THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VỚI ÁO ĐƯỜNG MỀM
Các tài liệu, tiêu chuẩn thiết kế:
Đường ô tô-yêu cầu thiết kế: TCVN 4054-05 [1]
Thiết kế đường ô tô tập 2 [2]
Áo đường mềm-các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế: 22TCN 211-06 [3]
Mặt đường bê tông nhựa nóng-yêu cầu thi công và nghiệm thu:TCVN 8819-2011 [4]
Lớp kếu cấu áo đường ô tô bằng cấp phối thiên nhiên-vật liệu, thi công và nghiêm thu: TCVN 8857:2011 [5]
Lớp móng cấp phối đá dăm trong kết cấu áo đường ô tô-vật liệu thi công và nghiệm thu: TCVN 8859:2011 [6]
Áo đường là cấu trúc nằm trên nền đường, được tạo thành từ nhiều lớp vật liệu có độ cứng và cường độ cao hơn nền đường, nhằm phục vụ cho việc di chuyển của xe cộ Nó có khả năng chịu đựng tác động trực tiếp từ tải trọng bánh xe và các yếu tố thiên nhiên như mưa, gió, và biến đổi nhiệt độ, giúp đảm bảo độ bền và an toàn cho hệ thống giao thông.
Là bộ phận quyết định hiệu quả xe chạy (an toàn, êm thuận, kinh tế, vận doanh khai thác )
Tác nhân gây phá hoại:
- Tải trọng động, trùng phục
- Tác động của môi trường (tác động nhiệt, nguồn ẩm )
Áo đường phải có đủ cường độ tối thiểu và ổn định cường độ:
- Chống biến dạng thẳng đứng
- Chống biến dạng trượt (không sinh biến dạng dẻo)
- Chống biến dạng co, dãn do chịu kéo uốn hoặc do nhiệt độ
Áo đường cần đạt độ bằng phẳng tối ưu để giảm sức cản lăn và giảm xóc cho xe khi di chuyển Điều này không chỉ giúp tăng tốc độ chạy của xe mà còn giảm tiêu hao nhiên liệu, từ đó hạ giá thành vận tải.
Bề mặt áo đường cần đạt độ nhám tối ưu để tăng cường hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, từ đó đảm bảo an toàn và êm ái cho xe khi di chuyển với tốc độ cao Độ nhám này được thể hiện qua lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường, có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau.
- Đo độ nhám bằng chiều dài hãm phanh Chiều dài hãm nhỏ thì độ nhám càng tốt
- Đo bằng phương pháp quả lắc của Anh
- Đo bằng phương pháp rắc cát
Yêu cầu về vệ sinh: càng ít bụi càng tốt, không độc hại
SỐ LIỆU THIẾT KẾ
Đất nền được giả thiết là loại á sét có lẫn sỏi sạn, với chế độ thủy nhiệt và điều kiện ẩm loại II, tức là ẩm theo mùa và không đảm bảo thoát nước trên mặt đất, nhưng mực nước ngầm lại ở sâu Các tính chất cơ lý và chế độ thủy nhiệt của loại đất này sẽ được cải thiện sau khi được đầm lèn ở độ ẩm tối ưu, đạt yêu cầu về độ chặt cho nền đường Modun đàn hồi của đất nền này có sự phụ thuộc vào sự thay đổi độ ẩm tương đối, cùng với các đặc trưng của nền đất được xác định như trong Bảng B-3 [3].
Bảng 2-1 Đặc trưng tính toán của đất nền
Loại đất Độ chặt Độ ẩm tương đối 𝑎 = 𝑊
Góc nội ma sát 𝜑 (độ) Á sét 0,98 0,6 42 0,032 24
2.2.2 Yêu cầu độ nhám và độ bằng phẳng của kết cấu áo đường
Với đường cấp Ⅳ miền núi, vận tốc thiết kế 𝑉 = 40 𝑘𝑚/ℎ :
Độ nhám của lớp mặt đường cần có một lớp tạo nhám với cấu trúc vĩ mô phù hợp, đảm bảo chiều sâu rắc cát trung bình Htb (mm) đạt tiêu chuẩn quy định Tiêu chuẩn này phụ thuộc vào tốc độ tính toán thiết kế và mức độ nguy hiểm của đoạn đường, được quy định trong Bảng 28.
Bảng 2-2 Yêu cầu về độ nhám mặt đường (theo 22TCN 278)
Tốc độ thiết kế Vtk (km/h) Chiều sâu rắc cát trung bình Htb mm Đặc trưng độ nhám bề mặt
Độ bằng phẳng: Phải đảm bảo đủ thông qua trị số gồ ghề quốc tế IRI (m/km) theo quy định ở Bảng 29[1]:
Bảng 2-3 Yêu cầu về độ bằng phẳng của mặt đường theo chỉ số IRI
Tốc độ thiết kế Vtk (km/h) Chỉ số IRI yêu cầu m/km (Đường xây dựng mới)
Từ 40 đến 20 (mặt đường nhựa) 4,0 Độ bằng phẳng cũng được đánh giá bằng thước dài 3,0 Theo 22 TCN 16 Đối với mặt đường cấp cao A1 (bê tông nhựa, bê tông xi măng) 70% số khe hở phải dưới 3mm và
30% khe hở còn lại phải nhỏ hơn 5mm Đối với mặt đường cấp cao A2, tất cả các khe hở phải dưới 5mm, trong khi đó, mặt đường cấp thấp B1 và B2 yêu cầu tất cả khe hở phải nhỏ hơn 10mm.
2.2.3 Số liệu tải trọng trục xe
2.2.3.1 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn
Khi tính toán cường độ kết cấu nền áo đường, cần tuân thủ ba tiêu chuẩn: kiểm toán ứng suất cắt trong nền đất, kiểm toán ứng suất kéo uốn ở đáy các lớp vật liệu và kiểm toán độ võng đàn hồi Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là 100 kN cho trục đơn của ô tô, áp dụng cho tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, đường ô tô thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở xuống.
Các tải trọng tính toán này được tiêu chuẩn hóa ở Bảng 3.1[3]
Bảng 2-4 Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn
Tải trọng trục tính toán tiêu chuần, P (kN) Áp lực tính toán lên mặt đường, p (Mpa) Đường kính vệt bánh xe, D
2.2.3.2 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn
Mục tiêu của quy đổi là chuyển đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i thành số lần thông qua của tải trọng trục tính toán, dựa trên sự tương đương về tác động phá hoại đối với kết cấu áo đường.
Các số liệu tính toán :
Bảng 2-5 Thành phần dòng xe
Lưu lượng xe năm thứ 15 xe/ngđ
Lưu lượng xe năm thứ nhất xe/ngđ
Dựa trên kết quả điều tra giao thông, chúng ta có thể dự đoán thành phần xe trong năm đầu tiên sau khi đưa vào khai thác Để phục vụ cho việc thiết kế kết cấu áo đường, cần quy đổi số trục khai thác thành trục xe tiêu chuẩn 100 kN (10 tấn).
Bảng 2-6 Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng
Trọng lượng Pi (kN) Số trục sau
Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau
Khoảng cách giữa các trục sau (m)
Lượng xe ni xe/ngày Trục trước Trục sau đêm
Tải nhẹ 18,0 56,0 1 Cụm bánh đôi - 292
Tải trung 25,8 69,6 1 Cụm bánh đôi - 511
Tải nặng 48,2 100,0 1 Cụm bánh đôi - 219
Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN :
Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo công thức 3.1[3] :
N là tổng số trục xe được quy đổi từ k loại trục xe khác nhau, tính toán dựa trên đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm, bao gồm cả hai chiều di chuyển.
Ni là số lần tác động của tải trọng trục i với trọng lượng pi, được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt, tương ứng với trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất Trong quá trình quy đổi, ni thường được xác định dựa trên số lần mỗi loại xe i qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả hai chiều xe chạy.
- C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức 3-2[3]
Với m là số trục của cụm trục i (cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi m=1,2,3)
Hệ số C2 được sử dụng để đánh giá tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh Cụ thể, với cụm bánh chỉ có 1 bánh, C2 có giá trị là 6,4; đối với cụm bánh đôi (gồm 2 bánh), C2 giảm xuống còn 1; và với cụm bánh có 4 bánh, hệ số C2 được xác định là 0,38.
- C2=6,4 cho các trục trước và trục sau cho mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C2=1 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)
Các xe tính toán có trục trước có 1 bánh, trục sau là cụm bánh đôi
Bảng 2-7 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN
Kết quả tính được NA0 (trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm)
Ghi chú : * Vì tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy đổi (xem mục 3.2.3 [3]) 2.2.3.3 Số trục xe tính toán trên một làn xe
Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn, dựa trên mặt cắt ngang của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm Số liệu này được xác định cho làn xe chịu tải lớn nhất trong điều kiện bất lợi nhất, vào cuối thời hạn thiết kế theo quy định tại mục 1.2.3 [3], và phụ thuộc vào loại tầng mặt được lựa chọn cho kết cấu áo đường.
Xác định Ntt theo biểu thức (3-3)[3] :
𝑁𝑡𝑡 = 𝑁𝑡𝑘 𝑓 1 (trục/làn.ngày đêm) (2-3) Trong đó :
Ntk là tổng số trục xe quy đổi từ các loại xe khác nhau, được tính toán trong một ngày đêm cho cả hai chiều xe chạy vào cuối năm của thời hạn thiết kế Hệ số fl, đại diện cho phân phối trục xe tính toán trên mỗi làn xe, có giá trị fl = 0,55 cho đường cấp Ⅳ với 2 làn xe và không có dải phân cách.
𝑁 𝑡𝑘 = 𝑁 15 = 410 (trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm)
Vậy 𝑵𝒕𝒕 = 𝟒𝟏𝟎 𝟎, 𝟓𝟓 = 𝟐𝟐𝟔 (trục/làn/ngày đêm)
2.2.3.4 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (15 năm) (trục xe tiêu chuẩn/làn)
Tỷ lệ tăng xe hàng năm là q=6% ta tính Ne theo biểu thức (A-3)[3] :
0,06.(1+0,06) 15−1 365.226 = 0,85 10 6 (trục xe tiêu chuẩn/làn)
Khi thiết kế áo đường mềm, cần xem xét cấp hạng đường và thời hạn thiết kế, đồng thời tham khảo số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên một làn xe trong suốt thời gian này để lựa chọn loại tầng mặt phù hợp.
Cấp thiết kế của đường là cấp Ⅳ miền núi, Vtk@ km/h
Thời hạn thiết kế là 15 năm
Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế là 0,85.10 6 (trục xe tiêu chuẩn/làn/ngđ)
Dựa vào Bảng 2-1[3] và ý nghĩa quan trọng của tuyến đường ta kiến nghị chọn mặt đường cấp cao loại A1
- BTNC 12,5 làm lớp mặt trên
- BTNC 19 làm lớp mặt dưới
Theo tiêu chuẩn, tổng số trục xe tích lũy trong 15 năm trên một làn xe Ne=0,85.10^6 lớn hơn hoặc bằng 0,5.10^6, do đó bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 cần đạt 8cm, dựa vào Bảng 2-2.
2.3.2 Các đặc trưng củavật liệu kết cấu áo đường Để phù hợp với cấp đường đã chọn và nguồn nguyên liệu của địa phương cũng như trình độ thi công của nhà thầu, có thể dùng một số vật liệu làm kết cấu áo đường có các đặc trưng tính toán sau dựa vào phụ lục C, Bảng C-2[3]
Bảng 2-8 Các đặc trưng của vật liệu kết cấu áo đường
Tính kéo uốn ở nhiệt độ thấp
4 Cấp phối đá dăm loại I 300 300 300
5 Cấp phối đá dăm loại II 250 250 250
6 Cấp phối thiên nhiên lọa A 200 200 200 0 0,05 40
2.3.3 Xác định modun đàn hổi yêu cầu Eyc
PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ TẬP TRUNG
2.4.1 Dự kiến kết cấu áo đường
2.4.1.1 Chọn kết cấu tầng mặt
Ta có, bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 là 8(cm) Dựa vào Bảng 2-4[3] lựa chọn bề dày tầng mặt tầng mặt gồm:
- Lớp mặt trên: BTNC 12,5 dày 4cm
- Lớp mặt dưới: BTNC 19 dày 5cm
Chọn lớp mặt trên là loại BTNC 12,5 do có kích cỡ hạt lớn hơn BTNC 9,5, nên khả năng chống vệt hằn bánh xe tốt hơn
Chiều dày phải thỏa mãn bề dày đầm nén có hiệu quả lớn nhất: Đối với bê tông nhựa không quá 8cm
2.4.1.2 Chọn kết cấu tầng móng
Nguyên tắc bố trí cấu tạo tầng móng (xem mục 2.3[3]):
Để tối ưu hóa chi phí xây dựng và phân bố ứng suất, cấu trúc nên được thiết kế với nhiều lớp Lớp trên cùng cần sử dụng các vật liệu có cường độ và khả năng chống biến dạng cao hơn so với các lớp bên dưới.
- Cỡ hạt lớn nhất của vật liệu làm các lớp móng phía trên nên chọn loại nhỏ hơn so với cỡ hạt lớn nhất của lớp dưới
- Trong mọi trường hợp đều nên tận dụng vật liệu tại chỗ (gồm cả các phế thải công nghiệp) để làm lớp móng dưới
Do đó, đề xuất 2 phương án như sau:
Phương án 1: Chọn móng trên là vật liệu cấp phối đá dăm loại Ⅰ và lớp móng dưới là vật liệu cấp phối đá dăm loại II
Phương án 2 đề xuất sử dụng móng trên với vật liệu cấp phối đá dăm loại I và móng dưới bằng cấp phối thiên nhiên loại A Đối với bê tông nhựa, chiều dày không vượt quá 8cm; trong khi đó, các loại vật liệu có gia cố chất liên kết không quá 15cm và vật liệu hạt không gia cố chất liên kết tối đa 18cm.
Để tối ưu hóa thiết kế kết cấu áo đường, cần đề xuất các giải pháp và so sánh mô đun đàn hồi chung của kết cấu với yêu cầu cụ thể Bên cạnh đó, việc đánh giá chi phí xây dựng ban đầu giữa các giải pháp là rất quan trọng Từ những phân tích này, lựa chọn giải pháp kinh tế nhất sẽ được thực hiện, sau đó tiến hành kiểm toán theo ba trạng thái cường độ đã quy định trong Chương 3.
Hình 2-1 Mặt cắt kết cấu áo đường phương án 1
Hình 2-2 Mặt cắt kết cấu áo đường phương án 2
Hai phương án móng được đề xuất đã được khảo sát giá thành các loại vật liệu tại Công ty TNHH Quỳnh Trang, nằm ở Mỏ đá Tẳng Đán, bản Mường, xã Thân Thuộc, huyện Tân Uyên, Lai Châu, nơi tuyến đường đi qua.
- Cấp phối đá dăm loại Ⅰ: 320.000 (đ/m 3 )
- Cấp phối đá dăm loại Ⅱ: 228.181 (đ/m 3 )
- Cấp phối thiên nhiên loại A: 83.000 (đ/m3)
Bảng 2-9 Các thông số vật liệu của phương án 1
Lớp Loại vật liệu Ei (MPa) hi (cm)
3 Cấp phối đá dăm loại Ⅰ 300 h3
4 Cấp phối đá dăm loại ⅠI 250 h4
Nền đất (Á Sét) 42 Đối với các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết thì chiều dày đầm nén có hiệu quả nhất là không quá 18cm mục 2.4.3[3]
Từ các số liệu trên ta tính được mô đun chung của tầng móng và đất nền Ech3 theo sơ đồ tính dưới đây :
Ech2=0,355.4209,1 (Mpa) Kết luận: Tầng móng cần đạt được Ech2 = 149,1 (MPa)
Tính toán bề dày tầng móng (h3,h4) , kết quả chọn chiều dày lớp móng dưới (đã làm tròn) thống kê ở bảng sau:
Bảng 2-10 trình bày cách tính toán chiều dày các lớp vật liệu cho phương án 1 Để đơn giản hóa việc so sánh và tính toán, đề xuất xác định giá vật liệu cho một lớp móng có chiều dày xác định, với kích thước dài 1000m (1km) và rộng 1m.
Bảng 2-11 Giá thành vật liệu của phương án 1 h3 Đơn giá
Để tối ưu hóa chi phí xây dựng, kiến nghị lựa chọn giải pháp giá thành thấp nhất cho 1km móng đường rộng 1m, cụ thể là giải pháp h3(cm) và h48(cm) Phương án này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thuận tiện cho thi công, cho phép thi công lớp móng dưới với 2 lớp, mỗi lớp dày 14cm Với độ dày này, máy đầm nén sẽ hoạt động hiệu quả nhất, đảm bảo chất lượng công trình.
Bảng 2-12 Các thông số vật liệu của phương án 2
Lớp Loại vật liệu Ei (MPa) hi (cm)
3 Cấp phối đá dăm loại I 300 h3
4 Cấp phối thiên nhiên loại A 200 h4
Thực hiện tương tự như phương án 1 :
Ta có kết quả được thống kê dưới các bảng sau :
Bảng 2-13 Tính toán chiều dày các lớp vật liệu của phương án 2
Bảng 2-14 Giá thành vật liệu của phương án 2 h3 Đơn giá
Đề xuất giải pháp thi công hiệu quả và tiết kiệm nhất là sử dụng h3cm và h4Acm Lớp móng dưới có thể được thi công với ba lớp có độ dày lần lượt là 14cm, 14cm và 13cm Với độ dày như vậy, máy đầm nén sẽ hoạt động với hiệu suất tối ưu.
2.4.2.3 Kết luận : so sánh hai phương án
Phương án 1 đề xuất sử dụng lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm loại I với độ dày 3 cm, kết hợp với lớp móng dưới bằng cấp phối đá dăm loại II có độ dày 48 cm Tổng chi phí cho 1 km móng đường rộng 1 m là 121.490.680 đồng.
Phương án 2 đề xuất lớp móng trên sử dụng cấp phối đá dăm loại I với chiều dày 3 cm, trong khi lớp móng dưới là cấp phối thiên nhiên loại A có chiều dày 4 cm Tổng giá thành cho 1 km móng đường rộng 1 m là 85,820,000 đồng.
Do đó chọn phương án 2 là phương án kết cấu áo đường tập trung để tiến hành kiểm toán theo 3 TTGH.
KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG
2.5.1 Kiểm toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép Để kiểm tra tính ổn định của kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn, điều kiện kiểm tra là:
Chuyển hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp bằng cách đổi nhiều lớp kết cấu áo đường lần lượt hai lớp một từ dưới lên theo công thức:
Hình 2-3 Sơ đồ chuyển từ hệ 4 lớp về hệ 1 lớp
Kết quả tính được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2-15 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán võng)
Lớp KC E1 (MPa) tE1 H (cm) k=H2/h1 Htb (cm) Etb (MPa)
Cấp phối thiên nhiên loại A
Với H/D = 65/33 = 1,970 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
𝐸 𝑡𝑏 𝑑𝑐 = 𝛽 𝐸 𝑡𝑏 = 1,209.243,37 = 294,24 𝑀𝑝𝑎 Dùng toán đồ Kogan xác định mô đun đàn hồi chung của đường với :
Mà theo trên ta có :
Vậy KCAD đảm bảo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi
2.5.2 Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính kết Để kiểm tra ta tính ổn định của kết cấu áo đường theo điều kiện cân bằng giới hạn về trượt trong nền đất, điều kiện là:
- Tax là ứng suất cắt hoạt động lớn do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính (MPa)
- Tav là ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bản thân các lớp vật liệu nằm trên gây ra tại điểm đang xét (MPa)
Hệ số cường độ chịu cắt trượt 𝐾 𝑐𝑑 𝑡𝑟 được xác định dựa trên độ tin cậy thiết kế Đối với đường cấp IV với hai làn xe, độ tin cậy được chọn là 0,85, tương ứng với 𝐾 𝑐𝑑 𝑡𝑟 = 0,9.
- Ctt là lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính (MPa) ở trạng th0ái độ ẩm, độ chặt tính toán
Thực hiện tương tự phần trên, ta thống kê kết quả ở bảng sau:
Bảng 2-16 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)
Lớp KC E1 (MPa) tE1 H (cm) k=H2/h1 Htb (cm) Etb (MPa)
Cấp phối thiên nhiên loại A
Với H/D = 65/33 = 1,970 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất Tax
Ta được Tax/p = 0,0123 với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P = 100 kN nên theo bảng 3-1 [1] ta có áp lực tính toán trên mặt đường p = 0,6 MPa
Xác định ứng suất cắt do trọng lượng bản thân Tav
Xác định lực dính tính toán :
- C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính C = 0,032 (MPa)
- K1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng của tải trọng trùng phục (K1= 0,6,)
- Hệ số xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, với lưu lượng tính toán trên một làn(Ntt"6 trục/làn.ngày đêm) >100 xe K2= 0,8 (tra bảng 3-8[3]),
- Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K3=1,5 do đất là á cát
- Độ tin cậy thiết kế =0,85; tra bảng 3-7[3], ta được hệ số cường độ về cắt trượt:
Như vậy: Tax + Tav = 0,0060 (MPa) < 𝐶 𝑡𝑡
Vậy đất nền đảm bảo điền kiện cân bằng trượt
2.5.2.2 Kiểm tra lớp 4 : cấp phối thiên nhiên loại A
Tính đổi các lớp bên trên về một lớp được thề hiện ở bảng sau :
Bảng 2-17 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)
Lớp KC E1 (MPa) tE1 H (cm) k=H2/h1 Htb (cm) Etb (MPa)
Với H/D = 24/33 = 0,727 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
Vậy modun đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán:
33= 1,242 Tra toán đồ Hình 3-1, với 2 tỷ số trên ta xác định được: 𝐸 𝑐ℎ
𝐸 1 = 0,550 Modun đàn hồi chung của kết cấu: 𝐸 𝑐ℎ = 0,550 × 200 = 110 𝑀𝑝𝑎
Sử dụng toán đồ 3-2, với các tỷ số sau:
𝑝 = 0,0547 với p=0,6 Mpa Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tính toán gây ra:
Sử dụng toán đồ hình 3-4, với các thông số sau:
𝐻 = 24 𝑐𝑚 và 𝜑 = 40 0 Tra được ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp kết cấu gây ra:
Tav= -0.0017 (MPa) Lực dính tính toán: Ctt = C.K1.K2.K3
- Ntt = 226 (trục/làn.ngày đêm)
- K2 = 0.8 (tra bảng 3-8) Đất nền là: Á sét
Vậy: Ctt = 0.050.60.81.5 = 0.036 (MPa) Độ tin cậy thiết kế = 0.85
Tra bảng 3-7, ta được hệ số cường độ về cắt trượt:
Kcđ tr = 0.90 Kiểm tra điều kiện về cắt trượt:
Vậy lớp cấp phối thiên nhiên loại A đảm bảo điều kiện cân bằng trượt
2.5.3 Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các vật liệu liền khối Điều kiện kiểm tra:
- 𝜎 𝑘𝑢 : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe
- 𝑅 𝑡𝑡 𝑘𝑢 : cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối
- 𝐾 𝑐𝑑 𝑘𝑢 : hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết kế giống như với trị số 𝐾 𝑐𝑑 𝑡𝑟
Tính toán ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp bê tông nhựa:
Xác định 𝐸 𝑐ℎ.𝑚 ở trên mặt lớp BTNC 19
Tính đổi các lớp về một lớp thể hiện ở bảng sau :
Lớp vật liệu (từ trên xuống) Eku
(MPa) t=E2/E1 hi cm k=h2/h1 Htb cm
2 Cấp phối đá dăm loại I
3 Cấp phối thiên nhiên loại A 200 0.000 41 0,000 41 200.00
Tra bảng 3-6[3], ta được hệ số điều chỉnh 𝛽 = 1,203
Từ bảng kết quả tính quy đổi trên, ta có :
Module đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán :
33= 1,848 Tra toán đồ Hình 3-1[3], với hai tỷ số trên ta xác định được :
Module đàn hồi chung của kết cấu :
𝐸 𝑐ℎ = 0,537 𝐸 1 = 0,537 × 341,77 = 183,53 𝑀𝑝𝑎 Tra toán đồ Hình 3-5[3] với các thông số sau :
33= 0,121 Tra được ứng suất kéo uốn đơn vị : [𝜎 𝑘𝑢 ] = 2,174
Tải trọng tác dụng là : Cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn)
Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp BTNC loại I (đá dăm≥35%)
Theo trên ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong suốt thời gian thiết kế (15 năm) :
Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ của vật liệu BTNC 12,5 do tác động của tải trọng trùng phục được ký hiệu là 𝑘 1.
Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết Với vật liệu BTNC loại I, ta có 𝑘 2 = 1
Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp BTNC 12,5 :
Độ tin cậy thiết kế 0,85, tra bảng 3-7[3] hệ số cường độ về chịu kéo uốn :
Vậy kết cấu đảm bảo tiêu chuẩn chịu kéo uốn
Xác định 𝐸 𝑐ℎ.𝑚 ở trên mặt lớp Cấp phối đá dăm loại I :
Tính đổi các lớp về một lớp thể hiện ở bảng sau :
Lớp vật liệu (từ trên xuống) Eku
(MPa) t=E2/E1 hi cm k= h2/h1 Htb cm
1 Cấp phối đá dăm loại I 300 1,500 15 0,366 56 224,17
2 Cấp phối thiên nhiên loại A 200 0.000 41 0.000 41 200.00
Tra bảng 3-6[3], ta được hệ số điều chỉnh 𝛽 = 1,194
Từ bảng kết quả tính quy đổi trên, ta có :
Module đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán :
33= 1,697 Tra toán đồ Hình 3-1[3], với hai tỷ số trên ta xác định được :
Module đàn hồi chung của kết cấu :
𝐸 𝑐ℎ = 0,577 𝐸 1 = 0,577 × 267,66 = 154,44 𝑀𝑝𝑎 Tra toán đồ Hình 3-5[3] với các thông số sau :
33= 0,273 Tra được ứng suất kéo uốn đơn vị : [𝜎 𝑘𝑢 ] = 2,154
Tải trọng tác dụng là : Cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn)
Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp BTNC loại I (đá dăm≥35%)
Theo trên ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong suốt thời gian thiết kế (15 năm) :
Hệ số k1 được sử dụng để đánh giá sự suy giảm cường độ của vật liệu BTNC 12,5 do tác động của tải trọng trùng phục.
Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết Với vật liệu BTNC loại I, ta có 𝑘 2 = 1
Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp BTNC 12,5 :
Độ tin cậy thiết kế 0,85, tra bảng 3-7[3] hệ số cường độ về chịu kéo uốn :
Vậy kết cấu đảm bảo tiêu chuẩn chịu kéo uốn
Vậy kết cấu áo đường thoản mãn 3 điều kiện kiểm toán về cường độ.
PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KÌ
Hiện nay, do nguồn vốn đầu tư cho ngành xây dựng cơ bản còn hạn hẹp, việc tập trung vốn một lần là khó khăn Để tối ưu hóa khả năng sử dụng vật liệu và khắc phục hạn chế này, cần xem xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giai đoạn Phân kỳ đầu tư sẽ giúp đáp ứng cường độ xe chạy tăng dần theo thời gian, đồng thời cải thiện khả năng thông xe và độ bền của kết cấu áo đường Dựa vào lưu lượng xe trong tương lai và thời gian bảo trì của các loại mặt đường, đề xuất phân kỳ như sau: trong 5 năm đầu, sử dụng mặt đường cấp cao A2 (giai đoạn 1) và sau 10 năm, nâng cấp lên mặt đường cấp cao A1 (giai đoạn 2).
Xác định lưu lượng xe tính toán trong 5 năm đầu:
Với thành phần dòng xe
Bảng 2-18 Thành phần dòng xe
Lưu lượng xe năm thứ 5 xe/ngđ
Lưu lượng xe năm thứ nhất xe/ngđ
Bảng 2-19 Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng
Trọng lượng Pi (kN) Số trục sau
Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau
Khoảng cách giữa các trục sau (m)
Lượng xe ni xe/ngày Trục trước Trục sau đêm
Tải nhẹ 18,0 56,0 1 Cụm bánh đôi - 163
Tải trung 25,8 69,6 1 Cụm bánh đôi - 285
Tải nặng 48,2 100,0 1 Cụm bánh đôi - 122
Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN :
Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo công thức 3.1[3] :
N là tổng số trục xe được quy đổi từ k loại trục xe khác nhau, tính toán dựa trên đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm, bao gồm cả hai chiều lưu thông (trục/ngày đêm).
Trong tính toán tải trọng trục, ni đại diện cho số lần tác động của tải trọng trục i với trọng lượng pi, được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất) Thông thường, ni được xác định dựa trên số lần mỗi loại xe i đi qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả hai chiều xe chạy.
- C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức 3-2[3]
Với m là số trục của cụm trục i (cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi m=1,2,3)
Hệ số C2 được xác định dựa trên số lượng bánh xe trong một cụm bánh Cụ thể, nếu cụm bánh chỉ có một bánh, hệ số C2 là 6,4 Đối với cụm bánh đôi, tức là có hai bánh, hệ số C2 giảm xuống còn 1 Trong trường hợp cụm bánh có bốn bánh, hệ số C2 sẽ là 0,38.
- C2=6,4 cho các trục trước và trục sau cho mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C2=1 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)
Các xe tính toán có trục trước có 1 bánh, trục sau là cụm bánh đôi
Bảng 2-20 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN
Kết quả tính được N"9 (trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm)
Ghi chú : * Vì tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy đổi (xem mục 3.2.3 [3])
Số trục xe tính toán trên một làn xe :
Số trục xe tính toán Ntt được xác định là tổng số trục xe quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn, dựa trên mặt cắt ngang của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm Số liệu này được tính toán cho làn xe chịu tải lớn nhất trong điều kiện bất lợi nhất, tại thời điểm cuối cùng của thời gian thiết kế theo quy định trong mục 1.2.3 [3], tùy thuộc vào loại tầng mặt được lựa chọn cho kết cấu áo đường.
Xác định Ntt theo biểu thức (3-3)[3] :
𝑁𝑡𝑡 = 𝑁𝑡𝑘 𝑓 1 (trục/làn.ngày đêm) (2-15) Trong đó :
Ntk là tổng số trục xe được quy đổi từ các loại xe khác nhau, tính toán trong một ngày đêm và cho cả hai chiều xe chạy vào cuối năm của thời hạn thiết kế Hệ số phân phối trục xe tính toán trên mỗi làn xe, ký hiệu là fl, có giá trị fl=0,55 đối với đường cấp Ⅳ có 2 làn xe và không có dải phân cách.
𝑁 𝑡𝑘 = 𝑁 5 = 229 (trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm)
Vậy 𝑵𝒕𝒕 = 𝟐𝟐𝟗 𝟎, 𝟓𝟓 = 𝟏𝟐𝟔 (trục/làn/ngày đêm)
Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (5 năm đầu):
Tỷ lệ tăng xe hàng năm là q=6% ta tính Ne theo biểu thức (A-3)[3] :
0,06.(1+0,06) 5−1 365.126 = 0,2 10 6 (trục xe tiêu chuẩn/làn)
Trị số modun đàn hồi được xác định dựa vào Bảng 3-4 và Bảng 3-5, phụ thuộc vào Ntt và loại tầng mặt của kết cấu áo đường.
- 𝐸 𝑦𝑐 𝑚𝑖𝑛 : mô đun đàn hồi tối thiểu (theo Bảng 3-5[3])
- 𝐸 𝑦𝑐 𝑙𝑙𝑥 : mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng xe tính toán (theo Bảng 3-4[3])
Với lưu lượng tính toán 𝑁 𝑡𝑡 5 = 126 (trục/ngày đêm/làn) Theo yêu cầu trên, ta nội suy ra được 𝐸𝑦𝑐 = 125,25 (Mpa)
Với hệ số tin cậy thiết kế=0,85, ta có 𝐾 𝑑𝑣 𝑐𝑑 = 1,06
Theo tính toán, 𝐾 𝑑𝑣 𝑐𝑑 × 𝐸 𝑦𝑐 = 1,06 × 125,25 = 138,86 𝑀𝑝𝑎 Việc áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế áo đường là cần thiết, nhằm dự tính các biện pháp tăng cường bề dày và thay đổi kết cấu, giúp nâng cấp áo đường để đáp ứng với lưu lượng xe cộ ngày càng tăng theo thời gian.
2.6.1 Phương án đầu tư phân kỳ: Ở các phương án đầu tư phân kỳ , ta chấp nhận tăng kết cấu áo đường của 5 năm đầu tiên ( A2 ) lên vì các lí do sau :
Sự chênh lệch giữa trị số mô đun đàn hồi của phương án đầu tư 1 lần và phương án đầu tư phân kì là tương đối lớn
Trong giai đoạn 5 năm đầu tiên, nếu kết cấu áo đường có trị số mô đun đàn hồi Ech đạt yêu cầu nhưng chỉ lớn hơn trị số (Kdv.Eyc) khoảng 2-3%, thì sau 10 năm, chiều dày của các lớp mặt bê tông nhựa sẽ tăng lên đáng kể Điều này không chỉ gây khó khăn trong quá trình thi công mà còn làm tăng chi phí, do vật liệu bê tông nhựa có giá thành cao.
Với phương án đầu tư phân kỳ, ta giữ nguyên 2 lớp móng của phương án đầu tư tập trung
2.6.1.1 Kết cấu 5 năm đầu (với 𝑬 𝒚𝒄 = 𝟏𝟑𝟏 𝑴𝒑𝒂 )
Lớp láng nhựa nóng hai lớp , ℎ 1 = 2𝑐𝑚
Lớp cấp phối đá dăm loại I , ℎ 2 = 15𝑐𝑚
Lớp cấp phối thiên nhiên loại A , ℎ 3 = 41𝑐𝑚
Bảng 2-21 Lớp áo đường mặt đường cấp cao A2 cho đầu tư phân kỳ giai đoạn 1 (5 năm đầu) hi Tên vật liệu
Tính kéo uốn ở nhiệt độ thấp
15 Cấp phối đá dăm loại I 300 300 300
41 Cấp phối thiên nhiên lọa A 200 200 200 0 0,05 40
2.6.1.2 Kết cấu 10 năm sau (với 𝑬 𝒚𝒄 = 𝟏𝟔𝟐 𝑴𝒑𝒂 )
Kết cấu cho 10 năm sau sẽ được nâng cấp từ mặt đường cấp cao thứ yếu A2 lên mặt đường cấp cao chủ yếu A1, với vật liệu chính là bê tông nhựa cho lớp mặt Lớp móng sẽ sử dụng kết cấu áo đường cũ.
Kết cấu của 10 năm sau như sau :
Kết cấu áo đường cũ
2.6.2 Kiểm toán phương án đầu tư phân kỳ 5 năm đầu
2.6.2.1 Kiểm tra cường độ trung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép
Theo kết quả tính toán, mô đun đàn hồi yêu cầu là 𝐸𝑦𝑐 = 125,25 Mpa Để đảm bảo tính ổn định của kết cấu áo đường, cần kiểm tra theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn.
Chuyển hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp bằng cách đổi nhiều lớp kết cấu áo đường lần lượt hai lớp một từ dưới lên theo công thức:
Kết quả tính được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2-22 Quy đổi 2 lớp KCAD cấp cao A2 về 1 lớp
Lớp KC Ei (MPa) tE1 H (cm) k=H2/h1 Htb (cm) Etb (MPa)
Cấp phối thiên nhiên loại A 200 41 41 200
Với H/D = 56/33 = 1,697 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
𝐸 𝑡𝑏 𝑑𝑐 = 𝛽 𝐸 𝑡𝑏 = 1,194.224,18 = 267,67 𝑀𝑝𝑎 Dùng toán đồ Kogan xác định mô đun đàn hồi chung của đường với :
Ech = 0,577.267,674,44(MPa) Với hệ số tin cậy thiết kế=0,85, ta có 𝐾 𝑑𝑣 𝑐𝑑 = 1,06
Vậy KCAD đảm bảo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi
2.6.2.2 Kiểm tra tiêu chuẩn cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu đính kèm dính kết
Quy đổi các lớp vật liệu bên trên về 1 lớp, thể hiện ở bảng sau :
STT Lớp vật liệu (từ trên xuống) Etr
1 Cấp phối đá dăm loại I
2 Cấp phối thiên nhiên loại A 200 0.000 41 0.000 41 200.00
Với H/D = 56/33 = 1,697 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất Tax
Ta được Tax/p = 0,0167 với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P = 100 kN nên theo bảng 3-1 [1] ta có áp lực tính toán trên mặt đường p = 0,6 MPa
Xác định ứng suất cắt do trọng lượng bản thân Tav
Xác định lực dính tính toán :
- C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính C = 0,032 (MPa)
- K1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng của tải trọng trùng phục (K1= 0,6,)
- Hệ số xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, với lưu lượng tính toán trên một làn(Ntt6 trục/làn.ngày đêm) >100 xe K2= 0,8 (tra bảng 3-8[3]),
- Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K3=1,5 do đất là á cát
- Độ tin cậy thiết kế =0,85; tra bảng 3-7[3], ta được hệ số cường độ về cắt trượt:
Như vậy: Tax + Tav = 0,0088 (MPa) < 𝐶 𝑡𝑡
Vậy đất nền đảm bảo điền kiện cân bằng trượt
Kiểm tra lớp 2 : cấp phối thiên nhiên loại A :
STT Vật liệu hi (cm) Etr (MPa)
1 Cấp phối đá dăm loại I 15 300
Xác định Ech ở trên mặt lớp Cấp phối thiên nhiên loại A
E1 = Etr vl = 200 (MPa) E0/E1 = 42 / 200 = 0.210 H/D = 41 / 33 = 1.242 Tra toán đồ Hình 3-1, với 2 tỷ số trên ta xác định được:
Ech/E1 = 0.550 Module đàn hồi chung của kết cấu:
Sử dụng toán đồ 3-2, với các tỷ số sau:
𝜑 = 40 0 Tra được: Tax/p = 0.0683 p= 0.6 (MPa) Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tính toán gây ra:
Sử dụng toán đồ hình 3-4, với các thông số sau:
H = 15 (cm) và 𝜑 = 40 0 Tra được ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp kết cấu gây ra:
Lực dính tính toán: Ctt = C.K1.K2.K3
Ntt = 126 (trục/làn.ngày đêm
Vậy: Ctt = 0.05×0.6×0.8×1.5 = 0.036 (MPa) Độ tin cậy thiết kế = 0.85
Tra bảng 3-7, ta được hệ số cường độ về cắt trượt:
Kiểm tra điều kiện về cắt trượt:
Vậy lớp cấp phối thiên nhiên loại A đảm bảo điều kiện cân bằng trượt
2.6.3 Kiểm toán phương án đầu tư phân kỳ 10 năm tiếp theo (với E yc 2 Mpa)
2.6.3.1 Kiểm toán theo độ võng đàn hồi cho phép
Giả thiết mô đun đàn hồi của mặt đường cũ sau 5 năm đưa vào khai thác bằng 95% trị số mô đun đàn hồi ban đầu
Để nâng cấp mặt đường A2 thành mặt đường cấp cao A1 theo thiết kế năm 15, cần rải lớp BTNC 12,5 và BTNC 19 lên kết cấu cũ Đồng thời, tăng thêm 1cm cho lớp mặt dưới BTNC 19 Esau đạt 95% và Ech là 0,95, với áp lực 154,44 tương đương 147 Mpa.
10 năm sau, nâng cấp kết cấu áo đường thành cấp cao A1 bằng cách thêm lên trên mặt đường cũ các lớp mặt sau ( tính từ trên xuống )
Bảng 2-23 Các đặc trưng của vật liệu kết cấu áo đường hi Tên vật liệu
Tính kéo uốn ở nhiệt độ thấp
Tương tự các phần quy đổi hệ nhiều lớp thành một lớp cho kiểm toán độ võng đàn hồi, quy đổi hai lớp thành 1 lớp :
Lớp KC Ei (MPa) tE1 H (cm) k=H2/h1 Htb (cm) Etb (MPa)
Với H/D = 10/33 = 0,303 nên trị số 𝐸 𝑡𝑏 𝑡𝑡 của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( 𝐻
𝐸 𝑡𝑏 𝑑𝑐 = 𝛽 𝐸 𝑡𝑏 = 0,965.391 = 377 𝑀𝑝𝑎 Dùng toán đồ Kogan xác định mô đun đàn hồi chung của đường với :
Ech = 0,473.3778,3(MPa) Với hệ số tin cậy thiết kế=0,85, ta có 𝐾 𝑑𝑣 𝑐𝑑 = 1,06
