کتاب راهنمای مهندسی بزرگراه فصل 8 طراحی روسازی های / آسفالت جاده بصورت انعطاف پذیر

کتاب راهنمای مهندسی بزرگراه فصل 8 طراحی روسازی های / آسفالت جاده بصورت انعطاف پذیر – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

کتاب راهنمای مهندسی بزرگراه

فصل 8

طراحی روسازی های / آسفالت جاده بصورت انعطاف پذیر

گروه تیلور و فرانسیس، LLC

2006

1-8. مقدمه

1-1-8 . لایه های روسازی و مواد آن

یک روسازی انعطاف پذیر نوعی (یا آسفالت) شامل سطح، لایه اساس و زیراساس می باشد که بر روی قشر متراکم بستر جاده (خاک طبیعی) همان گونه که در شکل 1-8 نشان داده شده است ساخته می شود. در برخی از مواقع، لایه زیراساس مورد استفاده قرار نمی گیرد. در حالیکه در موارد اندکی هر دوی لایه های اساس و زیراساس حذف می شوند.

لایه سطحی از آسفالت هاتمیکس / آسفالت گرم (HMA) ساخته می شود که در برخی از مواقع تحت عنوان بتن آسفالتی نیز خوانده می شود. ماده به کار گرفته شده در لایه اساس غالبا سنگ دانه ها یا مصالح ریز دانه تثبیت نشده می باشد. این لایه سنگدانه ها را همچنین می توان با استفاده از آسفالت، سیمان پورتلندیا دیگر عامل های تثبیت کننده تحت فرآیند تثبیت قرار داد. زیربنا غالبا یک ماده سنگدانه ای محلی یا موضعی می باشد. علاوه بر این، ناحیه بالای لایه زیر اساس در برخی از مواقع با سیمان یا آهک تثبیت می شود.

برخلاف سطح روسازی/ آسفالت سخت، به هنگامی که بار ترافیکی بر روی ناحیه فوقانی لایه سطحی اعمال می شود یک تغییر شکل موضعی زیر جاده به وجود می آید که در آن بار همانند مورد نشان داده شده در شکل 2-8 توزیع می شود. می توان این موضوع را مشاهده نمود که این بار در یک مساحت کوچکی در سطح توزیع شده است. به هنگام افزایش عمق، بار مشابهی بر فراز یک ناحیه بزرگتر توزیع می گردد. بنابراین، بالاترین تنش در سطح رخ داده و سپس با افزایش عمق تنش کاهش می یابد. بنابراین، با کیفیت ترین مواد را می بایست در سطح به کار برد و با افزایش عمق مواد دارای کیفیت کمتر را استفاده کرد. به هنگامی که بار حذف گردید لایه های آسفالت مجددا به جای اولیه خود بر می گردند. میزان اندکی از دفرمه شدگی با این حال ممکن است به صورت دائمی تثبیت شده که می تواند به صورت مکرر بر روی سطح جاده باقی مانده و سبب ایجاد شیار یا گودی در مسیر چرخ شود. نام سطح روکش / آسفالته انعطاف پذیر، بدین علت استفاده می شود چرا که دفرمه شدگی موضعی و برگشت مجدد به حالت اولیه به هنگامی در زمانی رخ خواهد داد که بار ترافيكي بر روی سطح زیاد باشد و پس از حذف بار مجددا این موقعیت به حال اول خود بر می گردد.

ضخامت مورد نیاز هر لایه آسفالت انعطاف پذیر به طور گسترده ای منوط به مواد استفاده شده بزرگی و تعداد تکرار بار ترافيكي، شرایط محیطی و چرخه سرویس مطلوب نگهداری آسفالت متفاوت است. این عوامل به میزان زیادی در فرآیند طراحی مدنظر می باشند، به گونه ای که آسفالت برای دوره طراحی مدنظر بدون بروز مشکلات اصلی همچنان حفظ می شود. در اغلب مواقع، لایه سطحی از 1 تا 10 اينچ متغیر است که می تواند شامل تعدادی از پوشش های سطح نیز باشد. لایه اساس غالبا از 4 الی 12 اینچ متغیر است و لایه زیر اساس از 6 الی 20 اینچ متفاوت می باشد.

شکل 1-8. لایه های نوعی سطح روسازی آسفالته انعطاف پذیر / نرم

2-1-8. خواص منحصر بفرد سطح روسازی / آسفالته انعطاف پذیر

آسفالت در مقایسه با دیگر ساختار های مهندسی ساختمان یک ماده منحصر بفرد به حساب      می آید. برخی از خواص منحصر به فرد آسفالت قابل انعطاف به شرح ذیل توصیف می شوند.

1-2-1-8. زوال سریع با زمان

هر بار ترافیکی تا اندازه ای به آسفالت کمک می نماید. انواع مختلف مسایل ممکن است رخ داده و تدریجا در خلال سال انباشته گردند نظیر مشکلات مرتبط با ایجاد شیارها یا گودی ها، ترک خوردگی ناشی از خستگی، از هم پاشیدگی مواد، زبری و نشتی یا عرق کردن مصالح یا بالا زدگی قیر. به هنگامی که یک یا چند مورد از این مشکلات به یک سطح غیر قابل پذیرش برسد، آسفالت دیگر قابلیت اولیه و تناسب خود را از دست داده و با شکست روبرو می شود. چرخه حیات متعارف یک آسفالت انعطاف پذیر از یک حالت تا حالت دیگر متفاوت می باشد و مقدار میانگین آن 10 الی 15 سال است. یک روش خوب طراحی آسفالت می بایست شامل چرخه حیات مطلوب و یا میزان استفاده از آن آسفالت بدون بروز پدیده شکست می باشد. مشارکت چرخه حیات در فرآیند طراحی یکی از مشکل ترین وظایفی است که طراحان آسفالت با آن روبرو می باشند. در بسیاری از موارد، طول عمر مورد انتظار با چرخه سرویس حقیقی منطبق نیست. به غیر از آسفالت کردن، طراحی دیگر ساختارهای مهندسی شامل عامل چرخه حیات طراحی شده ممکن است نباشد. در چنین مواردی طراح می بایست این موضوع را در نظر گیرد که آیا ساختار می تواند تحت حداکثر بار ممکن ایمن باشد یا خیر و با توجه بدین موضوع لازم است تا چنین ساختاری برای مدت مدیدی به عنوان یک ساختار ایمن حفظ شود. این مفهوم برای آسفالت جاده ها کاربرد ندارد که علت آن تخریب سریع و چرخه عمر سرویس کوتاه آن است.

شکل 2-8. توزیع بار در یک سطح روسازی انعطاف پذیر جاده

2-2-1-8. بارهای مکرر

به هنگامی که چرخ ماشین ها بر روی سطح آسفالت حرکت می نمایند، سبب ایجاد پالس تنشی می گردند. این پالس سبب ایجاد واکنش دینامیکی آسفالت شده که در مقایسه با واکنش استاتیک تحلیل آن مشکل تر است. امواج دینامیکی در امتداد لایه های آسفالت و زيرلايه انتشار یافته و شامل بازتاب ها و انکساراتی در سطوح بین لایه ای نیز می باشند.

3-2-1-8. پیکربندی متغیر بار

پیکربندی محور متفاوت وسایل نقلیه با توجه به تعداد مختلف چرخ ها در انتهای هر محور موجود می باشند. این محورها یا اکسل ها ممکن است به صورت واحد، دو پشته، سه پشته یا چند پشته باشند، در حالیکه چرخ ها یا به صورت تکی یا دوتایی هستند. ماشین های مسافربری دارای محور واحد و چرخ های واحدی هستند. با این حال، ماشین های کامیون ممکن است ترکیبات محوری و چرخی مختلفی داشته باشند که در شکل های 3-8 و 4-8 نشان داده شده اند. پیکربندی های مختلف اکسل و چرخ منجر به تعاملات تنش در بین ساختار آسفالت شده که در مقابل بر عملکرد آسفالت تاثیر گذار می باشند.

شکل 3-8. کامیون ها با اکسل ها و چرخ های مختلف

حداکثر محدوده بار مجاز از یک موقعیت به موقعیت دیگر متفاوت است، اما غالبا در مرتبه 20 هزار الی 22 هزار Lb برای محور تکی و 32 هزار الی 36 هزار Lb برای محور دو پشته یا محور تاندوم می باشد.

4-2-1-8. اندازه متغیر بار

بارهای ترافیکی به ترتیب با توجه به نوع ماشین ها که شامل ماشین های مسافری و کامیون های باربری می باشند متفاوت و متغیر هستند. از آنجایی که مواد آسفالتی دارای واکنش غیر خطی هستند، دو برابر نمودن شدت بار منجر به دو برابر شدن تنش یا کرنش نخواهد شد. مهمتر آنکه مضاعف شدگی شدت بار منجر به مضاعف شدن میزان تخریب یا تنزل آسفالت نخواهد شد. در حقیقت، افزایش شدت بار به طور نمایی سبب افزایش میزان تنزل سطح  پوششی آسفالت می شود.

شکل 4-8. شماتیک اکسل معمولی و پیکربندی چرخ

5-2-1-8. فشار متغیر تایر

کامیون ها دارای فشارهای بسیار بیشتر بر روی تایر در مقایسه با ماشین های سواری می باشند. فشارهای نوعی تایرهای ماشین های سواری در مرتبه 30 الی 35 psi می باشند در حالیکه این فشار برای کامیون ها به میزان 100 الی 115 psi است. فشارهای بیشتر تایرها منجر به فشارهای تماسی بالاتری در سطح آسفالت شده و در مقابل سبب تنزل سریع تر لایه سطحی جاده می گردد. فشار تایر کامیون در خلال سالیان افزایش می یابد که خود چالشی را پیش روی مهندسین آسفالت جاده قرار می دهد تا آنکه قابلیت ارتقای کیفیت مواد HMA را حاصل آورند تا آنکه بتوانند اقدام به کاهش شکست نابهنگام سطح آسفالت شوند.

6-2-1-8. رشد ترافیک

سطح آسفالت به گونه ای طراحی شده است که قابلیت تحمل ترافیک آینده را نیز داشته باشد، که این ترافیک غالبا در طی سالیان افزايش می یابد. پیش بینی رشد آتی ترافیک غالبا دقیق نیست. این عدم دقت در پیش بینی ترافیک آتی بر روی دقت پیش بینی عملکرد آسفالت و در نتیجه طول عمر طراحی شده آن نیز تاثیر گذار خواهد بود.

7-2-1-8. خواص تغییر مواد با توجه به شرایط محیطی

شرایط محیطی دارای تاثیر زیادی بر روی خواص مواد تشکیل دهنده آسفالت می باشند. به طور مثال، HMA در دماهای بالا نرم تر شده که خود منجر به ایجاد گودی یا شیار می گردد و در مقابل در دماهای پایین سخت تر می شود که منجر به ترک خوردگی حرارتی خواهد شد. علاوه بر این، باران، همراه با سیکل های یخ زدگی و آب شدن مجدد یخ ها سبب تضعیف مواد HMA بزرگ شده و بنابراین موجب کاهش قابلیت حمل بار بستر، زیر بستر و ساختار زمین خواهد شد. به علاوه، HMA با توجه به گذشت زمان دچار پیرشدگی گردیده که خود منجر به افزایش سفتی آن و احتمال ترک خوردگی می گردد.

8-2-1-8. تغییر خواص ساختار زمین با توجه به فاصله

از آنجایی که سطح جاده آسفالت می بایست ناحیه بزرگی را تحت پوشش قرار دهد، لازم است تا این جاده با استفاده از انواع مختلف مواد تشکیل دهنده بستر زمین که دارای خواص مختلفی هستند ساخته شود. به علاوه، جاده ممکن است بر روی بخش های قشری کنده شده یا پر شده زمین که دارای خواص مختلف از نظر مواد می باشند ساخته شود. تغییر خواص این قشر یا بستر جاده نیازمند ضخامت های مختلف لایه های آسفالت می باشد تا آنکه قابلیت پشتیبانی از بار ترافیکی یکسان را داشته باشد و همچنین از عملکرد یکسانی نیز بهره مند گردد.

9-2-1-8. بار ترافیکی هدایت شده

بار ترافیکی در مسیر چرخ اعمال می گردد. این بار ترافیکی هدایت شده در چنین مسیری منجر به تنزل یا تخریب سریع تر مسیر چرخ در مقایسه با نواحی بین چرخ ها می گردد. بنابراین فرآیند طراحی می بایست توزیع تنش و کرنش متناسبی را در ساختار آسفالت مدنظر قرار دهد تا آنکه قابلیت مشخص نمودن موقعیت های بحرانی و مشکلات و تنزلات احتمالی وجود داشته باشد.

10-2-1-8. سیستم چند لایه

ساختار آسفالت شامل چندین لایه می باشد که بر روی بستر جاده ایجاد گردیده اند. این لایه ها دارای مواد مختلف با خواص متفاوتی می باشند. توزیع تنش ها و کرنش ها در داخل سیستم آسفالت چند لایه منوط به ضخامت و خواص مواد این لایه ها می باشد.

11-2-1-8. تعریف شکست غیر متعارف

شکست نوعی ساختارهای مهندسی ساختمان به عنوان شکستگی یا از هم گسیختگی تعریف     می گردد. چنین موردی غالبا به هنگامی رخ می دهد که تنش وارد شده فراتر از حداکثر مقدار مجاز باشد یا بیشتر از قدرت مواد باشد. به غیر از دیگر ساختارهای مهندسی ساختمان، تنش های کاربردی در آسفالت غالبا بسیار کمتر از استحکام ماده است. بنابراین، کاربرد صرفا یک بار سبب ایجاد ضایعه یا شکست آسفالت نخواهد شد، اما منجر به مقادیر بی نهایت کوچک از ضایعات یا  تنزل های مرتبط می گردد. این ضایعه به تدریج افزایش یافته تا آنکه به یک سطح غیر قابل پذیرش یا یک سطح شکست بیانجامد به واسطه این مکانیزم شکست، انواع مختلف مشکلات ممکن است در جاده های آسفالتی رخ دهد همان گونه که در بخش بعد تشریح خواهد شد. بنابراین بروز از هم گسیختگی در مسیر جاده صرفا به واسطه فروپاشی ساختار آن رخ نمی دهد، اما یک یا چند مورد از این مشکلات سبب ایجاد سطح غیر قابل پذیرشی از ضایعات مرتبط خواهد شد.

این خواص منحصر به فرد مربوطه به روسازی جاده نوعی مفهوم طراحی را در نظر می آورد که متفاوت از نوعی است که برای دیگر ساختارها از آن استفاده می شود. طراحان می بایست اقدام به بهره گیری از این عوامل نمایند تا آنکه این اطمینان حاصل شود که بروز شکست یا از هم گسیختگی تا زمان عمر مطلوب طراحی شده سطح جاده رخ نخواهد داد.

3-1-8. مشکلات روسازی و عملکرد

1-3-1-8. مشکلات شایع روسازی

انواع مختلف مشکلات ممکن است در زمینه روسازی با آسفالت رخ دهد. این مشکلات ممکن است به واسطه تکرار بار ترافیکی، دما، رطوبت، پیرشدگی، اعمال ساخت و ساز یا ترکیبی از این عوامل توسعه و رشد یابد. انواع شایع مشکلات مرتبط با روسازی انعطاف پذیر با جزئیات آن به وسیله NRC (1993) تشریح شده است که ذیلا توصیف می گردند:

1-1-3-1-8. ترک خوردگی ناشی از خستگی

ترک های خستگی به صورت يک سري از ترک های طولی و به هم پیوسته ظاهر می شوند که به واسطه حرکت مداوم و بار چرخ های ماشین ها می باشد. این نوع از ترک خوردگی به طور کلی به عنوان ترک های کوتاه طولی در مسیر چرخ پدیدار گردیده و تدریجا به صورت الگوهای ترک خورده به هم پیوسته همان گونه که در شکل 5-8 نشان داده شده است رشد می نماید. علت وقوع این ترک خوردگی عمل خمشی مکرر لایه HMA به هنگام وارد شدن بار بر آن می باشد. این موضوع سبب بروز تنش های انبساطی می گردد که در نهایت موجب بروز ترک هایی در انتهای لایه آسفالت خواهد شد. ترک ها به تدریج به سمت لایه بالایی انتشار یافته و متعاقبا به صورت به هم پیوسته رشد می نمایند. این نوع از مشکل در نهایت منجر به از دست رفتن جامعیت سیستم روسازی جاده خواهد شد.

2-1-3-1-8. شیارشدگی

شیار به عنوان دفرمه شدگی دائمی مسیر چرخ تعریف می شود و در شکل 6-8 نشان داده شده است. پدیده گودشدگی یا شیار می تواند به واسطه عوامل ذیل به وجود آید: (الف) HMA غیر پایدار، (ب) متراکم شدگی HMA، (ج) ته نشینی عمیق در ساختار زمین همان گونه که در شکل 7-8 نشان داده شده است.

3-1-3-1-8. زبری / ناهمواری

ناهمواری به عنوان بروز ناهنجاری ها یا موارد غیر یکنواخت در پروفیل روسازی تعریف می گردد که سبب تجربه یک سواری ناراحت کننده، غیر ایمن و غیر اقتصادی می شود. ناهمواری بر روی دینامیک و حرکت وسایل نقلیه تاثیر می گذارد و سبب افزایش فرسایش قطعات وسیله نقلیه و همچنین بهره گیری از این وسایل خواهد شد. بنابراین، ناهمواری جاده دارای تاثیر محسوسی بر روی هزینه هاي عملیاتی وسایل نقلیه و ایمنی آنها، همراه با راحتی و سرعت مسافرت می شود. به علاوه این مورد سبب افزایش بار دینامیکی تحمیل شده بوسیله وسیله نقلیه بر روی سطح شده و خود منجر به تسریع تخریب ساختار روسازی جاده می گردد.

…

9-6-8. نرم افزار طراحی

یک نرم افزار محاسباتی کاربرگرا و یک سیستم مستند سازی برمبنای راهنمای طراحی روکش AASHTOM-E پیشنهادی ایجاد شدند. طراح کار طراحی خود را از طریق پیکربندی طرح آزمایشی شروع کرد. پس از آن این ترم افزار یک پیش بینی مرتبط با خرابی کلیدی و همچنین نرمی موارد در خلال طول طراحی شده روکش را پیش بینی نمود. این پیش بینی بر مبنای مقادیر میانه و میانگین برای کلیه ورودی ها بوده است. این نرمی ها و سختی های پیش بینی شده معرف مقادیر میانه ای هستند که می توان آنها را به عنوان یک برآورد اطمینان پذیری 50% در نظر گرفت. نوعا، طراح نیازمند یک قابلیت اطمینان بالاتر می باشد تا آنکه طرح بتواند معیارهای عملکرد در خلال چرخه عمر طراحی را ارضاء نماید. مسئله مهمتر در این پروژه برحسب پیامدهای شکست خود اطمینان پذیری مطلوب در امر طراحی به صورت هرچه بیشتر می باشد.

10-6-8. کالیبراسیون برحسب شرایط محلی

هر موسسه ای که در خصوص تطابق خود با رویه های طراحی تشریح شده در راهنما علاقه مند می باشد می بایست اقدام به ایجاد یک برنامه پیاده سازی عملی نماید. این برنامه می بایست شامل کادر آموزش دیده، تجهیز به ادوات مورد نیاز، خرید سخت افزارهای کامپیوتری مورد نیاز و کالیبره سازی و مشخص نمودن اعتبار شرایط محلی باشد.

7-8. نتیجه گیری

یک روکش قابل انعطاف متعارف متشکل از سطح، قشر پی و زیر بستر می باشد که بر روی قشر فوقانی متراکم بستر جاده ایجاد می شود. روکش جاده در معرض بارهای مکرری می باشد که از بزرگی متغیر، فشار تایر و پیکربندی های متفاوتی برخوردار هستند. خرابی های سطح روکش به واسطه تکرار بار ترافیکی، دما، رطوبت، پیرشدگی، رویه های ساخت و ساز یا عوامل ترکیبی از این شرایط به وجود می آید. خرابی های شایع شامل ترک خوردگی خستگی، شیارشدگی یا گودی، زبری یا ناهمواری و ناصافی، و ترک خوردگی های حرارتی می باشد. روکش جاده به هنگامی با شکست روبرو می شود که یک یا چند مورد خرابی سبب ایجاد سطح غیر قابل پذیرشی می گردد.

طراحی سطح روکش نرم یا انعطاف پذیر در خلال سالیان متمادی سیر تکاملی خود را ادامه داده است و از یک مرحله تجربی خالص به سمت مراحل میکانیکی حرکت نموده است. البته هیچ نوع روش مکانیکی خالص یا صرفی برای طراحی ایجاد نشده است. در حال حاضر، شایع ترین روش طراحی مربوط به روش AASHTO به سال 1993 می باشد که برمبنای ارزیابی آماری داده های عملکرد است که از آزمون جاده AASHO حاصل آمده اند. روش مکانیکی- تجربی AASHTO جهت فراهم آوردن یک ابزار عملی و نوین برای جامعه بزرگراهی به منظور طراحی ساختارهای جدید و بازسازی شده مربوط به روکش جاده پیشنهاد شده است. پیاده سازی راهنمای طراحی روکش AASHTO پیشنهادی به نظر می بایست در خلال سالیان آتی به رشد کامل خود دست یابد. رویه های طراحی روکش جاده نیز براین مبنا می بایست تدریجا به سمت وابستگی بیشتر به رویکرد های مکانیکی روی آورده و وابستگی خود را به رویه های تجربی کاهش دهند.