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 một cấu trúc xây dựng trên nền đường, được hình thành từ nhiều lớp vật liệu có độ cứng và cường độ cao hơn nền đường Nó có nhiệm vụ hỗ trợ cho việc di chuyển của xe cộ, đồng thời chịu tác động trực tiếp từ tải trọng bánh xe và các yếu tố thiên nhiên như mưa, gió, và biến đổi nhiệt độ.
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 nâng cao 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 xe chạy an toàn và êm ái ở 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
Giả thiết đất nền 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 đất này sẽ được cải thiện sau khi được đầm lèn với độ ẩm tối ưu, đạt được độ chặt cần thiết cho nền đường Modun đàn hồi của đất phụ thuộc vào sự thay đổi độ ẩm tương đối, cùng với các đặc trưng của nền đất được chọn, như thể hiện trong Bảng B-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 :
Lớp trên cùng của bề mặt đường cần có độ nhám phù hợp với cấu trúc vĩ mô, đảm bảo chiều sâu rắc cát trung bình Htb (mm) đạt tiêu chuẩn quy định Tiêu chuẩn này phụ thuộc vào tốc độ thiết kế và mức độ nguy hiểm của đoạn đường, như được nêu 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
Theo quy định, 30% số khe hở còn lại phải có kích thước dưới 5mm Đối với mặt đường cấp cao A2, tất cả các khe hở phải nhỏ hơn 5mm, trong khi đó, mặt đường cấp thấp B1 và B2 yêu cầu tất cả các khe hở phải dưới 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, ứng suất kéo uốn ở đáy các lớp vật liệu, và độ võng đàn hồi Tải trọng trục tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô với trọng lượng 100 kN, áp dụng cho tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, các loại đường ô tô thuộc mạng lưới chung, và 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 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, dự báo thành phần xe cho năm đầu tiên sau khi đưa vào khai thác Để tính toán thiết kế kết cấu áo đường, cần quy đổi số trục khai thác về 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 n i 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 qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm, bao gồm cả hai chiều di chuyển (trục/ngày đêm).
Số lần tác dụng của tải trọng trục i, ký hiệu là n i, được xác định dựa trên trọng lượng trục pi và cần quy đổi về tải trọng trục tính toán P tt, tương ứng với trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất Trong quá trình tính toán quy đổi, n i thường được lấy bằng số lần mà 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.
- C 1 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, đối với các cụm bánh có một bánh, hệ số C2 là 6,4 Trong trường hợp cụm bánh đôi (gồm 2 bánh), C2 giảm xuống còn 1 Đối với cụm bánh có 4 bánh, hệ số C2 được lấy 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 toán NA0 (trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm) cho thấy rằng do tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn), nên không cần xem xét khi quy đổi (xem mục 3.2.3 [3]) Thông tin này cũng liên quan đến số trục xe tính toán trên một làn xe.
Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe quy đổi về tiêu chuẩn, được xác định thông qua mặt cắt ngang của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm Điều này áp dụng cho làn xe chịu tải lớn nhất trong điều kiện bất lợi nhất, tại thời điểm cuối hạn thiết kế, phụ thuộc vào loại tầng mặt dự kiến 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, tính toán trong một ngày đêm cho cả hai chiều xe chạy vào cuối năm thiết kế Hệ số phân phối trục xe tính toán trên mỗi làn xe, ký hiệu là f l, được xác định là 0,55 đối với đường cấp Ⅳ có 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)
2.3 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 2.3.1 Chọn loại tầng mặt
Khi thiết kế áo đường mềm, cần căn cứ vào cấp hạng đường và thời hạn thiết kế Đồng thời, việc tham khảo số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên một làn xe trong suốt thời gian thiết kế là rất quan trọng để lựa chọn loại tầng mặt thiết kế 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 trên Bảng 2-2.
PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ TẬP TRUNG
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 hiệu quả xây dựng, cấu trúc nên được thiết kế với nhiều lớp, trong đó lớp trên sử dụng các vật liệu có cường độ và khả năng chống biến dạng cao hơn so với các lớp dưới Điều này không chỉ phù hợp với trạng thái phân bố ứng suất mà còn giúp hạ giá thành xây dựng.
- 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 bằng 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 các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết tối đa là 18cm.
Đề xuất các giải pháp thiết kế kết cấu áo đường và tiến hành so sánh mô đun đàn hồi chung của kết cấu với mô đun đàn hồi yêu cầu Đồng thời, so sánh chi phí xây dựng ban đầu giữa các giải pháp để lựa chọn phương án kinh tế hợp lý nhất Cuối cùng, thực hiện kiểm toán theo ba trạng thái cường độ đã được 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 tại Mỏ đá Tẳng Đán, bản Mường, xã Thân Thuộc, huyện Tân Uyên, Lai Châu, nơi có 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 E i (MPa) h i (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 :
Kết quả tính toán cho tầng móng cho thấy E ch2 cần đạt 149,1 MPa, trong khi giá trị hiện tại là 0,355.4209,1 MPa Dựa trên các thông số đã tính toán, chiều dày lớp móng dưới được chọn và đã được làm tròn, được thống kê trong bảng dưới đây.
Bảng 2-10 trình bày tính toán chiều dày các lớp vật liệu cho phương án 1 Để dễ dàng so sánh và thực hiện tính toán, đề xuất xác định giá vật liệu cho một lớp móng có chiều dày xác định, chiều dài 1000m (1km) và chiều rộng 1m.
Bảng 2-11 Giá thành vật liệu của phương án 1 h3 Đơn giá
Kiến nghị lựa chọn giải pháp giá thành thấp nhất cho 1km móng đường rộng 1m, đó là giải pháp h3(cm) và h48(cm) Phương án này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thuận tiện cho thi công Lớp móng dưới có thể thi công thành 2 lớp, mỗi lớp dày 14cm, giúp máy đầm nén hoạt động hiệu quả nhất.
Bảng 2-12 Các thông số vật liệu của phương án 2
Lớp Loại vật liệu E i (MPa) h i (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
Kiến nghị lựa chọn giải pháp thi công tiết kiệm và hiệu quả nhất là 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 này, 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 chiều dày 3 cm, trong khi lớp móng dưới sẽ là cấp phối đá dăm loại II có chiều dày 48 cm Tổng chi phí cho 1 km móng đường rộng 1m là 121,490,680đ.
Phương án 2 cho lớp móng đường bao gồm lớp móng trên với cấp phối đá dăm loại I có chiều dày 3cm, và lớp móng dưới với cấp phối thiên nhiên loại A có chiều dày 4cm Tổng chi phí cho 1km móng đường rộng 1m là 85,820,000đ.
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
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:
- T ax 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)
- T av 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 lựa chọn dựa trên độ tin cậy thiết kế Đối với đường cấp IV với hai làn xe, độ tin cậy được chọn là 0,85, dẫn đến giá trị 𝐾 𝑐𝑑 𝑡𝑟 = 0,9.
- C tt 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 T ax
Ta được T ax /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 T av
Xác định lực dính tính toán :
- C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính C = 0,032 (MPa)
- K 1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng của tải trọng trùng phục (K 1 = 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 K 2 = 0,8 (tra bảng 3-8[3]),
- Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K 3 =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:
𝐾 𝑐𝑑 𝑡𝑟 = 0,90 Như vậy: T ax + T av = 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:
T av = -0.0017 (MPa) Lực dính tính toán: C tt = C.K 1 K 2 K 3
- Ntt = 226 (trục/làn.ngày đêm)
- K2 = 0.8 (tra bảng 3-8) Đất nền là: Á sét
Vậy: C tt = 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:
K cđ 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) E ku
2 Cấp phối đá dăm loại I
3 Cấp phối thiên nhiên loại A 200 0.000 41 0,000 41 200.00
Ta có H/Da/33=1,848 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 suy giảm cường độ do vật liệu BTNC 12,5 bị mỏi dưới 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) E ku
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
Ta có H/DV/33=1,697 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) :
Với vật liệu kiểm tra là BTNC 12,5, hệ số 𝑘 1 được sử dụng để xem xét sự suy giảm cường độ 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
2.6 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KÌ
Hiện nay, nguồn vốn đầu tư cho các ngành xây dựng cơ bản còn hạn hẹp, khiến việc tập trung vốn một lúc gặp khó khăn Để tối ưu hóa khả năng làm việc của vật liệu và khắc phục hạn chế này, cần xem xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giai đoạn Phương pháp đầu tư xây dựng phân kỳ sẽ đáp ứng cường độ xe chạy tăng dần theo thời gian, đồng thời cải thiện khả năng thông xe và tuổi thọ của kết cấu áo đường Dựa trên lưu lượng xe trong tương lai và thời gian bảo trì, chúng tôi đề xuất phân kỳ đầu tư: trong 5 năm đầu, sử dụng mặt đường cấp cao A2 (giai đoạn 1), sau đó trong 10 năm tiếp theo, 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 n i 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 và cho cả hai chiều di chuyển.
Số lần tác dụng của tải trọng trục i, ký hiệu là n i, được xác định dựa trên trọng lượng trục pi và cần quy đổi về tải trọng trục tính toán P tt, tương ứng với trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất Trong quá trình quy đổi này, n i thường được tính bằng số lần mà mỗi loại xe i sẽ đi qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm, cho cả hai chiều xe chạy.
- C 1 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 phản ánh tác động của số lượng bánh xe trong một cụm bánh Cụ thể, với cụm bánh chỉ có một bánh, C2 được xác định là 6,4 Đối với cụm bánh đôi, tức là một cụm gồm hai bánh, hệ số này giảm xuống còn 1 Trong trường hợp cụm bánh có bốn bánh, C2 được lấy 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 đã quy đổi về tiêu chuẩn, dựa trên mặt cắt ngang của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm Điều này áp dụng cho làn xe chịu tải lớn nhất trong điều kiện bất lợi nhất, tại thời điểm cuối của 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) (2-15) Trong đó :
Ntk là tổng số trục xe quy đổi từ các loại xe khác nhau trong một ngày đêm, tính toán cho cả 2 chiều xe chạy vào cuối năm thiết kế Hệ số phân phối trục xe tính toán trên mỗi làn xe được ký hiệu là f l Đối với đường cấp Ⅳ có 2 làn xe chạy và không có dải phân cách, f l được xác định là 0,55.
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 mô đun đàn hồi cần được xác định dựa trên Bảng 3-4 và Bảng 3-5, tùy 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
Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế áo đường, cần tính toán áp lực tối đa đạt được là 138,86 MPa, từ đó dự tính biện pháp tăng cường bề dày và thay đổi kết cấu nhằm nâng cấp áo đường cho phù hợp với lưu lượng xe chạy tăng dần 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, nếu kết cấu áo đường đạt yêu cầu với mô đun đàn hồi E ch chỉ lớn hơn trị số (K dv E yc) khoảng 2-3%, thì sau 10 năm, chiều dày các lớp mặt bê tông nhựa sẽ tăng lên đáng kể Điều này gây khó khăn trong thi công và làm gia tăng chi phí, do vật liệu bê tông nhựa có giá thành rất 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) h i 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 được cải tiến từ mặt đường cấp cao thứ yếu A2 lên mặt đường cấp cao chủ yếu A1 Do đó, vật liệu được chọn cho lớp mặt là bê tông nhựa, trong khi lớp móng 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