BUDOWA DROGI ROLNICZEJ ZE SPOIWEM CHEMICZNYM

1.    Wprowadzenie

Przedstawiamy instrukcję budowy drogi rolniczej z uwzględnieniem stabilizacji podłoża spoiwami chemicznymi i umocnieniem nawierzchni grysem kamiennym. Instrukcja ma zastosowanie do dróg dojazdowych klasy D, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 nr 43, poz. 430.

2.    Określenia podstawowe

• Droga gruntowa – droga, której nawierzchnia składa się z gruntu miejscowego w stanie naturalnym lub ulepszonego mechanicznie i/lub spoiwami chemicznymi, np. nawierzchnia z gruntu stabilizowanego drogowym spoiwem stabilizacyjnym, jedna lub więcej warstw zagęszczonej mieszanki gruntu i spoiwa, która po osiągnięciu właściwej wytrzymałości na ściskanie stanowi nośną nawierzchnię drogową.
• Mieszanka grunt–kruszywo–spoiwo – mieszanka gruntu, kruszywa uzupełniającego skład granulometryczny spoiwa lub kilku spoiw i wody dobranych w optymalnych ilościach, zapewniających uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości i mrozoodporności.
• Spoiwa chemiczne – spoiwa działające na zasadzie reakcji chemicznych, które po dodaniu do mieszanki gruntu i cementu, wiążą zaprawę w jeden monolit mniej lub bardziej sztywny w zależności od przyjętego dozowania. Są to spoiwa uniwersalne, najczęściej produkowane w kilku odmianach w dostosowaniu do typu gruntów, do których mają być użyte. Przykładami takich spoiw są:

 

UPD – ciekły koncentrat kwasu siarkowego z dodatkami oleistych wyciągów z roślin cytrusowych. Preparat wchodzi w reakcję chemiczną z cementem, tworząc tym samym silne wiązania między cząsteczkami zmodyfikowanego gruntu.

Stosowany do stabilizacji dróg, placów i terenów pod budowy przemysłowe.

Szczególnie niezastąpiony przy stabilizacji gruntów wątpliwych i wysadzinowych.

Stabibud – będący mieszaniną kwasów sulfonowych w roztworze kwasu siarkowego wiąże stabilizowane podłoże prowadzonej budowy w strukturę o parametrach fizyko-chemicznych porównywalnych ze strukturą skał osadowych. Spoiwo Stabibud stabilizuje grunty antropogeniczne (żużle), jak również  zawierające pyły, zwietrzeliny, rumosze, piaski, pospółki i żwiry.

InfraCrete - stosuje się jako dodatek do konwencjonalnego cementu używanego podczas stabilizacji gruntów. Spoiwo to, umożliwia stabilizację podłoża bez potrzeby wymiany gruntu. Stabilizuje prawie wszystkie rodzaje gruntów (z wyłączeniem torfu) mogą być szybko i bezpiecznie przekształcone w podłoże o nadzwyczaj wysokiej wytrzymałości, przy jednoczesnej redukcji lub całkowitej eliminacji warstwy wiążącej i nośnej podbudowy.

Stabilizacja gruntu – proces polegający na zmieszaniu rozdrobnionego gruntu z optymalną ilością spoiwa i wody oraz zagęszczeniu wytworzonej mieszanki w celu uzyskania wytrzymałej podbudowy lub nawierzchni gruntowej.

• Stabilizator gruntu – specjalistyczna maszyna drogowa podczepiana do ciągnika, wyposażona w bęben frezujący, umożliwiający wgłębne mieszanie gruntu i spoiwa, a także kruszenie kamieni polnych.
• Ziemia urodzajna („humus”) – górna warstwa gleby, zawierająca co najmniej 2% części organicznych.
• Darnina – płat lub pasmo wierzchniej warstwy gleby, przerośniętej i związanej korzeniami roślinności trawiastej.
• Odkład – urobek gruntu, ziemi urodzajnej lub darniny składowany w pobliżu terenu budowy, przeznaczony do wywiezienia lub rozplantowania po zakończeniu robót budowlanych.
• Tłuczeń – naturalne kruszywo łamane, pochodzące z naturalnych skał lub gruzu betonowego, ziarna kruszywa charakteryzują się ostrokrawędzistym kształtem
• przypominającym ostrosłup lub sześcian. Wykorzystywany do produkcji betonów oraz do nawierzchni drogowych.
• Pług – maszyna rolnicza podczepiana do ciągnika, wyposażona w jeden lub kilka lemieszy, które spulchniają zagęszczony grunt.
• Brona talerzowa – maszyna rolnicza podczepiana do ciągnika, służąca do spulchniania i mieszania gleby z nawozami; wyposażona w obracające się talerze zamocowane na wsporniku ramy.
• Kultywator – narzędzie uprawowe do spulchniania gruntu do głębokości 5–40 cm bez jej odwracania oraz do niszczenia chwastów. Zespołem roboczym są zęby sprężynowe, półsprężynowe lub sztywne zakończone redliczkami, gęsiostópkami lub nożami.
• Glebogryzarka – maszyna rolnicza podczepiana do ciągnika, jej zespołem roboczym są łukowe lub hakowate noże osadzone na wale obrotowym, które – obracając się – spulchniają grunt i mieszają go z materiałem sypkim.

Pozostałe określenia są zgodne z odpowiednimi normami polskimi, dotyczącymi warstw konstrukcji nawierzchni drogowych, stabilizowanych spoiwami chemicznymi.

3.    Materiały

1. Wymagania dotyczące materiałów.

• Do budowy drogi powinny być wykorzystane materiały wskazane w projekcie drogi.
• Materiały rozbiórkowe pozyskane z terenu budowy (gruz betonowy, destrukt), nadające się do ponownego wykorzystania, należy składować na wskazanym przez inwestora miejscu. Nadmiar gruntu z urobku i humus należy wywozić na odkład.
• Materiały nienadające się do wykorzystanie powinny być wywiezione z terenu budowy.

2. Rodzaje materiałów

• Kruszywa, w tym:

–      np. mieszanka kwarcytowa lub destrukt betonowy o uziarnieniu 0–35 mm; zalecany wskaźnik różnoziarnistości C_u > 4.

• Spoiwa, w tym np.:

 

• UPD – w przypadku stabilizacji gruntu w warstwach, zaprojektowanej w klasach wytrzymałości R_m=0,5–5,0 MPa dawkowanie zazwyczaj wynosi 0,15 l/m³ spoiwa w stosunku do masy suchego gruntu.

–        Po rozcieńczeniu w wodzie w stosunku 1:200 ÷ 1:600 może być stosowane jako samodzielne spoiwo lub jako dodatek przy stabilizacji cementem,

–        Stabibud – zalecane proporcje to 0,16 l/m3 gruntu rozcieńczone w wodzie w stosunku 1:200,

–        InfraCrete – zalecane proporcje to 2–6 kg/m³ gruntu.

 

Okres przechowywania spoiw w warunkach powietrzno-suchych przed wbudowaniem w drogę nie powinien być jest dłuższy niż 120 dni, licząc od daty produkcji umieszczonej na liście przewozowym lub opakowaniu.

• Grunty do stabilizacji spoiwem – do wykonywania nawierzchni i podbudów z gruntów stabilizowanych spoiwami chemicznymi można stosować grunty niespoiste, grunty spoiste o granicy plastyczności mniejszej od 50% lub grubo­okruchowe o spoiwie ilastym; najlepsze efekty uzyskuje się, stosując grunty o wskaźniku piaskowym S_E ≤ 20 oraz zawartości frakcji pyłowo-iłowych ≥20,0%; zawartość części organicznych w gruncie nie powinna być większa niż 5%; największy wymiar ziarna, oznaczony po przejeździe maszyny mieszającej grunt ze spoiwem nie powinien być większy niż 40 mm.

Grunt stabilizowany spoiwem można wcześniej poddać badaniom, a uzyskane wyniki powinny mieć następujące wartości:

–      wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach – R₂₈ = 2,5–5,0 MPa

–      wskaźnik mrozoodporności – n ≥ 0,7

–      wskaźnik zagęszczenia I_S  ≥ 0,95

–      wskaźnik odkształcenia I₀ ≥ 2,0

Minimalna grubość stabilizowanej warstwy podbudowy o powyższych parametrach powinna wynosić 20 cm po zagęszczeniu.

• Woda – stosowana do stabilizacji gruntu i pielęgnacji gruntu stabilizowanego spoiwami, powinna być czysta i klarowna. Nie zaleca się stosowania wody z wątpliwych źródeł.

4.    Przygotowanie robót

Przed rozpoczęciem robót inwestor powinien dysponować podstawowym projektem oraz mapą sytuacyjno-wysokościową (opatrzona klauzulą dostępności), dostępną w Powiatowym Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Mapa musi posiadać klauzulę „dla celów  projektowania” skala 1:1000 lub 1:500. Jeżeli jest to nowo powstająca droga, to należy wytyczyć oś drogi, trasę i szerokość. Paliki lub szpilki do prawidłowego ukształtowania warstwy nawierzchni z gruntu stabilizowanego spoiwem chemicznym, powinny być wcześniej przygotowane. Rozmieszczenie palików lub szpilek powinno umożliwiać naciągnięcie linek do wytyczenia robót w odstępach nie większych niż 10 m.

Jeżeli wymaga tego dokumentacja, tyczenie drogi należy przeprowadzić z wykorzystaniem pomiarów geodezyjnych.

5.    Warunki gruntowo-wodne

Warunki gruntowo-wodne można określić na podstawie prostych badań polowych mających na celu określenie, jaki rodzaj gruntu zalega w podłożu, np. na podstawie analizy makroskopowej, liczby wałeczkowań. Poziom wody gruntowej można określić na podstawie istniejących w pobliżu oczek wodnych, rowów melioracyjnych lub poprzez ewentualne wykonanie wiercenie świdrem na głębokość stwierdzenia wód gruntowych, następnie odczekać  (co najmniej 2 godz.) i określić poziom zwierciadła wody gruntowej.

6.    Opis stanu projektowanego

Projektowana droga powinna być drogą jednopasmową, dwukierunkową dla prędkości projektowej 30 km/h, o szerokości jezdni 3,50–5,00 m (jeżeli 3,50 to należy uwzględnić mijanki), o nawierzchni z gruntu stabilizowanego spoiwem chemicznym i cementem, przykrytą warstwą z kruszywa łamanego lub destruktu betonowego, który stanowi jednocześnie umocnienie konstrukcji nawierzchni. Jeżeli jest planowana druga warstwa z grubookruchowych odpadów betonowych, to  jako warstwę wyrównująco-odsączającą należy zastosować podsypkę piaskową o gr. 5,0–10,0 cm. Alternatywnie można użyć geowłókniny polipropylenowej o gramaturze 200–300 g/m² i wytrzymałości na rozrywanie 5–10 MPa.

Oś drogi powinna stanowić linia prosta, łamana lub łuki w przypadku zakrętów. Wartości geometryczne wg DU nr 43/99 i WPD 3 dla tyczenia osi drogi, należy oznaczyć na planie sytuacyjnym i przedstawić w obliczeniach charakterystyki trasy. Skrzyżowania projektowanej drogi rolniczej z innymi drogami powinny znaleźć się na planie sytuacyjnym.

 

Należy uwzględnić podstawowe parametry techniczne projektowanej drogi rolniczej:

-      droga: jednojezdniowa, dwupasowa, dwukierunkowa,

-      klasa techniczna drogi: D,

-      prędkość projektowa drogi: v_p = 30–40 km/h,

-      kategoria obciążenia ruchem: KR1,

-      dopuszczalny nacisk na oś: 100–120 kN,

-      szerokość jezdni: 5,00 m,

-      spadek poprzeczny jezdni: na odcinkach prostych – daszkowy 2,0 – 4,0% (2% przy stabilizacji warstwy podbudowy, 4% jeśli stosujemy podsypkę piaskową),

-      długość projektowanej drogi: zależnie od projektu.

 

7.    CHARAKTERYSTYKA RUCHOWA

Na istniejącej drodze natężenie ruchu powinno odpowiadać kategorii obciążenia ruchem KR1 o nacisku na oś do 115 kN, taką kategorię przyjęto do określenia nośności konstrukcji.

8.    Konstrukcja nawierzchni i elementów drogowych

Projekt konstrukcji nawierzchni można opracować na podstawie „Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni podatnych” IBDM z 1995 r. lub Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej D.U. Nr 43/99 z 1999 r., albo też innego poradnika dotyczącego dróg rolniczych. Obciążenie ruchem można przyjąć takie samo, jak dla kategorii ruchu KR1.

Przykład konstrukcji drogi rolniczej przedstawiono na przekroju (Rys. 1).

Drogi te zawierają następujące elementy:

-      warstwa ścieralna (wierzchnia usypana z tłucznia kamiennego lub destruktu betonowego grubości 20 cm);

-      warstwa ustabilizowanego gruntu cementem i spoiwem UPD;

-      podłoże z gruntu rodzimego.

 

Rys. 1. Przykładowy przekrój poprzeczny drogi rolniczej na odcinku prostym
– spadek dwustronny (rys. K. Piechowicz)

9.         Dobór sprzętu i maszyn do budowy dróg rolniczych

Wszystkie roboty w trakcie budowy dróg rolniczych można wykonać za pomocą maszyn rolniczych.

 

10. Uwagi dotyczące wykonania drogi

Uwagi dotyczące gruntu miejscowego

Grunt przewidziany do stabilizacji powinien być spulchniony i rozdrobniony przez wstępne przejście mieszarki. Po spulchnieniu gruntu można kontrolnie sprawdzić jego wilgotność, aby była zbliżona do wilgotności optymalnej i w razie potrzeby ją zwiększyć w celu ułatwienia rozdrobnienia. Woda powinna być dozowana z wykorzystaniem beczkowozu lub przyczepy asenizacyjnej, zapewniających równomierne i kontrolowane dozowanie.

Wilgotność gruntu powinna wynosić ok. 12–14%. Jeżeli wartość wilgotności naturalnej gruntu przekracza znacząco wartość wilgotności optymalnej  i uniemożliwia efektywne zagęszczanie gruntu, to grunt powinien być osuszony przez mieszanie i napowietrzanie w czasie suchej pogody.

W warunkach atmosferycznych uniemożliwiających powietrzne osuszanie, należy zwiększyć udział spoiw chemicznych w mieszance.

Spoiwa należy dodawać do rozdrobnionego i ewentualnie ulepszonego gruntu w ilości ustalonej w projekcie.

Grunt powinien być wymieszany ze spoiwem chemicznym w sposób zapewniający jednorodność na określoną głębokość, gwarantującą uzyskanie projektowanej grubości warstwy po zagęszczeniu.

Mieszanie składników bezpośrednio na drodze powinno być wykonywane do czasu uzyskania przez mieszankę jednorodnego wyglądu na całej grubości warstwy, spulchnionej w trakcie mieszania. Czas od momentu rozłożenia spoiwana gruncie do momentu zakończenia mieszania nie powinien przekroczyć 2 godz.

Po wymieszaniu gruntu ze spoiwem (spoiwami) powinno się sprawdzić wilgotność mieszanki. Jeżeli mieszanka jest zbyt sucha, należy dodać odpowiednią ilość wody i mieszankę ponownie dokładnie wymieszać.

Wilgotność mieszanki przed zagęszczeniem nie może różnić się o więcej niż +10% i –20% od wilgotności optymalnej.

Po zakończeniu mieszania należy powierzchnię warstwy wyrównać i wyprofilować do wymaganych w dokumentacji projektowej rzędnych oraz spadków poprzecznych i podłużnych.

Po wyprofilowaniu należy natychmiast przystąpić do zagęszczania warstwy podbudowy.

Następnym etapem jest usypanie wierzchniej warstwy drogi z kruszywa łamanego np. o uziarnieniu 0 - 31,5 mm. Kruszywo należy „wtłoczyć” w warstwę stabilizowaną przez niezwłoczne zagęszczenie.

Opcjonalnie dopuszcza się utwardzenie powierzchni w inny sposób, np. przez ułożenie płyt betonowych lub wykończenie dywanikiem asfaltowym.

Grubość warstwy

Grubość stabilizowanej warstwy zależy od możliwości użytego sprzętu. Jeżeli wymagana grubość warstwy jest większa od maksymalnej możliwej do stabilizacji, to stabilizacji należy poddać dwie warstwy.

Zagęszczanie

Zagęszczanie warstwy gruntu stabilizowanego spoiwami chemicznymi należy wykonywać za pomocą ciężkiego sprzętu, ciągników, wałów łąkowych walców gładkich, wibracyjnych lub ogumionych.

Zagęszczanie nawierzchni o przekroju daszkowym powinno rozpocząć się od krawędzi jezdni i przesuwać pasmami podłużnymi, częściowo nakładającymi się w stronę osi jezdni. Zagęszczanie warstwy o jednostronnym spadku poprzecznym powinno rozpocząć się od niżej położonej krawędzi i przesuwać się pasami podłużnymi, częściowo nakładającymi się w stronę wyżej położonej krawędzi. Pojawiające się w czasie zagęszczania obniżenia, ubytki, rozwarstwienia i podobne wady muszą być natychmiast naprawiane przez wymianę mieszanki na pełną głębokość, wyrównanie i ponowne zagęszczenie. Powierzchnia zagęszczonej warstwy powinna mieć prawidłowy przekrój poprzeczny i jednolity wygląd.

Operacje zagęszczania i obróbki powierzchniowej muszą być zakończone nie później niż w ciągu 5 godz., licząc od momentu rozpoczęcia mieszania gruntu ze spoiwami chemicznymi.

Szczególną uwagę należy poświęcić zagęszczeniu mieszanki w sąsiedztwie spoin roboczych podłużnych i poprzecznych oraz wszelkich budowli/obiektów obcych.

Wszystkie miejsca luźne, rozsegregowane, spękane podczas zagęszczania lub w inny sposób odbiegające od prawidłowo wykonanych powinny być naprawione przez zerwanie warstwy na pełną grubość, wbudowanie nowej mieszanki o odpowiednim składzie i ponowne zagęszczenie.

Spoiny robocze

O ile to możliwe, należy unikać podłużnych spoin roboczych poprzez wykonanie warstwy na całej szerokości. Jeżeli nie ma takiej możliwości, należy niezwłocznie obciąć pionową krawędź. Po zwilżeniu jej wodą należy wbudować kolejny pas. W podobny sposób należy wykonać poprzeczną spoinę roboczą na połączeniu działek roboczych. Można zrezygnować z obcięcia pionowej krawędzi w zagęszczonej mieszance, gdy czas między zakończeniem zagęszczania jednego pasa, a rozpoczęciem wbudowywania sąsiedniego pasa nie przekracza 2 godz.

Jeżeli w przypadku wykonywania nawierzchni w dwóch warstwach na niżej położonej warstwie występują spoiny robocze, to spoiny w warstwie leżącej wyżej powinny być względem nich przesunięte o co najmniej 0,3 m w odniesieniu do spoiny podłużnej i 1,0 m w odniesieniu do spoiny poprzecznej.