Bài giảng Thiết kế nền mặt đường

10/09/2021 THIẾT KẾ NỀN MĂT ĐƯỜNG Ô TÔ CETT426 TỔNG QUAN Mục đích mơn học Trang bị cho sinh viên kiến thức tính tốn thiết kế - kiểm toán ổn định đường, đảm bảo ổn định toàn khối ổn định theo thời gian Trang bị cho sinh viên kiến thức tính tốn thiết kế áo đường mềm theo tiêu chuẩn TCN211-06 số phương pháp thiết kế kết cầu áo đường mềm khác giới  Tìm hiếu cấu tạo thiết kế kết cấu áo đường cứng theo tiêu chuẩn Việt Nam the giới THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG CETT426 GV: Mai: Tel: TS Trịnh Đình Tốn trinhdinhtoan@tlu.edu.vn 0368420106 THIẾT KẾ NỀN MĂT ĐƯỜNG Ô TÔ CETT426 CHƯƠNG THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG ÔTÔ 1.1 Yêu cầu chung với đường Nội dung 1.2 Cấu tạo đường thông thường tiêu chuẩn thiết kế 1.3 Chế độ thủy nhiệt ảnh hưởng đến ổn định cường độ đất 1.4 Khu vực tác dụng đường biện pháp cải thiện chế độ thủy nhiệt nhằm tăng cường độ độ ổn định cường độ (tiêu chuẩn đầm nén, chiều cao đắp tối thiểu …) 1.5 Các nguồn gây ẩm độ ẩm tính tốn đất khu vực tác dụng 1.6 Các trường hợp cần kiểm toán ổn định phương pháp kiểm toán ổn định đường (mái dốc, mái dốc đắp đất yếu) THIẾT KẾ NỀN MĂT ĐƯỜNG Ô TÔ CETT426 CHƯƠNG THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 1.7 Các phương pháp tính tốn độ lún đắp 2.1 Tổng quan: Nội dung Giới thiệu 1.8 Thiết kế xử lý ổn định tổng thể đường Những yêu cầu chung kcad 1.9 Thiết kế cơng trình chống đỡ đường Phân loại cấu tạo KCAD Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo KCAD Vật liệu sử dụng cho KCAD 10/09/2021 2.2 Tải trọng tương tác bánh xe với 2.5 Phương pháp tính tốn cường độ (bề dày) kết mặt đường cấu áo đường mềm theo 22TCN 211 – 06 2.3 Các tượng phá hoại KCAD ngun lý Tính tính tốn CĐAĐM Tính tốn cường độ theo điều kiện chịu kéo 2.4 Các phương pháp thiết kế áo đường mềm Tính tốn theo tiêu điều kiện chống trượt toán cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi 2.6 Phương pháp xác định thơng số tính tốn cường độ áo đường mềm 2.7 Thiết kế áo đường cứng Yêu cầu thiết kế, phân loại phạm vi sử dụng Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường cứng Tài liệu tham khảo Nguyễn Xuân Trục, Dương Học Hải Giáo trình Thiết kế đường ơtơ Tập II, tập IV, NXB Giáo Dục, 2001 Các tiêu chuẩn thiết kế hình học thiết kế mặt đường  TCVN 4054 – 05,  TCVN 5729 – 97,  22TCN 211 – 06,  22TCN – 220 – 95,  22TCN 262 – 2000 Các nguồn tài liệu khác: web: www.xaydungcoban.vn 10 NỘI QUY LỚP HỌC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC:  ĐIỂM Q TRÌNH: 30%  ĐIỂM THI: 70%  ĐIỂM QUÁ TRÌNH BAO GỒM:  Điểm tham dự  Điểm kiểm tra  Điểm tập lớn  ĐIỀU KIỆN ĐỂ ĐƯỢC DỰ THI KẾT THÚC HỌC PHẦN:  Tham dự 80% số tiết lớp  Không vi phạm quy định học 11 12 10/09/2021 PHẦN I: THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG 13 Giới thiệu chung 14 Chương I Thiết kế đường ô tô 1.1 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG Nền đường phải đảm bảo ổn định toàn khối Cường độ Ổn 15 định 17 16 18 10/09/2021 19 Chương I Thiết kế đường tơ 20 1.2 CẤU TẠO NỀN ĐƯỜNG THƠNG THƯỜNG Nền đường phải bảo đảm có đủ cường độ định  Không phát sinh biến dạng lớn  Không bị ổn định Nền đường phải bảo đảm ổn định cường độ  Ổn định nước  Ổn định nhiệt 21 22 23 24 TRẮC NGANG NỀN ĐẮP 10/09/2021 Độ dốc mái đắp 25 TRẮC NGANG NỀN ĐÀO 26 TRẮC NGANG NỀN NỬA ĐÀO NỬA ĐẮP Độ dốc mái đào TA LUY NỀN ĐƯỜNG CAO TỐC 27 28 TA LUY NỀN ĐƯỜNG CAO TỐC TCVN 9436 : 2012 NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ – THI CÔNG VÀ NGHIỆM THU 29 30 10/09/2021 1.3 CHẾ ĐỘ THUỶ NHIỆT CỦA NỀN ĐƯỜNG 1.3.1 CHẾ ĐỘ THUỶ NHIỆT CỦA NỀN ĐƯỜNG a) Khái niệm  Là quy luật thay đổi phân bố nhiệt độ, độ ẩm điểm khác đường theo thời gian  Chế độ thủy nhiệt đường phụ thuộc vào quy luật chung thời tiết khí hậu yếu tố thiên nhiên, địa hình, địa chất khu vực mà đường qua CÁC NGUỒN ẨM ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỀN ĐƯỜNG 31 32 1.3.2 CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẾ ĐỘ THỦY NHIỆT CỦA NỀN ĐƯỜNG b) Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ thuỷ nhiệt • Điều kiện thời tiết, khí hậu • Điều kiện địa hình, địa mạo… • Kết cấu đường mặt đường 33 34 35 36 10/09/2021 37 38 39 40 Cao độ đường SLOPE PROTECTION SOLUTIONS Các biện pháp bảo vệ mái dốc  Cao độ TK mép đường đoạn ven sông, đầu cầu nhỏ, đoạn qua cánh đồng ngập nước phải cao mức nước ngập theo tần suất tính tốn 0,5 m  Cao độ đường đắp vị trí cống trịn phải đảm bảo chiều cao đất đắp tối thiểu đỉnh cống 0,5m Nếu khơng thoả mãn dùng cống hộp, cống bản…  Cao độ đáy áo đường phải cao mực nước ngầm tính tốn (hay mực nước đọng thường xuyên) theo quy định 41 42 10/09/2021 Bảng 1.5 - Chiều cao tối thiểu tính từ mực nước ngầm tính tốn (hoặc mức nước đọng thường xun) tới đáy áo đường Số ngày liên tục trì mức nƣớc năm Loại đất đắp đƣờng Trên 20 ngày Dƣới 20 ngày 50 30 Cát bụi, cát nhỏ, cát pha sét nhẹ Cát bột, cát pha sét nặng Cát pha sét bụi Sét pha cát bột, sét pha cát nặng, sét béo, sét nặng 70 40 120 – 80 50 100 – 120 40 43 ỜNG 1.5 CẤU TẠO NỀN ĐƢỜNG TRONG TRƢỜNG HỢP THÔNG THƢ 44 Các loại trắc ngang đƣờng thƣờng gặp bao gồm: - Nền đắp hoàn toàn - Nền đào hoàn toàn - Nền nửa đào nửa đắp - Nền đào hình chữ L (là loại đào đặc biệt) 1.5.1 Các trắc ngang điển hình đƣờng đắp Tuỳ chiều cao đắp loại đất đắp mà có dạng trắc ngang điển hình cho đắp, nhƣ sau: - Nền đắp thấp có rãnh biên (h≤ 0,5÷0,6m) - Nền đắp vừa (h=1÷6m) - Nền đắp cao (h=6÷12m) - HEAD WATER AT CULVERTS theo Nền đắp Cao caođộ (h≥ 12m) đường đƣờng đắpTCVN4054 qua bãi sơng (Mục 7.3 P.27) Các dạng trắc ngang điển hình đắp nhƣ hình 1.4 OVERFILL AT CULVERTS - 17 - 45 46 1.4 KHU VỰC TÁC DỤNG CỦA NỀN ĐƯỜNG Chiều sâu vùng hoạt động đường (Za) khu vực mà tải trọng động tác động đáng kể 47 48 10/09/2021 a Nền đất không trạng thái ẩm ( Wo ≤ 0,6 WL) b Về sức chịu tải: • 30 cm khu vực tác dụng phải có CBR ≥ với đường cao tốc, cấp I, II ≥ với cấp đường khác • 50 cm khu vực tác dụng phải có CBR ≥ với đường cao tốc, cấp I, II ≥ với cấp đường khác c Về loại đất: • Khơng dùng đất có lẫn muối thạch cao, đất bùn, than bùn, đất phù sa • Khi dùng đá, đất lẫn cuội sỏi sạn: không dùng đá phong hố, kích cỡ hạt to 10 cm, khơng vượt 2/3 chiều dày đầm nén 49 TIÊU CHUẨN ĐẦM NÉN (TCVN 4054-2005) Hệ số đầm nén K = gk g kmax d Về độ chặt đầm nén 50 Đầm nén đất đường Nguyên lý đầm chặt : Dùng tác động học tác dụng lên đất nhằm : o Sắp xếp lại cấu trúc đất o Giảm độ rỗng đất 51 52 Kiểm tra độ chặt đất trường a Phương pháp dao đai/vòng (22 TCN 02-71) b Phương pháp phễu rót cát (22 TCN 346-2006)  Áp dụng : đất rời (cát, cát), dùng cho đường cấp thấp, đường GTNT 53  Áp dụng : loại đất, loại cấp đường 54 10/09/2021 c Phương pháp dùng đồng vị phóng xa c Phương pháp dùng đồng vị phóng xa 55 56 1.5 CÁC LOẠI ĐẤT ĐẮP NỀN VÀ TC ĐẦM NÉN Phân loại đất theo kích cỡ CÁC LOẠI ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG Đá Đất lẫn đá Sỏi cuội Cát Đất cát bột Á cát Á sét Đất bột Đất hữu 57 58 Phân loại đất dính Phân loại cát 59 60 10 10/09/2021 2.5.2 TÍNH TỐN KCAĐM THEO ĐK CẮT TRƯỢT  Ứng suất cắt điểm đất lớp áo đường không vượt ứng suất cắt giới hạn cho phép Ctt ³ Tax + Tav K cdtr  Đối tượng kiểm tra : Các lớp vật liệu rời rạc, cường độ chống cắt nhỏ  Điều kiện kiểm tra : bêtông nhựa & hỗn hợp đá nhựa phía lấy 30°C, lớp lấy 60°C  Tiêu chuẩn áp dụng : 22 TCN 211-06 a Xác định hệ số cường độ chịu cắt trượt K trcd K trcd phụ thuộc vào độ tin cậy thiết kế (tra bảng) Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 Hệ số cường độ K 1,10 1,00 0,94 0,90 0,87 b Xác định lực dính tính tốn Ctt Ctt =C.K1.K2.K3 Trong : • C : lực dính đất vật liệu dính • K1 : hệ số xét đến suy giảm sức chống cắt trượt đất vật liệu dính chịu tải trọng động - kết cấu áo đường phần xe chạy : - kết cấu áo lề gia cố : Xác định lực dính tính tốn Ctt c Xác định ứng suất cắt tải trọng Tax (tra toán đồ 3-2) Ctt =C.K1.K2.K3 Nu h/D = 0ữ2 ã K2 : h s xét đến yếu tố tạo làm việc khơng đồng kết cấu Số trục xe tính toán (trục/ngày đêm/làn) Hệ số K2 100 kN thông qua * fr = MPa với đường cấp nhẹ khơng có xe nặng trục đơn > 100 kN thơng qua Tính tốn trị số ứng suất a) σpr • Vị trí dễ bị phá hoại mặc định BTXM σpr = kr kf kc σps kr : hệ số triết giảm ứng suất khả truyền tải khe nối - tầng mặt kết cấu lề dày bằng tầng mặt phần xe chạy: kr = 0,87 - tầng mặt kết cấu lề dày mỏng tầng mặt phần xe chạy: kr = 0,92 - lề mềm (bê tông nhựa đất): kr = Gradient nhiệt độ lớn • kf : hệ số mỏi xét đến số lần tác dụng tích luỹ tải trọng gây mỏi thời hạn phục vụ thiết kế kf = Neλ Nếu khơng có số liệu quan trắc thực tế, dùng trị số sau (tần suất 2%): • Tg = 0,86°C/cm cho khu vực miền bắc • Tg = 0,92°C/cm cho khu vực miền nam + Ne tổng số lần tác dụng tải trọng 100 kN tích luỹ suốt thời hạn phục vụ thiết kế xe + λ = 0,057 với mặt đường BTXM thơng thường; + λ = 0,065 với đường có tầng móng bằng bê tơng nghèo bê tơng đầm lăn; 21 10/09/2021 Tính tốn trị số ứng suất Tính tốn trị số ứng suất a) σpr σpr = kr kf kc σps a) σpr • σpr = kr kf kc σps σps Ứng suất kéo uốn vị trí cạnh dọc tải trọng trục đơn thiết kế khơng có liên kết cạnh • kc : hệ số tổng hợp xét đến tác dụng động yếu tố sai khác lý thuyết thực tế  Mơ hình chịu lực BTXM ì s = 1, 47.10 -3.r 0,7 h -2 P 0,94 c s ï ps 1/3 ï ỉ Dc ï r = 1,21ỗ ữ ố Et ứ ù Ec hc3 ï D = c ï 12(1- mc2 ) ỵ kc phụ thuộc vào cấp hạng đường + Đường cao tốc : kc = 1,15; + Đường cấp I, cấp II : kc = 1,10; + Đường cấp III : kc = 1,05; + Đường cấp IV : kc = 1,00; Mo dun đàn hồi tương đương lớp móng đất tải trọng trục đơn thiết kế a ổE Et = ỗ x ữ Eo ố Eo ø Bán kính độ cứng tương đối BTXM n å (h E ) i i Chiều i=1 BTXM E =dày Trong đó: x n å hi2 i=1 Modun đàn hồi BTXM a = 0,86 + 0,26ln(hx ) Độ cứng uốn cong tiết diện BTXM n å Hệ hsố =poison h BTXM x i i=1 Tính tốn trị số ứng suất a) σpr • Tính tốn trị số ứng suất σpr = kr kf kc σps σps Ứng suất kéo uốn vị trí cạnh dọc tải trọng trục đơn thiết kế liên kết cạnh Mơ đun đàn hồi a c hc Ec Tg Hệ BTXM số ứng suất nhiệt độ BL Gradient nhiệt độ lớn ì B = 1, 77.e C L - 0,131(1- C L ) ï L Chiều dày BTXM Sh(t).cos(t) + Ch(t).sin(t) ï ï C 1Hệ số dãn nở chiều L =BTXM í sin(t).cos(t) + Sh(t).Ch(t) ï L ï t= 3r ïỵ -4,48.hc ì 1, 45.10 -3 0,65 -2 0,94 rg hc Ps ï s ps = D ï 1+ b Độ cứng chịu uốn tiết diện lớp móng có Dc ï ïï 1/3 gia cố chất liên kết ỉ Dc + Db í rg = 1,21ỗ ù ố Et ữứ Tng bỏn kớnh độ cứng tương đối kết cấu ï ï Eb hb3 D = ï b 12(1- mb2 ) Chiều dày tầng móng có gia cố ïỵ Tính toán trị số ứng suất s t max = • CL Hệ số ứng suất uốn vồng gradient nhiệt độ gây BTXM • L Khoảng cách khe ngang (chiều dài BTXM) Sh(t) = et - e-t Ch(t) = et + e-t Hệ số Poison tầng móng có gia cố Modun đàn hồi tầng móng có gia cố  Mơ hình s t max =  Mơ hình  Mơ hình c) σtmax c) σtmax Tính tốn trị số ứng suất a c hc Ec Tg σtr = kt σtmax d) σtr BL ù fr é ỉ s t max - ct ỳ ờa s t max ờở t ỗố fr ữứ úû bt • BL = 1, 77.e-4,48.hc CL - 0,131(1- CL ) ì ỉ Sh(t).cos(t) + Ch(t).sin(t) ï C L = 1- ỗ ố 1+ V ữứ sin(t).cos(t) + Sh(t).Ch(t) ï ï é kn rg4 - Dc rb3 ù ï L t= V=ê ú ï 3rg êë kn rb - Dc rg úû ïï í 1/4 ï é Dc Db ù ï rb = ê ú ï ë ( Dc + Db ) kn û ï -1 é hc hb ù ï kn = ê + ú ï ë Ec Eb û ïỵ ( ( ) ) kt : hệ số ứng suất gây mỏi nhiệt kt = at , bt , ct : hệ số hồi quy  at =0,841; bt = 1,323; ct = 0,058  at =0,871; bt = 1,287; ct = 0,071 e) σbpr • σbpr = kf kc σbps σbps Ứng suất tải trọng trục thiết kế Ps gây cạnh dọc lớp móng s bps = 1, 41.10 -3 0,68 -2 0,94 rg hb PS ổ Dc ỗố 1+ D ữứ b 22