Nawierzchnie drogowe – metody diagnostyczne stanu technicznego

Szeroko pojęty transport i komunikacja w obecnych czasach stanowią jeden z kluczowych elementów każdej rozwijającej się gospodarki na świecie. Możliwość bezpiecznego i wygodnego podróżowania nie jest jedynie wskaźnikiem ekonomicznym, ale również czynnikiem, który wpływa na ocenę jakości życia w danym społeczeństwie. Możliwość wyboru środka transportu zarówno przy transporcie indywidualnym czy grupowym ludzi, jak i przy przewozie dóbr i materiałów jest bardzo szeroka i obejmuje drogi powietrzne, drogi śródlądowe i morskie, drogi żelazne oraz kołowe. Pomimo wielu alternatyw dominującą drogą przewozu dóbr i osób jest wciąż sieć dróg kołowych. Obserwowany w ostatnim dziesięcioleciu zarówno zwiększający się ruch pojazdów kołowych, jak i tendencja do zwiększania dopuszczalnych obciążeń wytwarzanych przez pojazdy ciężkie dowodzą, że ta forma transportu będzie odgrywała pierwszoplanową rolę także w następnych kilkunastu latach. Ze względu na znaczenie transportu kołowego szczególnie ważne jest nie tylko budowanie nowych nitek sieci lub modernizowanie wysłużonych reliktów poprzedniego wieku, ale również podjęcie skoordynowanych działań mających na celu regularną kontrolę i monitoring stanu nawierzchni dróg, które przeszły proces budowy, remontu lub przebudowy w ostatnich kilku latach. Zmiana nastawienia z „remontuj lub przebuduj” na „monitoruj i utrzymaj” jest więc kolejnym krokiem do wykonania. Dążenie do wprowadzenia racjonalnej polityki Road Asset Management (RAM), co do zasady, powinno pozwolić na lepsze gospodarowanie majątkiem drogowym oraz wydłużenie cyklu życia nawierzchni drogowej jako całości. Zasady RAM są już implementowane na drogach będących pod zarządem centralnym, tj. na autostradach, drogach ekspresowych i krajowych, jednakże biorąc pod uwagę fakt, że trzon sieci drogowej w Polsce stanowią drogi średniego i niższego szczebla (wojewódzkie, powiatowe i gminne), to podobna polityka utrzymaniowa powinna zostać rozszerzona również na tę część układu komunikacyjnego.

Jednym z integralnych elementów odpowiedzialnego gospodarowania siecią drogową jest okresowe pozyskiwanie danych dotyczących stanu technicznego konstrukcji nawierzchni podczas zaplanowanych kampanii pomiarowych. Proces planowania pomiarów, zbierania i zapisu danych, analizy i oceny pozyskanych wyników, ujednoliconego zapisu plików pomiarowych, przechowywania danych oraz wyciągania wniosków i realizacja działań naprawczych może być umieszczony pod wspólnym pojęciem „diagnostyka stanu nawierzchni drogowej” (DSN). Całość działań zawartych w tym pojęciu dostarcza wielu cennych informacji o stanie techniczno-eksploatacyjnym badanego odcinka sieci drogowej, który w początkowej fazie użytkowania wymaga zabiegów utrzymaniowych, w kolejnym etapie – zabiegów remontowych, a finalnie – całkowitej przebudowy. Praktyczne stosowanie elementów diagnostyki stanu nawierzchni umożliwia podjęcie trafnej decyzji o realizacji prac naprawczych we właściwym czasie i bez ponoszenia nadmiernych kosztów.

Celem jest dążenie do maksymalnego wydłużenia okresu utrzymaniowego z ewentualnymi zabiegami remontowymi i jak najbardziej odłożone w czasie osiągnięcie punktu krytycznego, w którym niezbędna będzie przebudowa nawierzchni i ponowne podniesienie jej parametrów eksploatacyjno-użytkowych. Na podstawie uzyskanych wyników możliwe jest także przewidywanie sposobów degradacji nawierzchni, ścisłe określenie zakresu i rodzaju zabiegu remontowego, przedstawienie horyzontu czasowego realizacji prac budowlanych oraz precyzyjne określenie odcinka, na którym zabieg jest niezbędny do wykonania. Regularnie pozyskiwane dane, ich wysoka jakość i aktualność pozwalają na określenie hierarchii i priorytetów w zakresie remontów, przebudów oraz utrzymania dróg. Ważnym elementem dopełniającym proces decyzyjny jest gromadzenie informacji dotyczących przeciętnych kosztów wykonania poszczególnych prac drogowych. Taka baza danych wspomaga kolejny z ważnych procesów, a mianowicie szacowanie budżetu niezbędnego do realizacji celów utrzymaniowych i/lub remontowych na dany rok lub kolejne lata.

Warto więc nieco przybliżyć genezę i historię diagnostyki stanu nawierzchni w Polsce oraz badania i urządzenia służące do pozyskiwania informacji o stanie technicznym nawierzchni drogowych.

>>> Drogi publiczne – przepisy techniczno-budowlane

>>> Nowe życie nawierzchni z asfaltem do recyklingu z LOTOS Asfalt

>>> Droga z betonu na Pustynię Błędowską

>>> Destrukt asfaltowy nie jest odpadem

>>> Wymiana nawierzchni drogowej

Rys historyczny rozwoju systemów diagnostycznych nawierzchni w Polsce

Ocena stanu technicznego nawierzchni drogowych w dzisiejszych czasach wydaje się jednym z podstawowych i naturalnych działań związanych z utrzymaniem sieci drogowej. Jednak nie od zawsze istniały systemy i regulacje w tym zakresie. Podwaliny pod polskie mechanizmy diagnostyczne w drogownictwie powstały w latach 70. ubiegłego wieku [1]. W latach 1972–1986 nastąpiło duże zainteresowanie tematyką oceny stanu technicznego nawierzchni związane z rosnącą możliwością wymiany wiedzy i doświadczeń z krajami europejskimi oraz USA. Prekursorami umocowania prawnego diagnostyki nawierzchni drogowych nad Wisłą byli nieżyjący już Jerzy Walawski oraz Henryk Ruder, za opracowanie zaś spójnego systemu odpowiedzialni byli Anna Ziendalska i Tadeusz Suwara [1]. Efektem tych wieloletnich działań było powstanie Systemu Oceny Stanu Nawierzchni (SOSN) [2]. W ramach systemu ocenianych było pięć podstawowych parametrów nawierzchni: nośność, równość, koleiny, stan powierzchni i szorstkość, wymienione od posiadającego najwyższy priorytet. Badania dotyczące cech techniczno-eksploatacyjnych realizowane były za pomocą oceny wizualnej oraz prostych urządzeń pomiarowych i badawczych (np. łata i klin), co powodowało dużą czasochłonność i pracochłonność. Zagrożeniem w tym systemie pomiarowym była niewątpliwie duża zależność od czynnika ludzkiego, tj. ocena wizualna zależała od dokładności i skrupulatności osoby realizującej pomiary. Stan nawierzchni klasyfikowano do trzech poziomów: wymagany, ostrzegawczy i krytyczny. Ponadto wyróżniano cztery klasy stanu nawierzchni: klasa A – stan dobry, klasa B – stan zadowalający (obie klasyfikowane do poziomu wymaganego), klasa C – stan niezadowalający (poziom ostrzegawczy) oraz klasa D – stan zły (poziom krytyczny) – rys. 1. Odcinki, na których co najmniej jeden z parametrów oceniono w klasie D, przeznaczone były do wykonania zabiegów remontowych w trybie pilnym, a odcinki z oceną w klasie C wymagały dalszego monitorowania ze względu na niezadowalający stan techniczny i przeznaczone były do remontu w perspektywie najbliższych lat. Oceny w klasie A i B pozwalały pozytywnie ocenić stan konstrukcji nawierzchni drogowej. Wytyczne SOSN obowiązywały od 1989 r. przez ponad 25 lat, w międzyczasie wprowadzane były aktualizacje, komentarze i aneksy poprawiające stosowalność dokumentu.

Rys. 1. Kryteria oceny stanu technicznego nawierzchni wg SOSN [2]

Końcem obowiązywania SOSN był dzień 30 kwietnia 2015 r., kiedy to zarządzeniem Dyrektora GDDKiA wprowadzono nowy system diagnostyczny – „Wytyczne diagnostyki stanu nawierzchni i jej elementów” [3], który w 2019 r. został zaktualizowany i obowiązuje pod nazwą „Diagnostyka stanu nawierzchni i wybranych elementów korpusu drogi – wytyczne stosowania” [4]. Dokumenty te zostały wprowadzone przede wszystkim ze względu na zmiany w zakresie wymagań dotyczących oceny stanu nawierzchni, a także z powodu znaczącego postępu w zakresie metod pomiarowych, technologii oraz dostępności do zaawansowanego sprzętu pomiarowego. Nowa polityka diagnostyczna wprowadziła wiele zmian, aktualizacji i uszczegółowień, precyzując m.in. standardy prowadzonych kampanii pomiarowych, sposób rejestracji danych i ich zakres, sposób wyznaczania parametrów stanu nawierzchni i ich klasyfikację do poziomów stanu i klas technicznych, format zapisu plików z danymi pomiarowymi czy sposób wyznaczania zabiegów remontowych. Modyfikacje proponowane przez DSN należy odczytywać jako gruntowną zmianę i skok jakościowy do wymagań i możliwości XXI wieku. W DSN skrupulatnie przedstawiono również sprzęt pomiarowy zalecany do stosowania oraz jego konfigurację, aby uzyskane wyniki były jednoznaczne i kompletne. Wśród aparatury pomiarowej brak już urządzeń stricte ręcznych i wymagających „chałupniczej” pracy pomiarowej, w ramach zaś oceny wizualnej zwrócono się w kierunku automatyzacji procesu i wykluczenia subiektywnych ocen osób realizujących pomiary. W kluczowych kwestiach dotyczących poziomu stanu nawierzchni oraz klas stanu nawierzchni utrzymano odpowiednio trzy- i czterostopniowy podział, zmianie uległa klasyfikacja do poszczególnych klas na podstawie wartości stanu. Dużo obszerniej prezentuje się za to zestawienie parametrów i danych podstawowych wykorzystywanych w systemie DSN (rys. 2). Zamiast pięciu parametrów wyszczególnionych w SOSN w DSN pomiarom, ocenie i klasyfikacji podlega aż 18 parametrów punktowych, ciągłych lub ciągłych z oceną automatyczną. Ważnym elementem nowych wytycznych jest wprowadzenie modeli degradacji nawierzchni, dzięki którym można prognozować zmiany cech techniczno-eksploatacyjnych czy szacować przyszłe potrzeby remontowe. System DSN został również wyposażony w 25 załączników dotyczących m.in. instrukcji realizacji badań, szczegółowych wytycznych pomiarowych czy zasad analizy uzyskanych wyników.

Rys. 2. Lista parametrów i danych podstawowych wykorzystywanych w systemie DSN [4]

Wybrane metody pomiarowe stosowane w diagnostyce nawierzchni drogowych

Nawierzchnie drogowe – badanie ugięć

Najważniejszą cechą nawierzchni w hierarchii ustalonej przez DSN jest nośność wyrażona wskaźnikiem ugięć U i wskaźnikiem krzywizny ugięcia nawierzchni SCI300. Parametr ten może być oceniany z wykorzystaniem pomiarów punktowych lub ciągłych. Popularniejszą, a przede wszystkim bardziej dostępną i mniej kosztowną opcją w tym przypadku jest realizacja pomiarów punktowych z wykorzystaniem ugięciomierza dynamicznego FWD (ang. Falling Weight Deflectometer) – fot. 1 [5]. Badanie to polega na wykonaniu zrzutu obciążnika o ustalonej masie na stalową płytę, która służy do rozłożenia punktowego impulsu siłowego na powierzchnię kołową o średnicy D ≈ 300 mm. Do wykonania powyższych czynności służy sterowany elektronicznie układ hydrauliczny. Procesor i komputer są zespołem kontrolującym prawidłowość przebiegu procesu pomiarowego i zapisu danych z czujników przemieszczeń, siły, temperatur i dystansu. W wyniku działania obciążenia o zakresie od 7 do nawet 300 kN konstrukcja nawierzchni oraz podłoże ulegają odkształceniu sprężystemu na pewnym obszarze, którego wielkość jest zależna od wielkości zastosowanego obciążenia oraz sztywności badanej konstrukcji [6]. Pomiar wykonywany jest punktowo przy zatrzymanym pojeździe holującym. Na nawierzchni ustawiana jest stalowa płyta naciskowa z jednym czujnikiem (geofonem) oraz minimum sześcioma geofonami znajdującymi się na belce pomiarowej w określonym rozstawie (fot. 2). Z pewnej wysokości wykonywany jest zrzut obciążnika o ustalonej wcześniej masie i rejestrowana jest czasza ugięcia nawierzchni. Podczas pomiarów rejestruje się dane o lokalizacji punktu pomiarowego (pikietaż drogi oraz współrzędne geograficzne).

Fot. 1. Nawierzchnie drogowe badane ugięciomierzem dynamicznym FWD do pomiarów punktowych

Fot. 2. Widok na belkę pomiarową ze stalową płytą obciążeniową i czujnikami – geofonami

Wykonanie badania ugięciomierzem dynamicznym FWD na nawierzchniach drogowych wiąże się z przyłożeniem obciążenia w zakresie od 50 do 57,5 kN, co imituje obciążenie zbliżone do wytwarzanego przez koło pojazdu ciężkiego o obciążeniu osi w granicach 100–115 kN. Ugięcie maksymalne w miejscu przyłożenia obciążenia oraz wartości ugięć pomierzone przez sąsiadujące geofony mogą posłużyć do szerokich analiz związanych z prawidłowością pracy nawierzchni drogowej pod obciążeniem, m.in. do analizy wstecznej, kontroli pracy nawierzchni w warunkach zróżnicowanej wilgotności czy do wyznaczenia wskaźnika ugięć U i wskaźnika krzywizny ugięcia nawierzchni SCI300 zgodnie z DSN [4].

Alternatywnym sposobem realizacji pomiarów ugięć nawierzchni jest dużo bardziej zaawansowana technologicznie metoda z wykorzystaniem mobilnego ugięciomierza laserowego, np. TSD (ang. Traffic Speed Deflectometer) – fot. 3. Podstawowym atutem sprzętu mobilnego w stosunku do pomiarów punktowych realizowanych z wykorzystaniem ugięciomierza FWD jest możliwość realizacji pomiaru ciągłego oraz wykonywania badania z prędkością od 35 do nawet 95 km/h, tj. w warunkach normalnego ruchu drogowego. Dzięki temu unika się ograniczeń w poruszaniu się innych pojazdów lub zagrożenia wypadkiem drogowym.

Działanie tej aparatury pomiarowej wykorzystuje belkę z czujnikami laserowymi zamontowaną w naczepie ciężarówki w taki sposób, aby pierwszy z czujników mierzył ugięcie w osi obciążenia, tj. między kołami koła bliźniaczego. Następne czujniki umieszczone są w linii śladu koła, w ustalonych od siebie odległościach. Pomiar polega na określeniu różnicy przemieszczeń między punktem obciążonym i nieobciążonym na podstawie odnotowanych kątów ugięcia powierzchni oraz pionowych przemieszczeń wywołanych obciążeniem od poruszającego się pojazdu ciężkiego. Typowa wielkość obciążenia to 100 kN na oś, z możliwością regulacji do 70 kN na oś i 130 kN na oś. Ponadto system wyposażony jest w czujniki podczerwieni do pomiaru temperatury nawierzchni, kamerę do rejestracji obrazu pasa drogowego, czujnik laserowy do pomiaru równości podłużnej nawierzchni, Wi-Fi i GPS.

Fot. 3. Mobilny ugięciomierz laserowy [4]

>>> Pachnący asfalt

>>> Ekonomiczne i środowiskowe korzyści z zastosowania asfaltów wysokomodyfikowanych

>>> Asfalty HiMA – trwalsze i tańsze drogi?

>>> Samonaprawialne mieszanki mineralno-asfaltowe

>>> Jak dobrać asfalt do nawierzchni drogowej. Metoda Superpave

Automatyczna ocena uszkodzeń nawierzchni drogowych

Następcą ręcznych lub półautomatycznych metod oceny uszkodzeń nawierzchni było wprowadzenie systemu automatycznej oceny uszkodzeń nawierzchni (AON). Technologia ta wykorzystuje odpowiednio dobrany i skalibrowany system wideorejestracyjny z kamerami 3D o wysokiej rozdzielczości. Zestaw wyposażony jest również w optyczne urządzenia laserowe, dzięki którym możliwe jest rejestrowanie głębokości oraz szerokości wybranych rodzajów uszkodzeń. Zarejestrowane zdjęcia o długości odcinka równego 10 m uzupełniane są o odczyty z kamer i czujników laserowych, w efekcie czego powstaje obraz nawierzchni z wizualizacją siatki pomiarowej, zaznaczonymi uszkodzeniami, ich lokalizacją i podstawowymi cechami charakteryzującymi. Jednym z urządzeń mobilnych do wykonywania pomiarów zautomatyzowanych jest LCMS (ang. Laser Crack Measurement System) – rys. 3. Urządzenie to pozwala na realizację pomiarów z prędkością od 60 do 90 km/h. Pomierzone dane można zweryfikować za pomocą nagranego materiału wideo, a dzięki ustalonym kryteriom zaaplikowanym w programie komputerowym analiza rezultatów jest szybka i nieuciążliwa.

Rys. 3. System LCMS do automatycznej oceny uszkodzeń nawierzchni [1]

Poza wymienionymi wcześniej metodami pomiarowymi służącymi do oceny nośności nawierzchni oraz oceny wizualnej istnieją różne rodzaje aparatury pomiarowej do realizacji pomiarów równości podłużnej, równości poprzecznej, szorstkości nawierzchni lub stanu oznakowania poziomego nawierzchni. Do pomiarów równości podłużnej, ocenianej międzynarodowym wskaźnikiem równości IRI, służyć mogą różnego typu profilografy laserowe, m.in. francuski APL, duński LPR lub RSP. Duński LPR jest również urządzeniem mogącym pomierzyć równość poprzeczną nawierzchni. Szorstkość nawierzchni najczęściej mierzona jest z wykorzystaniem sprzętu TWO (ang. Traction Watcher One) lub zestawu pomiarowego SRT-3. Różnorodność sprzętu dostępnego na rynku jest dosyć duża, co pozwala na dopasowanie aparatury pomiarowej do własnych potrzeb i wymagań. Należy jednak pamiętać, że DSN precyzuje rodzaj aparatury pomiarowej, którą powinno się wykonywać poszczególne pomiary cech techniczno-eksploatacyjnych, w przypadku zaś skorzystania z innego sprzętu konieczna jest kalibracja i dostosowanie jego funkcjonalności do metody zalecanej.

Nawierzchnie drogowe – co z diagnostyką dróg niższych klas?

Współczesne metody diagnostyki nawierzchni drogowych dają ogromne możliwości uzyskiwania informacji o stanie wybranych odcinków sieci drogowej. Możliwości te są już wykorzystywane do monitorowania i oceny stanu konstrukcji nawierzchni dróg krajowych, ekspresowych i autostrad, co bez wątpienia przyczyni się do utrzymania wysokiego standardu tych dróg w długim horyzoncie czasowym. Wydaje się, że kolejnym etapem w procesie rozwoju umiejętnego i rozsądnego zarządzania majątkiem drogowym powinna być próba zaznajamiania z dostępnymi metodami diagnostycznymi zarządców dróg gminnych i powiatowych oraz próba zaszczepienia pomysłu dotyczącego cyklicznego monitorowania stanu technicznego dróg. W przypadku budżetów gminnych czy powiatowych kluczowy jest na pewno aspekt ekonomiczny i lokalnym administratorom dróg trudno będzie wyłożyć środki na tak szeroko zakrojone kampanie pomiarowe jak w przypadku administracji centralnej. Niemniej jednak prowadzenie kampanii informacyjnych w zakresie diagnostyki nawierzchni drogowych lub innych form dokształcania i zaznajamiania kadry odpowiedzialnej za stan dróg gminnych i powiatowych powinno być realizowane. Częstokroć opór lokalnych włodarzy w stosunku do działań diagnostycznych może wynikać z pewnej niewiedzy dotyczącej zarówno aspektu finansowego takich badań, jak i możliwości, jakie może dać diagnostyka nawierzchni. Miejmy nadzieję, że świadomość w zakresie poruszanym w tym artykule będzie stopniowo rosnąć, a w związku z tym infrastruktura drogowa każdego szczebla będzie w coraz lepszym stanie, i to nie tylko dzięki kolejnym pracom remontowym i przebudowom, ale także dzięki rozsądkowi, wiedzy i racjonalnemu podejściu decydentów.

Literatura

1. M. Radzikowski, G. Foryś, 40 lat diagnostyki sieci dróg krajowych w Polsce, „Drogownictwo”nr 9/2016.
2. Wytyczne stosowania Systemu Oceny Stanu Nawierzchni SOSN dla dróg krajowych zatwierdzone do stosowania w jednostkach podległych GDDP przez Generalnego Dyrektora Dróg Publicznych, 8 sierpnia 1989 z wnioskiem numer D-50/18/89.
3. Zarządzenie nr 34 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 30 kwietnia 2015 w sprawie diagnostyki stanu nawierzchni i jej elementów, Warszawa.
4. Zarządzenie nr 21 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 17 czerwca 2019 w sprawie diagnostyki stanu nawierzchni i wybranych elementów korpusu drogi, Warszawa.
5. P. Rokitowski, M. Grygierek, Wpływ niesprawnego odwodnienia na trwałość nawierzchni drogowej, „Analizy i doświadczenia w geoinżynierii”, praca zbiorowa pod red. J. Bzówki i M. Łupieżowca, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2017.
6. B. Krawczyk, Identyfikacja parametrów modeli nawierzchni drogowych na podstawie impulsowych testów dynamicznych, praca doktorska, Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.

dr inż. Przemysław Rokitowski