วิศวกรรมทางหลวง

วิศวกรรมทางหลวง (อังกฤษ: Highway engineering) เป็นสาขาวิศวกรรมแขนงหนึ่งแยกมาจากวิศวกรรมโยธาที่เกี่ยวข้องกับการวางแผน, การออกแบบ, การก่อสร้าง, การดำเนินงาน, และการบำรุงรักษา, ถนน, สะพาน, และอุโมงค์เพื่อให้แน่ใจในความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพของการขนส่งผู้คนและสินค้า. วิศวกรรมทางหลวงกลายเป็นที่โดดเด่นในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 นับจากสงครามโลกครั้งที่ 2. มาตรฐานของวิศวกรรมทางหลวงมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง. วิศวกรทางหลวงต้องคำนึงถึงการไหลของการจราจรในอนาคต, การออกแบบทางแยก/ทางร่วมของทางหลวง, การจัดแนวเรขาคณิตและการออกแบบ, วัสดุลาดยางทางหลวงและการออกแบบ, การออกแบบโครงสร้างของความหนาของผิวทาง, และการบำรุงรักษาผิวทาง.

German Autobahn 1936 1939

ประวัติความเป็นมา

จุดเริ่มต้นของการก่อสร้างถนนสามารถย้อนหลังไปถึงยุคของชาวโรมัน. ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีจากรถลากด้วยม้าสองตัวไปยังยานพาหนะที่มีกำลังเทียบเท่ากับม้า 100 ตัว, การพัฒนาถนนต้องติดตามให้เหมาะสม. การก่อสร้างทางหลวงที่ทันสมัยยังไม่เริ่มจนกระทั่งช่วงปลายศตวรรษที่ 19 จนถึงช่วงต้นศตวรรษที่ 20.

การวิจัยครั้งแรกที่ทุ่มเทให้กับการวิศวกรรมทางหลวงเริ่มต้นในสหราชอาณาจักรด้วยการแนะนำของห้องปฏิบัติการวิจัยการขนส่ง (TRL) ในปี 1930. ในสหรัฐอเมริกา, วิศวกรรมทางหลวงกลายเป็นสาขาที่สำคัญที่มีการผ่านกฏหมาย Federal-Aid Highway Act of 1944, ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อเชื่อมต่อ 90% ของเมืองที่มีประชากร 50,000 คนหรือมากกว่า. ด้วยความเครียดคงที่จากยานพาหนะที่มากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป, การปรับปรุงผ้วการจราจรเป็นสิ่งที่จำเป็น. ด้วยเทคโนโลยีที่ล้าสมัย, ในปี 1958 การก่อสร้างทางด่วนเป็นครั้งแรกในสหราชอาณาจักร (ถนนบายพาสเพรสตัน) ได้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาของเทคโนโลยีการสร้างผิวการจราจรใหม่.

มาตรฐานของนโยบายการออกแบบที่ใช้ในประเทศสหรัฐอเมริกาโดยทั่วไปจะเป็นไปตามสิ่งพิมพ์ของ American Association of State Highway and Transportation Officials รวมทั้งการวิจัยที่ประกาศโดยคณะกรรมการวิจัยการขนส่ง, สถาบันวิศวกรการขนส่ง, การบริหารทางหลวงแห่งชาติ, และกรมการขนส่งสหรัฐ .

การวางแผนและการพัฒนา

การวางแผนทางหลวงเกี่ยวข้องกับการประเมินปริมาณของการจราจรในปัจจุบันและอนาคตบนเครือข่ายถนน. วิศวกรทางหลวงมุ่งมั่นที่จะคาดการณ์และวิเคราะห์ผลกระทบต่อพลเรือนที่เป็นไปได้ทั้งหมดของระบบทางหลวง. บางการพิจารณาเป็นผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเช่นมลพิษทางเสียง, มลพิษทางอากาศ, มลพิษทางน้ำ, และผลกระทบต่อระบบนิเวศอื่นๆ.

การเงิน

ประเทศที่พัฒนาแล้วกำลังเผชิญอย่างต่อเนื่องกับค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่สูงของทางหลวงขนส่งที่มีอายุมาก. การเจริญเติบโตของอุตสาหกรรมยานยนต์และการเติบโตทางเศรษฐกิจของส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องได้สร้างความต้องการสำหรับทางหลวงที่มีความปลอดภัยมากขึ้น, ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น, แออัดน้อยลง. การเจริญเติบโตของการค้า, สถาบันการศึกษา, ที่อยู่อาศัย, และการป้องกันประเทศได้ดึงงบประมาณส่วนใหญ่มาจากรัฐบาลในอดีตที่ผ่านมา, ทำให้การหาเงินของทางหลวงสาธารณะเป็นความท้าทายอย่างหนึ่ง.

ลักษณะอเนกประสงค์ทางหลวง, สภาพแวดล้อมทางเศรษฐกิจ, และความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการกำหนดราคาทางหลวงกำลังเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง. ดังนั้นวิธีการจัดหาเงิน, การจัดการ, และการบำรุงรักษาสำหรับทางหลวงจึงกำลังเปลี่ยนแปลงเช่นกัน.

การประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อม

การเติบโตทางเศรษฐกิจของชุมชนขึ้นอยู่กับการพัฒนาทางหลวงเพื่อเพิ่มความคล่องตัว. แต่ทางหลวงที่มีการวางแผน, การออกแบบ, การสร้าง, และการบำรุงรักษาไม่ถูกต้องสามารถทำลายลักษณะทางเศรษฐกิจและสังคมของชุมชนในทุกขนาด. ผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ที่พบบ่อยในการพัฒนาทางหลวงจะรวมถึงความเสียหายของที่อยู่อาศัยและความหลากหลายทางชีวภาพ, การสร้างมลพิษทางอากาศและน้ำ, การสร้างเสียง/ความสั่นสะเทือน, ความเสียหายของภูมิทัศน์ธรรมชาติ, และการทำลายของโครงสร้างทางสังคมและวัฒนธรรมของชุมชน. โครงสร้างพื้นฐานทางหลวงจะต้องมีการสร้างและการบำรุงรักษาด้วยคุณภาพและมาตรฐานที่สูง.

มีสามขั้นตอนที่สำคัญสำหรับการบูรณาการพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมเข้าไปในการวางแผน, การจัดตารางเวลา, การก่อสร้าง, และบำรุงรักษาทางหลวง. กระบวนการนี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นการประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อม, หรืออีไอเอ, เนื่องจากมันเป็นระบบที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบต่อไปนี้:

1. ตัวบ่งชี้ของรูปแบบอย่างสมบูรณ์ของผลกระทบทั้งหมดที่เป็นไปได้ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและทางสังคมและเศรษฐกิจ
2. การประเมินและปริมาณของผลกระทบเหล่านี้
3. การกำหนดมาตรการเพื่อหลีกเลี่ยง, บรรเทา, และชดเชยผลกระทบที่คาดว่าจะมี

ความปลอดภัยบนทางหลวง

ระบบทางหลวงสร้างความเสียหายด้วยราคาสูงสุดในการได้รับบาดเจ็บของมนุษย์และความตาย, เกือบ 50 ล้านคนได้รับบาดเจ็บในอุบัติเหตุการจราจรทุกปี, ไม่รวมถึง 1.2 ล้านคนเสียชีวิต. การบาดเจ็บเนื่องจากการจราจรบนถนนเป็นสาเหตุระดับนำตัวเดียวของการเสียชีวิตโดยไม่ได้ตั้งใจในช่วงห้าสิบปีแรกของชีวิตมนุษย์.

การจัดการความปลอดภัยเป็นกระบวนการที่เป็นระบบที่มุ่งมั่นที่จะลดการเกิดและความรุนแรงของอุบัติเหตุจราจร. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างคน/เครื่องกับระบบการจราจรบนถนนไม่เสถียรและท้าทายในการบริหารจัดการความปลอดภัยบนทางหลวง. กุญแจสำคัญสำหรับการเพิ่มความปลอดภัยของระบบทางหลวงคือการออกแบบ, การสร้าง, และบำรุงรักษาพวกมันให้มีความอดทนมากขึ้นในช่วงที่ค่าเฉลี่ยของปฏิสัมพันธ์ระหว่างคน/เครื่องนี้กับทางหลวง. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้านวิศวกรรมทางหลวงได้มีการปรับปรุงการออกแบบ, การก่อสร้าง, และวิธีการบำรุงรักษาที่ใช้มาแล้วหลายปี. ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้สร้างนวัตกรรมความปลอดภัยบนทางหลวงที่ทันสมัยขึ้น.

โดยความมั่นใจว่าทุกสถานการณ์และโอกาสได้มีการระบุ, มีการพิจารณา, และมีการดำเนินการไปแล้วตามความเหมาะสม, พวกมันสามารถได้รับการประเมินในขั้นตอนของการวางแผน, การออกแบบ, การก่อสร้าง, การบำรุงรักษา, และการดำเนินการเพื่อเพิ่มความปลอดภัยของระบบทางหลวงของเรา.

การออกแบบ

ตำแหน่ง, แนวถนน, และรูปร่างของทางหลวงที่เหมาะสมที่สุดจะได้รับการคัดเลือกในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ. การออกแบบทางหลวงเกี่ยวข้องกับการพิจารณาของสามปัจจัยสำคัญ (มนุษย์, พาหนะ, และถนน) และปัจจัยเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรเพื่อให้มีความปลอดภัยบนทางหลวง. ปัจจัยมนุษย์รวมถึงเวลาการเกิดปฏิกิริยาสำหรับการเบรกและการหมุนพวงมาลัย, การมองเห็นป้ายและสัญญาณจราจร, และพฤติกรรมของรถที่ขับตามมา. การพิจารณาด้านยานพาหนะรวมถึงขนาดและพลวัตของยานพาหนะที่จำเป็นในการกำหนดความกว้างของช่องทางและความลาดชันสูงสุด, และสำหรับชนิดของยานพาหนะ. วิศวกรทางหลวงจะออกแบบเรขาคณิตของถนนเพื่อให้มั่นใจว่าในเสถียรภาพของยานพาหนะเมื่อมีการพิจารณาการสร้างแนวโค้งและเนินดินและเพื่อให้มีระยะการมองเห็นที่เพียงพอสำหรับการปรับวงเลี้ยวในการแซงช่วงทางโค้งบนถนนสองช่องทาง, ไป-กลับ.

การออกแบบทางเรขาคณิต

วิศวกรทางหลวงและการขนส่งจะต้องตอบสนองความต้องการมาตรฐานความปลอดภัย, การบริการ, และการปฏิบัติงานหลายอย่างเมื่อทำการออกแบบทางหลวงสำหรับภูมิประเทศบางอย่าง. การออกแบบทางหลวงทางเรขาคณิตเบื้องต้นหมายถึงองค์ประกอบที่มองเห็นได้ของทางหลวง. วิศวกรทางหลวงผู้ออกแบบรูปทรงเรขาคณิตของทางหลวงยังต้องพิจารณาถึงผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและสังคมของการออกแบบในโครงสร้างพื้นฐานโดยรอบ.

มีการพิจารณาบางอย่างที่ต้องนำมาพูดถึงอย่างเหมาะสมในขั้นตอนการออกแบบเพื่อให้ทางหลวงเข้ากันได้ดีกับภูมิประเทศและยังคงมีความปลอดภัยให้กับมัน. บางส่วนที่จะต้องนำมาพิจารณาในการออกแบบเหล่านี้ประกอบด้วย:

• การออกแบบความเร็ว
• การออกแบบปริมาณการจราจร
• จำนวนช่องทาง
• ระดับของการบริการ (อังกฤษ: Level of Service (LOS))
• ระยะการมองเห็น
• การจัดแนว, การยกระดับ, และการทำเนินไล่ระดับ
• รูปตัดขวาง
• ความกว้างของช่องทาง
• ระยะห่างในแนวนอนและแนวตั้ง

ความสามารถในการดำเนินงานของทางหลวงสามารถมองเห็นผ่านปฏิกิริยาของผู้ขับขี่ที่มีต่อการพิจารณาการออกแบบข้างต้นและปฏิสัมพันธ์ของพวกเขา.

วัสดุ

วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างถนนได้มีความก้าวหน้าไปตามกาลเวลา, ย้อนหลังไปถึงช่วงแรกๆของจักรวรรดิโรมัน. ความก้าวหน้าในวิธีการด้วยวัสดุเหล่านี้มีความโดดเด่นและถูกนำไปใช้กับการออกแบบโครงสร้างการปูผิวหน้าของถนนที่ได้มาพร้อมกับความก้าวหน้าในวัสดุ.

มีสองประเภทหลักของวัสดุที่ใช้ในการปูผิวหน้าของถนน - ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์คอนกรีต (อังกฤษ: Portland cement concrete (PCC)) และยางมะตอยผสมร้อน (อังกฤษ: hot-mix asphalt (HMA)). ภายใต้ผิวบนสุดนี้เป็นชั้นๆของวัสดุที่ให้การรองรับโครงสร้างของระบบการปูผิวหน้า. พื้นผิวที่อยู่ข้างใต้เหล่านี้อาจประกอบด้วยอย่างใดอย่างหนึ่งคือ base ทำจากหินคลุกและหลายชั้นของ subbase, หรือ base ทำจากว้สดุปรับสภาพ (treated material}}) และหลายชั้นของ subbase, และนอกจากนี้ยังมี subgrade ธรรมชาติหรือ subgrade สารปรับสภาพอยู่ข้างใต้. ชั้นที่ถูกปรับสภาพเหล่านี้อาจถูกปรับสภาพด้วยซีเมนต์, ยางมะตอย, หรือหินปูนเพื่อเพิ่มความสามารถในการรองรับ.

การออกแบบการปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่น

การปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่นคือการทำด้วยยางมะตอย, หรือด้วย Tarmac โดยทั่วไปประกอบด้วยชั้นต่างๆสามหรือสี่ชั้น. สำหรับแบบสี่ชั้น, จะมีชั้นผิวหน้า, ชั้น base, ชั้น subbase ที่สร้างขึ้นบนชั้น subgrade ที่เป็นดินธรรมชาติอัดแน่น. เมื่อมีการสร้างแบบสามชั้น, ชั้น subbase จะไม่มีโดยชั้น base จะถูกสร้างอยู่บนชั้น subgrade โดยตรง.

ชั้นบนสุดของการปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่นจะถูกสร้างขึ้นจากยางมะตอยผสมร้อน (HMA). หินคลุกที่ไม่เสถียรมักจะถูกใช้สำหรับชั้น base; อย่างไรก็ตาม ชั้น base อาจถูกทำให้เสถียรด้วยยางมะตอย, ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์, หรือสารตัวทำเสถียรอื่นๆ. subbase โดยทั่วไปจะถูกสร้างจากวัสดุผสมในท้องถิ่น, ในขณะที่ด้านบนของ subgrade มักจะถูกทำให้เสถียรด้วยซีเมนต์หรือหินปูน.

ด้วยการปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่น, ความเครียดสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ผิวหน้าและความเครียดจะลดลงตามความลึกของพื้นถนน. ดังนั้นวัสดุที่มีคุณภาพสูงสุดจะต้องถูกนำมาสร้างผิวหน้า, ในขณะที่วัสดุที่มีคุณภาพต่ำสามารถถูกใช้ในส่วนลึกของพื้นถนน. คำว่า "ยืดหยุ่น" ถูกนำมาใช้เพราะความสามารถ asphalts ในการโค้งงอและบิดเบี้ยวเล็กน้อย, จากนั้นมันจะกลับไปที่ตำแหน่งเดิมเมื่อปริมาณการจราจรเพื่มขึ้นและลดลง. มันเป็นไปได้ที่การบิดเบี้ยวขนาดเล็กเหล่านี้จะกลายเป็นถาวร, ซึ่งสามารถนำไปสู่การเป็นร่องในเส้นทางล้อตลอดการใช้งาน.

ชีวิตการใช้งานของการปูพื้นแบบยืดหยุ่นโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 15-20 ปี. ความหนาที่จำเป็นของแต่ละชั้นของการปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่นจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้, ขนาด, จำนวนการใช้ซ้ำๆกันของโหลดจราจร, สภาพแวดล้อม, และอายุการใช้งานที่ต้องการของถนน. ปัจจัยเช่นนี้จะถูกนำมาพิจารณาในระหว่างขั้นตอนการออกแบบเพื่อให้พื้นถนนมีอายุตามที่ได้ออกแบบมาโดยไม่ต้องมีความเครียดมากเกินไป.

การออกแบบการปูพื้นถนนแบบแข็ง

การปูพื้นถนนแบบแข็งโดยทั่วไปจะใช้ในการสร้างสนามบินและทางหลวงสายหลักเช่นระบบทางหลวงระหว่างรัฐ. นอกจากนี้พวกมันโดยปกติจะทำหน้าที่เป็นแผ่นพื้นในงานอุตสาหกรรมหนัก, ลานท่าเรือและท่าเรือจอดเรือ, และลานจอดรถหรือสถานีรถหนัก. เหมือนการปูพื้นถนนแบบยืดหยุ่น, การปูพื้นทางหลวงแบบแข็งได้รับการออกแบบให้เป็นโครงสร้างที่ใช้งานได้ทุกสภาพอากาศ, และใช้ได้ยาวนานเพื่อให้บริการการจราจรความเร็วสูงในวันที่ทันสมัย. การเสนอให้พื้นผิวการขับขี่ที่คุณภาพสูงสำหรับการเดินทางด้วยยานพาหนะที่ปลอดภัย, พวกมันหน้าที่เป็นชั้นโครงสร้างเพื่อการกระจายโหลดที่ล้อในลักษณะที่ความเครียดที่เกิดขึ้นจะถูกส่งไปยังดินฐานราก (อังกฤษ: subgrade) ในขนาดที่ยอมรับได้.

ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์คอนกรีต (PCC) เป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดในการก่อสร้างของแผ่นถนนแบบแข็ง. เหตุผลสำหรับความนิยมของมันเป็นผลมาจากความพร้อมและความประหยัดของมัน. การปูพิ้นแข็งจะต้องได้รับการออกแบบให้ทนแรงการจราจรซ้ำๆบ่อยๆ. อายุการใช้งานโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30 และ 40 ปี หรือสองเท่าของการปูแบบยืดหยุ่น.

หนึ่งในการพิจารณาที่สำคัญของการปูพื้นแบบแข็งก็คือการลดการล้มเหลวจากการล้าเนื่องจากความเครียดซ้ำๆของการจราจร. ความล้มเหลวจากการล้าเป็นเรื่องธรรมดาในหมู่ถนนสายหลักเพราะทางหลวงโดยทั่วไปจะสัมผัสนับล้านของวงล้อที่ผ่านตลอดอายุการใช้ของมัน. นอกจากนี้ในการออกแบบเกณฑ์เช่นการรับนัำหนักจราจร, ความเครียดจากแรงดึงเนื่องจากพลังงานความร้อนจะต้องนำเข้าสู่การพิจารณา. เมื่อการออกแบบปูพื้นถนนมีความก้าวหน้า, วิศวกรทางหลวงหลายคนได้ตั้งข้อสังเกตว่าความเครียดที่เกิดจากความร้อนในการปูพื้นแบบแข็งสามารถให้ความรุนแรงเช่นเดียวกับที่ถูกกระทำโดยแรงล้อ. เนื่องจากแรงดึงที่ค่อนข้างต่ำของคอนกรีต, ความเครียดที่เกิดจากความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างสุดขั้วต่อการพิจารณาการออกแบบของการปูพื้นแบบแข็ง.

การปูพื้นแบบแข็งถูกสร้างขึ้นโดยทั่วไปเป็นสามชั้น - ชั้นเตรียมฐานราก, ชั้นฐานหรือ subbase และชั้นแผ่นคอนกรีต (อังกฤษ: concrete slab). แผ่นคอนกรีตจะถูกสร้างขึ้นตามการเลือกของขนาดที่ถูกออกแบบไว้สำหรับแผงของแผ่น (อังกฤษ: slab panel), ซึ่งมีอิทธิพลโดยตรงต่อความเข้มของความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นภายในพื้นถนน. นอกเหนือจากการติดตั้งแผงของแผ่น, การเสริมกำลังอุณหภูมิ (อังกฤษ: temperature reinforcement) ต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมพฤติกรรมการแตกร้าวในแผ่น. ระยะห่างระหว่างรอยต่อถูกกำหนดโดยขนาดแผงแผ่น.

สามประเภทหลักของการปูพื้นถนนด้วยคอนกรีตที่ใช้กันทั่วไปคือ (1) การปูพื้นคอนกรีตธรรมดามีรอยต่อ (อังกฤษ: Jointed plain concrete pavement (JPCP)), (2) การปูพื้นคอนกรีตเสริมแรงมีรอยต่อ (อังกฤษ: jointed reinforced concrete pavement (JRCP)), และ (3) การปูพื้นคอนกรีตเสริมแรงต่อเนื่อง (อังกฤษ: continuously reinforced concrete pavements (CRCP)). JPCP จะถูกสร้างด้วยรอยต่อแบบหดตัวซึ่งจะช่วยดูแลการแตกร้าวตามธรรมชาติของแผ่าปูน. แผ่าปูนเหล่านี้ไม่ได้ใช้เหล็กเสริมแรงแต่อย่างใด. JRCP จะถูกสร้างขึ้นที่มีทั้งรอยต่อแบบหดตัวและเหล็กเสริมแรงเพื่อควบคุมการแตกร้าวของแผ่นปูน. อุณหภูมิและความเครียดจากความชื้นที่สูงภายในแผ่นปูนเป็นตัวสร้างการแตกร้าว, ซึ่งเหล็กเสริมแรงจะช่วยยึดเข้าด้วกันให้แน่น. ที่รอยต่อตามขวาง แท่งเดือย (อังกฤษ: dowel bar) มักจะถูกติดตั้งไว้เพื่อช่วยถ่ายโอนน้ำหนักของยานพาหนะข้ามรอยแตกไป. CRCP พึ่งพาเหล็กเสริมแรงต่อเนื่องแต่เพียงอย่างเดียวเพื่อยึดรอยแตกตามขวางตามธรรมชาติของพื้นถนนเข้าด้วยกัน. การปูพื้นด้วยคอนกรีตอัดแรง (อังกฤษ: Prestressed concrete) ยังถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างทางหลวงเช่นกัน; แต่พวกมันจะไม่เป็นสามัญเหมือนกับสามแบบนี้. การปูพื้นแบบอัดแรงทำให้ความหนาของแผ่น slab บางลงเนื่องจากสามารถทำการ neutralizing ความเครียดที่เกิดจากความร้อนหรือแรงกดทับได้บางส่วนหรือทั้งหมด.

การออกแบบการวางซ้อนทับบนการปูพื้นแบบยืดหยุ่น

ตลอดอายุการใช้งานของพิ้นถนนแบบยืดหยุ่น, โหลดการจราจรที่สะสมอาจทำให้เกิดร่องหรือรอยแตกมากเกินไป, คุณภาพการขับขี่ไม่เพียงพอ, หรือความต้านทานการลื่นไถลมีไม่เพียงพอ. ปัญหาเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการบำรุงรักษาผิวถนนอย่างเพียงพอ, แต่การแก้ปัญหามักจะมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษามากเกินไป, หรือผิวถนนอาจมีความสามารถทางโครงสร้างที่ไม่เพียงพอสำหรับโหลดการจราจรที่ได้คาดการณ์ไว้.

ตลอดชีวิตของทางหลวง, ระดับของการให้บริการจะมีการตรวจสอบและการบำรุงรักษาอย่างใกล้ชิด. วิธีการหนึ่งที่มักใช้ในการรักษาระดับของการบริการของทางหลวงก็คือการวางซ้อนทับ (อังกฤษ: overlay) บนพื้นผิวของถนน.

มีสามประเภททั่วไปของการซ้อนทับที่ใช้บนพื้นแบบยืดหยุ่นได้แก่: การซ้อนทับด้วยยางมะตอย-คอนกรีต, การซ้อนทับด้วยพอร์ตแลนด์ซีเมนต์คอนกรีต, และการซ้อนทับด้วยพอร์ตแลนด์ซีเมนต์คอนกรีตบางเฉียบ.ชั้นคอนกรีตใน overlay ด้วย PCC ธรรมดาถูกวางแบบไม่ติดแน่นอยู่บนพื้นผิวแบบยืดหยุ่น. ความหนาโดยทั่วไปของ overlay ด้วย PCC แบบบางเฉียบคือ 4 นิ้ว (10 เซนติเมตร) หรือน้อยกว่า.

มีสองประเภทหลักของขั้นตอนการออกแบบการซ้อนทับผิวทางแบบยืดหยุ่นดังนี้:

1. การออกแบบการวิเคราะห์องค์ประกอบ (อังกฤษ: Component Analysis Design)
2. การออกแบบที่มีพื้นฐานจากการโก่งงอ (อังกฤษ: Deflection-Based Design)

การออกแบบ overlay สำหรับการปูพื้นแบบแข็ง

ใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งานของการปูพื้นแบบแข็ง, ต้องมีการตัดสินใจทำอย่างใดอย่างหนึ่งเพื่อสร้างพื้นถนนที่ชำรุดขึ้นใหม่อย่างเต็มที่หรือสร้างเลเยอร์ซ้อนทับ. การพิจารณาการสร้าง overlay บนผิวถนนแบบแข็งสามารถทำได้แม้จะยังไม่ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งาน, มันก็มักจะน่าสนใจทางเศรษฐกิจมากขึ้นที่จะทำชั้นซ้อนทับขึ้นบ่อยครั้ง. ความหนาของชั้นซ้อนทับที่จำเป็นสำหรับพื้นถนนแบบแข็งที่มีโครงสร้างอย่างดีจะมีขนาดบางกว่าพื้นถนนที่ถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งานแล้ว. การซ้อนทับแบบแข็งและยืดหยุ่นทั้งสองอย่างถูกใช้ในการฟื้นฟูสภาพพื้นผิวแข็งเช่น JPCP, JRCP และ CRCP.

มีสามหมวดหมู่ย่อยของการสร้าง overlay บนพื้นถนนแบบแข็งที่มีการรวบรวมไว้, มันขึ้นอยู่กับสภาพการติดแน่นที่รอยต่อระหว่างผิว overlay กับ slab เดิมที่มีอยู่.

1. overlay ที่ติดแน่น
2. overlay ที่ไม่ติดแน่น
3. overlay ที่ติดแน่นบางส่วน

การออกแบบระบบระบายน้ำ

การออกแบบสำหรับการระบายน้ำที่เหมาะสมของระบบทางหลวงเป็นสิ่งสำคัญต่อความสำเร็จของทางหลวง. โดยไม่คำนึงถึงรูปแบบด้านอื่นๆของถนนว่าจะได้รับการออกแบบและการก่อสร้างดีอย่างไร, ระบบระบายน้ำที่เพียงพอเป็นเรื่องสำคัญอย่างยิ่งสำหรับถนนเพื่อความอยู่รอดตลอดอายุการใช้งานของมัน. น้ำส่วนเกินในโครงสร้างทางหลวงหลีกเลี่ยงไม่ได้ย่อมจะนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนกำหนด, แม้ว่าความล้มเหลวนั้นจะไม่ได้เป็นหายนะ.

แต่ละระบบระบายน้ำทางหลวงเป็นแบบเฉพาะที่และสามารถที่จะซับซ้อนมาก. ขึ้นอยู่กับภูมิศาสตร์ของภูมิภาค, หลายวิธีสำหรับการระบายน้ำที่เหมาะสมอาจจะไม่สามารถใช้ได้กับอีกที่หนึ่ง. วิศวกรทางหลวงจะต้องกำหนดว่าสถานการณ์ไหนที่การออกแบบควรจะนำมาใช้โดยเฉพาะ, โดยปกติ วิธีการและวัสดุที่เหมาะสมผสมกันหลายอย่างสามารถจะนำน้ำออกไปจากโครงสร้างได้.

การควบคุมการกัดเซาะก็เป็นองค์ประกอบสำคัญในการออกแบบระบบการระบายน้ำทางหลวง. การระบายน้ำที่พื้นผิวจะต้องกระทำเพื่อระบายน้ำฝนหิมะหรือลูกเห็บที่ตกลงมาออกจากโครงสร้าง. ทางหลวงจะต้องได้รับการออกแบบให้มีความลาดชันเพื่อให้น้ำสามารถที่ไหลบ่ามาจะถูกนำไปที่ไหล่ของถนน, ลงไปในคู, และออกจากพื้นที่ไป. การออกแบบระบบระบายน้ำจะต้องใช้การคาดการณ์การไหลบ่าและการแทรกซึมของน้ำ, การวิเคราะห์ช่องเปิด, และการออกแบบท่อระบายน้ำสำหรับการนำน้ำผิวดินไปยังสถานที่ที่เหมาะสม

งานก่อสร้าง, การบำรุงรักษาและการจัดการ

การก่อสร้างทางหลวง

ก่อนการก่อสร้างทางหลวงโดยทั่วไปจะต้องทำการสำรวจในรายละเอียดและเตรียมฐานราก. วิธีการและเทคโนโลยีในการก่อสร้างทางหลวงมีการพัฒนาอยู่ตลอดเวลาและมีความซับซ้อนมากขึ้น. ความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีนี้ได้ยกระดับทักษะที่จำเป็นในการจัดการโครงการก่อสร้างทางหลวง. ทักษะนี้แตกต่างกันไปจากโครงการหนึ่งไปยังอีกโครงการหนึ่ง, ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆเช่นความซับซ้อนและธรรมชาติของโครงการ, ความแตกต่างระหว่างการก่อสร้างใหม่และการบูรณะของเดิมขึ้นมาใหม่, และความแตกต่างระหว่างโครงการที่อยู่ในภูมิภาคพื้นที่เมืองและภูมิภาคพื้นที่ชนบท.

มีองค์ประกอบหลายอย่างของการก่อสร้างทางหลวงซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นองค์ประกอบทางเทคนิคและองค์ประกอบเชิงพาณิชย์ของระบบ. บางตัวอย่างของแต่ละองค์ประกอบได้ระบุไว้ด้านล่าง.

• องค์ประกอบทางเทคนิค
  • วัสดุ
  • คุณภาพของวัสดุ
  • เทคนิคการติดตั้ง
  • การจราจร
• องค์ประกอบเชิงพาณิชย์
  • ความเข้าใจสัญญา
  • ด้านสิ่งแวดล้อม
  • แง่มุมทางการเมือง
  • แง่มุมของกฎหมาย
  • ความกังวลของประชาชน

โดยปกติแล้วการก่อสร้างเริ่มต้นที่ระดับความสูงที่ต่ำสุดของไซต์งาน, โดยที่ไม่คำนึงถึงประเภทของโครงการ, และทำขึ้นข้างบน. โดยการทบทวนข้อกำหนดด้านปฐพีเทคนิคของโครงการ, จะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับ:

• สภาพดินเดิม
• อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการขุดขนดิน, การทำเป็นชั้นๆ, และการขนส่งวัสดุไปยังและจากไซต์งาน
• คุณสมบัติของวัสดุที่จะขุด
• ความจำเป็นที่จะต้องปล่อยน้ำออกสำหรับงานที่ต่ำกว่าฐานราก
• ความจำเป็นที่จะต้องมีการสร้างกำแพงค้ายันเพื่อป้องกันขณะขุด
• ปริมาณน้ำเพื่อการบดอัดและการควบคุมฝุ่นละออง

งานก่อสร้างชั้น subbase

ชั้น subbase (อังกฤษ: subbase course) จะถูกออกแบบให้ใช้วัสดุที่คัดสรรมาอย่างระมัดระวังเนื่องจากเป็นชั้นที่อยู่ระหว่างฐานรากและ base ของพื้นถนน. ความหนาของ subbase โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 4-16 นิ้ว, และมันถูกออกแบบมาเพื่อทนต่อความจุของโครงสร้างที่ต้องการของพื้นถนน.

วัสดุทั่วไปที่ใช้สำหรับสร้าง subbase ของทางหลวงประกอบด้วยกรวด, หินบด, หรือดินฐานรากที่ถูกทำให้เสถียรด้วยซีเมนต์, เถ้าลอย, หรือหินปูน. ความสามารถในการดูดซึมน้ำของ subbase จะกลายเป็นที่แพร่หลายมากขึ้นด้วยความสามารถในการระบายน้ำที่แทรกซึมจากพื้นผิวด้านบน. นอกจากนี้มันยังป้องกันไม่ให้น้ำจากดินซึมผ่านขึ้นมาถึงพื้นผิวถนน.

เมื่อต้นทุนวัตถุดิบในท้องถิ่นมีราคาแพงเกินไปหรือความต้องการวัสดุเพื่อเพิ่มการแบกรับด้านโครงสร้างของฐานย่อยไม่สามารถจัดหามาได้, วิศวกรทางหลวงสามารถเพิ่มความสามารถในการแบกรับของดินที่อยู่ข้างใต้โดยการผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์, ยางมะตอยโฟม, หรือด้วยเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น cross-linking styrene acrylic polymer ที่ใช้เพิ่มอัตราส่วนการแบกรับแบบแคลิฟอร์เนีย (อังกฤษ: California Bearing Ratio) ของวัสดุในแหล่งกำเนิดโดยอัตาส่วน 4 ต่อ 6.

งานก่อสร้างชั้น base

ชั้น base (อังกฤษ: base course) เป็นส่วนของการปูพื้นถนนและอยู่ใต้พื้นผิวถนนพอดี. หากมีชั้น subbase, ชั้น base จะถูกสร้างเหนือชั้นนี้โดยตรง. มิฉะนั้น มันจะถูกสร้างเหนือฐานราก. ปกติความหนาของ base อยู่ในช่วง 4-6 นิ้วและถูกควบคุมโดยคุณสมบัติชั้นที่อยู่ข้างใต้.

โหลดขนาดหนักถูกนำมาใส่อย่างต่อเนื่องบนพื้นผิวและชั้น base จะดูดซับส่วนใหญ่ของความเครียดเหล่านี้. โดยทั่วไป, ชั้น base จะถูกสร้างด้วยหินคลุกบดที่ยังไม่ปรับสภาพเช่นหินบด, ตะกรัน, หรือกรวด. วัสดุที่ทำ base จะมีความมั่นคงภายใต้การจราจรสูงและมีลักษณะการระบายน้ำที่ดี.

วัสดุชั้น base มักจะถูกปรับสภาพด้วยปูนซีเมนต์, น้ำมันดิน, แคลเซียมคลอไรด์, โซเดียมคลอไรด์, เถ้าลอยหรือหินปูน. การปรับสภาพเหล่านี้จะช่วยให้การรองรับน้ำหนักดีขึ้นสำหรับโหลดนำ้หนักสูง, เพิ่มความแข็งแรงสำหรับน้ำค้างแข็ง, และทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความชื้นระหว่างชั้น base และชั้นพื้นผิว.

การก่อสร้างชั้นพื้นผิว

บทความหลัก: wearing course

การปูชั้นพื้นผิว (อังกฤษ: surface course) มีสองประเภทที่ใช้กันมากที่สุดในการก่อสร้างทางหลวงคือ: ประเภทยางมะตอยร้อนผสมและประเภทคอนกรีตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์. การปูชั้นพื้นผิวเหล่านี้ให้พื้นผิวขับขี่ที่ราบรื่นและปลอดภัย, ในขณะเดียวกันก็มีการถ่ายโอนโหลดการจราจรที่หนาแน่นผ่านชั้น base ต่างๆไปพร้อมกัน และเข้าไปในดินฐานรากที่อยู่ด้านล่าง.

ชั้นยางมะตอยผสมร้อน (HMA)

ชั้นพื้นผิวยางมะตอยผสมร้อนจะเรียกว่าเป็นการปูพื้นแบบยืดหยุ่น. 'ระบบ Superpave' ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษที่ 1980s และได้นำเสนอการเปลี่ยนแปลงให้กับวิธีการออกแบบ, การออกแบบผสม, ลักษณะสมบัติ, และการทดสอบคุณภาพของวัสดุ.

การก่อสร้างผิวถนนแบบลาดยางมะตอยที่มีประสิทธิภาพและใช้งานได้ยาวนานจะต้องใช้ทีมงานก่อสร้างที่มีประสบการณ์, มีความมุ่งมั่นที่จะมีคุณภาพและมีการควบคุมอุปกรณ์การทำงานของพวกเขา.

ปัญหาการก่อสร้าง:

• การแยกตัวของยางมะตอยผสม
• การปูผิว
• การบดอัด
• การเชื่อมต่อ

มีการใช้'สารฉาบหน้าหลัก' (อังกฤษ: prime coat), เป็นยางมะตอยที่มีความหนืดต่ำ, จะถูกนำไปใช้ที่ชั้น base ก่อนที่จะมีการเทชั้นพื้นผิวด้วย HMA. สารฉาบหน้านี้จะยึดวัสดุที่หลวม, ทำการสร้างชั้นเหนียวระหว่างชั้น base และพื้นผิวยางมะตอย.

สารฉาบหน้าเกี่ยว (อังกฤษ: tack coat) เป็นยางมะตอยอิมัลชันที่มีความหนืดต่ำที่ถูกใช้ในการสร้างความผูกพันระหว่างพื้นผิวหน้าเดิมและ overlay ยางมะตอยใหม่. สารฉาบหน้าเกี่ยวถูกนำมาใช้โดยทั่วไปในการปูพื้นที่อยู่ติดกัน (คันหิน (อังกฤษ: curb)) เพื่อช่วยการยึดเกาะรำหว่าง HMA และคอนกรีต.

ชั้นพอร์ตแลนด์ซีเมนต์คอนกรีต (PCC)

ชั้นพอร์ตแลนด์ซีเมนต์คอนกรีต (PCC)จะหมายถึงการปูพื้นถนนแบบแข็ง, หรือการปูพื้นคอนกรีต. โดยทั่วไปมีสามประเภทได้แก่ - เรียบมีรอยต่อ, เสริมแรงมีรอยต่อและเสริมแรงต่อเนื่อง.

โหลดการจราจรจะถูกโอนระหว่างส่วนต่อส่วนเมื่อหินคลุกขนาดใหญ่กว่าในส่วนผสมของ PCC จะล็อคภายในเข้าด้วยกัน, หรือผ่านทางอุปกรณ์ถ่ายโอนโหลดในรอยต่อตามขวางของพื้นผิว. แท่งเดือยจะถูกนำมาใช้เป็นอุปกรณ์ถ่ายโอนโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อถ่ายโอนโหลดข้ามรอยต่อตามขวางในขณะที่ยังคงไว้ซึ่งการจัดแนวในแนวนอนและแนวตั้ง. แท่งประกับ (อังกฤษ: tie-bar) จะเป็นแท่งเหล็กขึ้นรูปหรือเหล็กข้ออ้อยที่วางไปตามรอยต่อแนวยาวเพื่อยึดส่วนต่างๆของพื้นให้อยู่กับที่.

การบำรุงรักษาทางหลวง

วัตถุประสงค์โดยรวมของการบำรุงรักษาทางหลวงคือการแก้ไขข้อบกพร่องและรักษาและซ่อมบำรุงโครงสร้างของถนน. ข้อบกพร่องจะต้องถูกกำหนด, ทำความเข้าใจ, และถูกบันทึกไว้ในอันที่จะเลือกแผนการบำรุงรักษาที่เหมาะสม. ข้อบกพร่องจะแตกต่างกันระหว่างการปูพื้นแบบยืดหยุ่นและแบบแข็ง.

วัตถุประสงค์หลักของการบำรุงรักษาทางหลวงมีสี่อย่างคือ:

1. ซ่อมแซมข้อบกพร่องของถนน
2. ยืดอายุการให้บริการของการทำงานและโครงสร้างของถนน
3. รักษาความปลอดภัยและป้ายของถนน
4. ให้ทรัพากรของถนนอยู่ในสภาพที่ยอมรับได้

โดยการปฏิบัติบำรุงรักษาเป็นประจำ, ระบบทางหลวงและทุกองค์ประกอบของมันสามารถได้รับการรักษาให้อยู่ในสภาพเดิมเมื่อแรกสร้างของมัน.

การบริหารจัดการโครงการ

การบริหารจัดการโครงการจะเกี่ยวข้องกับการจัดตั้งองค์กรและการจัดโครงสร้างของกิจกรรมต่างๆของโครงการตั้งแต่เริ่มต้นจนจบ. กิจกรรมอาจเป็นการก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานเช่นถนนและสะพานหรือกิจกรรมการบำรุงรักษาหลักและรองที่เกี่ยวข้องกับการสร้างโครงสร้างพื้นฐานดังกล่าว. โครงการและกิจกรรมที่เกี่ยวข้องทั้งหมดจะต้องได้รับการจัดการในลักษณะมืออาชีพและจะต้องแล้วเสร็จภายในเวลาและงบประมาณที่กำหนด. นอกจากนี้การลดผลกระทบทางสังคมและสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งสำคัญในความสำเร็จของการบริหารจัดการโครงการ

อ้างอิง

1. Rogers, Martin (2002). Highway engineering. Oxford, UK: Blackwell Science. ISBN 978-0-632-05993-5.
2. O'Flaherty, edited by C.A. (2002). Highways the location, design, construction and maintenance of road pavements (4th ed. ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5090-8.CS1 maint: extra text: authors list (link) CS1 maint: extra text (link)
3. "Highway engineering." McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology. New York: McGraw-Hill, 2006. Credo Reference. Web. 13 February 2013.
4. Chin, Antony T.H. “Financing Highways.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
5. Estache, A., Romero, M., and Strong, J. 2000. The Long and Winding Path to Private Financing and Regulation of Toll Roads. The World Bank, Washington, DC, 49 pp.
6. Aziz, M.A. “Environmental Impact Assessment of Highway Development.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
7. World Health Organization, 2004. World Report on Road Traffic Injury Prevention. World Health Organization, Geneva.
8. Johnston, Ian. “Highway Safety.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
9. Cheu, R.L. “Highway Geometric Design.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
10. Tam, Weng On. “Highway Materials.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
11. Mamlouk, Michael S. “Design of Flexible Pavements.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
12. Fwa, T.F. and Wei, Liu. “Design of Rigid Pavements.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
13. Tia, Mang. “Overlay Design for Flexible Pavements.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
14. Fwa, T.F. “Overlay Design for Rigid Pavements.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
15. Ksaibati, Khaled and Kolkman, Laycee L. “Highway Drainage Systems and Design.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
16. Gunalan, K.N. “Highway Construction.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
17. "AggreBind - Major Roads and Highways".
18. Van Wijk, Ian. “Highway Maintenance.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.
19. Walker, Derek and Kumar, Arun. “Project Management in Highway Construction.” The Handbook of Highway Engineering. Ed. T.W. Fwa. CRC Press, 2005.