THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
SỐ LIỆU THIẾT KẾ
Kết cấu áo đường mềm trên các làn xe chạy và kết cấu phần lề gia cố cần được thiết kế đạt các yêu cầu mục 1.3.1 [5]:
Áo đường cần đảm bảo đủ cường độ và duy trì độ bền nhằm giảm thiểu tối đa các tác động tiêu cực từ xe cộ và yếu tố tự nhiên.
Bề mặt kết cấu áo đường cần phải bằng phẳng, có độ nhám hợp lý, khả năng thoát nước tốt và ít bụi để đảm bảo an toàn giao thông, mang lại sự êm thuận và kinh tế, đồng thời giảm thiểu tác động xấu đến môi trường.
2.1.1.1 Yêu cầu về độ bằng phẳng Áo đường phần xe chạy cho ô tô và lề gia cố có xe thô sơ phải đảm bảo bề mặt đạt độ bằng phảng yêu cầu ở thời điểm bắt đầu đưa đường vào khai thác, đánh giá bằng chỉ số IRI:
Bảng 2-1 Yêu cầu về độ bằng phẳng tùy thuộc vào tốc độ xe yêu cầu
Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h) Chỉ số IRI yêu cầu (m/km)
- đối với đường xây dựng mới
Độ bằng phẳng của mặt đường được đánh giá theo tiêu chuẩn 22TCN16-79, sử dụng thước dài 3m Mặt đường cấp cao A1 yêu cầu 70% số khe hở dưới 3mm và 30% dưới 5mm; mặt đường cấp cao A2 yêu cầu tất cả khe hở phải dưới 5mm; trong khi mặt đường cấp thấp B1 và B2 yêu cầu tất cả khe hở dưới 10mm Ngoài ra, phần lề gia cố cho xe máy và xe thô sơ cũng cần đạt tiêu chuẩn độ bằng phẳng tương tự như phần đường dành cho ô tô.
2.1.1.2 Yêu cầu về độ nhám
Bê tông nhựa cần đáp ứng các yêu cầu tối thiểu theo các chỉ tiêu chiều sâu rắc cát trung bình, điều này phụ thuộc vào tốc độ chạy xe yêu cầu như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 2-2 Yêu cầu độ nhám mặt đường phụ thuộc vào tốc độ chạy xe Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h) Chiều sâu rắc cát trung bình H tb (mm)
Các loại đường cao tốc và đường cấp I, II, trừ những đoạn có biển hạn chế tốc độ, cần thiết kế lớp mặt nhám với chiều sâu rắc cát trung bình Htb ≥ 0.55m Nếu không có biển hạn chế tốc độ, tốc độ chạy xe yêu cầu sẽ được tính bằng 1.25 lần tốc độ thiết kế tương ứng với cấp hạng đường.
2.1.1.3 Yêu cầu về độ lún
Trong trường hợp kết cấu áo đường trên nền đất yếu có nguy cơ xảy ra độ lún lớn và kéo dài, cần đảm bảo tuân thủ các yêu cầu thiết kế về độ lún cho phép.
Đối với các kết cấu áo đường cấp cao A1 và các đường có vận tốc thiết kế ≤ 40 Km/h, chỉ xác định độ lún cho phép mà không đề cập đến độ lún cố kết còn lại khi thiết kế Các loại mặt đường mềm cấp A2 trở xuống thường được thiết kế theo nguyên tắc phân kỳ, cho phép xử lý lún trong giai đoạn đầu tư sau này, từ đó giúp giảm chi phí xử lý nền.
2.1.2 Số liệu thiết kế 2.1.2.1 Số liệu đất nền Đất nền khu vực tuyến đi qua thuộc loại đất sét có chế độ thủy nhiệt thuộc loại
Khu vực II (ẩm vừa) có đất ẩm ướt theo mùa, với thời gian nước đọng bên đường nhỏ hơn 3 tháng Khoảng cách từ mép ngoài phần xe chạy đến mặt taluy ở mức nước ngập lớn nhất là 2.0m, trong khi mực nước ngầm cách bề mặt 0.5m Để xác định mô đun đàn hồi cũng như các trị số đặc trưng về lực dính và góc ma sát, có thể tham khảo độ ẩm tương đối trong Bảng B-3.
Bảng 2-3 Các đặc trưng tính toán của đất nền
Loại đất Độ chặt Độ ẩm Mô đun đàn hồi E 0
Góc ma sát trong Sét
2.1.2.2 Số liệu hình học và tải trọng xe
Thiết kế sơ bộ kết cấu áo đường cho tuyến đường cấp III tại khu vực miền núi với 2 làn xe cần dựa trên kết quả điều tra và dự báo trong 15 năm Theo đó, tải trọng trục xe được xác định như bảng dưới và hệ số tăng xe ước tính là 7%.
Bảng 2-4 Phân bố tải trọng các trục xe và dự báo lưu lượng xe năm thiết kế thứ 15
Số bánh xe mỗi cụm sau
Khoảng cách giữa các trục
Xe tải nhẹ 18 56 1 Bánh đôi < 3.0 400
Xe tải trung 25.8 69.6 1 Bánh đôi < 3.0 240
Xe tải nặng 48.2 100 1 Bánh đôi < 3.0 400
Tính số trục xe tính toán quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN
N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán, được xác định qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều (trục/ngđ) Trong đó, n i là số lần tác động của tải trọng trục I có trọng lượng P i, cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán 100 kN.
C1 – hệ số số trục, C1 = 1+1.2(m-1), m – số trục của cụm trục i C2 – hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm trục:
Cụm bánh chỉ có 1 bánh C 2 = 6.4
Cụm bánh có 4 bánh C 2 = 0.38 Kết quả tính thể hiện ở bảng dưới
Bảng 2-5 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN
- Số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe N tt :
Trong đó: f i – hệ số phân phối trục xe tính toán (3.3.2 [5])
- Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế:
2.1.2.3 Phương án thiết kế kết cấu áo đường
Theo số liệu tính toán thiết kế hình học ta có:
Cấp đường III được thiết kế cho địa hình miền núi với vận tốc tối đa 60 Km/h Thời hạn thiết kế của công trình là 15 năm, trong đó số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời gian này được tính là N e = 1.1×10^6 Hệ số tin cậy cho thiết kế được xác định là 0.9.
Theo Bảng 2-1 [6], lựa chọn tầng mặt đường cấp cao A1 là cần thiết Để đảm bảo phù hợp với chi phí đầu tư hiện tại và đáp ứng sự phát triển trong tương lai, chúng tôi đề xuất hai phương án đầu tư xây dựng tuyến đường.
Để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của khu vực mà tuyến đường đi qua, phương án đầu tư tập trung vào việc xây dựng mặt đường cấp cao A1 là lựa chọn tối ưu.
Phương án 2 đề xuất chuyển sang giải pháp đầu tư phân kỳ do chi phí đầu tư ban đầu không đủ cho mặt đường cấp cao A1 Trong giai đoạn đầu, khi lưu lượng xe chưa lớn, sẽ sử dụng mặt đường cấp cao A2 Khi lưu lượng xe tăng lên trong những năm tiếp theo, sẽ tiến hành nâng cấp lên mặt đường A1.
THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
Trị số mô đun đàn hồi phụ thuộc vào số trục xe và loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế Tham khảo Bảng 3.4 và Bảng 3.5 [5] để xác định các thông số cần thiết.
Bảng 2-6 Lựa chọn mô đun đàn hồi yêu cầu
Cấp đường Loại tầng mặt
Số trục xe tính toán
Mô đun đàn hồi yêu cầu
Mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiểu
Mô đun đàn hồi yêu cầu lựa chọn
2.2.1.1 Dự kiến kết cấu áo đường a Nguyên tắc thiết kế kết cấu áo đường - (2.1 [5]) + Thiết kế kết cấu áo đường phải chú trọng các biện pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng để tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó làm giảm bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng
Để đảm bảo hiệu quả cho kết cấu áo đường, cần lựa chọn và sắp xếp các tầng, lớp vật liệu một cách hợp lý, phù hợp với chức năng của từng lớp Đồng thời, việc này cũng phải xem xét khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công, cũng như khả năng khai thác và bảo trì sau này.
Nên đề xuất nhiều phương án thiết kế kết cấu áo đường nhằm đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn giao thông, và bảo vệ sức khỏe cũng như an toàn cho người thi công.
Để tăng cường khả năng phục vụ với sự gia tăng lưu lượng, cần xem xét phương án đầu tư phân kỳ dựa trên quy hoạch phát triển tương lai Kết cấu áo đường được chia thành hai tầng: tầng mặt và tầng móng Tầng mặt bao gồm hai lớp: lớp mặt trên là Bê tông nhựa chặt với kích cỡ hạt lớn nhất 9.5mm (BTNC 9.5) và lớp mặt dưới là Bê tông nhựa chặt với kích cỡ hạt 12.5mm (BTNC 12.5) Với số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong 15 năm là 1.1×10^6 trên một làn xe, bề dày tối thiểu của tầng mặt được xác định là 9cm, trong đó lớp mặt BTNC 9.5 dày 4cm và lớp mặt dưới BTNC 12.5 dày 5cm Do chi phí vật liệu cao, thiết kế được cố định và chỉ thay đổi chiều dày các lớp dưới để đáp ứng yêu cầu.
Nền bố trí nhiều lớp cần được thiết kế với lớp trên sử dụng vật liệu có cường độ và khả năng chống biến dạng cao hơn lớp dưới, nhằm tối ưu hóa phân bố ứng suất và giảm chi phí xây dựng Tỷ số mô đun đàn hồi giữa lớp trên và lớp dưới không nên vượt quá 3 lần, trong khi tỷ số giữa lớp móng dưới và lớp nền tự nhiên nên nằm trong khoảng từ 2.5 đến 10 lần.
+ Cỡ hạt vật liệu lớn nhất lớp móng phía trên nên nhỏ hơn so với cỡ hạt lớn nhất vật liệu lớp móng dưới
+ Kết cấu móng có thể thiết kế thay đổi từng đoạn phù hợp với điều kiện nền đất và tình hình vật liệu cung ứng sẵn có
- Tầng móng thiết kế theo 2 phương án : + Phương án 1: Móng trên lựa chọn cấp phối đá dăm loại I với cỡ hạt lớn nhất
D max ≤ 25mm và bề dày tối thiểu 15cm (Bảng 2-3 [5]) lớp móng dưới chọn cấp phối đá dăm loại II
Phương án 2 đề xuất sử dụng móng trên với cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% và lớp móng dưới chọn cấp phối đá dăm loại II Kết quả của lựa chọn này là thiết kế kết cấu áo đường mềm hiệu quả.
- Các thông số tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm (3.1.5 [5]):
Các thông số tính toán cần xác định theo thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thủy nhiệt, bao gồm nhiệt độ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất Cụ thể, nhiệt độ tính toán là 30 ℃ cho các điều kiện cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi, trong khi đối với tiêu chuẩn chịu kéo uốn, nhiệt độ tính toán là từ 10 đến 15 ℃ Đối với điều kiện cân bằng trượt, nhiệt độ tính toán cho các lớp vẫn là 30℃, nhưng lớp trên cùng được tính ở nhiệt độ 60℃.
Mô đun đàn hồi E0, lực dính C và góc nội ma sát φ được xác định dựa trên độ ẩm tính toán bất lợi nhất của nền đất (Phụ lục B [5]).
+ Trị số tính toán của mô đun đàn hồi E, lực dính C và góc nội ma sát φ của các loại vật liệu làm áo đường (Phụ lục C [5])
+ Bề dày tối thiểu được xác định bằng 1.5 lần cỡ hạt lớn nhất trong lớp kết cấu và không vượt quá trị số ở Bảng 2-4 [5]
Bảng 2-7 Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu theo Phương án 1
Lớp kết cấu (từ dưới lên)
Tính về độ võng Tính về trượt Tính về kéo uốn Đất nền loại sét ∞ 42 - - - 0.032 24
Cấp phối đá dăm loại II 250 250 250 - - -
Cấp phối đá dăm loại I 300 300 300 - - -
Bảng 2-8 Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu theo Phương án 2
Lớp kết cấu (từ dưới lên)
C MPa φ Tính về độ độ võng
Tính về kéo uốn Đất nền loại sét ∞ 42 - - - 0.032 24
Cấp phối đá dăm loại II 250 - - - - -
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 - - 0.8 - -
Lưu ý : Cột số 2 thao khảo chiều dày dựa vào Bảng 2-4 [5]
Cột 3, 4, 5 của hàng 5, 6 tham khảo các thông số các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa Bảng C-1 [5]
Cột 3, 4, 5 của hàng 3, 4 tham khảo các thông số các đặc trưng tính toán của vật liệu làm mặt đường Bảng C-2 [5]
2.2.1.2 Xác định bề dày các lớp tầng móng theo các phương án sơ bộ
Theo tiêu chuẩn tính toán, một kết cấu được xem là đủ cường độ khi mô đun đàn hồi chung của kết cấu nền áo đường (E ch) lớn hơn hoặc bằng mô đun đàn hồi yêu cầu (E yc) nhân với hệ số dự trữ cường độ về độ võng (dv ch cd yc).
K cd dv – phụ thuộc vào hệ số tin cậy (Bảng 3-2 [5])
K cd dv = 1.10 (hệ số tin cậy = 0.90)
Hình 2-1 Sơ đồ tính toán chiều dày các lớp kết cấu áo đường
Nguyên lý tính toán trong bài toán lan truyền tải trọng được áp dụng sau khi xác định các phương án móng và thu thập số liệu về mô đun đàn hồi của từng lớp đất cùng với bề dày các lớp tầng móng Mô đun đàn hồi chung E ch được tính toán dựa trên các thông số này Khi coi các lớp đất 1, 2, 3, 4 thuộc nền đất đắp, ta có E ch1 = E 01 Từ đó, dựa vào quan hệ trên toán đồ Kogan, E ch1 được xác định theo biểu thức cụ thể.
, ch ch , ch ch , ch
Sau khi xác định được E ch1 tiếp tục làm tương tự để xác định E ch2 Coi lớp đất
Trong nền đất đắp, E ch2 = E 02, cho phép chúng ta không cần xem xét lớp 1 trong tổng thể kết cấu áo đường Để xác định E ch2, chúng ta dựa vào mối quan hệ trên toán đồ Kogan.
, ch ch , ch ch , ch
Sau khi xác định E ch2 là E ch của hệ kết cấu tầng móng, cần lựa chọn h3 và h4 sao cho E chtt ≥ E ch2 Dựa vào yêu cầu về bề dày các lớp trong kết cấu áo đường, bề dày h3 được khống chế theo tiêu chuẩn, từ đó tính toán h4 dựa trên E ch cần đạt cho lớp kết cấu Quy trình tính toán được áp dụng tương tự như với hai lớp phía trên.
(2-9) a Xác định bề dày các lớp tầng móng theo phương án 1 Lớp 3 là cấp phối đá dăm loại I, lớp 4 là cấp phối đá dăm loại II
Bề dày h3 được xác định trong khoảng 15 đến 18 cm cho các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết, đồng thời quy định bề dày tối thiểu cho các loại vật liệu theo tiêu chuẩn 2.4.3 và Bảng 2-4 Bề dày h4 được lựa chọn dựa vào h3 nhằm đảm bảo đạt yêu cầu E ch2 Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 2-9 Tính toán lựa chọn bề dày các lớp tầng móng phương án 1
Giải pháp h 3 E ch2 /E 3 h 3 /D E ch3 /E 3 E ch3 E ch3 /E 4 E 0 /E 4 h 4 /D h 4 Chọn h 4
Đơn vị đo bề dày h là cm Để xác định bề dày của các lớp tầng móng theo phương án, lớp 3 sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5%, trong khi lớp 4 là cấp phối đá dăm loại II.
KIỂM TOÁN ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU ĐỀ XUẤT
Theo thiết kế sơ bộ ta có phương án đầu tư tập trung Theo đó ta cần đánh giá, kiểm tra kết cấu áo đường với ba điều kiện:
- Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép (3.4 [5])
- Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính (3.5 [5])
- Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối (3.6 [5])
2.3.1 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi Điều kiện tính toán: Kết cấu được coi là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường E ch lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu
E yc nhân thêm với hệ số dự trữ cường độ về độ võng K cddv được xác định tùy chọn theo độ tin cậy mong muốn:
Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp:
Quy đổi từ dưới lên, sau khi hoàn tất quy đổi hai lớp sẽ được coi như một lớp với bề dày tổng H’ = h1 + h2 và mô đun đàn hồi trung bình E’ tb Để có được mô đun đàn hồi trung bình E tb dc, cần nhân kết quả quy đổi với hệ số điều chỉnh β được xác định theo Bảng 3-6 [5].
Xác định mô đun đàn hồi chung của hệ kết cấu theo quan hệ trên toán đồ Kogan (Hình 3-1 [5])
Trong đó: E 1 là mô đun đàn hồi trung bình đã điều chỉnh E 1 = E tb dc
Kết quả quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp được thể hiện ở bảng dưới Bảng 2-17 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tim E’ tb
Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 2.400 12 0.400 42 329.87
Xét hệ số điều chỉnh: 51 1.545 1.182
Mô đun đàn hồi trung bình: E tb dc E tb ' 1.182 344.72 407.46 MPa
Mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu:
184.17 dv ch cd yc dv cd yc
Như vậy kết cấu áo đường đã chọn đảm bảo yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép
2.3.2 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất
Kết cấu nền áo đường có tầng mặt loại A1 được xem là đủ cường độ khi thỏa mãn điều kiện: tt ax av tr cd
Ứng suất cắt lớn nhất do tải trọng bánh xe gây ra trong nền đất hoặc lớp vật liệu kém dính được tính toán và xác định theo quy định tại Mục 3.5.2 [5] (MPa).
Tav - ứng suất cắt hoạt động được tính toán dựa trên trọng lượng của các lớp vật liệu nằm trên điểm đang xét, với đơn vị đo là MPa, theo quy định tại Mục 3.5.3 [5].
Hệ số cường độ chịu cắt trượt K cd tr được xác định theo Bảng 3-7 [5] Để xác định các đại lượng, cần tính toán mô đun đàn hồi trung bình của các lớp kết cấu Việc quy đổi tần số về hệ 2 lớp được thực hiện theo bảng dưới đây.
Bảng 2-18 Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên
Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 2.4 12 0.400 42 329.87
Xét hệ số điều chỉnh: 51 1.182
Mô đun đàn hồi trung bình của hệ: E tb E tb ' 1.182 270 383.38 MPa b Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán T ax
Theo biểu đồ Hình 3-3 [5], với góc nội ma sát của đất nền φ = 24°, ta xác định được T ax = 0.015 p Với áp lực tính toán mặt đường p = 6 daN/cm² = 0.6 MPa, chúng ta có thể tính toán các thông số cần thiết cho thiết kế.
Hình 2-2 minh họa toán đồ xác định ứng suất trượt do tải trọng bánh xe tác động lên lớp dưới của hệ hai lớp Ứng suất cắt phát sinh từ trọng lượng bản thân các lớp kết cấu áo đường tác động lên nền đất T av.
Tổng bề dày của các lớp nằm trên lớp tính toán đạt 51cm, trong khi trị số góc ma sát trong của đất nền là 24° Tham khảo biểu đồ Hình 3-4 [5] để có thêm thông tin chi tiết.
Hình 2-3 Toán đồ tìm ứng suất cắt hoạt động T av (Mpa) do trọng lượng bản thân mặt đường d Xác định C tt , K cd tr
Trị số C tt được xác định theo biểu thức:
C = 0.032 MPa – Lực dính của đất nền Bảng 2-3
K 1 = 0.6 – hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất chịu tải trọng động và gây dao động
K 2 = 0.8 – hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu Lấy theo Bảng 3-8 [5]
Hệ số K 3 = 1.5 được sử dụng để đánh giá sự gia tăng khả năng chống cắt trượt của đất hoặc các vật liệu kém dính khi chúng hoạt động trong điều kiện khác với mẫu thử Đặc biệt, hệ số này thường được áp dụng cho đất sét.
Hệ số cường độ về chịu cắt K cd tr = 0.94 lấy theo Bảng 3-7 [5] đối với đường cấp III độ tin cậy lấy bằng 0.9
Với các giá trị các đại lượng đã xác định được ở trên ta có:
Như vậy ta có ax av tt tr cd
K nên có thể kết luận kết cấu đảm bảo khả năng chịu cắt trượt trong nền đất
2.3.3 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp bê tông nhựa
Kết cấu được coi là đủ cường độ khi thỏa mãn điều kiện: ku u ku ku cd
Trong đó: 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 (3.6.2 [5])
R u ku – cường độ chịu kéo uốn tính toán VL liền khối (3.6.3 [5])
Hệ số cường độ chịu kéo uốn K cd ku phụ thuộc vào độ tin cậy, như thể hiện trong Bảng 3-7 Để xác định giá trị các đại lượng cần kiểm toán, cần tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối được ký hiệu là σ ku và được xác định theo công thức ku ku p k b.
Áp lực bánh tại trọng trục tính toán được xác định là p = 0.6 MPa Hệ số k b được sử dụng để xem xét đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán, với k b = 0.85 cho cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn) và k b = 1.0 cho cụm bánh đơn (tải trọng trục đặc biệt nặng nhất).
ku - ứng suất kéo uốn đơn vị, xác định theo toán đồ Hình 3-5 [5]
H 1 – tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp được kiểm tra kéo uốn trở lên đến bề mặt áo đường;
E 1 – mô đun đàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm vi h 1 , 1
h (E i , h i là trị số mô đun đàn hồi và bề dày các lớp I trong phạm vi h 1 )
D – đường kính vệt bánh xe tính toán
E ch.m – mô đun đàn hồi chung của nền đất và các lớp nằm phía dưới đáy lớp vật liệu liền khối được kiểm tra
Bảng 2-19 Lớp kết cấu bê tông nhựa kiểm tra kéo uốn
- Đối với bê tông nhựa lớp trên:
H 1 = 5cm; E 1 = 2200 MPa Bảng 2-20 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp về 1 lớp từ dưới lên
Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 2.400 12 0.400 42 329.87
Xét đến hệ số điều chỉnh: ' 47 1.424 1.165
Mô đun đàn hồi trung bình điểu chỉnh:
Kogan ch m dc dc tb tb
Tìm ku ở đáy bê tông nhựa lớp trên bằng cách tra toán đồ Hình 3-5 [5]
Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σ ku là:
- Đối với lớp bê tông nhựa dưới:
Bảng 2-21 Kết quả tính đổi tầng 2 lớp móng về 1 lớp
Lớp kết cấu E i t = E 2 /E 1 h i k = h 2 /h 1 H tb E tb
Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5%
Xét đến hệ số điều chỉnh: ' 42 1.273 1.14
Mô đun đàn hồi trung bình điểu chỉnh của tầng móng:
Kogan ch m dc tb dc tb
Tìm ku ở đáy lớp bê tông nhựa lớp dưới bằng cách tra toán đồ Hình 3-5 [5]
Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σ ku là:
b Xác định cường độ kéo uốn của vật liệu
- Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối xác định theo công thức:
Cường độ chịu kéo uốn của bê tông nhựa được tính toán dựa trên nhiệt độ và tuổi mẫu, với hệ số k2 phản ánh sự suy giảm cường độ theo thời gian do tác động của thời tiết Hệ số k1 được sử dụng để xem xét sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tải trọng trùng phục Đối với bê tông nhựa, hệ số này được tính theo công thức 1 11.11 0.22 e k = N, trong đó Ne là số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời gian thiết kế 15 năm cho lớp bê tông nhựa chặt loại I, với Ne = 1.1×10^6.
Bảng 2-22 Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối
- Hệ số cường độ về chịu kéo uốn K cdku = 0.94 (hệ số tin cậy = 0.9) 2.3.3.2 Kết luận
- Đối với bê tông nhựa lớp trên:
0.94 ku tt ku ku cd
- Đối với bê tông nhựa lớp dưới:
0.94 ku tt ku ku cd
Như vậy kết cấu áo đường đạt điều kiện cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn kéo uốn đối với cả hai lớp bê tông nhựa
2.4 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KỲ 2.4.1 Các yêu cầu chung khi lựa chọn phương án đầu tư phân kì
Trước khi xem xét các phương án phân kỳ đầu tư, cần dựa vào quy hoạch mạng lưới đường ô tô đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Việc này giúp xác định cấp đường trong tương lai và tuân thủ TCVN 5729:2012 để thiết kế tổng thể hoàn chỉnh Mục tiêu là đảm bảo các giải pháp thiết kế phân kỳ tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng giai đoạn sau, đồng thời đảm bảo rằng các hạng mục công trình đã được phân kỳ trước đó vẫn có thể sử dụng trong giai đoạn tiếp theo.
Chỉ nên thực hiện thiết kế phân kỳ xây dựng nền đường tại những khu vực có điều kiện địa chất công trình ổn định Việc thi công mở rộng sau này cần đảm bảo không ảnh hưởng đến an toàn giao thông và hoạt động khai thác bình thường của đường ô tô.
Thời gian khai thác đường ô tô theo phương án đầu tư phân kỳ thường từ 5 đến 10 năm hoặc hơn Thời gian này được sử dụng để dự báo quy mô giao thông, phục vụ cho thiết kế và tổ chức giao thông Trong giai đoạn phân kỳ, có thể chấp nhận tốc độ khai thác thấp hơn so với tốc độ thiết kế của đường ô tô khi hoàn thành, đồng thời có thể áp dụng hạn chế tải trọng trục xe nặng.
TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG GIAI ĐOẠN II
Sau 5 năm cường độ của kết cấu áo đường E ch giảm đi 10%:
Phương án đầu tư tập trung sẽ duy trì kết cấu móng hiện tại, đồng thời tăng bề dày của lớp mặt đường cũ Kết cấu áo đường mới sẽ được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây.
Bảng 2-29 Các lớp áo đường cho đầu tư phân kỳ 10 năm còn lại
Lớp kết cấu (từ dưới lên)
Bề dầy mỗi lớp (cm)
Module đàn hồi theo các điều kiện (MPa)
Góc ma sát trong 𝜑(độ)
Bê tông nhựa chặt loại
Bê tông nhựa chặt loại
2.5.2 Kiểm toán phương án kết cấu áo đường cho giai đoạn đầu tư xây dựng phân kỳ 10 năm còn lại
2.5.2.1 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép
- Xác định module đàn hồi yêu cầu:
Bảng 2-30 Lựa chọn module đàn hồi yêu cầu
Cấp đường Loại tầng mặt
Số trục xe tính toán N tt
Module đàn hồi yêu cầu
Module đàn hồi yêu cầu tối thiểu
Module đàn hồi yêu cầu lựa chọn
Theo tiêu chuẩn, kết cấu được coi là đủ cường độ khi mô đun đàn hồi tổng của kết cấu nền áo đường (hoặc áo lề có gia cố) E lớn hơn hoặc bằng mô đun đàn hồi yêu cầu E yc nhân với hệ số dự trữ cường độ về độ võng K cd dv, được xác định dựa trên độ tin cậy mong muốn.
K cd dv : phụ thuộc vào hệ số độ tin cậy theo Bảng 3-2 - 22TCN-211-06, dv 1.10
K cd (hệ số độ tin cậy bằng 0.9);
- Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp với trị số module đàn hồi trung bình E tb ' với biểu thức:
k=h 2 /h 1 , t=E 1 /E 2 , với h 1 và h 2 là chiều dày lớp trên và lớp dưới của áo đường, E 1 và E 2 là modun đàn hồi của vật liệu lớp trên và lớp dưới
Việc chuyển đổi từ hệ nhiều lớp sang hệ hai lớp được thực hiện từ dưới lên, trong đó hai lớp vật liệu được quy đổi thành một lớp có độ dày H' = h1 + h2 Mô đun đàn hồi trung bình E tb' được tính theo công thức (2-38).
Lớp H’ (với E tb ') được xem là lớp dưới, và quá trình quy đổi tiếp tục diễn ra với lớp trên để tạo thành một lớp mới có bề dày H = H’ + h3 Giá trị E tb ' được tính theo công thức (2-38), trong đó E tb ' ở lớp này đóng vai trò là E1, với K = h3 / H’ và t = E3 / E tb '.
Sau khi quy đổi nhiều lớp áo đường thành một lớp, cần nhân với hệ số điều chỉnh β theo Bảng 3-6-22TCN-211-06 để tính toán trị số E tb.
H: là bề dày toàn bộ của kết cấu áo đường;
D: đường kính vệt bánh xe tính toán;
Tỷ số H/D và tra theo theo Bảng 3-6-22TCN-211-06
- Xác định module đàn hồi chung của hệ kết cấu theo quan hệ trên toán đồ Kogan:
E1 là mô đun đàn hồi trung bình đã điều chỉnh, với E1 = E tb Kết quả quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp được trình bày trong bảng dưới đây, cụ thể là bảng 2-31, thể hiện kết quả quy đổi hệ nhiều lớp thành 2 lớp từ dưới lên để thực hiện phân tích.
Bê tông nhựa chặt loại I 12.5 mm (đá dăm ≥ 50%) 420 1.415 8 0.190 50 314.69
Bê tông nhựa chặt loại I 9.5 mm (đá dăm ≥ 50%) 420 1.335 6 0.120 56 325.02
Xét hệ số điều chỉnh:
D Module đàn hồi trung có điều chỉnh:
Module đàn hồi trung của cả kết cấu:
385.8 33 ch o dc dc tb tb
b Kết luận và nhận xét Kết quả kiểm toán: E ch 186.7 K cd dv E yc 184.1( Mpa )
Kết luận: Cấu trúc áo đường dự kiến được thiết kế để đảm bảo đạt yêu cầu về cường độ, phù hợp với tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép.
2.5.2.2 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối trong các lớp betong nhựa
Kết cấu cần đảm bảo đủ cường độ theo tiêu chuẩn keo uốn trong các lớp vật liệu liền khối của bê tông nhựa Điều này chỉ đạt được khi thỏa mãn các điều kiện cụ thể, bao gồm ku u ku ku cd.
ku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trong bánh xe;
R u ku : cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp vật liệu liền khối;
Hệ số cường độ chịu kéo uốn K cd ku phụ thuộc vào độ tin cậy, được tra cứu theo bảng 3-7 của tiêu chuẩn 22TCN-211-06 Giá trị của K cd ku được xác định là 0.94, tương ứng với hệ số độ tin cậy là 0.9 Cần xác định giá trị của các đại lượng liên quan trong quá trình tính toán.
Để xác định ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa, cần tính toán ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối, ký hiệu là σku Ứng suất này được xác định theo biểu thức cụ thể, giúp đảm bảo tính toán chính xác và hiệu quả trong thiết kế.
p: áp lực bánh của tại trọng trục tính toán p = 0.6 Mpa;
Hệ số k p phản ánh đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tải trọng tính toán Đối với cụm bánh đôi, hệ số k b được xác định là 0.85, tương ứng với tải trọng trục tiêu chuẩn Trong khi đó, đối với cụm bánh đơn, hệ số k b là 1.0, áp dụng cho tải trọng trục đặc biệt nặng nhất.
ku : ứng suất kéo uốn đơn vị, xác định theo toán đồ Hình 3-5 theo 22TCN-211-06;
h 1 : tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp được kiểm tra kéo uốn trở lên đến bề mặt áo đường;
E 1 : module dàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm vi h 1 ,
(E i ,h i : là trị số module dàn hồi và bề dày các lớp i trong phạm vi h 1 );
D: đường kính vệt bánh xe tính toán;
E ch.m : module dàn hồi chung của nền đất và các lớp nằm phía dưới đáy lớp vật liệu liền khối được kiểm tra
+ Việc quy đổi tầng 2 lớp một đối với betong nhựa lớp trên được thực hiện dưới bảng sau:
Bảng 2-32 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '
Bê tông nhựa chặt loại I- 12.5mm (đá dăm 50%) 2200 7.410 8 0.19 50 453.8 + Xét hệ số điều chỉnh:
D + Module đàn hồi trung bình của hệ:
E E Mpa + Xác định ứng suất kéo uốn đơn vị ku :
(tra toán đồ Kogan hình 3-1 của 22TCN-211-06)
Tra toán đồ Kogan ở hình 3-5 của 22TCN-211-06 với các chỉ số sau để tính ku ở đáy lớp betong nhựa lớp trên:
+ Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σ ku là:
- Việc quy đổi tầng 2 lớp một đối với betong nhựa lớp dưới được thực hiện dưới bảng sau:
Bảng 2-33 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '
+ Xét hệ số điều chỉnh:
+ Module đàn hồi trung bình của hệ:
E E Mpa + Xác định ứng suất kéo uốn đơn vị ku :
Tra toán đồ Kogan ở hình 3-5 của 22TCN-211-06 với các chỉ số sau để tính ku ở đáy lớp betong nhựa lớp trên:
+ Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σ ku là:
- Xác định cường độ kéo uốn của vật liệu + Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối xác định theo công thức:
R ku : cường độ chịu kéo uốn tính toán kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán và ở tuổi mẫu tính toán;
k 2 : hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khi hậu thời tiết;
Hệ số k1 được sử dụng để đánh giá sự suy giảm cường độ của vật liệu bê tông nhựa do tác động của tải trọng trùng phục Đối với bê tông nhựa, hệ số này được xác định là 1, với N e là số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời hạn thiết kế, được quy định là 15 năm cho lớp bê tông nhựa chặt loại I, tương ứng với N e = 1.1 x 10^6.
Bảng 2-34 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '
Bê tông nhựa chặt loại I-12.5mm (đá dăm
Bê tông nhựa chặt loại I-9.5mm (đá dăm 35%)
0.521 1 2.8 1.459 b Kết luận và nhận xét
- Đối với betong nhựa lớp trên:
0.94 ku tt ku ku cd
=> Thỏa mãn điều kiện của biểu thức (2-41)
- Đối với betong nhựa lớp dưới:
0.94 ku ku tt ku cd
Kết luận: Kết cấu áo đã đáp ứng điều kiện cường độ theo tiêu chuẩn kéo uốn cho cả hai lớp bê tông nhựa, thỏa mãn yêu cầu của biểu thức (2-41).