KLIMATICKÉ VLIVY A TEPLOTECHNICKÉ VLASTNOSTI CESTNÍCH STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ Klimatické vlivy lze charakterizovat: teplotou tlakem vlhkostí vzduchu Teplotechnické vlastnosti lze charakterizovat: součinitelem tepelné vodivosti měrným teplem tepelnou roztažností

Střední teplota vzduchu a její charakteristiky T7 … teplota měřená v 7 hodin 2 m nad terénem T14 … teplota měřená ve 14 hodin 2 m nad terénem T21 … teplota měřená v 21 hodin 2 m nad terénem Grafickým zobrazením střední denní teploty v průběhu celého roku dostáváme sinusoidu.

Charakteristiky ročního průběhu teplot: Tm – střední roční teplota A- výchylka od střední roční teploty Im - index mrazu T=1 rok Ts A Střední roční teplota Tm 0 °C měsíce v roce Plocha představuje index mrazu

Klimatické charakteristiky zimního období Mrazivý den – den, v jehož průběhu klesla teplota vzduchu pod –0.1 °C Ledový den – den, v jehož průběhu nevystoupila teplota vzduchu nad –0.1 °C (celý den byla teplota pod nulou) Index mrazu – nejčastěji používaná charakteristika, je dána maximální hodnotou postupného součtu středních záporných denních teplot vzduchu v průběhu zimního období

Faktory ovlivňující index mrazu: nadmořská výška čistota vzduchu proudění tepla členitost území vegetace Návrhová hodnota indexu mrazu: I m,n je stanovená s určitou periodicitou n z dlouhodobých pozorování

Teplotechnické vlastnosti cestních materiálů Součinitel tepelné vodivosti: Určuje množství tepla, které projde tělesem jednotkové tloušťky a plochy za jednotku času při jednotkovém tepelném gradientu Je důležitý především z hlediska ochrany vozovek před nepříznivými účinky mrazu. Na změnu součinitele tepelné vodivosti mají vliv: -objemová hmotnost vlhkost pórovitost

Materiály s větší pórovitostí, nižší objemovou hmotností a nižší vlhkostí mají nižší hodnoty součinitele tepelné vodivosti. Materiály s vysokou objemovou hmotností a malou pórovitostí (např. beton) mají vyšší hodnoty tohoto součinitele.

Pro navrhování vozovek se tedy používají návrhové hodnoty součinitelů tepelné vodivosti , které odpovídají nejnepříznivějším podmínkám vlhkosti v podloží a v konstrukci vozovky.

Návrh a posouzení vozovky z hlediska ochrany před účinky mrazu Negativní faktory ovlivňující poruchy vozovek: nepříznivé klimatické podmínky namrzavá zemina nepříznivé hydrogeologické poměry dopravní zatížení V zimním období může docházet ke zdvihu vozovek, na jaře ke snižování únosnosti a deformaci vlivem dopravního zatížení - je nutno chránit vozovku proti těmto vlivům. Teplotní režim – cyklus změn teplot v konstrukci vozovky v průběhu dne

Teplotní režim ve vozovce v průběhu horkého letního dne Rozsah denní změny teploty 10 ° 50 ° teplota Živičné vrstvy Teplota ve 4 hod. Teplota ve 13 h. Nestmelené vrstvy Podloží hloubka Teplotní režim ve vozovce v průběhu horkého letního dne

Roční změna teploty v konstrukci vozovky a v podloží Rozsah roční změny teploty na povrchu -°C -30° 50° +°C Konstrukce vozovky Rozdělení teploty v zimě hpr Rozdělení teploty v létě Roční změna teploty na pláni Roční změna teploty v konstrukci vozovky a v podloží

Teplota vrstev ovlivňuje rovněž deformační parametry materiálu vrstev vozovky. Pro návrh vozovek se používají průměrné teploty živičných vozovek: zimní období T=0°C (doba trvání 20 % dní v roce) střední období (jaro, podzim) T=11 °C (doba trvání 50 % dní v roce) - letní období T=27°C (doba trvání 30 % dní v roce) Teplotní režim v zimním období se při návrhu charakterizuje hloubkou promrzání.

Výpočet hloubky promrzání vozovek Hloubka promrzání je ovlivňována: klimatickými podmínkami území teplotechnickými vlastnostmi cestních stavebních materiálů - druhem a stavem zemin v podloží Zjednodušený vztah: ap … koeficient charakterizující klima a druh konstrukce t … doba působení mrazu

Průběh promrzání vozovky Období poklesu teploty Období identické teploty oteplení Sledovaná vozovka odtávání Nulová izoterma Průběh promrzání vozovky

Přesnější vztah: C … součinitel závislý na teplotechnických vlastnostech vozovky(pro živičné vozovky c=5) Im … index mrazu

Další výpočetní vztah: Živičné vozovky: Betonové vozovky:

Nejpřesnější vztah (zahrnuje index mrazu, teplotechnické charakteristiky vozovky, druh zeminy v podloží): Hv … tloušťka vozovky lz … koeficient tepelné vodivosti zeminy v podloží Rv … tepelný odpor vozovky

Tepelný odpor vozovky a jeho regulace Tepelný odpor i-té vrstvy hi .. tloušťka i-té vrstvy li… koeficient tepelné vodivosti i-té vrstvy

Tepelný odpor celé vozovky složené z n vrstev: Zásada návrhu: Vrstvy by měly klást přestupu mrazu co největší odpor,měly by co nejlépe izolovat. Tepelný odpor lze zvyšovat pomocí tepelně-izolačních vrstev.

Zdvih vozovky Vznikají nerovnosti v příčném i podélném směru, může dojít k prolomení vozovky, snižuje se životnost vozovky. Ve středu je zdvih větší než na krajnicích, rovněž v podélném směru je zdvih nerovnoměrný (závisí na druhu zeminy v podloží, na vodním režimu).

hpr-hloubka promrzání Hv-tloušťka vozovky K-součinitel citlivosti zeminy na mráz, závisí na druhu zeminy , vlhkosti a objemové hmotnosti obvykle K=80 Zápis pomocí hloubky hz promrznuté zeminy v podloží:

Dovolený zdvih vozovky závisí na skupině dopravního zatížení (pohybuje se v rozmezí 20 – 40 mm). Dovolená tloušťka vrstvy promrzlé zeminy v podloží na: - typu vodního režimu, stupni namrzavosti zeminy v podloží skupině dopravního zatížení Pohybuje se v rozmezí 0.5 m-0.9m.

Snížení únosnosti podloží v době jarního tání konsolidace mráz Modul pružnosti podloží Počet dní Schématické znázornění průběhu únosnosti podloží

Průběh má tři typické znaky: Vysoká únosnost v době mrazu Náhlý pokles únosnosti v době jarního tání Postupné zvyšování únosnosti (konsolidace) Snížení únosnosti v době tání se vyjadřuje pomocí redukčního součinitele u, který závisí: druhu zeminy a její namrzavosti vodním režimu v podloží poměru tloušťky vozovky a hloubky promrzání Pohybuje se v rozmezí 0.55-0.96.

Metody ochrany vozovek před nepříznivými účinky mrazu -vozovka musí mít dostatečnou tloušťku 0.5-0.85 m, tj. přibližně 40-65% hloubky promrzání nejdůležitější a nejsilnější vrstvou je štěrkopísková podsypná vrstva, která má charakter ochranné vrstvy - aplikace tepelně-izolační vrstvy Chráněná vozovka: Při dostatečné tloušťce konstrukce vozovky dochází k tání ledových čoček v podloží pozvolně, odspodu, voda může vsakovat do podloží, podloží může pomalu konsolidovat.Tlaky na podloží od dopravního zatížení jsou menší než u nechráněné.

U nechráněné vozovky dochází k prudkému tání ledových čoček v podloží, obvykle od povrchu, spodní vrstvy jsou ještě zmrzlé, voda nemá kam vsakovat, dochází ke ztrátě únosnosti.Tlaky od dopravního zatížení na podloží jsou navíc větší.

Pro vozovku, která vyhovuje z hlediska ochrany před nepříznivými účinky mrazu musí platit: Rv – tepelný odpor navržené vozovky Rv,p- potřebný tepelný odpor

I m,n - návrhová hodnota indexu mrazu lz – součinitel tepelné vodivosti zeminy (Wm-1 K-1) h z,dov- dovolené promrznutí zeminy (dle tabulky) závisí na typu vodního režimu, třídě dopravního zatížení a na stupni namrzavosti zeminy v podloží Způsob ochrany vozovek před účinky mrazu zvýšení nivelety nad hladinu podzemní vody na bezpečnou vzdálenost (viz vodní režimy) regulace vodního režimu účinnými odvodňovacími zařízeními( těsnící membrány, clony, fólie) zřizování vrstev z nenamrzavých materiálů(ochranné vrstvy)

regulace teplotního režimu (tepelně-izolační vrstvy) zlepšování podložních zemin, a to jak z hlediska namrzavosti, tak i únosnosti Ochranné vrstvy ze štěrkopísků (podsypy) Brání pronikání zeminy podloží do podkladových vrstev (filtrační účinek) b) Odvádí vodu z cestní konstrukce a z povrchu podloží (drenážní účinek)

c) Omezuje vzlínání vody do vrstev vozovky (přerušovací účinek) d) Zvětšuje tloušťku konstrukce z nenamrzavých materiálů e) Přispívá ke zvýšení únosnosti vozovky Nevýhoda: Vytváří prostředí, v němž se koncentruje voda. Minimální tloušťka štěrkopískové vrstvy je 0.15 m.