Đồ án thiết kế đường ô tô , tải trọng tính toán 100kN, áo đường mềm, đường kính vệt bánh xe D=33cm, áp cjleen mặt đường p = 0,6MPa

đ-Thời gian tính toán kết cấu áo đờng lấy bằng thời gian đại tu của lớp mặt bền vững nhất,với áo đờng cấp A1 lớp mặt phải là bê tông nhựa hạt trung có Tđạitu = 15 năm, do đó thời giantín

Chơng I thiết kế kết cấu áo đờng

I.1. Số liệu thiết kế

I.1.1. Tải trọng và thời gian tính toán (22 TCN 211-06 ) [1]

Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là trục đơn của ô tô có trọng lợng 100 kN đối với áo ờng mềm thuộc mạng lới chung Đờng kính vệt bánh xe quy ớc D = 33 (cm), áp lực lên mặt đ-ờng p = 0,6 (MPa)

đ-Thời gian tính toán kết cấu áo đờng lấy bằng thời gian đại tu của lớp mặt bền vững nhất,với áo đờng cấp A1 lớp mặt phải là bê tông nhựa hạt trung có Tđạitu = 15 năm, do đó thời giantính toán kết cấu áo đờng là 15 năm

a Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN :

4 , 4

P

P N C C

 C1: hệ số trục, C1 1  1 , 2m 1, m: số trục của cụm

 C2  6 , 4 cho các trục trớc và trục sau loại mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và

0 , 1

2 

C cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh ( cụm bánh đôi)

Bảng tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ nhất(t=0).

Loại xe Tải trọng trục Pi(kN) C1 C2 Nit ni

214 146 38 21 2 7

i

i n

Bảng tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ năm(t=5).

Loại xe Tải trọng trục Pi(kN) C1 C2 Nit ni

i

i n

Bảng tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ mời(t=10).

Loại xe Tải trọng trục Pi(kN) C1 C2 Nit ni

i

i n

Bảng tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ 15(t=15).

Loại xe Tải trọng trục Pi(kN) C1 C2 Nit ni

i i

n

(*) - tải trọng trục dới 25kN, không xét đến khi quy đổi

a Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên kết cấu có lề gia cố

 f1: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe đợc xác định nh ở mục3.3.2 và 3.3.3 Tiêu chuẩn 211-06

Theo mục 3.3.2[ 1] lấy f1=0,55

Theo mục 3.3.3[1], số trục xe tính toán NTT để thiết kế kết cấu áo lề gia cố lấy 50% số trục xe tính toán của làn xe cơ giới liền kề

Với làn xe cơ giới NTT= 677*0,55= 372 [trục/làn.ngàyđêm]

Với lề gia cố NTT= 0,5*372 = 186 [trục/làn.ngàyđêm]

15

) 08 , 0 1 ( 08 , 0

1 08 , 0 1

365 ) 1 (

1 1

q

I.1.3. Mô đun đàn hồi yêu cầu

Eyc: mô đun đàn hồi yêu cầu phụ thuộc tải trọng trục tính toán, tầng mặt của kết cấu áo

đờng thiết kế Tra theo bảng 3.4 của [1]

Emin: mô đun đàn hồi tối thiểu phụ thuộc vào cấp đờng, loại áo đờng tra theo bảng 3.5của [1]

Echọn : mô đun đàn hồi chọn tính toán Echọn = max(Eyc,Emin)

Cấp đờng Năm tt Loại mặt NTT Eyc(MPa) Emin(MPa) Echọn(MPA)

I.1.4. Nền đất

Theo tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế cơ sở, đất đắp nền đờng là loại đất á sét, trạngthái ẩm của đất nền đờng trong khu vực tác dụng là ẩm vừa - kết cấu nền áo đờng chịu ảnh h-ởng của một vài nguồn ẩm nào đó và không đạt đợc một số điều kiện Các đặc trng tính toán

đất nền lấy theo [1] nh sau:

 Mô đun đàn hồi Eo = 42 MPa

 Góc ma sát trong o = 24o

 Lực dính Co = 0,032 MPa

 Độ ẩm tơng đối tính toán là : 0,6 %

I.1.5. Đặc tr ng vật liệu làm mặt đ ờng

Căn cứ vào các điều kiện và khảo sát thực tế :

 Phụ lục C của [1]

 Nhà thầu đáp ứng đủ nhu cầu về nhân , vật lực tại chỗ

 Nhà thầu có đủ khả năng thi công và các loại máy móc cần thiết

Ta chọn vật liệu nh sau:

Vậy : Dựa vào

 Cấp thiết kế của đờng (cấp IV)

 Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời gian thiết kế (N e = 1,255.10 6 )

 Có thể chọn 2 phơng án :

 Phơng án đầu t tập trung : chọn kết cấu áo đờng cấp cao A1

 Phơng án đầu t phân kỳ : chọn kế cấu áo đờng cấp cao A2 trong khoảng vài năm đầu và nâng cấp lên kết cấu áo đờng cấp cao A1 trong các năm tiếp theo

I.2. Ph ơng án đầu t tập trung

I.2.1. Dự kiến cấu tạo kết cấu áo đ ờng :

Tầng mặt gồm hai lớp BTN hạt mịn và hạt thô là hai lớp đắt tiền, nên khi thiết kế nếuquá dầy sẽ không kinh tế Vì vậy ta cố định chiều dầy của các lớp BTN theo bề dày tối thiểu

đảm bảo cấu tạo, cờng độ và thi công rồi thay đổi và tính toán chiều dày các lớp d ới Chọn bềdày lớp BTN hạt mịn h1 = 5 cm và bề dày lớp BTN hạt thô h2 = 7 cm ( trong qui định trong2.2.9( [1] ), tổng số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong 15 năm trên 1 làn xe Ne= 1,255.106 thì tổng

bề dầy tối thiểu 2 lớp bê tông nhựa phải là 9 cm ) Trên cơ sở đó, dự kiến các giải pháp kết cấu

áo đờng loại A1 nh sau:

 Chọn móng trên bằng cấp phối đá dăm loại 1, móng dới bằng cấp phối sỏi cuội

Để lựa chọn kết cấu áo đờng có chi phí xây dựng rẻ nhất đồng thời vẫn đảm bảo đáp ứngcác yêu cầu đặt ra, sơ bộ đề ra các giải pháp kết cấu áo đờng, rồi so sánh mô đun đàn hồichung của cả kết cấu áo đờng với mô đun đàn hồi yêu cầu và so sánh chi phí xây dựng ban đầugiữa các giải pháp Từ đó chọn phơng án áo đờng có chi phí rẻ nhất

Sơ đồ 3 phơng án áo đờng :

Đề ra các phơng án về chiều dày h3, h4 ứng với mỗi giải pháp kết cấu Từ đó tính mô đun

đàn hồi chung của cả kết cấu áo đờng theo các bớc:

Ta có Eyc= 170,32 MPa Đờng cấp IV, 2 làn xe nên theo bảng 3-3, chọn độ tin cậy thiết

kế là 0,85, do vậy theo bảng 3-2 [1] xác định đợc K cd dv  1 , 06 Vậy

Bề dày 2 lớp móng đợc tính toán trên cơ sở giả thiết h3( lớp cấp phối đá dăm loại1), việcxác định bề dầy của 2 lớp kết cấu trên bằng cách quy đổi hệ số kết cấu áo đ ờng về hệ 2 lớpsau đó dùng biểu đồ Korgan để xác định tỉ số h4/D từ đó ta xác định đợc h4

Kết quả đợc trình bày ở bảng sau:

17 cm Cấp phối đá dăm loại I

30 cm Cấp phối đá dăm loại II

Dựa vào đơn giá xây dựng cơ bản của thành phố Hà Nội ta tính giá thành xây dựngmóng mỗi giải pháp nh sau:

h 1 , h 2 : là chiều dày lớp dới và lớp trên của áo đờng

E 1 ,E 2 : là mô đun đàn hồi của vật liệu lớp dới và lớp trên

Cấp phối đá dăm loại 1 Cấp phối sỏi cuội

Kết luận : Nhận thấy giải pháp chọn của phơng án 3 có kết cấu móng là hợp lí và rẻ nhất Vậy

ta sơ bộ chọn kết cấu áo đờng cho phơng án đầu t tập trung một lần là phơng án 3 với thời gian so sánh là 15 năm nh sau:

5cm Bê tông nhựa hạt mịn

7 cm Bê tông nhựa hạt thô

16 cm Cấp phối đá dăm loại I

33 cm Cấp phối sỏi cuội

I.2.2. Kiểm tra kết cấu chọn

Với kết cấu áo đờng đờng cấp AI phải kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cờng độ:

 Độ võng đàn hồi (độ lún kết cấu áo đờng không vợt quá trị số cho phép);

 ứng suất tiếp (không phát sinh biến dạng dẻo kể cả trong nền đất);

 ứng suất kéo uốn (tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại)

a Kiểm tra độ võng đàn hồi

Điều kiện: yc

dv cd

Quy đổi các lớp vật liệu áo đờng về 1 lớp, từ dới lên theo các bớc nh ở bớc trớc

 Chuyển hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách đổi các lớp vật liệu làm áo đ ờnglần lợt hai lớp một theo thứ tự từ dới lên trên theo công thức:

3 3 / 1 1

'

1

1

Trong đó:

E ch : mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đờng

E 1 : mô đun đàn hồi trung bình của các vật liệu làm áo đờng

E o : mô đun đàn hồi chung của nền đất H: tổng chiều dày của các lớp vật liệu làm áo đờng D: đờng kính vệt bánh xe tính toán, D = 33cm

) , ( 0 1

H E

E f E

Cấp phối đá dăm loại 1 300 1 , 304

Tra bảng 3.6 ( [1] ) đợc   1 , 2 Vậy kết cấu nhiều lớp đợc đa về kết cấu có 2 lớp vớilớp trên dày 61 cm và có môđun đàn hồi trung bình :

42

dc tb E E

Ech= 181,3 MPa > K dv E yc x MPa

cd  1 , 06 170 , 32  180 , 54

Kết luận: Kết cấu đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi.

b Kiểm tra điều kiện cắt tr ợt tại vị trí tiếp xúc với nền đất

Điều kiện: ax + av  tr tt

K C

 ax: ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trongnền đất;

 av: ứng suất cắt hoạt động do trọng lợng bản thân các lớp vật liệu nằm trên gây

Cấp phối đá dăm loại 1 300 1 , 304

Tra bảng 3.6 ( [1] ) đợc   1 , 2 Vậy kết cấu nhiều lớp đợc đa về kết cấu 2 lớp với lớptrên dày 61 cm và có môđun đàn hồi trung bình

08 , 306 07 , 255 2 , 1

08 , 306

848 ,

1 33

0



E D

p ax



(Tra toán đồhình 3.3 [1] )

) ( 61



cm H

 av = - 0,0013 (MPa) (Tra toán đồ 3.4 [1] )

Xác định trị số C tt :

3 2

K1: hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trợt khi đất hoặc vật liệu kém dính chịu tảitrọng động và gây dao động, K1=0,6

K2: hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, do số trục

xe tính toán Ntt = 372 (trục/làn.ngàyđêm) < 1000 nên chọn K2=0,8

K3: hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trợt của đất hoặc vật liệu kém dính, K3 đợcxác định tùy thuộc vào loại đất trong khu vực tác dụng nền đờng Đất nền là á sét  K3= 1,5Vậy:

C

9 , 0

023 , 0

0,0256MPa

Kết luận: Không xảy ra trợt tại vị trí tiếp xúc với nền đất

c Kiểm tra ứng suất kéo uốn của kết cấu:

Điều kiện: ku

cd

ku tt ku K

 Rttku: cờng độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối;

 ku: ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dới tácdụng của tải trọng bánh xe

Đối với bê tông nhựa lớp dới:

MPa x

x E

cm

7 5

7 2000 5

Cấp phối đá dăm loại 1 300 1 , 304

Tra bảng 3.6 ([1]) đợc   1 , 168 Vậy E tb dc   E tb'  1 , 168 251 , 48  293 , 76(MPa)

42





dc tb

nendat E E

Từ tỷ số trên tra toán đồ Hình 3.1([1]) đợc dc  0 , 502

tb

m ch E

: ứng suất kéo uốn đơn vị

 p: áp lực bánh của tải trọng trục tính toán

33 , 2083

m ch E E

Kết quả tra toán đồ đợc

Cấp phối đá dăm loại 1 300 1 , 304

2000

49 7

Tra bảng 3.6 ( [1] ) đợc   1 , 187 Vậy E tb dc   E tb'  1 , 187 357 , 7  424 , 59(MPa)

42





dc tb

nendat E E

Từ tỷ số trên tra toán đồ Hình 3.1( [1] ) đợc dc  0 , 464

tb

m ch E

: ứng suất kéo uốn đơn vị

 P : áp lực bánh của tải trọng trục tính toán

m ch E E

Kết quả tra toán đồ đợc

tt Trong đó:

 Rku: cờng độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán và ở tuỗi mẫu tính toán d

-ới tác dụng của tải trọng tác dụng 1 lần

 k2: hệ số xét đến sự suy giảm cờng độ theo thời gian so với các tác nhân về khíhậu thời tiết Với bê tông nhựa chặt loại 1 k2=1,0

 k1: hệ số xét đến sự suy giảm cờng độ do vật liệu bị mỏi dới tác dụng của tảitrọng trùng phục, k1 đợc lấy theo biểu thức dới đây:

1 , 255 10  0,506

11 , 11 11

, 11

22 , 0 6 22

, 0

e N

Vậy cờng độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa dới:

MPa k

k R

R ku ku

tt  1. 2  2 , 0 0 , 506 1 , 0  1 , 012Cờng độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa trên:

MPa k

k R

Kiểm tra với lớp bê tông nhựa dới:

Pa k

R MPa ku

dc

ku tt

9 , 0

012 , 1 887

R MPa ku

dc

ku tt

9 , 0

417 , 1 06

,





Kết luận: Các lớp bê tông nhựa đảm bảo điều kiện chịu kéo uốn.

Nh vậy kết cấu chọn của phơng án đầu t tập trung thoả mãn đủ cả ba yêu cầu về cờng

độ

I.3 Ph ơng án đầu t phân kỳ

Phơng án đầu t tập trung có u điểm là lớp mặt là bê tông nhựa hạt mịn đi êm thuận, tốc

độ cao, kín thoát nớc tốt ít tốn kém trong duy tu bảo dỡng cũng nh trung tu tiểu tu nhng lại cónhợc điểm là do lu lợng những năm đầu nhỏ mà đợc đáp ứng với kết cấu cờng độ lớn và loại tốt

nh vậy là thừa và lãng phí bên cạnh đó vốn đầu t ban đầu quá lớn không kinh tế trong đầu t Phơng án đầu t phân kỳ có u điểm là do đầu t từng giai đoạn đáp ứng lu lợng giai đoạn

đó nên hợp lý về cấu tạo kết cấu theo cả không gian và thời gian và tiết kiệm vốn đầu t ban đầusong phơng án đầu t phân kỳ cũng có những nhợc điểm giai đoạn đầu có lớp mặt cấp thấp nênchi phí vận doanh cao hơn phơng án đầu t tập trung (trong thời gian xét) và với lớp mặt cấpthấp nên tốn kém hơn trong duy tu bảo dỡng

I.3.1. Phân giai đoạn và kết cấu áo đ ờng từng giai đoạn

Phân làm 2 giai đoạn đầu t vì nếu phân nhiều giai đoạn đầu t sẽ rất phức tạp trong việc

điều động máy móc thi công cũng nh phải tổ chức điều chỉnh giao thông để có mặt bằng thicông

* Giai đoạn I

 Lớp láng nhựa 3 (cm) ;

 Cấp phối đá dăm loại I h3 = 17 (cm) E3 = 300 (MPa);

 Cấp phối sỏi cuội h4 = 32 (cm) E4 = 230 (MPa);

Cấp phối đá dăm loại 1 300 1 , 304

42

dc tb E E

Ta lập đồ thị quan hệ giữa năm tơng lai và Eyc.Kcddv với hệ số Kcddv = 1,06

Mô đun đàn hồi Eyc.Kcddv (MPA) theo các năm tơng lai với Kcddv = 1,06

Kết cấu A1 158,16 164,09 165,88 167,67 169,6 170,68 171,83 173,03Kết cấu A2 131,66 137,59 139,38 141,17 143,1 144,18 145,33 146,53Theo bảng trên ta có đồ thị quan hệ mô đun đàn hồi yêu cầu (có nhân hệ số cờng độ)theo các năm :

Dựa vào đồ thị trên , từ Ech = 147,45 (MPa) ta thấy kết cấu áo đờng vẫn đảm bảo đợc yêucầu đến năm thứ 10.Vậy ta chọn thời điểm phân kỳ giữa hai giai đoạn đầu t là năm thứ 10 :

Cấp đờng Nămtt Loại mặt NTT Eyc(MPa) Emin(MPa) Echọn(MPA)

a Kiểm tra kết cấu áo đ ờng theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi

Điều kiện: yc

dv cd

Theo trên ta có : E ch  147 , 45 K cd dv.E yc  146 , 53

Kết luận: Kết cấu đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi.

b. Kiểm tra kết cấu áo đ ờng theo tiêu chuẩn chịu cắt tr ợt :

Điều kiện: ax + av  tr

cd

tt K C

Theo trên ta có E tb dc  293 , 73 (MPa) (tính trợt và và võng giống nhau)

Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây ra trong nền đất  ax :

7 42

73 , 293

485 ,

1 33

49

0

E

D H

p ax



(Tra toán đồ hình 3.3[1] )

) ( 49



cm H

 av = - 0,0012 (MPa) (Tra toán đồ 3.4 [1] )

C

9 , 0

023 , 0

Emđcu = 0,95EchmI = 0,95147,45 = 140,08 (MPa); Hmđcũ = 52 (cm)

Sau khi đầu t các lớp giai đoạn II toàn bộ kết cấu (cả 2 giai đoạn) phải đáp ứng đợc cờng

độ yêu cầu 15 năm: Eyctính toán = Eyc15 năm = 170,32 (MPa)

Bắt đầu giai đoạn II tiếp tục đầu t thêm 2 lớp bê tông nhựa để nâng cấp kết cấu áo đờnglên cấp cao A1 :

 BTN hạt mịn h1 = 6 cm E1= 420 (MPa);

 BTN hạt thô h2 = 7 cm E2= 350 (MPa)

Giai đoạn II Bê tông nhựa hạt mịn E1 = 420 (Mpa) h1 = 6 (cm)

Bê tông nhựa hạt thô E2 = 350 (MPa) h2 = 7 (cm)Giai đoạn I

140,08

dc tb E E

Ech= 182,99 MPa > K dv E yc x MPa

cd  1 , 06 170 , 32  180 , 54

Kết luận : Kết cấu đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi.

Vậy kết cấu của hai phơng án đầu t đa vào so sánh nh sau :

I.4 So sánh và lựa chọn ph ơng án đầu t

Để lựa chọn phơng án áo đờng đầu t tập trung hay đầu t phân kỳ thì ta phải tiến hànhtính toán các “chi phí tập trung ’’ và “chi phí thờng xuyên’’ để phục vụ cho việc cho việc sosánh kinh tế - kỹ thuật, tính toán hiệu quả đầu t thực tế Hay tóm lại tiêu chuẩn để so sánh

về kinh tế là phơng án áo đờng đợc chọn phải có Tổng chi phí xây dựng và khai thác

1km áo đờng tính đổi về năm gốc có giá trị nhỏ nhất (P qđ min)

Ta có : Pqđ = Kqđ +  

ss

t

t qd

t tx E

C

1 ( 1 ) = Kqđ + C tx

Trong đó :

t – khoảng thời gian kể từ năm gốc tới năm bỏ vốn đầu t

Eqđ = 0,08 – hệ số hiệu quả kinh tế tiêu chuẩn khi tính đổi

Ctxt – chi phí thờng xuyên năm thứ t

Kqđ – tổng các chi phí tập trung cho 1 km kết cấu áo đờng tính đổi về năm gốc

I.4.1 Tổng chi phí tập trung quy đổi về năm gốc:

Ta có : Kqđ = Ko + với d = 1+Eqđ

K0 - chi phí đầu t xây dựng ban đầu 1km áo đờng (đ/km)

Kct - chi phí cải tạo áo đờng (nếu có cải tạo nâng cấp ) trong khoảng thời gian khai thác tính toán (đ/km)

Kđ.t - chi phí một lần đại tu áo đờng (đ/km)

Ktr.t - chi phí cho một lần trung tu áo đờng

nct ,nđ.t ,ntr.t - thời gian kể từ năm gốc (năm đa đờng vào sử dụng ) đến lúc cải tạo, đại

tu, trung tu áo đờng

iđ.t ,itr.t - số lần tiến hành đại tu, trung tu trong khoảng thời gian khai thác

a Xác định chi phí đầu t xây dựng ban đầu: (K 0 )

Ta có bảng giá xây dựng 1m2 áo đờng với các phơng án đầu t tập trung và đầu t phân

Phơng án này có lớp mặt là bêtông nhựa nên theo bảng 5-1 22 TCN 211-93, thời hạn

đại tu áo đờng là 15 năm và trung tu áo đờng là 5 năm.Do đó trong thời kỳ so sánh tss=15năm thì kết cấu áo đờng sẽ có 2 lần trung tu vào năm thứ 5 và năm thứ 10, không có đại tucũng theo bảng 5-1 ta có Ktr.t=0,051.K0

Nên chi phí tập trung quy đổi về năm gốc là :