O projektowaniu dróg cz. II, czyli co pod asfaltem?

Na początek chciałbym podziękować za wszystkie komentarze wnoszące konstruktywną krytykę oraz rozwinięcie do tematu. Myślę, że koledzy z wykonawstwa mogliby rozwinąć się literacko w osobnych artykułach.

Projektowane i istniejące drogi omijają nie tylko przeszkody w planie. Prawie w każdej sytuacji mamy do czynienia z mniejszymi bądź większymi wzniesieniami wymuszającymi budowę nasypów lub wykopów. Jak łatwo się domyślić, tworzenie budowli ziemnych jest kosztowne i często wymaga dowożenia gruntu z odległych lokalizacji (dokopów), gdyż grunt miejscowy nie nadaje się do ich wznoszenia. Generalnie droga powinna przebiegać na całej swojej długości w niewielkim nasypie ze względu na odwodnienie. Grubość konstrukcji nawierzchni (o czym szerzej za chwilę) oscyluje wokół 1 metra. Wzdłuż drogi biegną rowy odwadniające, które powinny mieć „głębokość” ok. 40 cm poniżej powierzchni terenu. Dolna warstwa konstrukcji nawierzchni powinna być na podobnym poziomie względem dna rowu, stąd z projektu prawie zawsze wynika nasyp rzędu 30 cm. Jest to oczywiście grube uogólnienie nieuwzględniające kategorii drogi, warunków gruntowo-wodnych i innych czynników, ale na nasze potrzeby możemy przyjąć, że nawierzchnia powinna być wyżej od poziomu terenu o jakiś metr i od dna rowu o ok. 1,5 m. Z powyższego wynika wskazówka: obserwuj otoczenie drogi, jeżeli nawierzchnia zbliża się do poziomu terenu, można (czasami) spodziewać się w tym miejscu różnych nieoczekiwanych zjawisk związanych z wodą i błotem na jezdni.
Przy niewielkich nierównościach terenu możemy pozwolić sobie na „przekopywanie górek” i „zasypywanie dołków”, jednak przy większych zmianach wysokości musimy dostosować się do terenu. Podstawowym parametrem jest tutaj maksymalne dopuszczalne pochylenie podłużne drogi. Dla przeciętnej drogi poza terenem zabudowanym jest to wartość z odpowiedniej tabelki w Rozporządzeniu, wynosząca między 8 a 12% (1% - 1 m zmiany wysokości na 100 m). Autostrady i ekspresówki mają pochylenia dopuszczalne rzędu 4 – 5% (pozdrawiamy górę świętej Anny na Opolszczyźnie). Projektując układ w profilu, stosujemy podobną metodę jak w przypadku trasowania w planie. Tworzymy linię łamaną złożoną z odcinków prostych możliwie najlepiej dostosowanych do przebiegu terenu, a następnie w punktach załomów wpisujemy łuki kołowe o promieniach rzędu 500 – 20 000 m. Profil terenu uzyskujemy sczytując wysokości z mapy w każdym punkcie zaprojektowanego wcześniej przebiegu w planie. Wyobraźcie sobie, że trójwymiarowy model terenu kroimy nożem dokładnie po linii drogi na mapie, następnie rozsuwamy przecięte połówki i jedną z nich malujemy farbą. Do świeżej farby przyklejamy długi pasek papieru, który potem zdejmujemy i rozprostowujemy. Uzyskaliśmy w ten sposób profil podłużny terenu, na którym możemy wrysować przekrój podłużny drogi, czyli tzw. niweletę. Taki przekrój przedstawia się oczywiście w skali skażonej tak, aby uwydatnić pochyłości.



Z istotnych cech niwelety należy wspomnieć o zasadzie mówiącej o tym, że łuki pionowe i poziome (zakręt i przełęcz) powinny się pokrywać co najmniej w 70%. Chodzi o to, żeby na końcu spadku nie pojawiał się nagle łuk poziomy lub w połowie długiego łuku poziomego niweleta nie zaczęła nam nagle opadać. Obie te sytuacje są niebezpieczne ze względu na nagłe zmiany w zachowaniu się pojazdu w warunkach, które powinny być w miarę niezmienne. Ci Bojownicy, którzy mają przyjemność mieszkać na południu, mogą z pewnością wymienić drogi górskie, po których „dobrze się jeździ”. „Dobra jazda” wynika właśnie z dobrego skorelowania łuków poziomych i pionowych. Motocykliści nazywają jazdę po takich drogach „trzaskaniem winkli”. Tradycyjna już dygresja: jeżeli widzisz, że powyższa zasada nie została zachowana na łuku, który masz przed maską samochodu, i jednocześnie nie znasz drogi, po której jedziesz, lepiej zwolnij, albo przynajmniej przygotuj się na nagłą zmianę kierunku siły odśrodkowej (w dowolnym kierunku, łącznie z górą i dołem).

Ciekawostka: w polskich przepisach jest zapis mówiący o konieczności celowego „kręcenia” długich prostych (wartość określona w zależności od klasy drogi) w celu zminimalizowania ryzyka wynikającego ze znużenia oraz problemu z oceną odległości przez ludzkie oko na takich odcinkach w nocy.
Nie wiem, czy jest sens wchodzić głębiej w tę tematykę. Żeby nie zanudzać, zmienimy temat na przekrój poprzeczny.
Możliwe, że spotkaliście się z informacją o tym, jakoby Rzymianie budowali drogi o grubości 140 cm, a polskie autostrady nie przekraczały grubością 120 cm. Jest to prawda. Należy brać jednak pod uwagę, że Rzymianie projektowali swoje drogi na obciążenie trzęsieniem ziemi, a my projektujemy na głębokość przemarzania (ok. 1 m). Ponadto Rzymianie nie mieli walców wibracyjnych okołkowanych i gładkich tak jak my (ale głupi ci Rzymianie).
Na początek uściślijmy pojęcia:
Klasa drogi – zbiór parametrów projektowych związanych z prędkością, widocznością, dostępnością i odległością pomiędzy węzłami:

• A (autostrada) – duża prędkość i widoczność, niska dostępność (wjazdy tylko z S, GP i G), zjazdy nie częściej niż co 5 – 6 km, wyłącznie bezkolizyjne.
• S (szybkiego ruchu) – parametry podobnie jak wyżej, jednak zredukowane w zakresie prędkości i odległości zjazdów.
• GP (główna przyspieszona) – dwupasmowa przelotówka przez miasto posiadająca sporadyczne skrzyżowania z sygnalizacją, zazwyczaj otoczona ekranami, brak lub sporadyczne przejścia dla pieszych.
• G (główna) – typowa miejska oś komunikacyjna z ograniczeniem do 70 km/h, wyposażona wyłącznie w skrzyżowania z sygnalizacją (bez sygnalizacji mogą być wjazdy i zjazdy z pasami włączenia), dostępność dla Z i L.
• Z (zbiorcza) – ulica przebiegająca między osiedlami, w miarę szeroka, skrzyżowania zazwyczaj z sygnalizacją świetlną, ścieżki rowerowe, ograniczenie do 50 km/h.
• L (lokalna) – typowa miejska ulica bez świateł i ścieżek rowerowych, duża ilość przejść dla pieszych.
• D (dojazdowa) – uliczka osiedlowa, często z ruchem uspokojonym, bez chodników.

Powyższa klasyfikacja została przytoczona bardzo ogólnie. Bardziej dociekliwych czytelników odsyłam do Wikipedii oraz odpowiednich przepisów.
Kategoria ruchu – zbiór parametrów określający maksymalny dopuszczalny nacisk osi i częstotliwość występowania ruchu ciężkiego (osi obliczeniowych na dobę). Określamy ją w zakresie KR1 do KR6, gdzie KR1 to np. droga klasy D, a KR6 to S lub A.
Nie będę się wgłębiał w ten temat, aby nie narazić się kolegom drogowcom. Dociekliwym polecam Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych jako źródło szczegółowych informacji. Na nasze potrzeby wystarczy zapamiętać podział dróg na klasy. Dla kierowców bowiem niesie on niezwykle ważną informację, mianowicie: czego możemy się spodziewać jadąc daną drogą. Na drogach klasy A, S i GP można przyjąć, że ograniczenie prędkości jest informacją związaną raczej z taryfikatorem niż bezpośrednio z bezpieczeństwem. Drogi te (przynajmniej w teorii) powinny być wygrodzone, wolne od punktów niebezpiecznych typu przejście dla pieszych, skrzyżowanie w poziomie jezdni, posiadać szerokie pobocza, a widoczność powinna być przeliczona na setki metrów. Na drogach niższych klas należy przestawić myślenie na pieszych, nagłe ograniczenia, czerwone światła, traktory i zaparkowane samochody. Na L i D trzeba wręcz zakładać, że za każdym drzewem i samochodem czai się dziecko z rowerkiem lub emeryt-partyzant. Przekraczanie prędkości na tych przekrojach powinno mieć mnożnik 2 w taryfikatorze (tak, uważam, że mandaty za przekroczenie prędkości w strefie zabudowanej powinny być znacząco wyższe, możecie mnie zjebać w komentarzach, ale piszcie przy okazji czym jeździcie i od ilu lat macie prawo jazdy).

Przyjęta klasa i kategoria ma bezpośredni wpływ na obudowę drogi, szerokość jezdni oraz jej przekrój. Ten ostatni dobieramy na podstawie wspomnianego Katalogu.


Na ilustracji przedstawiony jest poglądowy przekrój przez warstwy korpusu drogi. Wymienione zostały wszystkie możliwe do zastosowania, oczywiście nie zawsze każda z nich jest potrzebna.

• W. ścieralna – to, po czym jeździmy, warstwa z betonu asfaltowego lub cementowego o grubości rzędu 5 cm.
• W. wiążąca – warstwa z betonu asfaltowego lub cementowego stanowiąca połączenie w. ścieralnej z podbudową grubości ok. 5 cm. Możemy ją zaobserwować w trakcie remontu drogi, kiedy jedziemy po „świeżo wylanym” asfalcie, z którego wystają studzienki kanalizacyjne.
• Podbudowa – warstwa z kamienia łamanego o grubości rzędu 15 cm pełniąca podobną rolę jak fundament w budynku, czyli rozkładanie naprężeń na większą powierzchnię i przenoszenie ich na niższe warstwy.
• W. pomocnicza i mrozoochronna – warstwy z kamienia łamanego o różnej grubości, ale mniejszej niż podbudowa. Pełnią dodatkowe funkcje związane z nośnością i ochroną przed przemarzaniem gruntu pod drogą w przypadku trudnych warunków gruntowo-wodnych.
• Ulepszone podłoże – warstwa wykonana z gruntu rodzimego wymieszanego z ulepszaczem (np. wapnem) poprawiającym parametry nośności lub stateczności.

Wszystkie wymienione warstwy muszą mieć zapewniony odpływ wody w kierunku odwodnienia. Jest to tzw. przekrój daszkowy o pochyleniu rzędu 2% na każdą ze stron. Często pomiędzy warstwami stosuje się geosyntetyki, czyli siatki bądź maty, które za zadanie mają wzmocnić warstwy lub zapobiec zamulaniu się warstw kamiennych (przepuszczalnych) przez drobne frakcje ilaste z podłoża. Tutaj konieczne będzie wyjaśnienie kilku dodatkowych pojęć.
Beton asfaltowy – szczelny materiał wykorzystywany do konstrukcji wierzchnich warstw korpusu drogi. W jego skład wchodzi przede wszystkim kruszywo o ściśle określonej i zaprojektowanej frakcji (patrz krzywa uziarnienia). Całość wiązana jest lepiszczem asfaltowym, które otacza i skleja każde ziarenko. Do mieszanki często dodaje się substancje chemiczne wpływające na mrozoodporność, przyczepność itp. Zapamiętajcie, nie mówimy już od teraz asfalt, tylko warstwa ścieralna z betonu asfaltowego :)
Występuje cały szereg mieszanek asfaltowych różniących się metodą wykonania, składem oraz parametrami użytkowymi. Mamy mieszanki mineralno-asfaltowe (MMA), mieszanki o nieciągłym uziarnieniu, asfalt piaskowy, asfalt twardolany itd. Wszystkie tego typu nawierzchnie zaliczamy do grupy nawierzchni podatnych lub półsztywnych. Nawierzchnie sztywne to przede wszystkim beton cementowy. Konstrukcje o wiele wytrzymalsze i trudniejsze w budowie. Kilka lat temu część ekspresówek była budowana w tej technologii. Ich znakiem rozpoznawczym jest bardzo jasna faktura i dość duży hałas generowany w czasie jazdy.
Krzywa uziarnienia – jak pamiętamy z lekcji fizyki, pomiędzy duże kamienie w słoiku można wsypać piasek i żwir. W skali od 0,001 mm do 60 mm mamy cały zakres różnej grubości iłów, pyłów, piasków, żwirów i kamieni. Odpowiednie dobranie ilości każdej z frakcji pozwala nam na zaprojektowanie mieszanki, w której możliwie wszystkie szczeliny będą zajęte przez odpowiednio dobrany kamyczek.


Taka mieszanka będzie miała o wiele wyższą wytrzymałość od jednorodnej frakcji. Odsianie frakcji pyłowych zapewni nam dobrą filtrację wody, a dodatek kamienia łamanego zamiast otoczaków może wpłynąć na zdolność klinowania się kamyczków. Taka mieszanka musi mieć jeszcze zdolność do zagęszczania, przy określonej optymalnej wilgotności. Frakcje po wymieszaniu na bazie materiałowej są rozściełane przez specjalne maszyny w miejscu wbudowania, a do akcji wjeżdżają walce wibracyjne, które wprowadzają kamyczki w drgania, „porządkując” ich wzajemne położenie i „zgniatając” wolne przestrzenie między nimi, aż do uzyskania odpowiedniej nośności. Skąd wiemy, jak dobrać ilość każdej frakcji? Posługujemy się krzywymi uziarnienia, czyli opracowanymi w laboratorium wykresami opisującymi dokładnie ilość każdej frakcji. Podobny dobór kruszywa wykorzystujemy prawie we wszystkich gałęziach budownictwa, tam gdzie tylko mamy do czynienia z materiałem kamiennym. Zagęszczamy przez wibrowanie prawie wszystkie materiały od kamieni po beton. Co ciekawe, zwykły piasek często bywa niezagęszczalny, dlatego na przykład kraje arabskie importują piasek z Australii.


Ubytki nawierzchni (przełomy wiosenne) – nie mówimy „dziury”, nie wolno. Mamy ubytki nawierzchni. Powstają one z najróżniejszych powodów:

• Źle zagęszczona podbudowa – przejeżdżające samochody ciężarowe oddziałują przez nawierzchnię asfaltową na podbudowę, ubijając ją w takim felernym punkcie. W efekcie powstaje pustka, w którą włazi woda. Potem trzeba tylko poczekać na mróz i kilka cięższych ciężarówek…
• Niesprawne odwodnienie – jeżeli na skutek nieprawidłowego wykonania lub zamulenia warstw podbudowy pomiędzy kamieniami zbiera się woda, w kolejnych cyklach zamrażania i rozmrażania będzie ona coraz bardziej rozluźniać kamienie. Późniejszy mechanizm zniszczenia następuje jak powyżej.
• Nieprawidłowości w doborze materiałów i wykonaniu – czasem Janusze budownictwa z zakresu drogownictwa wpadają na genialny pomysł przyoszczędzenia na drogim kruszywie, geosyntetykach lub grubości warstw. Wtedy założona w projekcie nośność nie zostaje osiągnięta i nawet prawidłowo obciążone pojazdy po prostu rozwalają nawierzchnię.
• Niewłaściwe użytkowanie – nawet najlepiej wykonana droga nie ma szans w konfrontacji z Januszami transportu. Prawidłowo obciążony ciągnik siodłowy z naczepą (TIR) jednym przejazdem powoduje zużycie drogi porównywalne do przejazdu kilkudziesięciu tysięcy osobówek (sic!). Przeładowany TIR lub inny pojazd poruszający się po drodze o zbyt niskiej kategorii ruchu sieje spustoszenie pod swoimi kołami. W skrajnym wypadku po jednym takim przejeździe żywotność nawierzchni może zostać zmniejszona z 20 do 2 lat. Generalnie nie ma co słuchać kierowców TIR-ów, którzy opowiadają, że bez nich (i ich wyprzedzania na autostradach) nie mielibyśmy bułek w Biedronce za 30 groszy. Zniszczenia w infrastrukturze powodowane przez ciągniki siodłowe z naczepami, będące w złym stanie i często przeładowane, omijające Viatole bocznymi drogami są bardzo duże. Bez ruchu ciężkiego (który mimo wszystko jest niezbędny) żywotność dróg sięgałaby 30 lat. Bułki naprawdę można wozić mniejszymi samochodami, a transport powyżej 300 km powinien się odbywać (zgodnie z wytycznymi UE) transportem kolejowym lub rzecznym.

Oczywiście rodzajów zniszczeń jest cała masa. Wymieniłem tylko kilka najczęstszych i opisałem je w bardzo uproszczony sposób. Koledzy drogowcy pewnie będą się wyżywać w komentarzach, ale na swoje usprawiedliwienie przypominam, że jestem torowcem, a przytoczona tu wiedza celowo została uproszczona do poziomu strawnego dla przeciętnych kierowców.

Abstrahując od wszystkich błędów wykonawczych i projektowych oraz złego użytkowania, największym wrogiem polskich dróg jest klimat. Mamy największą w Europie liczbę przejść temperatury przez 0. Ilość cykli zamrażanie-rozmrażanie mści się na wszystkich, nawet najdrobniejszych błędach wykonawczych, a ciągle padający deszcz i powszechne grunty gliniaste (wysadzinowe) tylko potęgują problem. Zakres temperatur skrajnych utrudnia dobranie odpowiednich mieszanek asfaltowych. Te odpowiednie do temperatur poniżej -20 st. C źle pracują przy upale, a mieszanki dobrze znoszące wysokie temperatury kruszą się na mrozie. Innymi słowy, łatwiej budować drogi na Syberii, gdzie raz a dobrze piźnie -40 st. C niż pod Radomiem, gdzie 200 razy w roku temperatura przechodzi przez 0.
Na obronę naszych drogowców należy powiedzieć, że w ciągu ostatnich lat bardzo podniósł się poziom wykonawstwa i mamy wiele kilometrów naprawdę przyjemnych dróg. Oczywiście wszędzie spotkamy kwiatki, o których tak chętnie piszecie w komentarzach, ale należy mieć świadomość, że bardzo często wynikają one ze zbyt zawiłych przepisów, które całą odpowiedzialność przerzucają na projektantów (projektowanie zgodnie z przepisami cię nie usprawiedliwia), problemami z przetargami i finansowaniem. Bardzo często inwestycje w trakcie realizacji są torpedowane przez ludność tubylczą protestującą dla zasady z każdą inwestycją, oraz ekoterrorystami, którzy znajdą szlak migracji wilków między Toruniem i Bydgoszczą, byle tylko wymusić przyjęcie ich projektów obudowy ekologicznej, za które każą sobie słono płacić (historia prawdziwa). Tak na marginesie… Obudowa ekologiczna (ekrany, ekodukty) stanowi często 40% całkowitych kosztów budowy nowej autostrady.

W następnym odcinku serii (jeżeli ten artykuł dobrze się przyjmie) omówię oznakowanie dróg oraz aspekty psychologiczne w projektowaniu (chodzi oczywiście o podświadome wpływanie na kierowców).

Źródła: 1, 2