korelacjach CBR-Mr. AASHTO T307 poddaje materiał sekwencji cyklicznych obciążeń trójosiowych przy zmiennych ciśnieniach ograniczających i naprężeniach dewiatorowych, bezpośrednio mierząc odwracalne (sprężyste) odkształcenie osiowe. Protokół badania obejmuje 15 sekwencji obciążeń dla materiałów podłoża i 30 sekwencji dla materiałów warstwy nośnej/podbudowy, z których każda stosuje 100 cykli obciążenia z czasem obciążenia 0,1 sekundy i okresem spoczynku 0,9 sekundy. Bezpośrednie badanie Mr zwiększa znacząco koszt — około 500 do 1000 USD za badanie w porównaniu z 75 do 150 USD za standardowe nasiąkliwe badanie CBR — ale dostarcza wartości modułu specyficzne dla warstwy, które optymalizują grubość nawierzchni i zmniejszają ryzyko przedwczesnego zniszczenia.

Terenowe CBR — Dynamiczny penetrometr stożkowy

Dynamiczny penetrometr stożkowy (DCP) to przenośne, szybkie i ekonomiczne urządzenie terenowe, które zapewnia ciągły profil wytrzymałości in-situ gruntów podłoża i niezwiązanych warstw nawierzchni. DCP został pierwotnie opracowany w RPA w latach 50. XX wieku do oceny nawierzchni drogowych i został znormalizowany międzynarodowo jako ASTM D6951 (Standard Test Method for Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Pavement Applications). FAA wyraźnie uznaje badanie DCP jako dopuszczalną alternatywę dla laboratoryjnego badania CBR do oceny podłoża w AC 150/5320-6G Dodatek D.

Standardowy aparat DCP składa się z pręta stalowego o średnicy 16 mm (0,63 cala) z wymienną końcówką stożkową 60 stopni na dolnym końcu oraz młotka suwakowego na górnym końcu. Młotek ma masę 8 kg (17,6 funta) i jest zrzucany z ustalonej wysokości 575 mm (22,6 cala) na kowadło, wbijając stożek w grunt. Rejestruje się głębokość penetracji na uderzenie młotka, a skumulowaną penetrację wykreśla się w funkcji liczby uderzeń. DCP zapewnia ciągły profil wytrzymałości z głębokością — znaczącą przewagę nad laboratoryjnym badaniem CBR, które ocenia materiał tylko przy pojedynczej gęstości i wilgotności.

Korelacja między wskaźnikiem penetracji DCP a CBR jest wyrażona ogólnym wzorem przyjętym przez US Army Corps of Engineers i ASTM D6951:

CBR = 292 / (wskaźnik penetracji DCP)^1,12

Gdzie wskaźnik penetracji DCP (PR) to średnia penetracja w milimetrach na uderzenie (mm/uderzenie) w określonym przedziale głębokości. Na przykład:

• PR = 5 mm/uderzenie → CBR = 292 / 5^1,12 = 292 / 6,74 = CBR 43
• PR = 10 mm/uderzenie → CBR = 292 / 10^1,12 = 292 / 13,77 = CBR 21
• PR = 20 mm/uderzenie → CBR = 292 / 20^1,12 = 292 / 28,11 = CBR 10,4
• PR = 40 mm/uderzenie → CBR = 292 / 40^1,12 = 292 / 57,45 = CBR 5,1
• PR = 100 mm/uderzenie → CBR = 292 / 100^1,12 = 292 / 158,5 = CBR 1,8

Dla różnych typów gruntów opracowano bardziej szczegółowe wzory korelacji poprzez rozległą kalibrację terenową. Transport Research Laboratory (TRL, UK) zaleca wzory specyficzne dla typu gruntu:

• Dla gruntów spoistych (iły, muły — CH, CL, MH, ML): CBR = 3452 / PR² (gdzie PR w mm/uderzenie)
• Dla gruntów ziarnistych (piaski, żwiry — SW, SP, GW, GP): CBR = 1972 / PR^1,65
• Dla iłów o wysokiej plastyczności (CH): CBR = 348 / PR (zależność liniowa)

DCP jest szczególnie cenny w kontroli jakości budowy, gdzie wymagane są szybkie, częste badania. Badanie DCP do głębokości 600 mm (24 cale) — wystarczającej do oceny pełnego profilu podłoża dla większości sekcji nawierzchni lotniskowych — zajmuje około 10 do 15 minut, w porównaniu z 4 do 7 dni dla laboratoryjnego nasiąkliwego badania CBR. Ta szybkość pozwala inżynierowi geotechnikowi lub zespołowi zapewnienia jakości budowy na ocenę kilkudziesięciu lokalizacji badawczych w ciągu jednego dnia, dostarczając danych w czasie rzeczywistym do decyzji budowlanych.

DCP jest również stosowany do badań kryminalistycznych nawierzchni w celu identyfikacji lokalizacji i wielkości słabych warstw w konstrukcji nawierzchni. Na przykład profil DCP przez istniejącą nawierzchnię podatną może ujawnić: wysoki opór penetracji (niski CBR) na powierzchni z powodu lepiszcza asfaltowego lub stabilizacji cementem; umiarkowany opór penetracji przez warstwę nośną i podbudowę pomocniczą (zazwyczaj CBR 30 do 80); oraz niski opór penetracji w podłożu (zazwyczaj CBR 3 do 15). Nagły wzrost wskaźnika penetracji na określonej głębokości wskazuje na słabą warstwę, która może być przyczyną uszkodzenia nawierzchni — taką jak nasycona soczewka ilasta poniżej podłoża piaszczystego lub strefa słabo zagęszczonego nasypu.

FAA (AC 150/5320-6G Dodatek D) udostępnia szczegółowe wytyczne dotyczące badania DCP dla projektów nawierzchni lotniskowych: lokalizacje badawcze powinny być rozmieszczone w maksymalnych odstępach 150 m (500 stóp) wzdłuż linii środkowej nawierzchni, z badaniami przesuniętymi w lokalizacjach poboczy; głębokość badania powinna sięgać co najmniej 1,5 m (5 stóp) poniżej planowanego poziomu podłoża w celu identyfikacji głębszych stref słabych; badaniu DCP powinny towarzyszyć badania wilgotności w celu oceny wpływu nasycenia na wytrzymałość; a wartości CBR uzyskane z DCP powinny być skorelowane z laboratoryjnymi nasiąkliwymi badaniami CBR na reprezentatywnych próbkach w celu kalibracji specyficznej dla projektu.

Ograniczenia badania DCP obejmują: badanie mierzy wytrzymałość przy wilgotności in-situ, która może nie reprezentować warunków projektowych (nasiąkliwych); materiały ziarniste mogą być naruszane przez penetrację stożka, wpływając na zmierzony opór w kolejnych uderzeniach; a stożek może być odchylany lub blokowany przez grube kruszywo lub fragmenty skał, dając błędnie wysokie odczyty CBR. Pomimo tych ograniczeń DCP jest powszechnie uważany za najbardziej praktyczne narzędzie terenowe do oceny wytrzymałości podłoża i jest wymagany przez wiele specyfikacji budowy lotnisk.

CBR w projektowaniu nawierzchni lotniskowych

Stosowanie CBR w projektowaniu nawierzchni lotniskowych jest regulowane przez ICAO Annex 14 — Aerodromes, Tom 1 (Aerodrome Design and Operations) i szczegółowo opisane w ICAO Doc 9157 — Aerodrome Design Manual, Part 3: Pavements. Podręcznik ICAO zawiera kompleksowy przegląd metody projektowej CBR, w tym szczegółowe krzywe projektowe, specyfikacje materiałowe i procedury kontroli jakości dostosowane do zastosowań międzynarodowych.

ICAO Annex 14 definiuje cztery Kategorie wytrzymałości podłoża do projektowania nawierzchni i raportowania PCN:

Kody te są stosowane w systemie raportowania PCN (Pavement Classification Number) — obowiązkowej metodzie ICAO do raportowania wytrzymałości nawierzchni pilotom i operatorom liniom lotniczym. Kod PCN zawiera kategorię wytrzymałości podłoża jako jeden z pięciu elementów kodu, umożliwiając operatorom statków powietrznych dopasowanie obciążeń statków powietrznych (wyrażonych jako Aircraft Classification Number — ACN) do wytrzymałości nawierzchni. Na przykład PCN 65/F/B/W/T oznacza nawierzchnię o PCN 65, nawierzchnię podatną, średnie podłoże (CBR 8-15), brak ograniczenia ciśnienia w oponach i ocenioną metodą analizy technicznej. Kod wytrzymałości podłoża (litera B w tym przykładzie) bezpośrednio odnosi się do klasyfikacji opartej na CBR.

Metoda projektowa ICAO dla nawierzchni podatnych opiera się na empirycznym podejściu opartym na CBR, podobnym do metody dziedzictwa FAA (AC 150/5320-6E i wcześniejszych). Krzywe projektowe odnoszą CBR podłoża, obciążenie statku powietrznego, ciśnienie w oponie i liczbę pokryć (przejazdów) do wymaganej całkowitej grubości nawierzchni nad podłożem. Metoda rozróżnia lekkie statki powietrzne (masa całkowita ≤ 5700 kg lub 12500 funtów) i ciężkie statki powietrzne (masa całkowita > 5700 kg), udostępniając oddzielne krzywe projektowe dla każdej kategorii. Dla lekkich statków powietrznych krzywe projektowe są oparte na obciążeniach pojedynczego koła z ciśnieniem w oponach do 0,7 MPa (100 psi). Dla ciężkich statków powietrznych krzywe uwzględniają konfiguracje podwozia z wieloma kołami (dwukołowe, podwójne tandemowe, podwójne tandemowe z podwójnym trójkołowcem) i ciśnienia w oponach do 1,5 MPa (220 psi).

Procedura projektowa ICAO wymaga następujących danych wejściowych:

• Projektowy statek powietrzny (lub mieszanka typów)
• Obciążenie koła i ciśnienie w oponie projektowego statku powietrznego
• Roczne operacje (lub całkowita liczba pokryć w okresie projektowym)
• CBR podłoża (4-dniowe nasiąkliwe, ASTM D1883)
• Jakość materiałów w każdej warstwie nawierzchni

Projektowa grubość jest następnie odczytywana ze standardowych krzywych lub obliczana przy użyciu równań projektowych ICAO, które są wyprowadzone z zależności CBR USACE z modyfikacjami dla nowoczesnych konfiguracji podwozia statków powietrznych. Minimalna zalecana grubość konstrukcji nawierzchni dla każdej nawierzchni lotniskowej (niezależnie od CBR) wynosi 300 mm (12 cali) dla nawierzchni podatnych i 150 mm (6 cali) dla nawierzchni sztywnych, zapewniając odpowiednią ochronę przed mrozem i stabilność konstrukcji.

Do oceny nawierzchni lotniskowej — określania nośności istniejących nawierzchni — wartości CBR uzyskuje się poprzez terenowe badanie DCP (ASTM D6951) lub badanie laboratoryjne rdzeni i próbek pobranych z istniejącej konstrukcji nawierzchni. Istniejące CBR podłoża jest oceniane przy wilgotności in-situ, ale nasiąkliwa wartość CBR jest szacowana przy użyciu korelacji specyficznej dla projektu między wartościami terenowymi i laboratoryjnymi. Oceniona nośność konstrukcyjna nawierzchni jest następnie wyrażana jako PCN przy użyciu formatu raportowania ICAO.

Podręczniki projektowania nawierzchni lotniskowych Airbus i Boeing — publikowane przez producentów do celów planowania lotnisk — oba wykorzystują CBR jako podstawowy parametr podłoża do projektowania nawierzchni podatnych. Airbus udostępnia standardowe wykresy projektowe CBR dla każdego typu statku powietrznego (A320, A330, A380 itp.) odnoszące wymaganą grubość nawierzchni do CBR podłoża zarówno dla nawierzchni podatnych, jak i sztywnych. Boeing publikuje podobne wykresy w Boeing Airport Compatibility Documents dla każdej rodziny statków powietrznych (737, 747, 777, 787). Planista lotniska oceniający wymagania dotyczące nawierzchni dla nowego typu statku powietrznego może użyć tych wykresów ze znanym CBR podłoża, aby określić, czy istniejąca grubość nawierzchni jest wystarczająca.

Kluczowym aspektem w projektowaniu nawierzchni lotniskowych jest to, że projektowe CBR reprezentuje najgorszy stan eksploatacyjny — zazwyczaj CBR podłoża przy równowagowej wilgotności, która może być o 2% do 5% wyższa od optymalnej wilgotności dla gruntów drobnoziarnistych. FAA i ICAO określają 4-dniowy nasiąkliwy CBR, ponieważ wykazano, że daje on grubości nawierzchni odpowiednie do długoterminowej wydajności. Nienasiąkliwych wartości CBR nie należy nigdy stosować do projektowania nawierzchni lotniskowych, ponieważ nie uwzględniają one nieuniknionego wzrostu wilgotności, który występuje pod nieprzepuszczalnymi powierzchniami nawierzchni w czasie z powodu migracji pary wodnej, wahań wód gruntowych i infiltracji wód powierzchniowych przez pęknięcia i złącza.

Przyszłość CBR w projektowaniu nawierzchni lotniskowych ewoluuje wraz z przejściem od metod empirycznych do mechanistyczno-empirycznych (M-E). Oprogramowanie FAARFIELD FAA stosuje obecnie warstwową analizę sprężystą z bezpośrednim wprowadzaniem Mr, a M-E Design Guide dla nawierzchni lotniskowych, obecnie opracowywany, będzie dalej udoskonalać rolę CBR jako parametru wejściowego. Jednak CBR raczej nie zostanie całkowicie zastąpiony — ogromna istniejąca baza danych wyników badań CBR, prostota i niski koszt badania oraz jego ciągłe określanie w normach ICAO i krajowych zapewniają, że CBR pozostanie kamieniem węgielnym inżynierii nawierzchni lotniskowych przez dziesięciolecia.