Revize TP 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací Část 1. – Důvody revize a koncepce řešení

Silnice mosty 2022, 3, 40–43

Ing. Jan Zajíček

Ve čtyřech částech, které budou vycházet ve zpravodaji Silnice mosty, přinášíme podrobné informace o čerstvě provedené revizi TP 170:
1. Důvody revize a koncepce řešení, 2. Vstupní údaje – návrhová úroveň porušení, dopravní zatížení, parametry podloží, klimatické podmínky, návrhové parametry konstrukčních vrstev, 3. Návrh vozovky výběrem z katalogu, návrh a posouzení vozovky výpočtem, 4. Zvláštní případy, příspěvek pro ekologii, nejčastější chyby při navrhování.

Úvod

Současný předpis TP 170 pochází z roku 2004. Z důvodu zavedení nových pojmů a některých nově definovaných požadavků v souvislosti s přechodem na evropské normy a nutnosti upravit postupy při posuzování podloží vozovky při vydání ČSN 73 6133:2010 byl v roce 2010 vydán Dodatek TP 170.

V posledních letech došlo k revizi návrhových metod pro vozovky v řadě zemí. Vzrostl počet těžkých vozidel a došlo ke změnám v rozložení jejich náprav (počty dvoj-/trojnáprav). Zavádí se nové materiály, upřesňují se návrhové parametry materiálů stávajících, mění se některé požadavky a zkušební metody vlivem zavedení evropských norem.

TP 170 z roku 2004 je velmi často vytýkána jeho nepřehledná struktura a složitost. Text není konzistentní, je obtížné poznat, kde které téma začíná a kde končí, vše je chaoticky roztroušeno po celém předpise. Způsob stanovení dopravního zatížení není transparentní, postup posouzení podloží byl před vydáním dodatku prakticky neproveditelný. Nelze se proto divit, že projektanti jsou zmateni a ne vlastní vinou se dopouštějí chyb. Proto je již dlouhou dobu poptávka pro novém předpise, srozumitelném pro běžného uživatele a nejen pro úzký okruh specialistů, kteří si dovedou s některými problematickými pasážemi poradit.

Přitom je potřeba zdůraznit, že stávající použitá metodika návrhu a posouzení vozovky je postavena na správných principech, které není potřeba zásadně měnit. Jedná se o aplikaci Minerovy hypotézy, kritéria únavy stmelených vrstev, kritéria trvalých deformací podloží, výpočet poměrného porušení a využití teorie vrstevnatého poloprostoru.

První otázkou při revizi TP 170 bylo stanovení jejího rozsahu, zachování či změny některých dosavadních postupů, míra přebírání zahraničních zkušeností a celkové uspořádání předpisu.

Navrhování vozovek je obor, který se vyznačuje vysokou variabilitou názorů, a to nejen u nás, ale i v zahraničí. Metodika posouzení vozovky nemůže absolutně přesně vystihnout všechny jevy ve vozovce, protože se jedná o velmi nestejnorodou soustavu, na kterou působí velké množství obtížně popsatelných vlivů navíc měnících se v čase. Proto je takováto metoda vždy kompromis mezi teorií a realitou. Metodu navrhování vozovek nelze považovat za přesné matematické vyjádření fyzikálního chování vozovky, ale jen za omezený a zjednodušený model. To, že ve světě existují různé návrhové metody, které se jen málokdy vzájemně shodnou, svědčí o složitosti celé problematiky. Proto žádná jediná správná univerzální návrhová metoda neexistuje a pravděpodobně ani nikdy existovat nebude. Dnešní analytické metody nejsou nic jiného než vymodelovaná přiblížení k něčemu, o čemž jsme empiricky přesvědčeni. Nespornou výhodou ale je, že analytická metoda nabízí možnost rychlého posouzení všech dalších variant technologií a konstrukcí dosud empiricky neověřených, pokud jejich návrhové parametry byly stanoveny odpovídajícími srovnatelnými postupy. Toto by při empirickém přístupu trvalo mnoho let.

Z uvedeného důvodu není nutné hledání nějakého přiblížení k jiným zahraničním metodám za každou cenu. To ale neznamená, že bychom neměli hledat inspiraci v získávání zahraničních zkušeností, jen je potřeba umět rozlišovat, co je a co není srovnatelné a brát v úvahu všechny souvislosti. Poučením by mělo být neuvážené převzetí vzorce B.6.1, kterým se v kapitole B.6.2 odvozoval návrhový modul pružnosti podloží ze zkoušky CBR (viz dále).

Změny oproti předchozímu znění

Nová struktura

Předpis má úplně novou strukturu, kde jsou důsledně odděleny texty obsahující praktické postupy od teoretické části, která je zařazena do přílohy. Je zpracován do jednoho svazku, obsahujícího vstupní údaje, katalog vozovek i posouzení výpočtem. Protože se předpokládá, že ve většině případů se budou vozovky navrhovat výběrem z katalogu, text je uspořádán tak, aby uživatel nejprve načerpal všechny informace potřebné pro práci s katalogem a teprve potom pro posouzení vozovky výpočtem.

Transparentní výpočet dopravního zatížení

Výpočet dopravního zatížení je upraven tak, aby celý postup byl transparentním přepočtem účinku projíždějících vozidel na počet přejezdů návrhové nápravy obdobně jako v okolních státech, a přitom zachoval naše české specifikum – průměrné denní intenzity provozu těžkých nákladních vozidel TNV.

Podstata problému spočívala v tom, že v původním předpise nikde nebylo uvedeno, jaké parametry TNV vůbec má, což do výpočtu přinášelo oprávněné pochybnosti o jeho smyslu. Ze stejného důvodu nebylo jasné, co vlastně představují číselné koeficienty v rovnici (B.4.1) vyjadřující převod typů vozidel na TNV₀ a jednoznačná nebyla ani úloha koeficientu C₃, jehož původní definice „součinitel spektra hmotnosti náprav“ vůbec nic neříká a lze si ji vyložit různě. To se podařilo vyřešit jednoduchým způsobem tak, že se zavedla následující definice: Těžké nákladní vozidlo (TNV) – vozidlo, vyvozující stejné účinky jako přejezd jedné návrhové nápravy; intenzita provozu těžkých nákladních vozidel tak představuje počet návrhových náprav za předpokladu, že všechna projíždějící vozidla jsou maximálně vytížena a není přitom překročena jejich největší povolená hmotnost.

Rovnice přepočtu projíždějících vozidel na TNV₀ tak zároveň přestavuje přepočet na návrhovou nápravu, protože účinek přejezdu TNV a návrhové nápravy je nyní totéž. TNV tak lze používat dosavadním způsobem a současně se vyjasnila i úloha koeficientu C₃, který v návaznosti na předchozí zcela logicky představuje součinitel vytížení vozidel. Postup je dále zjednodušen tím, že byly vypuštěny některé zbytečné mezikroky a rovnice pro předpokládaný počet přejezdů návrhové nápravy v nejvíce zatíženém jízdním pruhu za celé návrhové období má jednoduchý snadno pochopitelný tvar:

N_cd = C₁ ∙ C₂ ∙ C₃ ∙ C₄ ∙ TNV_k ∙ 365 ∙ t_d

Poznámka: Dosavadní postupy v TP 170:2004 jsou sice po formální stránce správné, ale jsou zbytečnou a poněkud matoucí komplikací. Výhrady k současnému způsobu stanovení dopravního zatížení jsou uvedeny v příspěvku „Úvaha nad postupem stanovení dopravního zatížení podle TP 170“ (Zajíček J. Asfaltové vozovky, 2013).

Dále byly na základě reálných hodnot huštění pneumatik změněny parametry návrhové nápravy, kde průměrný dotykový tlak (intenzita svislého rovnoměrného zatížení) bude q_k = 0,80 MPa a tomu odpovídající poloměr dotykových (zatěžovacích) ploch a_k = 0,0998 m za předpokladu zachování zatížení nápravy Q_k = 100 kN.

Též došlo k úpravě tříd dopravního zatížení, které jsou nyní postaveny na mezních počtech přejezdů návrhové nápravy N_cd za návrhové období. Tím se při práci s katalogem odstranily problémy s odchylkami způsobenými tím, že pokud se vycházelo z TNV_k, často se zapomínalo na zahrnutí vlivu charakteristik silničního provozu, vyjádřený koeficienty C₁ až C₄ (zejména vliv rychlosti pohybu vozidel při rychlosti nižší jak 50 km/h, kde C₄ = 2).

Při rozboru současného způsobu sčítaní dopravy se došlo ke zjištění, že tento způsob neposkytuje dostatečně kvalitní údaje k tomu, aby mohly být použity pro revizi číselných koeficientů v rovnici přepočtu typů vozidel na TNV₀. Nejzávažnějším důvodem je, že v některých případech se vychází z užitečné hmotnosti vozidla a jinde z celkové hmotnosti a identifikace vozidel se provádí na základě počtu náprav bez ohledu na jejich hmotnost, což neodpovídá účinkům vozidel na vozovku. Dále údaje z automatického sčítání, manuálního sčítání a vážení náprav nejsou navzájem kompatibilní. Toto je však nezbytné řešit samostatným projektem, který ale není možné realizovat během revize TP 170. Proto bylo rozhodnuto revizi TP 170 dokončit s použitím stávajících koeficientů a příslušné korekce provést až po nápravě metodiky sčítání dopravy. Nepředpokládá se, že by současné hodnoty těchto koeficientů představovaly odchylku, která by mohla způsobit významný problém. Podobný přistup byl zvolen též u koeficientu C₃, jehož ověření s ohledem na kvalitu současných dostupných údajů z vážení náprav není možné.

Návrhové parametry podloží

Text je zpracován na základě Dodatku k TP 170 z roku 2010, kde byl odstraněn problém nereálnosti postupovat podle původních kapitol TP 170 z roku 2004. Podstatou tohoto problému bylo, že pro výpočet návrhového modulu pružnosti podloží (E_d) byl použit vzorec (B.6.1), jehož definiční obor platnosti (2 % < CBR < 12 %) je mimo rozsah uvažovaných vstupních hodnot CBR ≥ 15 %. Použití tohoto vzorce došlo zřejmě na základě nedomyšleného převzetí zahraniční metody postavené na odlišné interpretaci podloží vozovky, kde některé zahraniční návrhové metody do výpočtu zahrnují i aktivní zónu (capping layer) a v případě výskytu nevhodných zemin, kde jsou hodnoty CBR nízké, je použití daného vzorce legitimní. Náprava provedená implementací Dodatku, kde se návrhový modul pružnosti podloží (E_d) stanovuje tabelárně na základě CBR nebo ze zatřídění zeminy podloží podle přílohy A ČSN 73 6133 by měla konečně odstranit různé improvizace, postavené obvykle na rutinním posuzování podloží až na stavbě pomocí kontrolního modulu přetvárnosti E_def2. U soudržných zemin závisí tento modul výrazně na vlhkosti, která se může měnit. Přitom se mění i konzistence zeminy. U některých nevhodných zemin tak mohou naměřené hodnoty E_def,2 za suchého počasí dočasně vykazovat zcela matoucí nereálně vysoké hodnoty. To pak může způsobit vážné problémy, protože podloží časem nasaje přirozenou vlhkost a výsledkem je tak vozovka postavená na neúnosném podloží. Navíc parametry únosnosti podloží přece musí být vyřešeny v rámci projektu, zjišťovat něco až na stavbě je pozdě.

Do návrhové metody byly též přidány tabulky tlouštěk úpravy nebo výměny podloží vozovky, převzaté z kap. 9 ČSN 73 6133, protože tato oblast do návrhové metody nepochybně patří.

Návrh výběrem z katalogu vozovek

Základní struktura katalogu zůstává zachována, katalogové listy jsou obsaženy v Příloze.

V katalogu vozovek jsou též zařazeny katalogové listy speciálně určené pro autobusové zastávky a dále je zde možnost zaměnitelnosti některých vrstev bez potřeby posouzení výpočtem.

Vozovky v katalogových listech jsou spočítány pro dopravní zatížení N_cd odpovídající horní hranici dané třídy dopravního zatížení (stejně jako u většiny metod zahraničních). Jediným identifikátorem třídy dopravního zatížení je tak hodnota N_cd, zahrnující potřebné charakteristiky silničního provozu (C₁, C₂, C₃, C₄), zatímco v původním katalogu se ještě vyskytují další veličiny TNV₁, TNV_k, TNV_cd, jejichž nesprávná interpretace často vede k chybným výsledkům.

Požadované minimální hodnoty modulu přetvárnosti E_def,2, uvedené v katalogových listech u každého schématického znázornění vozovky, již odpovídají hodnotám podle tabulky 8 ČSN 73 6126-1:2019.

Návrhové charakteristiky konstrukčních vrstev

Moduly pružnosti nestmelených směsí byly již delší dobu zpochybňovány s tím, že zahraniční návrhové metody počítají s nižšími hodnotami. K tomu bylo provedeno vlastní měření modulů pružnosti v triaxiálním přístroji na VUT v Brně (doc. Ing. Dušan Stehlík, Ph.D.) a též porovnání se zahraničními metodami (Ing. Jiří Fiedler). Jednoznačný závěr byl, že moduly pružnosti nestmelených směsí by měly být nižší. Řešení bylo provedeno jako kompromis mezi analytickým a empirickým řešením. Významným argumentem pro zohlednění empirického přístupu je, že nové (nižší) návrhové parametry musí být navrženy s jistým „citem“, tj. nelze slepě převzít výsledky měření a výpočtů bez jejich validace zohledňující podmínky, při jakých byly prováděny (např. rozdíly ve zkušební metodice a představě o nastavení kritéria pro posouzení). Jinak by se mohlo snadno stát, že takto rutinně převzaté naměřené nebo vypočtené parametry při posuzování vozovek výpočtem způsobí rozvrat hodnot dosavadních výsledků.

Pokud jde o návrhové charakteristiky asfaltových směsí, na VUT v Brně a ČVUT v Praze byly provedeny série ověřovacích zkoušek zejména se zaměřením na nové technologie podle normy ČSN 73 6120. Toto zkoušení bylo možné na rozdíl od nestmelených směsí navázat na bohaté historické praktické i teoretické zkušenosti, a proto lze výsledky objektivně vyhodnotit a použít.

Posouzení výpočtem

Nejprve jsou zařazeny požadavky na jednotlivé typy konstrukčních vrstev. Základním předpokladem je, že tyto požadavky jsou již obsaženy v příslušných technických normách a předpisech a není je zde potřeba opisovat.

Výpočet se bude provádět stejným způsobem, avšak pomocí úplně nového výpočetního programu s uživatelským rozhraním kompatibilním s novými TP 170.

Do předpisu byl nově doplněn návod na etapovou výstavbu, kterou lze použít v případě, když má na vybudované komunikaci v jistém časovém okamžiku dojít k výraznému nárůstu intenzity dopravy. Při návrhu vozovky se zohledňují obě etapy, tj. vozovka vystavená počátečnímu dopravnímu zatížení i její zesílení od okamžiku, kdy se má dopravní zatížení zvýšit.

Zaměnitelnost některých vrstev

Za účelem usnadnění využívání technologií, které umožňují zpracovávat místní materiály a recykláty, je možné některé vrstvy za určitých podmínek zaměňovat. Jedná se o použití mechanicky zpevněné zeminy (MZ) podle ČSN 73 6126-1 a vrstev stmelených hydraulickými pojivy nižších pevnostních tříd (např. ZSH C_3/4) podle ČSN 73 6124-1 v podkladních vrstvách vozovek. Využívání těchto technologií je úzce vázáno na specifické možnosti zhotovitele stavby, který však v době zpracování projektové dokumentace ještě nebývá vysoutěžen. Projektant proto nemůže vědět, jaké materiálové možnosti z hlediska využívání místních zdrojů zhotovitel stavby bude mít, a pokud k tomu nemá žádný objektivní důvod přijatelný pro kteréhokoliv zhotovitele, MZ nebo ZSH pochopitelně nepoužije.

Extrémně namáhané konstrukce

Předpis se též zabývá zvláštními případy, jako jsou extrémně namáhané konstrukce (autobusové zastávky, okružní křižovatky, horské točky, nájezdy k nákladovým rampám apod.). Též se vyskytují vozovky vystavené extrémně vysokým dotykovým tlakům náprav způsobené např. vysokozdvižnými vozíky s plnými pneumatikami nebo vozidly, jejichž hmotnosti náprav překračují povolené limity pro provoz na veřejných komunikacích. Zde se musí rozlišovat, zda řešením je pouze volba vhodné technologie krytu vozovky nebo je extrémní namáhání záležitostí namáhání celé konstrukce a souvisí s jejím posouzením.

Popis analytického modelu posuzování vozovek v příloze

Jak již bylo uvedeno, teoretická část je zařazena do přílohy, aby byla oddělena od praktických postupů, protože uživatel ji při běžné práci tak často nepotřebuje.

Teoretická část v příloze obsahuje následující témata:

• Dopravní zatížení – princip přepočtu typů vozidel na návrhovou nápravu a postup stanovení vlivu vytíženosti vozidel (C₃) na základě vážení vozidel.
• Návrhové parametry podloží – jde o použité charakteristiky odolnosti podloží vozovky vůči nárůstu trvalých deformací opakovaným zatěžováním.
• Způsoby stanovení návrhových parametrů konstrukčních vrstev – jedná se zejména o vrstvy asfaltové a cementobetonové.
• Posouzení konstrukce vozovky výpočtem – mezní počet opakování zatížení stanovený výpočtem a poměrné porušení jako finální kritérium posouzení vozovky.
  
  

Revize ČSN 73 6114

S revizí TP 170 probíhá i revize ČSN 73 6114, která vytváří legislativní rámec pro vlastní navrhování.

Závěr

V silničním stavitelství se točí značné finanční prostředky. Nutnou podmínkou pro jejich efektivní využívání je nepochybně i správný způsob navrhování vozovek.

Poděkování

Děkuji ostatním členům zpracovatelského týmu revize TP 170 za jejich vynikající spolupráci: prof. Dr. Ing. Michalu Varausovi, doc. Ing. Ludvíku Vébrovi, CSc., Ing. Petru Mondscheinovi, Ph.D., Ing. Jiřímu Fiedlerovi a Ing. Luďku Mališovi.