Áo đường là công trình xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường để phục vụ cho xe chạy, trực tiếp chịu tác dụng phá hoại thường xuyên của các phương tiện giao thong và của các nhân tố thiên nhiên (mưa gió, sự biến động nhiệt độ). Như vậy để bảo đảm xe chạy an toàn, êm thuận, kinh tế, bảo đảm đạt các chỉ tiêu khai thác – vận doanh có hiệu quả nhất thì việc thiết kế và xây dựng áo đường cần phải đạt được các yêu cầu cơ bản dưới đây :
Trang 1CHƯƠNG I
THIẾT KÊ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
1 Yêu cầu chung đối với áo đường:
Áo đường là công trình xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu
có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường để phục vụ cho xe chạy, trựctiếp chịu tác dụng phá hoại thường xuyên của các phương tiện giao thong và của cácnhân tố thiên nhiên (mưa gió, sự biến động nhiệt độ) Như vậy để bảo đảm xe chạy antoàn, êm thuận, kinh tế, bảo đảm đạt các chỉ tiêu khai thác – vận doanh có hiệu quảnhất thì việc thiết kế và xây dựng áo đường cần phải đạt được các yêu cầu cơ bản dướiđây :
- Áo đường phải có đủ cường độ chung (và tại mỗi điểm riêng trong mỗi tầng,
lớp vật liệu) biểu thị qua khả năng chống lại biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt,biến dạng co dãn do chịu kéo – uốn hoặc do nhiệt độ, đồng thời phải có đủ sức chịuđựng các tác dụng phá hoại bề mặt của xe cộ (chống bong bật, chống tạo vết hằn bánhxe) và thiên nhiên Hơn nữa cường độ và sức chịu đựng này phải ít thay đổi theo điều
kiện thời tiết, khí hậu, tức là phải ổn định về cường độ, do vậy cấu trúc vật liệu và hình
dạng bề mặt mặt đường phải tạo điều kiện thoát nhanh nước mưa khỏi phần xe chạy ;
- Mặt đường phải bảo đảm đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cảnlăn, giảm sóc khi xe chạy do đó nâng cao được tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiênliệu và kéo dài tuổi thọ và các phụ tùng Đây là một yêu cầu và một phương hướngquan trọng để hạ giá thành vận tải Nó có liên quan chặt chẽ với cường độ áo đường vìnếu cường độ thấp thì mặt đường càng dễ bị biến dạng gây lồi lõm, bong bật, ổ gà…
Để bảo đảm độ bằng phẳng khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thíchhợp (nhất là các lớp bề mặt) và chú ý trước đến các biện pháp kỹ thuật và công nghệthi công
- Bề mặt áo đường phải có đủ độ nhám nhất định (nhất là khi trời mưa) để nângcao hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với tốc
độ cao và trong trường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng Yêu cầu này cũngchủ yếu phụ thuộc việc chọn lớp trên mặt của kết cấu áo đường và nó hoàn toàn không
có mâu thuẫn gì với yêu cầu về độ bằng phẳng, đông thời cũng đòi hỏi phải thoát nướcmặt đường thật nhanh ;
- Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt Bụi là do xe cộ phá hoại, bào mòn mặtđường ; bụi làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu đến hành khách và hàng hóa, các bộphận máy móc của xe và làm bẩn môi trường
Trang 2Không phải lúc nào cũng đòi hỏi áo đường có đầy đủ phẩm chất đáp ứng cácyêu cầu nói trên một cách tốt nhất, vì như vậy sẽ rất tốn kém, nhất là khi cường độ vậntải còn thấp Do đó người thiết kế phải xuất phát từ yêu cầu thực tế, ý nghĩa xây dựngđường… để đưa ra những kết cấu mặt đường thích hợp thõa mãn các mức độ khácnhau các yêu cầu nói trên.
2 Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường:
- Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp 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 giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng Đồng thời, còn phải sử dụng các biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vậtliệu và tổ hợp các thành phần vật liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bịnước xâm nhập…) để hạn chế các tác dụng của ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết cấu áo đường và đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp mặt trên cùng do xe chạy gây ra
- Phải chọn và bố trí đúng các tầng, lớp vật liệu trong kết cấu áo đường sao cho phù hợp với chức năng của mỗi tầng, lớp và bảo đảm cả kết cấu đáp ứng được những yêu cầu cơ bản theo mục 1.3.1 đồng thời phù hợp với khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công và khả năng khai thác duy tu, sửa chữa, bảo trì sau này
- Phải sử dụng tối đa các vật liệu và phế thải công nghiệp tại chỗ (sử dụng trựctiếp hoặc có gia cố chúng bằng chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ) Ngoài ra, phải chútrọng vận dụng các kinh nghiệm về xây dựng và khai thác áo đường trong điều kiện cụthể của địa phương đường đi qua
- Cần đề xuất từ 2 đến 3 phương án cấu tạo kết cấu áo đường Khi đề xuất các phương án thiết kế cần phải chú trọng đến yêu cầu bảo vệ môi trường, yêu cầu bảo đảm an toàn giao thông và cả yêu cầu về bảo vệ sức khoẻ, bảo đảm an toàn cho người thi công
- Cần xét đến phương án phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo kết cấu áo
đường Trên cơ sở phương án cho quy hoạch tương lai cần dự tính biện pháp tăng cường bề dày để tăng khả năng phục vụ của áo đường phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian Riêng đối với áo đường cao tốc và đường cấp I hoặc cấp II thì không nên xét đến phương án phân kỳ xây dựng áo đường
- Đối với các đoạn đường có tầng mặt là loại cấp cao A1 nhưng qua vùng đất yếu có khả năng phát sinh độ lún lớn và kéo dài thì có thể thiết kế kết cấu nền áo đường theo nguyên tắc phân kỳ xây dựng trên cơ sở đảm bảo cho tầng mặt cấp cao A1
Trang 3ở trên không bị hư hại do lún Lúc thiết kế vẫn phải dựa vào lượng giao thông ở cuối thời hạn thiết kế để thiết kế kết cấu và bề dày nhưng khi thi công có thể giảm bớt bề dày tầng mặt tương ứng với thời gian phân kỳ, đợi sau khi nền đường đi vào ổn định mới rải tiếp lớp mặt bê tông nhựa cấp cao A1 hoặc các lớp tạo phẳng, tạo nhám trên cùng.
3 Quy trình tính toán và tải trọng tính toán:
3.1 Quy trình tính toán:
Áo đường mềm được tính toán thiết kế theo quy trình thiết kế áo đường mềm
22 TCN 211-06
3.2 Tải trọng tính toán:
- Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (trục đơn): 100(kN)
- Áp lực tính toán lên mặt đường : p = 0.6 (Mpa).
- Đường kính vệt bánh xe: D = 33 (cm).
4 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu.
Eyc = max(Emin ; Ellxc)
4.1 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiều Emin :
Mô đun đàn hồi tối thiểu của phần xe chạy (lề gia cố) phụ thuộc vào cấp đường
và cấp áo đường, được xác định theo bảng 3-5 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06.
Bảng I.4.1: Trị số tối thiểu của mô đun đàn hồi yêu cầu (Mpa)
Loại đường và cấp đường Loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế
1 Đường Ô tô
4.2 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng Ellxc :
Mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng trục xe tính toán phụ thuộc vào tảitrọng xe tính toán, cấp áo đường và lưu lượng trục xe tính toán trên một làn xe trongmột ngày đêm tại năm thiết kế
Xác định lưu lượng trục xe tính toán trên một làn xe Ntt :
P
P N C C f
N
1
4 , 4 2
Trang 4- k : Số loại xe chạy trên đường.
- P i : Tải trọng trục của loại xe i.
- P tt : Tải trọng trục của loại xe tính toán Ptt = 10 (T)
- N i : Lưu lượng của loại xe i theo cả 2 chiều ở thời điểm bắt đầu đầu tư:
t
N ( 1 )
+ Nt : Lưu lượng xe hỗn hợp tại thời điểm t
+ q (%) : Hệ số tăng xe trung bình hàng năm q = 10%
+ N2015 : Lưu lượng xe ở đầu năm đưa công trình vào khai thác 2015
N2015 = 4000(xcqđ/ng.đ)Quy đổi lưu lượng xe con quy đổi về xe con hổn hợp:
4000 = Nxhh×(0.1×1+0.24×2+0.39×2.5+0.27×3.5)
Vậy, N2015 = 1600(xhh/ng.đ)
+ Ni : Lưu lượng của loại xe i theo cả 2 chiều ở thời điểm bắt đầu đầu tư:
i t
Trang 5Từ lưu lượng trục xe tính toán, tra bảng 3.4 tiêu chuẩn 22TCN 211-06, ta được
Mô đun đàn hồi theo lưu lượng xe chạy Ellxc(Mpa)
Bảng I.4.3 : Bảng tổng hợp kết quả chọn Mô đun đàn hồi yêu cầu EycNăm tính
5 Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường.
5.1 Quan điểm thiết kế cấu tạo :
- 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 đảmbảo cả kết cấu áo đường thoả mãn cơ bản các yêu cầu chung
- Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền mặt đường, tạo điều kiện để nềnđất tham gia chịu lực cùng với kết cấu áo đường đến mức tối đa
- Cấu tạo lớp mặt và trong một số trường hợp còn có lớp bảo vệ trên lớp mặtnhằm hạn chế tác hại của ngoại lực đến lớp chịu lực chủ yếu của tầng mặt
- Phải chú ý sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ, phế thải công nghiệp
- Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế, tăng nhanh tốc độ dây chuyền thicông, cơ giới hóa, công nghiêp hóa trong quá trình xây dựng áo đường, góp phần giảmgiá thành xây dựng
- Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo áo đường, dự tínhbiện pháp tăng cường bề dày, thay đổi kết cấu để nâng cấp áo đường để phù hợp vớilưu lượng xe chạy tăng dần theo thời gian
- Kết cấu nên được phân chia thành nhiều tầng lớp để phù hợp với điều kiện chịulực và tận dụng vật liệu rẻ tiền để làm lớp dưới
Trang 6- Chiều dày của mỗi lớp vật liệu không nhỏ hơn chiều dày tối thiểu để thi công dểdàng và vật liệu không bị gãy vỡ cục bộ trong quá trình lu lèn và chịu tải trọng saunày.
5.2 Đề xuất các phương án thiết kế cấu tạo áo đường :
5.2.1 Phương án đầu tư một lần : (Eyc = 195.18Mpa)
a Phương án 1-a:
0 - Đất nền đường K98
1 - Cấp phối đá dăm loại II Dmax = 37,5 mm dày 25 cm (22 TCN 334 - 06)
2 - Cấp phối đá dăm loại I Dmax = 25 mm dày 20 cm (22 TCN 334 - 06)
3 - BTN chặt hạt trung loại II Dmax = 25 mm dày 8 cm (22 TCN 249-98)
4 - BTN chặt hạt trung loại I Dmax= 20 mm dày 6 cm (22 TCN 249 - 98)
Hình 1: Cấu tạo áo đường phương án 1-a
b Phương án 1-b:
0 - Đất nền đường K98
1 - Cấp phối thiên nhiên loại A dày 25 cm (22 TCN 304 - 03)
2 - Cát và á cát gia cố xi măng dày 23 cm (22 TCN 334 - 06)
3 - Bê tông nhựa chặt hạt trung loại II Dmax = 20 mm dày 7 cm
4 - Bê tông nhựa chặt hạt mịn loại I Dmax = 15 mm dày 5 cm
Hình 2: Cấu tạo áo đường phương án 1-b
c Phương án 1-c:
Trang 70 – Đất nền đường K98
1 – Xỉ lò chất lượng đồng đều trộn lẩn đất cát dày 25 cm (22 TCN 304 - 03)
2 – Cấp phối đá dăm Dmax 25 mm gia cố xi măng 5% dày 20 cm
3 – Bê tông nhựa chặt hạt trung loại II Dmax = 20 mm dày 7 cm (22 TCN 249 98)
-4– Bê tông nhựa chặt hạt mịn loại I Dmax = 15 mm dày 5 cm (22 TCN 249 - 98)
Hình 3: Cấu tạo áo đường phương án 1-c
5.2.2 Phương án đầu tư phân kỳ :
Do nguồn vốn đầu tư cho các ngành xây dựng cơ bản còn hạn hẹp nên việc tậptrung vốn một lúc là rất khó khăn Để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu vàkhắc phục được hạn chế trên, ta có thể xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giaiđọan Việc đầu tư xây dựng phân kỳ theo từng giai đoạn sẽ đáp ứng được cường độ xechạy trên tuyến tăng dần theo thời gian và khả năng thông xe cũng như Eyc của kết cấu
áo đường trong thời kỳ sử dụng
Dựa vào lưu lượng xe chạy vào các năm tương lai và thời gian trung tu, đại tucủa các loại tầng mặt áo đường, ta đề xuất phân kỳ như sau :
- Giai đoạn 8 năm đầu chọn cấp áo đường A2, Eyc = 141.06 MPa
- Giai đoạn 7 năm tiếp theo chọn cấp áo đường A1, Eyc = 183.43MPa
a Phương án 1:
a.1 Giai đoạn 8 năm đầu (Áo đường cấp A2).
+ h1 = 4cm, Thấm nhập nhựa
+ h2 = 14cm, Cấp phối đá dăm loại 1 Dmax 25
+ h3 = 18cm, cấp phối thiên nhiên
+ Đất nền K98 dày 50(cm) có E = 45Mpa.
a.2 Giai đoạn7 năm tiếp theo (Áo đường cấp A1).
Nâng cấp từ áo đường cấp A2 lên cấp A1 bằng cách thêm lên mặt đường cũmột lớp : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >50%) h= 6cm
b Phương án 2:
b.1 Giai đoạn 8 năm đầu (Áo đường cấp A2).
Trang 8+ h1 = 6cm Thấm nhập nhựa
+ h2 = 16cm, cấp phối đá dăm loại I (Dmax 25)
+ h3 = 20cm, cấp phối đá dăm loại II (Dmax 37.5)
+ Đất nền K98 dày 50(cm) có E = 45Mpa.
b.2 Giai đoạn 7 năm tiếp theo (Áo đường cấp A1).
Nâng cấp từ áo đường cấp A2 lên cấp A1 bằng cách thêm lên mặt đường cũmột lớp : Một lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >35%) h= 5cm và 1 lớp Bê tôngnhựa chặt loại 1 ( đá dăm >50%) h=7 cm
c.2 Giai đoạn 7 năm tiếp theo (Áo đường cấp A1).
Nâng cấp từ áo đường cấp A2 lên cấp A1 bằng cách thêm lên mặt đường cũmột lớp : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >50%) h= 6cm
d So sánh chọn phương án:
Trang 9+ Lớp móng sử dụng vật liệu đất gia cố chất liên kết vô cơ nên phải cần thờigian để lớp móng đủ cường độ, làm tăng thời gian thi công và các chi phí khôngcần thiết trong quá trình thi công.
* Kết luận : Qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án đề ra ta chọn phương án
2 làm cấu tạo kết cấu áo đường
Trang 10CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
1 Xác định các thông số tính toán.
- Độ tin cậy và Hệ số cường độ Kcđ :
Có thể chọn độ tin cậy thiết kế đối với các loại đường và cấp hạng đường như ở
bảng 3-3 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, theo nguyên tắc đường có tốc độ càng cao, thời
gian thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao nhưng không được nhỏ hơn trị sốnhỏ nhất ở bảng
Với đường cấp II ta chọn độ tin cậy : 0,95
Từ độ tin cậy dựa vào bảng 3-2 và 3-7 tiêu chuẩn 22TCN 211-06 ta có các hệ
số tường độ : Kcdđv = 1,10 ; Kcdtr = 1 ; Kcdku = 1
- Các thông số về nền đất :
+ Dựa vào bảng 2-5 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, độ chặt của nền đường K98
+ Giả thiết đất nền đường thuộc đất loại II (ẩm vừa), đất Á sét, tham khảo phụ
lục B Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, ta có các thông số nền đất như sau :
E=60 MPa; C= 0.038MPa; = 27o ;
- Các thông số của các lớp vật liệu :
Khi thiết kế kết cấu áo đường có tầng mặt là loại cấp cao A1, A2 thì ngay tronggiai đoạn thiết kế cơ sở lập dự án đầu tư đã phải thực hiện các công việc sau đây:
+ Thiết kế thành phần hỗn hợp vật liệu cho mỗi lớp kết cấu (tỷ lệ phối hợp cácthành phần hạt, tỷ lệ trộn vật liệu hạt khoáng với chất liên kết) như đối với lớp bê tôngnhựa, lớp đất đá gia cố liên kết, lớp cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên… trên
cơ sở các vật liệu thực tế dự kiến sẽ sử dụng dọc tuyến, theo đó chế bị các mẫu vật liệutương ứng với thành phần đã thiết nêu trên, tiến hành các thí nghiệm trong phòng nhưcách chỉ dẫn ở phụ lục C để xác định mô đun đàn hồi của chúng
+ So sánh các số liệu thí nghiệm trong phòng ới các trị số tra bảng ở phụ lục C
để quyết định trị số mô đun đàn hồi dùng để tính toán với mỗi lớp kết cấu
Ở đây ta không tiến hành thiết kế thành phần và thí nghiệm mà lấy các giá trị
tham khảo ở Phụ lục C Tiêu chuẩn 22TCN 211-06.
1.1 Phương án đầu tư một lần.
1.1.1. Phương án 1-a: (Bảng 3-1)
ST
T Lớp kết cấu từ dưới lên trên
Bề dày(cm)
(MPa)
C(MPa)
(o)
Tính về
đọ võng
Tính vềtrượt
Tính vềkéo uốn
Trang 111.1.2. Phương án 1-b:(Bảng 3-2)
STT Lớp kết cấu từ dưới lên
trên
Bềdày(cm)
E(MPa)
Rku(MPa)
C(MPa)
(o)
Tính về
đọ võng
Tính vềtrượt
Tính vềkéo uốn
1.1.3. Phương án 1-c: (Bảng 3-3)
STT Lớp kết cấu từ dưới lên
trên
Bềdày(cm)
E(MPa)
Rku(MPa)
C(MPa)
(o)
Tính về
đọ võng
Tính vềtrượt
Tính vềkéo uốn
Ghi chú: Các số liệu này tham khảo phụ lục C bảng C-1; C-2 của tài liệu [1].
1.2 Phương án đầu tư phân kỳ.
2 Tính toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn.
2.1 Công thức tính :
yc đv
ch K E
Trong đó :
+ Ech : Mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu
+ Eyc : Mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc = 195.18 Mpa
+ Kcdđv : Hệ sộ cường độ độ võng Kcdđv = 1.1
2.2 Tính toán và kiểm tra.
2.2.1 Phương án đầu tư một lần.
Trang 12Điều kiện tính toán: Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi trị số
mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường (hoặc của kết cấu áo lề có gia cố)
Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng dv
'
Từ
ch ch dc dc
2.2.1.1 Phương án I-a:
Bảng 3-4: Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một của phương án I-a:
Lớp kết cấu Ei t=E2/E1 hi (cm) k=h2/h1 Htb Etb
Trang 13(MPa)Cấp phối đá dăm loai
Cấp phối đá dăm loai II 0.76 1.078 269.50 0.223 0.46 123.97
2.2.1.2 Phương án I-b:
Bảng 3-6: Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một của phương án I-b:
(MPa) t=E2/E1 hi (cm) k=h2/h1 Htb EtbCấp phối thiên nhiên
Cát và á cát gia cố xi
măng 350 1.75 23 0.92 48 264.94BTN hạt trung loai II
Trang 14Cấp phối thiên nhiên
2.2.1.3 Phương án I-c:
Bảng 3-8: Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một của phương án I-c: