BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ

BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ

Tr- ờng Đại học giao thông vận tải Khoa công trình môn đ- ờng Nguyễn quang phúc Bài giảng Thiết kế đ- ờng ô tô Học phần thiết kế mặt đ- ờng ô tô Hà néi, 2007 APPROVED By Nguyen Quang Phuc at 5:42 pm, 10/21/07 REVIEWED By Nguyen Quang Phuc at 5:42 pm, 10/21/07 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG phÇn i ThiÕt kÕ nỊn ®- êng REVISED By Nguyen Quang Phuc at 5:43 pm, 10/21/07 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG CHƯƠNG THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG THÔNG THƯỜNG 1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG - CHIỀU SÂU HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN ĐƯỜNG 1.1.1 Những yêu cầu chung đường Nền đường ô tô công trình đất (đá) có tác dụng: - Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên dải đất đủ rộng dọc theo tuyến đường có tiêu chuẩn bình đồ, trắc dọc, trắc ngang đáp ứng điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận kinh tế - Làm sở cho áo đường: lớp phía đường với áo đường chịu tác dụng tải trọng xe cộ nhân tố thiên nhiên có ảnh hưởng lớn đến cường độ tình trạng khai thác cơng trình đường Để đảm bảo u cầu nói trên, thiết kế xây dựng đường cần phải đáp ứng yêu cầu sau đây: Nền đường phải đảm bảo ln ổn định tồn khối, nghĩa kích thước hình học hình dạng đường không bị phá hoại biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe a) b) c) d) e) f) Hình 1.1 Các tượng đường ổn định toàn khối a) Trượt ta luy đắp; b) Trượt đường đắp sườn dốc; d) Trượt trồi đất yếu 10/21/2007 e) Sụt lở ta luy đào; c) Lún sụt đất yếu f) Trượt ta luy đào I-1 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG Các tượng ổn định toàn khối đường thường là: trượt lở mái ta luy đường đào đắp, trượt đường đắp sườn dốc, trượt trồi lún đất đắp đất yếu,… (Hình 1.1) Nền đường phải đảm bảo có đủ cường độ định, tức đủ độ bền chịu cắt trượt không biến dạng nhiều (hay khơng tích luỹ biến dạng) tác dụng tải trọng bánh xe Nền đường phải đảm bảo ổn định mặt cường độ, nghĩa cường độ đường không thay đổi theo thời gian, theo điều kiện khí hậu, thời tiết cách bất lợi Nền đường thường bị phá hoại nguyên nhân sau đây: - Sự phá hoại thiên nhiên mưa làm tích nước hai bên đường, làm giảm cường độ đất đường, gây sạt lở mái dốc ta luy - Điều kiện địa chất thủy văn chỗ không tốt cấu tạo tầng lớp mức độ phong hoá đất đá, đặc biệt phá hoại nước ngầm (nước ngầm chảy lôi theo đất gây tượng xói ngầm giảm cường độ đất) - Do tác dụng tải trọng xe chạy - Do tác dụng tải trọng thân đường đường đắp cao đào sâu, ta luy dốc thường hay bị sạt lở - Do thi công không đảm bảo chất lượng: đắp không quy cách, loại đất đắp, lu lèn khơng chặt,… Trong số ngun nhân nói trên, tác dụng phá hoại nước đường chủ yếu (gồm nước mặt, nước ngầm nước) 1.1.2 Chiều sâu hoạt động đất đường Cường độ độ ổn định đường chủ yếu lớp đất tầng định, cần phải xác định chiều sâu hoạt động tải trọng P p Z  + z za M r z z  Hình 1.2 Sơ đồ xác định chiều sâu khu vực tác dụng đường 10/21/2007 I-2 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG Chiều sâu hoạt động đất đường hay phạm vi hoạt động đất đường khu vực chịu tác dụng tải trọng động (tải trọng xe cộ đường truyền xuống) Phạm vi xác định chiều sâu za hình 1.2 Trên hình vẽ, ứng suất điểm đất trọng lượng thân đắp gây nên là: (xét trường hợp đất đồng nhất)  = .z - dung trọng đất đắp (t/m ); z – chiều sâu tính ứng suất, m Ứng suất thẳng đứng tải trọng động bánh xe P gây phân bố tắt dần theo chiều sâu theo công thức Bussinet:  z  k k – hệ số Bussinet k  2 P z2 ( Điểm nằm trục Z r=0 k≈0,5)   r  2 1       Z   Giả thiết  = nz bỏ qua ảnh hưởng tải trọng động ta xác định chiều sâu z a khu vực tác dụng theo quan hệ:  = n z  z a  nk P k n P  za  za  Thường giả thiết n = – 10 với tải trọng bánh xe thông thường tính z a = 0,9 – 1,5m Như vậy, để đường có cường độ độ ổn định định cần đầm nén chặt đất đường phương tiện đầm nén Đầm nén chặt đất đường: biện pháp tăng cường độ cải thiện chế độ thủy nhiệt đường tương đối đơn giản, phổ biến có hiệu cao Hiện người ta thường dùng đại lượng dung trọng khô  (g/cm ) đất để đặc trưng cho độ chặt đất đầm nén thông qua hệ số đầm nén: K = /0 Trong  - dung trọng khơ đất sau nén chặt thực tế 0 dung trọng khơ loại đất nén chặt điều kiện tiêu chuẩn (độ chặt lớn – xác định cối Proctor) 1.1.3 Nguyên tắc thiết kế đường Phải đảm bảo khu vực tác dụng đường (khi khơng có tính tốn đặc biệt, khu vực lấy tới 80 cm kể từ đáy áo đường trở xuống ) đạt yêu cầu sau: 10/21/2007 I-3 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG  Khơng bị q ẩm (độ ẩm không lớn 0,6 giới hạn nhão) không chịu ảnh hưởng nguồn ẩm bên (nước mưa, nước ngầm, nước bên cạnh đường)  30 cm phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu đường cấp I, cấp II đường cấp khác  50 cm phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu đường cấp I, cấp II với đường cấp khác Ghi chú: CBR xác định theo điều kiện mẫu đất độ chặt đầm nén thiết kế ngâm bão hòa ngày đêm Để hạn chế tác hại xấu đến môi trường cảnh quan, cần trọng nguyên tắc: - Hạn chế phá hoại thảm thực vật Khi nên gom đất hữu đào để phủ xanh lại hố đất mượn, sườn taluy - Hạn chế phá hoại cân tự nhiên Đào đắp vừa phải Chú ý cân đào đắp Gặp địa hình hiểm trở nên so sánh đường với phương án cầu cạn, hầm, ban công Chiều cao mái dốc đường không nên cao 20 m - Trên sườn dốc 50% nên xét phương án tách thành hai đường độc lập - Nền đào đắp thấp nên có phương án làm thoải (1:3 ~ 1:6) gọt trịn để phù hợp địa hình an tồn giao thông - Hạn chế tác dụng xấu đến đời sống kinh tế xã hội cư dân gây ngập lụt ruộng đất, nhà cửa Các vị trí độ cơng trình nước phải đủ để khơng chặn dịng lũ gây phá chỗ khác, tránh cản trở lưu thông nội địa phương, tơn trọng quy hoạch nước địa phương 1.2 CÁC LOẠI ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG – TIÊU CHUẨN ĐẦM NÉN ĐẤT NỀN ĐƯỜNG 1.2.1 Các loại đất đắp đường Đất, đá vật liệu chủ yếu để xây dựng đường, kết cấu mặt đường làm việc cơng trình đường phụ thuộc nhiều vào tính chất đất Trong xây dựng đường, để hạ giá thành xây dựng thường dùng đất chỗ để đắp đường Cường độ độ ổn định đường phụ thuộc vào loại đất cường độ đất Cỡ hạt đất lớn đất có cường độ cao, tính mao dẫn thấp, tính thấm nước tốt, khơng nở gặp nước khơng co khơ Những tính chất khiến cho loại đất chứa nhiều cỡ hạt lớn có tính ổn định nước tốt, nhiên có nhược điểm lớn tính dính tính dẻo Cỡ hạt đất nhỏ tính chất ngược lại 10/21/2007 I-4 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG Phân loại đất đắp đường: Đá : Là loại vật liệu xây dựng đường tốt Nền đường đắp đá đảm bảo cường độ độ ổn định, chống xói bào mịn va đập dịng nước Đất lẫn đá: Gồm hạt đá có kích cỡ lớn hay nhỏ lẫn với cát sét Đá đất lẫn đá đá rắn chắc, không bị phong hố, có cường độ cao khơng bị mềm nước Loại dùng đắp đường tốt Sỏi cuội: Là loại vật liệu đá tác dụng dòng nước bị chuyển chỗ bào mịn, thành phần có lẫn cát sét Loại đắp đường tốt, đắp nơi khô ẩm ướt cường độ không thay đổi nhiều Nhược điểm sức chống xói mịn nên mặt ngoìa mái dốc cần gia cố Cát : Là loại đất vụn, rời rạc, dính, kích thước hạt khoảng 50% khối lượng) có cường độ ổn định, tính dính cao, có khả nước nhanh Đất sét: Là loại đất có tính dính lớn tính thấm nước kém, lâu bão hồ nước lâu khô, dùng đắp đường nơi khô Ở trạng thái ẩm ướt đất mềm nhão không nén chặt Đất sét: Là loại đất tốt để đắp đường, có tính dính lớn chống xói lở làm cho ta luy đường ổn định Cần ý đường đắp qua bãi sông loại đất nước rút khơng làm tăng áp lực thuỷ động gây ổn định mái ta luy Đất bột: Là loại đất có hạt nhỏ, cường độ thấp khơ bong, ướt nhão khơng thích hợp để đắp đường 10.Đất hữu cơ: Loại có cường độ thấp, tính trương nở lớn, không nên đắp đường Cần nắm vững loại đất tính chất đất phân tích để tìm cách xử lý, cải thiện đề xuất biện pháp cấu tạo khác (như thoát nước, đắp cao, gia cố, ) để khắc phục nhược điểm loại đất nhằm thoả mãn yêu cầu đường cách tốt 10/21/2007 I-5 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG Phân loại đất theo TCVN 5747-1993 theo bảng 1.1, 1.2 1.3 sau: Bảng 1.1 Phân loại hạt đất theo kích cỡ Tên hạt Cuội Sỏi : Rất to To Vừa Bé Kích cỡ hạt (mm) 100-40 40-20 20-10 10-4 4-2 Kích cỡ hạt (mm) 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 < 0,005 Tên hạt Cát : To Vừa Nhỏ Rất nhỏ (mịn) Bụi : To Nhỏ Sét Bảng 1.2 Phân loại cát Loại cát Tỷ lệ hạt theo kích cỡ Chỉ số dẻo Cát sỏi (% khối lượng) hạt > 2mm chiếm 25-50% Khả sử dụng để xây dựng đường 0,5mm chiếm > 50% 0,25mm chiếm > 50% hạt > 0,10mm chiếm > 75% hạt > 0,05mm chiếm > 75% 40 < 40 > 40 < 40 > 40 Không quy định - nt - 1-7 1-7 1-7 1-7 7-12 7-12 12-17 12-17 17-27 17-27 > 27 Khả sử dụng để xây dựng đường Rất thích hợp Thích hợp Ít thích hợp Khơng thích hợp Thích hợp Ít thích hợp Thích hợp Ít thích hợp Thích hợp Ít thích hợp Khơng thích hợp I-6 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CƠNG TRÌNH TRÊN ĐƯ ỜNG Một số yêu cầu đất đắp đường Đất đắp đường lấy từ đào, từ mỏ đất, từ thùng đấu Việc lấy đất phải tuân thủ nguyên tắc hạn chế tác động xấu đến mơi trường nói điểm điều 6.1.2 Thùng đấu phải thiết kế có hình dáng hình học hồn chỉnh, khơng làm xấu cảnh quan phải tận dụng sau làm đường Đất từ nguồn phải có thí nghiệm, khơng đắp hỗn độn mà đắp thành lớp Các lớp đắp xen kẽ lớp đất có tính nước tốt lớp đất có tính khó nước mặt lớp phải làm dốc ngang đến 4% để thoát nước Không dùng loại đất lẫn muối lẫn thạch cao (quá 5%), đất bùn, đất than bùn , đất phù sa đất mùn (quá 10% thành phân hữu cơ) để làm đường Trong khu vực tác dụng khơng dùng đất sét nặng có độ trương nở tự vượt 4% Không nên dùng đất bụi đá phong hoá để đắp phần thân đường phạm vi bị ngập nước Tại chỗ sau mố cầu sau lưng tường chắn nên chọn vật liệu đắp hạt rời có góc nội ma sát lớn Khi sử dụng vật liệu đắp đá thải, đất lẫn sỏi sạn kích cỡ hạt (hịn) lớn cho phép 10cm phạm vi đắp nằm khu vực tác dụng 80cm kể từ đáy áo đường 15cm phạm vi đắp phía dưới; nhiên, kích cỡ hạt lớn khơng vượt 2/3 chiều dầy lớp đất đầm nén (tuỳ thuộc công cụ đầm nén sử dụng) Khơng dùng loại đá phong hố đá dễ phong hố (đá sít ) để đắp đường Khi đường đắp cát, đường phải đắp bao hai bên mái dốc phần đỉnh phía để chống xói lở bề mặt để tạo thuận lợi cho việc lại xe, máy thi công áo đường Đất đắp bao hai bên mái dốc phải có số dẻo lớn 7; cịn đất đắp bao phía đỉnh phải có số dẻo từ đến 10 nên sử dụng cấp phối đồi Đất đắp bao phần đỉnh không dùng vật liệu rời rạc để hạn chế nước mưa, nước mặt xâm nhập vào phần đắp cát Bề dầy đắp bao hai bên mái dốc tối thiểu 1,0m bề dầy đắp bao phía đỉnh (đáy áo đường) tối thiểu 0,30m 1.2.2 Tiêu chuẩn đầm nén đất đường: Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-05 tiêu chuẩn đầm nén đất TCVN 4201-1995, tiêu chuẩn đầm nén đất quy định sau: 10/21/2007 I-7 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG CHƯƠNG THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG 3.1 ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG 3.1.1 Đặc điểm kết cấu áo đường cứng: Áo đường cứng kết cấu áo đường có lớp mặt lớp móng làm bê tông xi măng – loại vật liệu có độ cứng cao, đặc tính biến dạng cường độ thực tế khơng phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ Áo đường cứng thiết kế dựa theo lý thuyết “tấm đàn hồi” đồng thời có xét đến thay đổi nhiệt độ nhân tố khác gây với bê tông Phân loại : - Mặt đường bê tông xi măng lắp ghép - Mặt đường bê tông xi măng đổ chỗ - Mặt đường bê tông xi măng thường (không cốt thép) - Mặt đường bê tông xi măng cốt thép thường - Mặt đường bê tông xi măng cốt thép ứng suất trước Ưu nhược điểm phạm vi áp dụng: * Ưu điểm: - Ưu điểm chủ yếu mặt đường bê tơng xi măng có cường độ cao, thích hợp với xe tải trọng nặng, xe bánh xích Cường độ mặt đường khơng thay đổi theo nhiệt độ mặt đường nhựa - Rất ổn định nước nên thường thi công nơi ẩm ướt - Hao mịn ít, phẳng, hệ sơ bám bánh xe mặt đường cao thay đổi mặt đường bị ẩm ướt - Đường có màu sáng dễ phân biệt với lề đường màu sẫm tăng độ an tồn xe chạy ban đêm - Sử dụng nhiều năm (từ 30 – 40 năm lâu hơn) gấp đôi so với mặt đường nhựa - Công tác tu bảo dưỡng đơn giản - Có thể giới hóa hồn tồn cơng nghệ thi cơng * Nhược điểm: - Không thông xe sau thi công mà cần có thời gian bảo dưỡng dài để bê tơng đạt cường độ thiết kế 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG - Phải làm nhiều khe co giãn , thi công phức tạp, dễ bị thấm nước hư hỏng vị trí khe, dễ bị nứt gãy Xe chạy sóc chất lượng khai thác không mặt đường nhựa - Giá thành tương đối cao (gấp đôi so với mặt đường nhựa) * Phạm vi áp dụng: Thường áp dụng cho đường cấp cao có lưu lượng xe lớn, đường có xe xích, đường chun dụng khai thác mỏ, đường khu vực ẩm ướt khu vực chật hẹp, đường GTNT Nội dung thiết kế áo đường cứng bao gồm: - Thiết kế cấu tạo nhằm chọn bố trí hợp lý kích thước tấm, khe liên kết tấm, chọn vật liệu tầng móng, vật liệu chèn khe - Tính tốn kiểm tra cường độ (bề dày) bê tơng xi măng lớp móng tác dụng tải trọng nhiệt độ 3.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường cứng: Kết cấu mặt đường bê tông xi măng đổ chỗ gồm lớp hình 3.1 C B/2 b 1,5-2% 1: m d Bm/2 Hình 3.1 Mặt cắt ngang áo đường bê tông xi măng đổ chỗ Lớp mặt (tấm bê tơng); Lớp tạo phẳng; Lớp móng; Nền đất B: bề rộng phần xe chạy; b: dải an toàn gia cố lề; C: Bề rộng lề; Bm: bề rộng móng; d: Bề rộng thêm lớp móng so với lớp mặt a Móng đất: Trong trường hợp, 30cm đất lớp móng phải đầm chặt đạt độ chặt K = 0,98 – 1,00; tiếp 30cm phải đầm chặt đạt K = 0,95 Đối với đoạn đường mà tình hình thủy văn, địa chất khơng tốt trước xây dựng mặt đường phải sử dụng biện pháp xưy lý đặc biệt (thay đất, thoát nước gia cố) b Lớp móng: Lớp móng có tác dụng giảm áp lực tải trọng ô tô xuống đất, hạn chế nước ngấm qua khe xuống đất, giảm tích lũy biến dạng góc cạnh tấm, đảm bảo độ phẳng, ổn định, nâng cao cường độ khả chống nứt mặt đường, 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG đồng thời đảm bảo ô tô máy rải bê tơng chạy lớp móng thời gian thi cơng Lớp móng làm bê tơng nghèo, đá gia cố xi măng, cát gia cố xi măng, đất gia cố xi măng vôi Trên đường nội bộ, đường nơng thơn lớp móng đá dăm, xỉ, gạch vỡ, cát, Bề dày lớp móng tùy theo tính tốn tối thiểu phải 14cm bê tông nghèo, 15 – 16cm đất, cát đá gia cố 20cm cát hạt to hạt trung Bề rộng lớp móng nên rộng lớp mặt bên từ 0,3 đến 0,5m c Lớp tạo phẳng: Lớp tạo phẳng có tác dụng đảm bảo độ phẳng lớp móng, đảm bảo dịch chuyển dễ dàng nhiệt độ thay đổi Lớp tạo phẳng giấy dầu, cát trộn nhựa dày – 3cm cát vàng dày – 5cm Lớp tạo phẳng bố trí theo cấu tạo mà khơng tính vào khả chịu lực kết cấu d Tấm bê tông xi măng mặt đường: h2 h1 Tấm bê tơng xi măng có khơng có cốt thép Chiều dày xác định thông qua tính tốn khơng nhỏ trị số quy định phụ thuộc vào lưu lượng tải trọng xe tớnh toỏn (hmin=18-24cm xem bng 2.1 Tr.43) Cốt thép tăng cuêng Hình 3.2 Cấu tạo mặt cắt ngang bê tông xi măng mặt đường 3,5-3,75m Các bê tông liên kết với khe: khe dọc khe ngang, khe ngang có hai loại: khe dãn khe co l l l l L Hình 3.3-a Sơ đồ bố trí khe mặt đường bê tơng xi măng Khe dãn; Khe co; Khe dọc ; Thanh truyền lực (cm) 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG Hình 3.3-b Sơ đồ bố trí khe truyền lực bê tơng xi măng Hình 3.3-c Sơ đồ bố trí chia chỗ giao Mục đích việc bố trí khe nhằm giảm ứng suất nhiệt nhiệt độ thay đổi - Khe dãn : Dùng bê tơng dãn nở nhiệt độ bê tông tăng Chiều rộng khe dãn tính theo cơng thức sau: b=β.α L.Δt.1000, cm Trong : - Δt : Hiệu số nhiệt độ khơng khí cao địa phương làm đường so với nhiệt độ đổ bê tông - β : Hệ số ép co vật liệu chèn khe, chèn mattic nhựa lấy β=2,0 - L : Khoảng cách hai khe dãn (m) - α : Hệ số dãn nở bê tông α = 0,00001 - Khe co : Dùng bê tơng co lại mà khơng gây rạn nứt bê tông Chiều rộng khe co chèn mattic nhựa thường 8-12mm 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG - Khe dọc : Có tác dụng khe co, thường bố trí theo tim đường song song với tim đường Khoảng cách khe dọc không vượt 4,5m, thường bề rộng xe Hình 3.4 Cấu tạo loại khe thể hình vẽ 3.3 3.4 Khoảng cách khe ngang (khe co khe dãn) phụ thuộc vào loại kết cấu mặt đường, chiều dày bê tông nhiệt độ không khí đổ bê tơng (xem bảng 2.5 Tr.46) Thường với khí hậu nước ta khoảng cách khe co 5-6m Vật liệu chèn khe phải đảm bảo tính đàn hồi lâu dài, dính bám chặt với bê tơng, khơng thấm nước, khơng dịn trời lạnh, trời nóng khơng bị chảy 3.2 CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG 3.2.1 Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn: kết cấu áo đường cứng quy định thống thiết kế áo đường mềm tính tốn tải trọng bánh xe nhân thêm với hệ số xung kích bảng 2.1 Bảng 3.1 Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn hệ số xung kích Tải trọng trục tiêu chuẩn, daN Tải trọng bánh xe tiêu chuẩn, daN Hệ số xung kích Tải trọng bánh xe tính tốn, daN 10.000 5.000 1,2 6.000 12.000 6.000 1,15 6.900 9.500 4.750 1,2 5.700 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG Sau tính tốn với tải trọng tiêu chuẩn, cần kiểm tốn bê tơng với xe nặng cá biệt (H30, H13) xe nhiều bánh (XB80) xe xích (T60) xe lu, Các đặc trưng xe xem quy trình 22TCN 223-95 3.2.2 Hệ số chiết giảm cường độ n: Khi tính tốn cường độ kết cấu áo đường cứng, cường độ chịu kéo uốn cho phép bê tông xi măng [] xác định cường độ chịu uốn giới hạn R ku nhân với hệ số chiết giảm cường độ n quy định tùy thuộc tải trọng tổ hợp tải trọng tính tốn bảng 3.2 [] = n.Rku ứng suất kéo-uốn điểm ku≤ [] Bảng 3.2 Hệ số chiết giảm cường độ n Tổ hợp tải trọng tính tốn Hệ số chiết giảm cường độ n Hệ số an toàn k = 1/n 0,5 2,0 - Kiểm toán với xe nặng 0,59-0,83 1,7-1,53 - Kiểm toán với xe xích 0,65 1,54 0,85-0,90 1,18-1,11 - Tính với tải trọng thiết kế - Tác dụng đồng thời hoạt tải ứng suất nhiệt n hệ số tổng hợp chiết giảm cường độ xét đến mỏi yếu tố ảnh hưởng khác (như chất lượng bê tông không đồng nhất, ) Theo kết nghiên cứu tính tốn với tải trọng tiêu chuẩn với n=0,5 qua 15.106 lần tác dụng tải trọng BTXM mặt đường chưa bị phá hoại Cịn tổ hợp tải trọng tính tốn số lần tác dụng lặp lại nên n cho phép lớn 3.2.3 Các tiêu bê tông xi măng làm đường: Cường độ chịu kéo uốn R ku Là tiêu chủ yếu BTXM, dùng để làm tính toán chiều dày mặt đường BTXM Để xác định cường độ chịu kéo-uốn phải thí nghiệm uốn mẫu dầm tiêu chuẩn (20x20x80; 15x15x60; 10x10x40) tùy theo kích cỡ cốt liệu (thường dùng mẫu có kích thước 15x15x60 cm) Rku   P l , ( kG / cm ) h Trong đó: - δ : Hệ số tính đổi phụ thuộc vào kích thước mẫu - P : Tải trọng phá hoại mẫu (kG) - l : Nhịp tính tốn mẫu (cm) - Chiều cao dầm mẫu (cm) 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG Cường độ chịu nén Rn (mác bê tông) Xác định cách nén mẫu thí nghiệm lập phương 30x30x30; 20x20x20; 10x10x10 hay 7,07x7,07x7,07 cm; mẫu hình trụ 19,5; 15; 7,14 với chiều cao 39; 30; 14,3cm Rn   P , (kG / cm ) F Trong đó: - α : Hệ số tính đổi phụ thuộc vào kích thước mẫu, tra bảng - P : Tải trọng phá hoại mẫu, (kG) - F : Diện tích trung bình tiết diện mẫu, (cm2 ) Mô đun đàn hồi bê tông Khi tính tốn chiều dày bê tơng dùng mơ đun đàn hồi xác định thí nghiệm uốn dầm bê tông không cốt thép với ứng suất bê tông 0,6R ku Các tiêu cường độ mô đun đàn hồi bê tông quy định bảng 3.3 Bảng 3.3 Các tiêu bê tông làm đường Các lớp kết cấu Lớp mặt Lớp móng mặt đường bê tơng nhựa Cường độ giới hạn sau 28 ngày, daN/cm2 Mô đun đàn hồi E, daN/cm2 Cường độ chịu kéo uốn Cường độ chịu nén 50 400 35.104 45 350 33.104 40 300 31,5.104 35 250 29.104 30 200 26,5.104 25 170 23.104 3.2.4 Các tiêu đường: Các tiêu đường E0 , C, φ xác định thí nghiệm điều kiện bất lợi chế độ thủy nhiệt, lấy thống kết cấu áo đường mềm Ngồi tính tốn bê tơng theo mơ hình Winkler cịn có tiêu hệ số k Hệ số k thông số đặc trưng cho khả chống lại biến dạng Hệ số k xác định thí nghiệm nén lún với ép trịn, cứng có đường kính 76cm Chất tải ép ép bị nén lún vào (móng) trị số l=1,27mm (tức 0,05 inches) ép đến trị số áp lực p=0,7kG/cm (tức 10 psi) (nếu đất vững chắc); lúc xác định p (hoặc l) tương ứng tính k theo cơng thức 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC k THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG p , (kG / cm ) l 3.3 TÍNH TỐN CHIỀU DÀY TẤM BÊ TƠNG XI MĂNG ĐỔ TẠI CHỔ DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG TIÊU CHUẨN Việc tính tốn chiều dày BTXM dựa lời giải toán “tấm đàn hồi” với kết 3.3.1 Cơng thức tính toán Theo tiêu chuẩn này, chiều dày bê tông xi măng xác định theo công thức: h  Ptt   (3.3-1) Trong đó: - Ptt : tải trọng bánh xe tính tốn (đã nhân với hệ số xung kích), daN/cm2 - [] : cường độ chịu uốn cho phép bê tông xi măng, daN/cm2; [] = n.Rku - n : Hệ số chiết giảm cường độ tính với tải trọng tiêu chuẩn n=0,5 -  : hệ số có trị số thay đổi tùy theo vị trí tác dụng tải trọng tỉ số E h , E chm R ; - E : môđun đàn hồi bê tông, daN/cm2; - E chm : môđun đàn hồi chung mặt lớp móng, daN/cm2, xác định tốn đồ hình 3-3 (22TCN 211-93) với áp lực tải trọng bánh xe phân bố xuống lớp móng qua bê tơng D = D0 + h - D : Là đường kính vệt bánh xe quy đổi, D0 = 2R, cm - R – Bán kính diện tích vệt bánh xe tính tốn, cm Khi tính tốn chiều dày cho trường hợp tải trọng tác dụng tấm, cạnh góc (Hình 3.5) phân biệt dùng hệ số 1, 2, 3 Trong ba trị số phải chọn trị số lớn để tính chiều dày h theo (3.3-1) Các hệ số 1 , 2 , 3 tra bảng 4.1; 4.2; 4.3 (22TCN 223-95) Vì h phụ thuộc vào α α lại phụ thuộc vào h nên phải dùng phương pháp thử dần tính tốn 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG D0 E Ech.m I h P D=D +h 2R 2R 2R III II NỊn ®Êt Hình 3.5 Các vị trí tính tốn bánh xe bê tông (I – tấm; II – cạnh tấm; III – góc tấm) 3.3.2 Trình tự tính tốn: - Thiết kế cấu tạo kết cấu: Loại vật liệu, chiều dày tầng lớp, - Xác định đặc trưng tính tốn vật liệu - Giả định chiều dày bê tơng hgđ (18-24cm) để tính E chm tỷ số h E ; sau tra bảng xác định hệ số 1 , 2, 3 R E chm - Lấy giá trị max thay vào công thức 3.3-1 để tìm htt - So sánh htt với hgđ thỏa mãn  hgd  htt hgd 100%  5% chấp nhận chiều dày bê tơng giả định Nếu khơng thỏa mãn giả định tính tốn lại phù hợp 3.4 KIỂM TỐN CHIỀU DÀY TẤM BÊ-TƠNG XI-MĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA XE NẶNG CÁ BIỆT 3.4.1 Công thức tính tốn: Khi kiểm tốn tác dụng xe nặng cá biệt trục xe nhiều bánh người ta thường cắt dải rộng b=1m để xác định tổng mô men uốn theo hướng, xác định hướng có tổng mơ men uốn lớn từ xác định chiều dày  M mà W  b.h Ứng suất :   6 M 1.h    6 h2 W Do đó, chiều dày bê tơng mặt đường tính theo cơng thức: h 6 M   (3.4-1) Trong đó: 10/21/2007 III- NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG - [] : cường độ chịu kéo uốn cho phép bê tông, daN/cm2;[] = n.Rku n : Hệ số chiết giảm cường độ kiểm toán với xe nặng cá biệt - M – tổng mômen uốn, daN.cm/cm Tùy loại xe cần kiểm tốn mà mơmen uốn xác định theo cơng thức sau (Hình 3.6): Đối với xe nặng: Hình 3.6b - Mơmen uốn hướng tâm tiếp tuyến tải trọng phân bố diện tích vịng tròn vệt bánh tương đương R sinh bánh xe: M F  MT  CPtt 1    2 aR (3.4-2) - Mômen hướng tâm tiếp tuyến tải trọng tập trung bánh xe bên cạnh gây ra: M F   A  B Ptt (3.4-3) M T   B  A Ptt P MF (6)  r8 r7 P r r1 r2 b) a) (3.4-4) N M MT (6) r6 Tấm bê tông MF My x P P MT  Mx r r y Hình 3.6 Sơ đồ xác định mơ men uốn thiết kế bê tông a) Dùng lực tập trung thay cho tải trọng phân bố diện tích; b) Ảnh hưởng bánh xe kép; 10/21/2007 III- 10 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG Trong đó: - M F (daN.cm) : mơmen hướng tâm hay mô men uốn pháp tuyến làm cho bị uốn vng góc với bán kính tạo thành đường nứt vịng - M T (daN.cm) : mơmen tiếp tuyến làm cho bị uốn theo bán kính gây đường nứt hướng tâm - Ptt : tải trọng bánh xe tính tốn nhân với hệ số xung kích, daN -  : hệ số pốt xơng bê tơng,  = 0,15 - A, B : tham số xác định theo tích số ar - C : tham số xác định theo aR Các trị số ar aR tra bảng - r : khoảng cách điểm tác dụng tải trọng đến điểm cần tìm mơmen, cm - a : hệ số có liên quan đến độ cứng hình trụ tấm: a3 6E chm 1  b2  Eh 1   m2  (3.4-5) - Với E – môđun đàn hồi bê tông, daN/cm ; - E chm - mơđun đàn hồi chung mặt lớp móng, daN/cm2 ; - b , m – hệ số poát xơng bê tơng lớp móng, m = 0,3 – 0,4 Đối với xe xích, xe nhiều bánh : Hình 3.6a hình 3.7 Nếu cần kiểm toán chiều dày tác dụng tải trọng xe xích, xe nhiều bánh, xe lu, dùng cơng thức sau để tính mơmen uốn hướng tâm tiếp tuyến lực tập trung gây để định mơmen uốn dùng để tính tốn tiết diện đó: Vì có nhiều lực tập trung gây mô men uốn theo hướng khác nên để tìm hướng có tổng mơ men uốn lớn nhất, người ta phải chiếu mô men xuống trục X, Y hệ trục OXY 1/cos 1/ sin MF  MT.sin  M F.cos  MT Hình 3.7 Sơ đồ xác định mơ men M x dải rộng 1m 10/21/2007 III- 11 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG * Xác định Mx : Theo hình 3.7 ta có mơ men MF MT dải rộng 1m chiếu xuống trục X MF.cosα MT sinα tác dụng dải rộng 1/cosα 1/sinα Do ta có M x  M F cos  MT sin    M F cos   MT sin  1 cos  sin  * Xác định M y : Tương tự ta xác định M y  M F sin   M T cos2  Kết hợp lại ta cơng thức tính mơ men theo trục X Y M x  M F cos2   M T sin  (3.4-6) M y  M F sin   M T cos2  (3.4-7) Với  góc tạo thành trục mà theo hướng ta xét mơmen với đường thẳng nối liền điểm tác dụng lực với điểm tìm mơmen 3.4.2 Trình tự kiểm tốn: Sau tính tốn chiều dày với tải trọng tiêu chuẩn xác định chiều dày bê tông h theo công thức (3.3-1) bước kiểm tốn sau: - Từ phân tích tải trọng kiểm tốn, tính mơ men uốn theo cơng thức từ (3.4-2 đến 3.4-7) - Tìm hướng có tổng mơ men uốn lớn M max sau thay h M max vào cơng thức (3.4-1) để tìm ứng suất lớn  max  6. M max - So sánh  max     n.Rku đạt u cầu, cịn khơng thỏa mãn phải tăng chiều dày bê tơng kiểm tốn lại (hoặc lấy giá trị h quy trịn theo cơng thức 3.4-1) 10/21/2007 h2 III- 12 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG 3.5 KIỂM TỐN CHIỀU DÀY TẤM BÊ TƠNG VỚI TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI CỦA TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT Khi nhiệt độ mặt bê tông chênh lệch bê tơng sinh ứng suất uốn vồng, ứng suất cộng với ứng suất bê tông tải trọng gây vượt ứng suất cho phép Vì cần phải kiểm tốn với tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn ứng suất nhiệt 3.5.1 Các ứng suất bê tông nhiệt độ: Westergard người giải toán lý thuyết BTXM kích thước vơ hạn (tấm dài mà hẹp) bị hạn chế uốn vồng phần với giả thiết: - Tấm đặt theo mô hình Winkler - Nhiệt độ thay đổi tuyến tính theo bề dày - Tấm móng trước sau giữ nguyên tiếp xúc - Bỏ qua trọng lượng thân Sau Brabbury phát triển kết Westergard đưa công thức tính tốn ứng suất uốn vồng nhiệt độ Khi nhiệt độ mặt mặt bê tơng chênh t (oC) bê tơng sinh ứng suất uốn vồng tính theo công thức sau: t  n  E t C x  Cy t 1    (3.5-1) Et  C y  Cx t 1     c  C x t Et 212  (3.5-2)  Trong đó: -  t : ứng suất uốn vồng theo hướng dọc tấm, daN/cm2 (3.5-3) -  n : ứng suất uốn vồng theo hướng ngang tấm, daN/cm -  c : ứng suất uốn vồng theo hướng dọc cạnh tấm, daN/cm - t : chênh lệch nhiệt độ mặt mặt bê tơng, lấy t= 0,84h -  hệ số pốt xơng bê tơng,  = 0,15 - C x, Cy – hệ số có trị số thay đổi theo tỉ số L/l B/l, tra bảng; L – chiều dài bê tông (tức khoảng cách hai khe co); B – chiều rộng bê tơng; l – bán kính độ cứng bê tông xác định theo công thức: l  0,6h 10/21/2007 E Echm (3.5-4) III- 13 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG 3.5.2 Trình tự kiểm toán Khi kiểm toán tác dụng phối hợp ứng suất nhiệt độ ứng suất tải trọng xe chạy, ứng suất tổng hợp lớn cường độ chịu uốn cho phép bê tơng phải giảm bớt chiều dài tăng chiều dày giả định kiểm toán lại với ứng suất tổng hợp - Từ cơng thức 3.3-1 tính ứng suất gây tải trọng tiêu chuẩn σTT bê tông   hướng  Ptt Tùy giá trị α mà có ứng suất theo vị trí h2 - Từ công thức 3.5-1 đến 3.5-3 xác định ứng suất sinh nhiệt theo hướng σNHIET - Tìm hướng có ứng suất tổng hợp σ TH =(σTT + σ NHIET) lớn kiểm toán σ THmax ≤ [] = n.Rku đạt yêu cấu, cịn khơng thỏa mãn phải thiết kế lại kiểm tốn lại Hoặc khống chế ứng suất nhiệt lớn bê tông theo công thức sau: σ NHIET ≤ (0,3÷0,4)Rku 3.6 TÍNH TỐN CHIỀU DÀY LỚP MÓNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM Dưới tác dụng lặp lại tải trọng, đất đường bị biến dạng dẻo Lớp móng mặt đường BTXM phải bảo đảm cho đất đường phía khơng xuất biến dạng dẻo (không bị trượt) với điều kiện: τam + τab ≤ k.C Trong đó: - τam ứng suất cắt hoạt động lớn tải trọng xe chạy gây đất Được xác định cách tra tốn đồ hình 4.6 a, b - τab ứng suất tĩnh tải (trọng lượng thân lớp kết cấu phía gây điểm xét Được xác định cách tra tốn đồ hình 4.7 - C lực dính đất - k hệ số tổng hợp, đặc trưng cho điều kiện làm việc kết cấu áo đường: k = k 1.k’ - k’ hệ số xét đến ảnh hưởng lặp lại tải trọng (tra bảng 4.8) - k1 hệ số xét đến không đồng điều kiện làm việc mặt đường cứng theo chiều dài đường (tra bảng 4.7) Việc tính tốn thực có ý nghĩa lý thuyết thực tế ứng suất cắt tải trọng xe chạy truyền xuống tấng móng nhỏ (tầng mặt BTXM có độ cứng lớn) Trong đó, thơng qua thực tế khai thác áo đường cứng, người ta nhận 10/21/2007 III- 14 NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG thấy tầng móng có ảnh hưởng quan trọng đến tuổi thọ mức độ bền vững loại kết cấu áo đường Do đó, tầng móng ngồi u cầu kiểm tra theo điều kiện trên, thường phải kèm theo yêu cầu bắt buộc mặt cấu tạo Theo quy trình thiết kế áo đường cứng Trung Quốc khơng u cầu tính tốn kiểm tra ứng suất cắt mà quy định trị số mô đun đàn hồi yêu cầu chung cho tầng móng đất E chm yc (daN/cm ) Lúc điều kiện kiểm tra cường độ bề dày lớp móng Ech n  E ch yc m m Bảng trị số E chm yc tầng móng kết cấu áo đường cứng Số lần thông qua tải trọng trọng trục tiêu chuẩn 10T (lần/n.đ) E chm yc (daN/cm ) >1500 201-1500 5-200 ≤5 1200 1000 800 600 Với n hệ số tăng môđun lớp nằm mặt đường BTXM, xác định tùy thuộc bề dày BTXM E chm trị số MĐĐH đất E0 n  10 2 , 64  E    h m0   E ch  ,8 Với α=1,0 tính tốn điểm BTXM α=0,75 tính toán điểm cạnh ngang -oOo - 10/21/2007 III- 15