Đồ án thiết kế nền mặt đường

- Vậy ta lấy tải trọng trục tính toán là trục xe tiêu chuẩn P = 100 KN chạy quamặt cắt ngang trên một làn xe của đoạn đường thiết kế trong suốt thời hạn thiết kế... Số trục xe tiêu chuẩn

CHƯƠNG I:

THIẾT KẾ KẾT CẤU NỀN - ÁO ĐƯỜNG

1.1 Cơ sở thiết kế kết cấu nền - áo đường

- Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-2005

- Tiêu chuẩn liên quan yêu cầu về vật liệu (các thí nghiệm)

b Tải trọng tính toán :

- Theo mục 3.2/22TCN 211-06: “ Khi tính toán cường độ của kết cấu nền áođường theo 3 tiêu chuẩn mục 3.1.2, tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quyđịnh là trục đơn của ô tô có trọng lượng 100 kN ” và xe tải nặng chỉ chiếm 14%

- Vậy ta lấy tải trọng trục tính toán là trục xe tiêu chuẩn P = 100 (KN) chạy quamặt cắt ngang trên một làn xe của đoạn đường thiết kế trong suốt thời hạn thiết kế

- Áp lực tính toán lên mặt đường lấy bằng P = 0,6 (Mpa)

- Đường kính vệt bánh xe: D = 33 (cm)

1.1.2 Xác định lưu lượng trục xe tính toán tiêu chuẩn

1.1.2.1 Lưu lượng và thành phần dòng xe:

+ Lưu lượng xe hỗn hợp: No = 260 (xehh/ng.đêm)

+ Thành phần dòng xe: Xe con : 25%

Xe tải nhẹ : 28%

Xe tải trung : 33%

Xe tải nặng : 14%

+ Hệ số tăng trưởng xe trung bình hằng năm: q = 10%

- Lưu lượng xe tính toán ở các năm : hh hh t

N  0 * ( 1  )

N0

(xe/ng.đ)Loại xe

1.1.2.2 Số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100KN ở năm tương lai.

Sơ đồ tải trọng trục xe tải nặng

4 , 4 2

P

p n C C N

Trong đó:

+ N: Số trục xe quy đổi từ các loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán

+ ni : Số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần được quyđổi về tải trọng trục tính toán Ptt(trục tính toán tiêu chuẩn)

1.1.2.3 Số trục tiêu chuẩn tính toán trên một làn xe ở năm tương lai:

- Số trục xe tiêu chuẩn tính toán trên một làn xe

Ntt = N.fl (trục tctt/làn.ngày đêm)

Trong đó: +N : là tổng số trục xe qui đổi từ các loại xe khác nhau về trục xe tínhtoán trong một ngày đêm trên cả hai chiều xe chạy ở năm cuối thời hạn thiết kế

+ fl: là hệ số phân bố trục xe tính toán trên mỗi làn xe, với đường hai làn

xe và đường không có giải phân cách thì fi = 0,55.”theo mục 3.3.2 – 22TCN 211-06”.

Số trục xe tiêu chuẩn tính toán trên một làn xe năm tương lai:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xechạy chính và lề không có dải phân cách bên được lấy bằng 35-50% số trục xe tính

toán của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trí phần xe chạy chính 22TCN211-06).

1.1.2.4 Số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong suốt thời hạn thiết kế:

Trị số Ne được tính toán để xác định bề dày tối thiểu tầng mặt nhựa và xác địnhcường độ chịu kéo uốn tính toán của BTN, được xác định theo biểu thức:

t t

t

q q

q

) 1 (

1 1

Trong đó : + Nt: số trục xe tiêu chuẩn ở năm tương lai

+ q: hệ số tăng trưởng xe: q = 10%

+ t : năm tương lai

N e *106(Trục tctt/làn.ng.đ)

1.1.3 Xác định modun đàn hồi theo yêu cầu

1.1.3.1 Xác định modul đàn hồi theo yêu cầu theo lưu lượng trục xe tính toán

Từ lưu lượng trục xe tính toán (trục tctt/ngày đêm/làn) “bảng 3.4, 3.5/Tr39,40 – 22TCN 211-06”, ta có các giá trị Eđhyc tương ứng của loại mặt đường

Kết quả như sau:

B ng t ng h p các giá tr tính toán: ảng tổng hợp các giá trị tính toán: ổng hợp các giá trị tính toán: ợp các giá trị tính toán: ị tính toán:

Yêu cầu : Eyc

dự kiến chọn loại tầng mặt cấp cao A1

1.1.4 Xác định điều kiện cung ứng vật liệu, bán thành phẩm, cấu kiện.

+ Vật liệu xây dựng, bán thành phẩm, cấu kiện

a) Đá xây dựng: Là tỉnh có diện tích núi đá khoảng 776,65 ha Trên toàn tỉnh

hiện có 10 mỏ đá khai thác phục vụ cho xây dựng với trử lượng 500 triệum3 phân bố chủ yếu dọc quốc lộ 9 và đường Hồ Chí Minh trở về phía tâykhá thuận lợi cho việc cung ứng vật liệu cho tuyến đường nối từ quốc lộ 9 đithị trấn khe sanh

b) Cát xây dựng Có 16 mỏ và địa điểm trử lượng dự báo khoảng 3,9 triệu m3

tập trung ở thượng nguồn các sông, nằm ở những vùng có giao thông thuậnlợi cho công việc khai thác và vận chuyển phục vụ cho xây dựng trên toàntỉnh

c) Xi măng và sét thép: Theo tài liệu trên toàn tỉnh có 130 mỏ và địa điểm khai

thác khoáng sản trong đó có khoảng 86 mỏ vật liệu xây dựng và nguyên liệusản xuất xi măng,sét thép….trong đó có một số mỏ tập trung ở HuyệnHướng Hóa nên thuận lợi cho việc cung ứng vật liệu cho công trình xâydựng trong huyện nói chung và tỉnh nói riêng

d) Đất đắp trên tuyến: Vì khu vực tyến đi qua chủ yếu là đồi núi nên nguồn đất

đắp rất dồi dào có thể điều phối trực tiếp trên tuyến từ vị trí đào sang vị tríđắp nhằm giảm chi phí vận chuyển đất từ khu vực khác đến công trình

e) Chất lượng vật liệu xây dựng: Chất lượng vật liệu xây dựng công trình đảmbảo và được thí nghiệm trước khi đưa vào xây dựng nên đảm bảo về yêu cầu

kỷ thuật

f) Cự ly vận chuyển: Cự ly vận chuyển vật liệu đến vị trí xây dựng trên toàntuyến trung bình 10 km

1.1.5 Xác định các điều kiện thi công

- Trên địa bàn tỉnh Quảng Trị có nhiều công ty chuyên trong lĩnh vực xây dựng, đủnăng lực thi công tuyến đường này

- Điều kiện nhân lực: Địa phương có nguồn lao động tại chổ lớn là điều kiện thuận lợicho việc xây dựng tyến đường

1.2 Thiết kế cấu tạo.

1.2.1 Quan điểm thiết kế cấu tạo:

- Chọn loại tầng mặt áo đường trước hết cần xuất phát từ ý nghĩa cấp hạng kỹ thuậtcủa đường, lưu lượng vận tốc xe chạy thiết kế, đồng thời phải xét đến điều kiện khíhậu, khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công và điều kiện duy tu sửu chửa

- Vật liệu dùng làm lớp mặt cần dùng loại ít hoặc không thấm nước, có cường độ cao

và tính ổn định cường độ đối với nước, nhiệt cao và đặc biệt có khả năng chống tácdụng phá hoại bề mặt và chống bào mòn tốt

- Xác định tên tuổi và sắp xếp thứ tự trên, dưới của các lớp vật liệu trong các phương

án kết cấu áo đường trên cơ sở chức năng và nhiệm vụ của mỗi lớp để đảm bảo cả kếtcấu áo đường thoả mãn cơ bản các yêu cầu chung

- Phải tuân thủ nguyên tắc thiết kế tổng thể nền áo – đường

+ Chú trọng các biện pháp nâng cao cường độ và ổn định cường độ

+ Tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với KCAD nhằm giảm chiều dàykết cấu và giảm giá thành xây dựng

+ Hạn chế tác dụng của ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền mỗi tầng

+ Sử dụng biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại lớp mặt do xe gây ra

- Phải chọn và bố trí đúng các tầng, lớp vật liệu trong kết cấu nền áo – đường sao chophù hợp với chức năng của từng lớp

- Sử dụng tối đa các vật liệu và phế thải công nghiệp tại chổ

Từ quan điểm trên kiến nghi.

+ Cấu tạo tầng mặt KCAĐ: theo kết quả tính toán số trục xe tiêu chuẩn tích lủy trongthời hạn tính toán 15 năm tính toán là 0.70x10 6(trục tctt /làn.ng.đêm) > 0.50x10 6(trục tctt /làn.ng.đêm)- theo tiêu chuẩn 22TCN 211 -06 chọn bể dày tối thiểu tầng mặtcấp cao A1 là 8cm

*Chọn vật liệu tầng mặt: Bê tông nhựa chặt loại I gồm 2 lớp:

- Lớp 1: Bê tông nhựa hạt trung dày 5cm

- Lớp 2: Bê tông nhựa hạt thô dày 7cm

+ Cấu tạo tầng móng KCAĐ:Gồm có móng trên và móng dưới

- Vật liệu: Cấp phối đá dăm nghiền loại I (Dmax 25), Cấp phối đá dăm nghiền loạiII(Dmax 37.5), cát gia cố xi măng Rn>2Mpa,cấp phối thiên nhiên.

+ Cấu tạo lớp đáy KCA Đ:

- Vật liệu: Nền đất là loại á sét K95

1.2.2 Đề xuất phương án cấu tạo kết cấu nền áo đường.

4

3

2 CPDD loại I Dmax 25 Cát gia cố XM 8% CPDD loại I Dmax 25

1 CPDD loại II Dmax 37.5 Cấp phối thiên nhiên Cấp phối thiên nhiên

BTNC loại I, hạt trung đá dăm > 50%

BTNC loại I, hạt thô, đá dăm > 35%

1.2.3 Xác định phân kỳ đầu tư.

Với vai trò của tuyến đường đã nêu trên, xét đến vấn đề sử dụng lâu dài, có hiệu quảcũng như quá trình phát triển kinh tế lâu dài của địa phương trong tương lai Hơnnữa để giảm chi phí trùng tu, đại tu và căn cứ vào quy mô đầu tư và điều kiện cungứng vật liệu và đơn vị thi công của huyện, tỉnh ta chọn hình thức đầu tư tập trungmột lần

1.3 Tính toán kết cấu nền áo đường.

1.3.1 Xác định đặt trưng tính toán của đất nền đường và các lớp vật liệu.

Nền đường

Tra phụ lục B bảng B-3 trang 63-22TCN211-06

Đất nền theo khảo sát là loại Á Cát có độ ẩm tương đối W/Wnh=0.55

Xác định được Eo = 49MPa, φ = 300, c= 0.02 MPa

Các lớp vật liệu:

Tra phụ lục C bảng C-1,C-2 trang 67-22TCN211-06

- Tính điều kiện kéo uốn t0 = 150

- Tính điều kiện võng t0 = 300

- Tính điều kiện ổn định trược t0 = 600

1.3.2 Xác định chiều dày móng kinh tế.

Điều kiện tính toán: dv

cd yc

Ta có: Eyc=170.8(Mpa)=> Ech=Eyc.K cd dv= 170.8 x 1.1 =187.8(Mpa)

Etb được tính theo công thức:

3 1/3 3

1

L p b ng ta ập bảng ta được: ảng tổng hợp các giá trị tính toán: đượp các giá trị tính toán: c:

STT h3 h3/D Ech3/E3 Ech4/E3 Ech4 Ech4/E4 E0/E4 h4/D h4

E 4 = 420.00 Mpa BTNC L1 hạt trung, đá dăm >50% h 4= 5 cm

E3 = 350.00 Mpa BTNC L1 hạt trung, đá dăm >35% h3= 7 cm

STT h3 h3/D Ech3/E3 Ech4/E3 Ech4 Ech4/E4 E0/E4 h4/D h4

1.3.2.2. Phương án 3

E yc = 150.64 Mpa K dv = 1.1

E 4 = 420.00 Mpa BTNC L1 hạt trung, đá dăm >50% h 4 = 5 cm

E 3 = 350.00 Mpa BTNC L1 hạt trung, đá dăm >35% h 3 = 7 cm

STT (cm) h3 h3/D Ech3/E3 Ech4/E3 Ech4 Ech4/E4 E0/E4 h4/D (cm) h4

Phân tích - So sánh các phương án kết cấu áo đường đề xuất cho 1 km:

 Phân tích đơn giá

Bảng tra đơn giá các vật liệu làm móng kết cấu nền áo đường.

Mã hiệu Danh mục đơn giá Đơn vị Vật liệu Nhân

công Máy Đơn giá

AD.21226 Cấp phối thiên nhiên,

Khối lượng

Phương án 2

(cm)

Khối lượng

b

Cấp phối đá dăm loại 1 Dmax 25 lớp trên h 3 = 13 306,158,570Cấp phối đá dăm loại 2 Dmax 37.5 lớp dưới h 4 = 28 620,438,851

926,597,421

Cấp phối đá dăm loại 1 Dmax 25 lớp trên h 3 = 15 570,775,848

1,177,186,888

Cấp phối đá dăm loại 1 Dmax 25 lớp trên h 3 = 14 329,709,229

1.3.3 Phân tích lựa chọn phương án kết cấu áo đường:

Tuyến đi qua khu vực nhiều sông suối, vào mùa mưa thường có nước dâng cao

Vì vậy với vật liệu cấp phối thiên nhiên sẽ không đảm bảo cường độ vào thời điểm cómưa lũ

Ở khu vực tuy có nhiều cát nhưng lại không có trạm trộn để làm lớp cát gia cố

XM 8% việc này sẽ rất khó khăn để thi công,

Với nguồn vật liệu địa phương chi phí vận chuyển thấp, Cấp phối đá dăm loại 2Dmax 37.5 và loại 1 Dmax 25 là vật liệu có tính chất gần giống nhau nên sẽ làm việctốt hơn so với vật liệu khác

Theo kết quả tính toán bề dày các phương án vật liệu tầng móng và giá thànhcủa từng phương án vì phương án này có giá thành thấp nhất và đảm bảo bề dày củamổi lớp khi chia lớp thi công

Kết luận: Chọn phương án 1b- Phương án 1 có h3= 13cm ; h4 = 28 cm

nên thiên nhiên (A cát)

BTNC L1 hat trung, da dam >50%

BTNC L1 hat tho, da dam >35%

1.3.4 Kiểm toán kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn võng đàn hồi:

1 2 , 1

1 1

12 0

114 , 1

Điều kiện tính toán: tr

cd

tt av ax

+ Kcdtr: hệ số cường độ về chịu cắt trượt tuỳ thuộc và độ tin cậy khi thiết kế, với

độ tin cậy đã chọn 90% (độ tin cậy phụ thuộc cấp đường, Vtk, thời hạn thiết kế Tra

+ K3: hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của nền đất hoặc vật liệu kém dính Đối với loại đất là Á cát K3=1.5

p



Eo= 49 Mpa c, 

h3=7cmh4=5cmh2=13cmh1=28cm

β = 1,179 Lớp E i h i t 1,2 k 1,2 Etd1,2

1.3.6 Tính toán theo tiêu chuẩn kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối:

Điều kiện tính toán: ku

cd

ku tt ku

p=0,6 Mpa áp lực bánh của tải trọng

kb = 0,85 kiểm tra với cụm bánh đôi (theo 3.6.2 tr49/22TCN211-06)

R = k1 k2 Rku

+ Theo mục 3.6.3 tr52 Đối với BTNC loại 1 => k2=1 ;

k1= 0 , 22

11 , 11

e

N =  60 , 22

10

* 70 0

11 , 11

= 0,575+ Đối với lớp trên Rku= 2,8 Mpa => Rttku= 0,575*1*2,8 = 1,61

+ Đối với lớp dưới Rku= 2,0 Mpa => Rttku= 0,575*1*2,0 = 1,15

 Đối với BTN lớp dưới.

=> : σku= 2,1 *0,6*0,85 = 1,071Thay vào điều kiện kiểm toán ku

cd

ku tt

15 , 1 071 ,

1   => thỏa mãn điều kiện

 Đối với BTN lớp trên.

E3= 1600 Mpa E2= 300 Mpa E1= 250 Mpa

p h4=5cm

h3=7cm h2=13cm h1=28cm

E3= 1600 Mpa E2= 300 Mpa E1= 250 Mpa

Echm Echm

E4= 1800 Mpa E3= 1600 Mpa E2= 300 Mpa E1= 250 Mpa

p

h4=5cm h3=7cm h2=13cm

Eyc=150.64Mpa E4= 1800 Mpa

E3= 1600 Mpa E2= 300 Mpa E1= 250 Mpa

p h4=5cm

h3=7cm

Hệ số điều chỉnh

Et d1,2,3 264.51

0.17

Tỷ số h/D = 48/33 = 1,45

E0/Etd

123 = 49/442,2 = 0,11Tra Kogan 3-1 tr41 => Echm / Etd

123 = 0,44 => Echm = 0,44*442,2 = 194,57Mpa

Tìm ku :

E4 = 1800 Mpa

Tỷ số h/D = 5/33 = 0,15

E1/Echm = 1800 / 194,57 = 9,25Tra toán đồ 3-5 tr50 => ku= 2,2

=> : σku= 2,2 *0,6*0,85 = 1,122Thay vào điều kiện kiểm toán ku

cd

ku tt

61 , 1 122 ,

 Kết luận: Các kết quả kiểm toán theo trình tự tính toán như trên cho thấy kết cấu

dự kiến bảo đảm được tất cả các điều kiện về cường độ, do đó có thể chấp nhận nólàm kết cấu thiết kế

1.3.7 Đề xuất phương án đầu tư phân kì :

Để nguồn vốn không đầu tư 1 lần với số tiền lớn vào công trình, ta có thể phân

kỳ đầu tư để nhiều lần với số tiền đầu tư lần 1 ít hơn và sử dụng số tiền còn lại vàocông việc khác

Với đường cấp IV, Vtk =60Km/h, số trục xe tích lũy năm thứ 10 Ne = 0.35*106

(trục tctt/làn.ngày.đêm), ta có thể chọn KCAD A2 Với thời hạn thiết kế là 10 năm

Năm thứ 10 : Eyc = 116.96 Mpa

Kết cấu áo đường dự kiến như sau:

3 BTNC loại II, hạt trung đá dăm > 50% E3 = 294 Mpa 7 cm

1 CPDD loại II Dmax 37.5 E1 = 250 Mpa 28 cm

Tính toán E td của 3 lớp :

β = 1.165 Lớp E i h i t 1,2 k 1,2 Etd1,2

Xét tỷ số: h/D = 48 / 33 = 1,45 ; E0/ Etd

123= 49 / 300 = 0,16Tra toán đồ 3-1tr41 được Ech/E = 0,52 => Ech = 0,52* 300 = 156,0 Mpa

Kiểm tra điều kiện võng: Ech ≥ Eyc.Kdv  156,0 ≥ 116.96*1,1 = 128.65 Mpa (thỏa đk)

Vậy chọn KCAD như trên để đầu tư cho 10 năm đầu, và 5 năm cuối sẽ bổ sunglớp tiếp theo

1.3.7.1 Kiểm tra kết cấu 10 năm đầu:

a./ Kiểm toán theo điều kiện trượt:

0,90

Xét tỷ số : h/D = 48 / 33 = 1,45 ; Etd

123 / E0 = 313.2 / 49 = 6,39.Tra toán đồ 3-2 => Tax/p = 0,022 => Tax = 0,022* 0,6 = 0,0132 Mpa

E2= 300 Mpa E1= 250 Mpa

p h3=7cm

h2=13cm h1=28cm

D

Etd

0

+ C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính Tra bảng B-3tr63/22TCN211-06 loại đất Á cát có C=0,02

+ K1: hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất hoặc vật liệu kémdính chịu tải trọng động và gây dao động, tính 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.Dựa vào lưu lượng trục xe năm thứ 15 nhỏ hơn 1000 trục/làn/ng.đ tra bảng 3-8tr48/22TCN211-06 có K2= 0.8

+ K3: hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của nền đất hoặc vật liệu kém dính Đối với loại đất là Á cát K3=1.5

Ctt = 0,02 * 0,6 * 0,8 * 1,5 = 0,0144+ Kcdtr: hệ số cường độ về chịu cắt trượt tuỳ thuộc và độ tin cậy khi thiết kế, với

độ tin cậy đã chọn 90% (độ tin cậy phụ thuộc cấp đường, Vtk, thời hạn thiết kế Tra

3-3 và 3-3-7), ta có Kcdtr = 0,94 (bảng 3.7 trang 45/22TCN211-06)

Thay vào điều kiện tr

cd

tt av ax

b./ Kiểm toán theo điều kiện kéo uốn:

Điều kiện tính toán: ku

cd

ku tt ku

p=0,6 Mpa áp lực bánh của tải trọng

kb = 0,85 kiểm tra với cụm bánh đôi (theo 3.6.2 tr49/22TCN211-06)

R = k1 k2 Rku

* theo mục 3.6.3 tr52 Đối với BTNC loại 1 => k2=1 ;

k1= 0 , 22

11 , 11

e

N =  60 , 22

10

* 35 0

11 , 11

= 0,67 ; BTN loại 2 có Rku= 2,4 Mpa => Rttku= 0,67*1*2,4 = 1,608

Ech=m Ech=127,59Mpa

tb = 0,48 => Echm = 0,48*303,01 = 145,45Mpa

Tìm ku :

E4 = 1260 Mpa

Tỷ số h/D = 5/33 = 0,15

E1/Echm = 1260 / 145,45 = 8,66Tra toán đồ 3-5 tr50 => ku= 2,1

=> : σku= 2,1 *0,6*0,85 = 1,071Thay vào điều kiện kiểm toán ku

cd

ku tt ku

608 , 1 071 ,

1.3.7.2 Kiểm tra kết cấu 5 năm sau:

Sau 10 năm sử dụng kết cấu áo đường có Ecu= 90%Ech10= 0,90*156,0=140,4 Mpa

Chọn lớp BTNC loại 1 hạt trung, đá dăm >50% có E=420Mpa

Kdv

EycD