CT 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Khi độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường xe chạy thay đổi thì tác động của tải trọng trục của phương tiện giao thông và các đặc trưng ứng suất, biến dạng do nó gây ra trong kết cấu áo đường cũng thay đổi. Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường hiện nay, ảnh hưởng của độ dốc dọc và dốc ngang mặt đường tới độ lớn của tải trọng trục ô tô lên mặt đường không được xem xét, các hệ số qui đổi tác động tải trọng trục của dòng xe về tải trọng trục tính toán luôn là hằng số (các thông số tải trọng trục xe đều được lấy theo lý lịch của các nhà sản xuất ô tô). Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến tuổi thọ của kết cấu áo đường trên các đường miền núi có độ dốc dọc và siêu cao lớn giảm, tuyến đường thường xuyên phải duy tu, sửa chữa. Để đánh giá sự khác biệt của các tác động của phương tiện giao thông lên mặt đường trong trường hợp có xét đến ảnh hưởng của độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường và trường hợp coi ảnh hưởng này không đáng kể, xem xét hai bài toán: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DỐC DỌC, DỐC NGANG MẶT ĐƯỜNG XE CHẠY TỚI CHIỀU DẦY VÀ TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Trường Đại học Giao thông Vận tải, Cơ sở 2 Tóm tắt: Sự phân bố tải trọng trục xe của phương tiện giao thông lên mặt đường xe chạy trong trường hợp mặt đường là mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng nghiêng là khác nhau đáng kể, đặc biệt đối với các tuyến đường miền núi có dốc dọc, siêu cao lớn. Trong bài báo này trình bày các ảnh hưởng của độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường tới sự phân phối tải trọng trục của phương tiện giao thông, tuổi thọ và chiều dầy của kết cấu áo đường. Summary: The distribution of the axis load of transportation means to pavement surface in case of road surface is horizontal and inclined is significantly different, especially with the roads in mountainous areas with high longitudinal slope and cross slope. In this article, author present the influence of the longitudinal slope, cross slope to the distribution of the axis load of transportation means, life and thickness of pavement structure. CT 2 1. Đánh giá ảnh hưởng của độ dốc dọc đến sự phân phối tải trọng bánh xe ôtô trên mặt đường Hình 1. Ảnh hưởng của độ dốc dọc đến sự phân phối tải trọng bánh xe lên mặt đường Giả thiết: để đơn giản trong tính toán, không kể tới các biến dạng không đều của hệ thống treo (biến dạng của nhíp) trước và sau, bên trái và bên phải khi xe ô tô chuyển động trên đường có dốc dọc, có siêu cao và chỉ xét tới tác động phá hủy áo đường của tải trọng theo phương thẳng đứng (không xét tới sự phá hủy áo đường của các lực ngang, ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và độ bằng phẳng của mặt đường xe chạy). Khi độ dốc ngang mặt đường i n = 0, từ hình 1, các tải trọng bánh xe của trục trước, trục sau của ô tô được xác định theo quan hệ sau: QPP ts (1) cos)tg.htg.hb.(Pcos).tghtg.ha.(P pqtpqs (2) Giải hai phương trình trên ta tìm được t,s PP : P t = )tghtgha( b a Q pq (3) Ps = Q – Pt = Q - )tghtgha( b a Q pq Ps = Q(1- b a tghtgha pq ) (4) Trong đó: Q: Trọng lượng của toàn bộ xe ôtô đang xét, kN; P s , P t : Tải trọng trục sau và trục trước của ô tô, kN; a, b: Khoảng cách từ trục bánh sau và bánh trước đến trọng tâm của xe theo phương dọc, m; h q , h p : khoảng cách từ mặt đường xe chạy đến trọng tâm xe và tim bánh xe, m; α: góc nghiêng của mặt đường so với mặt phẳng nằm ngang theo phương dọc, độ. P S P T 0 CT 2 2. Đánh giá ảnh hưởng của độ dốc ngang mặt đường đến sự phân phối tải trọng bánh xe trên mặt đường Hình 2. Ảnh hưởng của độ dốc ngang mặt đường đến sự phân phối tải trọng bánh xe lên mặt đường Để tiện trong tính toán, khi xét ảnh hưởng của độc dốc ngang mặt đường, coi độ dốc dọc i d = 0. Khi đó, ta có hai phương trình xác định P s1 , P s2 cũng như: s2s1s PPP (5) cos)tg.htg.hd.(Pcos).tghtg.hc.(P pq2spq1s (6) Tương tự: t2t1t PPP (7) cos)tg.htg.hd.(Pcos).tghtg.hc.(P pq2tpq1t (8) Trong đó: P t1 , P t2 : tải trọng trên các bánh xe của trục trước, kN; P s1 , P s2 : tải trọng trên các bánh xe của trục sau, kN; β: góc nghiêng của mặt đường so với mặt phẳng nằm, độ; c, d: khoảng cách từ trục bánh sau và bánh trước đến trọng tâm của ô tô theo phương ngang, khi không xét tới sự dịch chuyển theo hướng ngang của trọng tâm ôtô thì c = d. Giải hai phương trình (5), (6) ta tìm được 2s1s P,P : P s2 = )tghtghc( d c P pq s (9) P s1 = P s – P s2 = Ps(1- d c tghtghc pq ) (10) Để xét ảnh hưởng của cả độ dốc dọc và dốc ngang mặt đường tới tải trọng các trục xe, thay (4) vào (9), (10), ta có : P s1 = Q(1- ) d c tghtghc 1)( b a tghtgha pqpq (11) P s 2 P s1 0 CT 2 P s2 = )tghtghc)( ba tghtgha 1( )dc( Q pq pq (12) Tương tự, ta xác định được P t1 , P t2 : P t1 = ) dc tghtghc 1)(tghtgha( )ba( Q pq pq (13) P t2 = )tghtghc)(tghtgha( )dc)(ba( Q pqpq (14) Ký hiệu độ dốc dọc đường là i d (%), độ dốc ngang mặt đường là i n (%). Rút gọn các phương trình trên ta được: )ihi.hd).(ihi.hb.( )dc).(ba( Q P npnqdpdq1s (15) )ihihc).(ihihb.( )dc).(ba( Q P npnqdpdq2s (16) )ihihd).(ihiha.( )dc).(ba( Q P npnqdpdq1t (17) )ihihc).(ihiha.( )dc).(ba( Q P npnqdpdq2t (18) Để đánh giá ảnh hưởng của độ dốc dọc và ngang mặt đường xe chạy tới việc thiết kế chiều dầy và tuổi thọ kết cấu áo đường, xem ví dụ sau: Thiết kế áo đường cấp III miền núi 2 làn xe, quy luật tăng trưởng xe trung bình năm q=6%, với lưu lượng xe: ISUZU NQR75L 300 xe/ngày đêm, trọng tải 5T, tải trọng trên trục trước và sau lần lượt là G 1 = 25,3kN, G 2 = 63,2kN, a = 1,194m, b = 2,981m, c = d = 0,82m, h q = 1,591m, h p = 0,38m; xe MAZ - 5352 600 xe/ngày.đêm, trọng tải 8,4T, có G 1 = 60kN, G 2 = 100kN, a = 1,87m, b =3,13m, c = d = 0,90m, h q = 1,45m, h p = 0,39m. Bảng 1. Sự phân phối lại tải trọng trên các bánh xe của trục trước và sau của xe ISUZU NQR75L khi độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường thay đổi Tải trọng trên các bánh xe của trục trước, trục sau, kN Thông số của nhà sản xuất xe (ứng với trường hợp i d =i n =0) i d =0, i n =6% i d =6%, i n =0% i d =6%, i n =6% P t1 12,65 13,77 11,76 12,81 P t2 12,65 12,03 11,76 11,20 P s1 31,6 33,46 32,49 34,41 P s2 31,6 29,24 32,49 30,08 Bảng 2. Hệ số qui đổi về tải trọng trục tính toán (100 kN) của xe ISUZU NQR75L ở các độ dốc ngang, dốc dọc khác nhau Hệ số quy đổi khi ở các độ dốc ngang, % Độ dốc dọc, % 0 2 4 6 0 0,147 0,165 0,183 0,203 2 0,152 0,170 0,189 0,209 4 0,157 0,175 0,195 0,216 6 0,163 0,181 0,202 0,223 CT 2 Từ các kết quả ở bảng 1, bảng 2 cho thấy: - Tải trọng trục phân bố trên các bánh xe trong trường hợp tuyến đường không dốc (như giả thiết trong các tiêu chuẩn thiết kế áo đường hiện hành) và trong trường hợp có dốc (i d , i n ≠ 0) là khác nhau đáng kể; - Khi độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường thay đổi thì tải trọng trục trên các bánh xe của trục trước và trục sau được phân phối lại và cho trị số lớn nhất ở các bánh xe của trục sau về phía bụng đường cong. - Ảnh hưởng của độ dốc ngang mặt đường lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của độ dốc dọc xét về tác động phá hoại áo đường theo phương thẳng đứng. Ảnh hưởng của độ dốc ngang chủ yếu tác động tới kết cấu áo đường qua các lực đứng, còn ảnh hưởng của độ dốc dọc chủ yếu tác động tới các lực ngang - gây biến dạng lớp trên cùng của mặt đường, đặc biệt đối với trường hợp xe xuống dốc, chính vì vậy kết cấu áo đường tại các trạm thu phí, đường dẫn đầu cầu, trạm đỗ xe phải được gia cường đặc biệt. Từ các kết quả ở bảng 1, 2 và các số liệu ban đầu, xác định được trục xe tiêu chuẩn tích lũy và mô đun đàn hồi yêu cầu của kết cấu áo đường trong hai trường hợp: không dốc (coi dốc dọc và dốc ngang mặt đường i d = i n = 0) và trường hợp có dốc (i d = 6%, i n = 6%) (bảng 3). Bảng 3. Mô đun đàn hồi yêu cầu của áo đường trong trường hợp đường có dốc và không dốc Trường hợp tuyến đường Trục xe qui đổi về trục tiêu chuẩn 100kN (trục/làn, ngày đêm) Trục xe tiêu chuẩn tích lũy (10 6 ) Mô đun đàn hồi yêu cầu (MPa) Không dốc (i d =0%, i n =0%) 574,2 2,15 80 Có dốc (i d =6%, i n =6%) 773 2,90 86 Nếu trong trường hợp tuyến đường có dốc (i d =6%, i n =6%) nhưng vẫn thiết kế áo đường theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường hiện hành với E yc >180 MPa (không xét tới ảnh hưởng của độ dốc dọc, dốc ngang) thì theo tính toán nêu trên, áo đường chỉ khai thác với thời gian là gần 10 năm thay vì 15 năm như thời hạn thiết kế. Trên cơ sở các kết quả ở bảng 1, 2, 3 và tiêu chuẩn 22TCN 211-06, tính toán và chọn được kết cấu áo đường 2 phương án (có dốc và không dốc). Trường hợp 1(i d , i n =0) Trường hợp 2 (id=6%, in=6%) CT 2 III. KẾT LUẬN Trên cơ sở tính toán, phân tích các ảnh hưởng của độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường xe chạy tới công tác thiết kế áo đường, cho thấy: - Trị số của dốc dọc và dốc ngang mặt đường (chủ yếu là độ dốc ngang mặt đường) ảnh hưởng lớn tới sự phân phối tải trọng bánh xe truyền lên mặt đường, chiều dầy và tuổi thọ của kết cấu áo đường (đã được trình bày ở mục 2). - Kiến nghị: cần nghiên cứu, bổ sung ảnh hưởng của độ dốc dọc (xét tới tác dụng phá hoại của mặt đường do các lực ngang gây ra) và ảnh hưởng của tốc độ xe chạy vào tiêu chuẩn thiết kế áo đường hiện hành. Tài liệu tham khảo [1]. Áo đường mềm-các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế 22 TCN 211-06. [2]. Thông số kỹ thuật một số loại xe ô tô, Cục đăng kiểm Việt Nam, 2001. [3]. В.Ф.Бабков, О.В.Андреев. Проектирование автомобильных дорог. Ч1,2. «Транспорт», 1987. [4]. Научно-технический Информационный сборник, 3-2003 . Để đánh giá ảnh hưởng của độ dốc dọc và ngang mặt đường xe chạy tới việc thiết kế chiều dầy và tuổi thọ kết cấu áo đường, xem ví dụ sau: Thiết kế áo đường cấp III miền núi 2 làn xe, quy luật. áo đường của tải trọng theo phương thẳng đứng (không xét tới sự phá hủy áo đường của các lực ngang, ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và độ bằng phẳng của mặt đường xe chạy) . Khi độ dốc ngang mặt. lên mặt đường trong trường hợp có xét đến ảnh hưởng của độ dốc dọc, dốc ngang mặt đường và trường hợp coi ảnh hưởng này không đáng kể, xem xét hai bài toán: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DỐC DỌC,