thiết kế kết cấu áo đường

Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm: - Mặt đường là lớp vật liệu trên cùng chịu ảnh hưởng trực tiếp lực thẳng đứng và lực ngang của xe và chịu tác dụng của các nhân tố thiên nhiên độ ẩm

CHƯƠNG V THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

I Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm:

- Mặt đường là lớp vật liệu trên cùng chịu ảnh hưởng trực tiếp lực thẳng đứng và lực ngang của xe và chịu tác dụng của các nhân tố thiên nhiên (độ ẩm, nước mưa, nắng, nhiệt độ thay đổi …) Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng phải bằng phẳng, đủ độ nhám, chống thấm nước, biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao

- Tuỳ theo cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường, tuỳ vào công nghệ thi công ,điều kiện vật tư mà ta đưa ra phương án chọn tầng mặt cho thích hợp

- Trong kết cấu áo đường tầng mặt là đắt tiền nhất nên khi sử dụng phải thiết kế sao cho các lớp của tầng mặt là có chiều dày tối thiểu theo điều kiện mođun đàn hồi chung (Ech) của kết cấu áo đường.Đối với tầng móng phải tận dụng được vật liệu địa phương

- Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai thác sẽ được tăng lên

- Thiết kế kết cấu áo đường theo Quy trình thiết kế áo đường mềm theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06

II Loại tầng mặt và mô đun đàn hồi yêu cầu của kết cấu áo đường:

1 Loại tầng mặt kết cấu áo đường:

Theo 22TCN 211-06 với đường cấp III thì loại tầng mặt là cấp cao A1

2 Mô đun đàn hồi yêu cầu của mặt đường:

Theo 22TCN 211-06 thì tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được qui định là trục đơn của ôtô có trọng lượng

100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường ôtô các cấp thuộc mạng lưới chung

+ Aùp lực tính toán lên mặt đường: p = 0.6 MPa

+ Đường kính vệt bánh: D = 33 cm

Loại xe

Trọng lượng trục

Pi (kN) Số trụ

c sau

Số bánh của mỗi cụm bánh

ở trục sau

Khoảng cách giữa các trục sau (m)

Lượn

g xe n i

xe/ng đ

Trục trướ c

Trục sau

 Tính số trục xe qui đổi về trục tiêu chuẩn 100kN

: Hệ số trục m: Số trục của cụm trục i

C2: Hệ số xét đến tác dụng của bánh xe trong một cụm bánh

= 6.4 : Cụm bánh đơn = 1 : Cụm bánh đôi

ni : số lần tác dụng của loại trục i có trọng lượng trục là Pi cần được quy đổi về trọng lượng trục tính toán Lấy ni:số lần của loại xe i thông qua mặt cắt ngang của đoạn đường thiết kế trong 1 ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy

- Bỏ qua các trục có trọng lượng trục < 25KN

- Khoảng cách giữa các trục trong 1 cụm trục > 3m thì các trục được thực hiện 1 cách riêng rẽ : C1 = 2

- Khoảng cách giữa các trục < 3m thì qui đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như 1 trục theo công thức: Bảng tính số trục xe qui đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

N) C 1 C 2 n i

-Trục sau 60 1 1 682 72

Xe buýt lớn

Trục trước 32 1 6.4 460 20 Trục sau 75 1 1 460 130

Tải 3 trục trướcTrục 45 1 6.4 392 75

Trục sau 90 2.2 1 392 542

Số trục xe qui đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

Ntk = 839 (trục/ngđ) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế 15 năm:

(trục)

Vì đường thiết kế cấp III có 2 làn xe nêân theo 3.3.2 hệ số làn fl =0.55

Số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe trong 1 ngày đêm:

(trục/làn/ng đêm) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán 15 năm trên 1 làn xe:

(trục/làn) Theo bảng 2-2, 22TCN 211-06, bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 là 9 cm ứng với số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong 15 năm trên 1 làn xe > 1.106 (truc/lan)

Trị số môđun đàn hồi yêu cầu(trích từ bảng 3.4):

Loại tải

trọng trục

tiêu chuẩn

Loại tầng mặt

E yc (Mpa) tương ứng với

số trục xe tính toán (xe/làn/ng đêm)

Môđun đàn hồi yêu cầu ứng với số trục xe tính toán trên

1 ngày đêm trên 1 làn là:

(Mpa)

Vì đường có 2 làn xe và không có dải phân cách giữa nên số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên lề gia cố lấy bằng 50% trên làn xe chính:

Ntt=0.50 462= 231 (trục/lề/ngày dêm) Trị số môđun đàn hồi yêu cầu(trích từ bảng 3.4)

Loại tải

trọng trục

tiêu chuẩn

Loại tầng mặt

E yc (Mpa) tương ứng với

số trục xe tính toán (xe/làn/ng đêm)

Môđun đàn hồi yêu cầu ứng với số trục xe tính toán trên

1 ngày đêm trên 1 lề là:

So sánh với bảng mô đun đàn hồi tối thiểu 3.5:

Loại đường và cấp đường

Loại tầng mặt Cấp

cao A1 cao A2 Cấp

Đường ô tô cấp

III 140(120) 120(95)

Vậy: Chọn mô đun đàn hồi yêu cầu của mặt đường là

175.72 Mpa và của lề gia cố là 161.86 Mpa

III Chọn sơ bộ cấu tạo kết cấu áo đường:

Phương án 1:

Lớp vật liệu (cm) H

Bê tông nhựa chặt loại

Bê tông nhựa chặt loại

Cấp phối đá dăm loại I 17 Cấp phối đá dăm loại

Phương án 2:

Lớp vật liệu (cm) H

Bê tông xi măng

Cát gia cố xi măng

IV Kiểm toán cấu tạo kết cấu áo đường phương án 1:

A KẾT CẤU PHẦN XE CHẠY:

+ Nền đường :

Đất đắp nền

đường :Á sét  

Độ ẩm tương đối a: 0.55

Module đàn hồi E (Mpa): 55

Lực dính C

Góc ma sát 

+ Tải trọng :

Đường kính vệt bánh xe

Áp lực tính toán p (Mpa): 0.6

Module đ.h yêu cầu Eyc

Lớp vật liệu (c H

m)

E v

(Mp a)

E ku

(Mp a)

E tr

(Mp a)

R u

(Mp a)

C (Mp a)



(đ ộ )

Bê tông nhựa chặt

loại I hạt mịn 5 420 1800 300 2.8 0 0 Bê tông nhựa chặt

loại I hạt trung 7 350 1600 250 2 0 0 Cấp phối đá dăm

Cấp phối đá dăm

1 Kiểm tra kết cấu theo tiêu chuẩn độ võng

đàn hồi

a Tính E' tb :

Với: và

Kết quả tính đổi theo bảng:

Lớp vật liệu (Mpa E i

)

t =

E 2 /E 1

H (cm )

k =

h 2 /h 1

H tb

(cm )

E ’ tb

(Mpa)

Cấp phối đá dăm

Cấp phối đá dăm

loại I 300 1.20 17 0.472 53 265.4 Bê tông nhựa

chặt loại I

hạt trung 350 1.319 7 0.132 60 274.5 Bê tông nhựa

chặt loại I

hạt mịn 420 1.53 5 0.083 65 284.2

b Tính E tb :

Tra bảng 3-6 (22TCN211-06)

 β = 1.209

c Tính E ch cả kết cấu:a

Từ các tỉ số: ; = = 0.16

Tra toán đồ 3-1 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06

Mpa

Ta thấy sai số tính bằng công thức Bacberơ có sai số tương đối nhỏ so với tra toán đồ nhưng ta vẫn lấy giá trị theo cách tra toán đồ

d Kiểm toán điều kiện: E ch 

Theo bảng 3-3 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06, độ tin cậy thiết kế của đường cấp này là 0.9

Theo bảng 3-2 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06,với độ tin cậy trên thì hệ số cường độ là

Ech= 206.16 Mpa > Mpa : Thoả mãn

2 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn

chịu cắt trượt trong nền đất:

Kiểm toán điều kiện:

a Tính ứng suất cắt cho phép của đất nền [T]:

Trị số lực dính tính toán của đất nền: Ctt= c k1 k2 k3

c =0.038 : Lực dính của đất nền

: Hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt dưới tác dụng của tải trọng động và gây dao động

Kết cấu áo đường cho phần xe chạy: k1= 0.6

k2:Hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu

Với 462 số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe trong 1 ngày đêm Tra bảng 3.8 ta được k2= 0.8

k3: Hệ số này được xác định tuỳ thuộc loại đất trong khu vực tác dụng của nền đường k3=1.5 :Đối với đất dính

Ctt = 0.038 0.6 0.8 1.5 =0.02736 Mpa

: Hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết kế Tra bảng 3-7 Tiêu chuẩn 22TCN 211- 06, với độ tin cậy 0.9, ta được 0.94

=>

b Tính ứng suất cắt trong đất nền :

 Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất

do tải trọng bánh xe gây ra :

Lớp vật liệu (Mp E i

a)

t =

E 2 /E 1

H (c m)

k =

h 2 /h 1

H tb

(c m)

E ’ tb

(Mp a)

dăm loại II

Cấp phối đá

dăm loại I 300 1.20 17 0.47 53 265.4 Bê tông nhựa

chặt loại I

hạt trung 250 0.94 7 0.13 60

263 6 Bê tông nhựa

chặt loại I

hạt mịn 300 1.14 5 0.083 65

266 2 Với => = 1.209

Tra toán đồ 3-2 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06, với góc ma sát trong 270

và

=> =>Tax=0.011 0.6=0.0066 (Mpa)

 Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất

do trọng lượng bản thân các lớp kết cấu áo đường gây ra trong nền đất :

Tra toán đồ 3-4 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06, với góc ma sát trong 270, ta được:

Tav = -0.002

c Kiểm tra:

: Thoả mãn

3 Kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong

các lớp bê tông nhựa:

a Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp BTN:

 Đối với bê tông nhựa lớp dưới:

h1=12 cm : Tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp kiểm tra trở lên

E1: Mô đun đàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm

vi h1

Tính Etb' của các lớp dưới nó:

Lớp vật liệu (Mpa E i

)

t =

E 2 /E 1

H (cm )

k =

h 2 /h 1

H tb

(cm )

E ’ tb

(Mp a)

Cấp phối đá

Cấp phối đá

dăm loại I 300 1.20 17 0.47 53 265.33 Với

Tra bảng 3.6 TCVN 211-06

Tính E chm của đáy lớp BTN hạt trung:

Từ các tỉ số: ; = = 0.175

Tra toán đồ 3-1 Tiêu chuẩn 22TCN 211 – 06

Mpa Kiểm tra điều kiện chịu kéo uốn ở lớp mặt nên ta tra toán đồ 3-5 tiêu chuẩn 22TCN 211-06:

Với => Ứng suất kéo uốn đơn vị

kb: Hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán là bánh đơn hay bánh đôi

Khi kiểm tra với cụm bánh đôi trong trường hợp tính với tải trọng trục tiêu chuẩn thì kb=0.85

Ứùng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy lớp BTN hạt trung:

=1.75 0.6 0.85=0.8925(Mpa)

 Đối với bê tông nhựa lớp trên:

h1 = 5 cm : Tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp kiểm tra trở lên

E1: Mô đun đàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm

vi h1

Tính Etb' của các lớp dưới nó:

Lớp vật liệu (Mp E i

a)

t =

E 2 /E 1

H (c m)

k =

h 2 /h 1

H tb

(c m)

E ’ tb

(Mp a)

Cấp phối đá

Cấp phối đá

dăm loại I 300 1.20 17 0.47 53 265.4

Bê tông nhựa

chặt loại I

hạt trung

160

0 6.03 7 0.13 60 349.1 Với , tra bảng 3-6 (22TCN211-06) = 1.201

Tính E chm của đáy lớp BTN hạt mịn:

Từ các tỉ số: ; = = 0.131

Tra toán đồ 3-1 Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06

Mpa Kiểm tra điều kiện chịu kéo uốn ở lớp mặt nên ta tra toán đồ 3-5 tiêu chuẩn 22TCN 211-06:

Với => Ứng suất kéo uốn đơn vị

kb: Hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán là bánh đơn hay bánh đôi

Khi kiểm tra với cụm bánh đôi trong trường hợp tính với tải trọng trục tiêu chuẩn thì kb=0.85

Ứùng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy lớp BTN hạt mịn:

=2.05 0.6 0.85=1.0455 (Mpa)

b Kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp bê tông nhựa:

Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên

1 làn xe:

Ne= 1479845( trục/ng đêm) Cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối:

k1 : Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục

Đối với vật liệu bê tông nhựa:

k2:Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết

Đối với mặt đường bê tông nhựa chặt loại I: k2=1

Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa lớp dưới:

=0.488 1 2=0.976 (Mpa) Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa lớp trên:

=0.488 1 2.8 =1.3664 (Mpa) Kiểm tra đối với lớp bê tông nhựa lớp dưới:

: Thỏa mãn Kiểm tra đối với lớp bê tông nhựa lớp trên:

Thỏa mãn

=>Kết cấu đã chọn đảm bảo tiêu chuẩn chịu kéo uốn

B KẾT CẤU PHẦN LỀ GIA CỐ:

Do yêu cầu mở rộng sau này và để tiện việc thi cơng thì ta chọn kết cấu phần lề gia cố giống với phần mặt đường xe chạy

V Kiểm toán cấu tạo kết cấu áo đường phương án 2:

1 Định kết cấu và xác định các tham số tính toán

Lớp kết cấu áo đường:

+ Lớp mặt đường bê tông xi măng M350 không cốt thép, đổ tại chỗ, kích thước tấm trên mặt bằng 6m x 3.5m.Theo bảng 2.2 (Điều 2.4) được cường dộ chịu kéo uốn Rku = 4.5 Mpa và mô đun đàn hồi E= 3.3x104 Mpa ,hệ số poisson

+ Lớp móng : cát gia cố 6% xi măng M400 đày 15cm, tra bảng III.3 Phụ lục III Tiêu chuẩn 22TCN211-06 được E=280 Mpa

+ Đất nền đường : á sét đầm chặt k = 0.98, thoát nước tốt, độ ẩm tương đối a=0.55, mô đun đàn hồi E=55 Mpa, lực dính C= 0.038 Mpa, góc ma sát 270

Tải trọng tính toán : ô tô trục 10T,tra Bảng 3.1 Điều 3.1 tải trọng bánh xe p = 5000 daN, hệ số xung kích 1,2 Vậy tải trọng trục tính toán Ptt = 5000 x 1.2 = 6000 daN

Đường kính vệt bánh xe tính toán D0 = 33cm ; R = 16.5cm

Như đã tính ở trên thì ta có số trục xe tiêu chuẩn trên 1 làn xe trong 1 ngày đêm : Ntt = 462 (trục/làn/ng đêm)

2.Tính chiều dày tấm bê tông xi măng

Giả định chiều dày tấm bê tông h= 23cm

D = D0 + h = 33 + 23 = 56 cm Tính mô đun đàn hồi tương đương trên mặt lớp móng

Tra toán đồ hình 3-1 Tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 được :

Vậy

Xác định các hệ số α1 , α2 , α3 theo vị trí đặt tải

Xác định

Từ cặp trị số đó tra Bảng 4.1, 4.2 và 4.3 được :

α1 = 1.238

α2 = 1.843

α3 = 1.827 Trong đó α2 > α1 > α3 nên ta tính chiều dày theo α2 (tải trọng

ở cạnh tấm)

Xác định hệ số chiết giảm cường độ theo Bảng 3.4 Điều 3.3 : n = 0.5

Sử dụng công thức (4.1) ta có :

với

Ta chấp nhận h = 23cm như giả định ban đầu

3.Kiểm toán với xe trục 13T

Xe trục 13T có P = 6500 daN, R = 18cm Hệ số xung kích

kd = 1.15 Khoảng cách giữa 2 cặp bánh trên trục sau là 1,7m

Để xác định mô men uốn sinh ra dưới bánh xe tính toán theo công thức 4.3 trong 22 TCN 223-95 ta cần xác định:

Từ đó tra Bảng 4.4 được aR = 0.186, và tra Bảng 4.5 ta được

c = 0.21

Ptt = p kd = 6500 x 1.15 = 7475 daN

Ta được :

Tìm mô men uốn do tải trọng tập trung của bánh xe bên cạnh gây ra theo công thức (4.4) và (4.5) :

Xác định :

Tra bảng 4.4 được ar = 1.956

Tra bảng 4.5 được A = 0.022 ; B = -0.021

Vậy

Vì nên ta tính với được ứng suất kéo uốn xuất hiện trong tấm bê tông dưới tác dụng của xe nặng trục 13T

Ưùng suất cho phép của bê tông M350 khi kiểm toán với xe nặng Trong đó hệ số triết giảm cường độ lấy theo Bảng 3.4

được tải trọng của xe nặng 13T

4.Kiểm toán với tác dụng của xe xích T60

Trọng lượng tổng cộng của xe xích T60 là 60T, áp lực của bánh xe là 6T/m, chiều dài của vệt bánh xích là 5m, chiều rộng của bánh xích là 0.7m, khoảng cách giữa 2 bánh xích là 2.6m nên 2 bánh xích không thể tác dụng đồng thời trên một tấm, vì vậy chỉ cần kiểm toán ứng

suất xuất hiện ở giữa tấm khi chịu tác dụng của moat vệt bánh xích, bỏ qua ảnh hưởng của bánh xích kia

Chia vệt bánh xích thành 5 ô đều nhau, tại mỗi ô chịu tác dụng của moat lực tập trung P = 6T Khi tính mô men uốn

do các lực tác dụng trên các ô gây ra đối với điểm A thì xem tải trọng tác dụng trên ô 1 là tải trọng phân bố đều trên vòng tròn tương đương bán kính là :

Sơ đồ kiểm toán tấm bê tông xi măng

dưới tác dụng của bánh xích Các tải trọng tác dụng trên các ô 2,3 thì xem là lực tập trung tác dụng tại tâm của các ô đó và cách điểm

A moat cự ly r2 = 1m và r3 = 2m

Việc tính toán mô men uốn do các lực tác dụng của bánh xích gây ra đối với điểm A được tóm tắt trong bảng sau:

Xác định hệ số a theo công thức (4.7):

Từ đó :

aR = 0.005 x 47 = 0.235 ar2 = 0.005 x 100 = 0.5 ar3 = 0.005 x 200 = 1 Mô men uốn do tải trọng bánh xích gây ra đối với điểm A ( ở giữa tấm)

hiệu hoặaR

c ar

M 1 0.23

5 - - 0.239

2M 2 0.5 0.10

9 0.034 -2M 3 1 0.05

8 0.00

-6

-MT = 1753 daN.cm/cm MF = 3111 daN.cm/cm

Do nên kiểm toán với

Ưùng suất kéo uốn lớn nhất gây ra ở đáy tấm là :

Ưùng suất kéo uốn cho phép trong đó hệ số chiết giảm cường độ 0.65 lấy theo Bảng 3.4, ta được

Vậy

Tấm bê tông chịu được tác dụng của xe xích T60

5.Kiểm toán với trường hợp tấm chịu tác dụng đồng thời của tải trọng và nhiệt độ

-Chênh lệch nhiệt độ ở bề mặt và nhiệt độ ở đáy tấm

tính theo công thức như quy định ở Điều 4.3 :

-Đặc trưng đàn hồi của tấm bê tông được tính theo công

thức (4.12):

-Xác định tỷ số

-Tra toán đồ Hình 4.3 được Cx = 0.839 và Cy = 0.259

-Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ gây ra ở giữa tấm

theo hướng dọc :

Với : Et – Mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu tác dụng

của sự chênh lệch nhiệt độ lâu dài và bằng 0.6Eb = 198.103

α – Hệ số đàn hồi do nhiệt độ của bê tông α = 10-5