Thiết kế kết cấu áo đường ô tô

Bảng I.7.3 : Số trục xe tiêu chuẩn tại các năm trong thời đoạn khai thácTrục xe tiêu chuẩn ở năm cuối thời kỳ khai thác Ntkt =Ntk 0 .1+q t trục/ng.đNttt =Ntk t.fL trục/làn.ngàyđêm - Tính

THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNGNhiệm vụ thiết kế:

* Tuyến đường thiết kế nằm ở tỉnh có các số liệu sau:

Căn cứ vào các số liệu sau:

- Bình đồ tuyến tỉ lệ: 1/20000

- Số hiệu bình đồ :TKD-11-39

- Đường đồng mức chênh nhau: h=10m

- Khu vực thiết kế thuộc tỉnh-thành phố:

- Lưu lượng xe hỗn hợp ở năm đầu tiên: N12/2009 = 384 xhh/ng.đ

7.1.CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG:

7.1.1 Quy trình tính toán – tải trọng tính toán:

7.1.1.1 Quy trình tính toán:

Áo đường mềm được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 211- 06: Áođường mềm các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế

7.1.1.2 Tải trọng tính toán:

- Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P (trục đơn): 100 kN

- Áp lực tính toán lên mặt đường p : 0,6 Mpa

- Đường kính vệt bánh xe tương đương D: 33 cm

7.1.2 Xác định lưu lượng xe tính toán:

7.1.2.1 Lưu lượng xe hỗn hợp ở năm đầu tiên :

+ Xe tải trung : N0 trung = 0,39  384 = 149.76 xe/ngđ.

+ Xe tải nặng : N0 năng = 0,07  384 = 26.88 xe/ngđ.

+ Xe bus: N0 năng = 0,06  384 = 23.04 xe/ngđ.

7.1.2.2 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn:

- Lưu lượng của từng loại xe ở năm đầu của thời hạn khai thác

xem phụ lục I.7.1(trang 16_phụ lục).

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

Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau:

4.4

1 2 1

.100

- Với những trục xe dưới 25KN (2,5T) thì không tính có thể bỏ qua Nên trục trước của

xe tải nhẹ ta không tính vào

Việc tính toán số trục xe quy đổi về trục xe tiêu chuẩn như ở Bảng I.7.2.

Bảng I.7.2: Tính số trục xe qui đổi về trục xe tiêu chuẩn 100kN ở năm đầu tiên

)4,4 = 97.3 trục tiêu chuẩn/ngày đêm

- Số trục xe tiêu chuẩn 100kN ở năm đưa công trình vào khai thác được tính theo côngthức: Ntk0 =Ntk.(1+q) t =97.3.(1+0.1)2014-2009 =156.70 trụctiêu chuẩn/ng.đ (I.7.3)

7.1.2.3 Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe và trên kết cấu lề gia cố:

- Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe:

Ntt = Ntk.fL (trục/làn.ngày đêm) (I.7.4)

Vì đường thiết kế có 2 làn xe và không có dải phân cách giữa nên fL= 0,55

Kết quả tính toán Ntktvà Nttt được thể hiện ở bảng I.7.2

Bảng I.7.3 : Số trục xe tiêu chuẩn tại các năm trong thời đoạn khai thác

Trục xe tiêu chuẩn ở năm cuối thời kỳ khai thác

Ntkt =Ntk 0 (1+q) t (trục/ng.đ)Nttt =Ntk t.fL (trục/làn.ngàyđêm)

- Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên lề gia cố:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần

xe chạy chính và lề không có dải phân cách bên được lấy bằng 35 - 50% số trục xe tínhtoán của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trí phần xe chạy chính

Vậy: Ntt lềt = 0,5  Nttt (trục/làn.ngày đêm) (I.7.5)

Bảng I.7.4: Số trục xe tiêu chuẩn trên lề gia cố

Năm tính

toán

Trục xe tính toán của phần xe chạy

(trục/làn.ngđ)Nttt

Trục xe tính toán của phần lề gia cố

(trục/làn.ngđ)Ntt lềt

6 3

) 1 , 0 1 ( 1 , 0

] 1 ) 1 , 0 1 [(

6 13

14

) 1 , 0 1 ( 1 , 0

] 1 ) 1 , 0 1 [(

6 14

15

) 1 , 0 1 ( 1 , 0

] 1 ) 1 , 0 1 [(

7.1.3 Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần xe chạy và cho phần lề gia

cố cho phương án đầu tư xây dựng 1 lần.

Eyc = max (Eycmin, Eyctt)

7.1.3.1 Xác định môđun đàn hồi tối thiểu E yc min :

Căn cứ vào :

- Cấp thiết kế của đường: Cấp IV, vận tốc thiết kế 60km/h

- Loại mặt đường: A1 hoặc A2 Tra bảng 3-5 (theo 22 TCN 211 – 06) ta có giá trị Eminyc tương ứng thể hiện kếtquả ở bảng sau

Môđun đàn hồi tối thiểu của kết cấu áo đường ch

Ghi chú: Trị số trong ngoặc tính cho lề gia cố.

7.1.3.2 Xác định môđun đàn hồi theo số trục xe tính toán E tt

yc :

a Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho xe chạy :

Với tải trọng trục tính toán 10T, loại mặt đường A1 hoặc A2 và số trục xe tính toán,

ta xác định trị số môđun đàn hồi tính toán tt

yc

E dựa vào bảng 3.4 của tài liệu (theo 22

TCN 211 – 06).

Xác định Eyc= max (Eycmin, Eyctt) Kết quả được thể hiện bảng I.7.6

Bảng I.7.6: Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần xe chạy

Năm

tính

toán

Ntt(trục/làn.ngđ)

tt yc

b Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần lề gia cố:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xechạy chính và lề gia cố không có dải phân cách bên được lấy bằng 35 – 50% số trục xetính toán của làn xe cơ giới

Trường hợp phần xe chạy chỉ có 2 làn xe trở xuống lấy trị số lớn Chọn bằng 50%

Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần lề gia cố:

Bảng I.7.7: Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần lề gia cố

Năm

tính

toán

Ntt(trục/làn.ngđ)

tt yc

7.1.4 Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần xe chạy và cho phần lề gia

cố cho phương án đầu tư xây dựng phân kì.

Eyc = max (Eycmin, Eyctt)

7.1.3.1 Xác định môđun đàn hồi tối thiểu E yc min :

Căn cứ vào :

- Cấp thiết kế của đường: Cấp IV, vận tốc thiết kế 60km/h.

- Loại mặt đường:B1 quá độ lên cấp cao A2 Tra bảng 3-5 (theo 22 TCN 211 – 06) ta có giá trị Eminyc tương ứng thể hiện kết

Ghi chú: Trị số trong ngoặc tính cho lề gia cố.

7.1.3.2 Xác định môđun đàn hồi theo số trục xe tính toán E tt

yc :

a Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho xe chạy :

Với tải trọng trục tính toán 10T, loại mặt đường A1 hoặc A2 và số trục xe tính toán,

ta xác định trị số môđun đàn hồi tính toán tt

yc

E dựa vào bảng 3.4 của tài liệu (theo 22

TCN 211 – 06).

Xác định Eyc= max (Eycmin, Eyctt) Kết quả được thể hiện bảng I.7.6

Bảng I.7.6: Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần xe chạy

Năm

tính

toán

Ntt(trục/làn.ngđ)

tt yc

b Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần lề gia cố:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xechạy chính và lề gia cố không có dải phân cách bên được lấy bằng 35 – 50% số trục xetính toán của làn xe cơ giới

Trường hợp phần xe chạy chỉ có 2 làn xe trở xuống lấy trị số lớn Chọn bằng 50%

Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần lề gia cố:

Bảng I.7.7: Môđun đàn hồi yêu cầu ở các năm tính toán cho phần lề gia cố

Tau lam toi day roi

7.1.4 Xác định phân kỳ đầu tư:

Áo đường là bộ phận đắt tiền nhất của đường ô tô, thường chiếm 40% 60% kinh phí xây dựng đối với vùng đồng bằng và vùng đồi, 30% ÷ 40% đối vớivùng núi Kinh phí để duy tu và bảo dưỡng chiếm hầu hết kinh phí sửa chữa Mặt khác để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu và để khắc phụckhó khăn trên ta có thể xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giai đọan

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 kếtcấu áo đường trong thời kỳ sử dụng

Tuy nhiên việc đầu tư phân kỳ phải phân ra nhiều lần thi công Khi xâydựng lần sau gây trở ngại về việc tổ chức giao thông, khó thông suốt, diện thicông thu hẹp, do đó việc tổ chức thi công, điều động máy móc, nhân lực sẽ gặpkhó khăn khi tuyến đường đã đưa vào sử dụng Ngoài ra phương án đầu tư xâydựng phân kỳ có khối lượng công tác chính trong cả hai giai đoạn đầu tư lớn hơnphương án đầu tư một lần, mức độ phức tạp trong thi công sẽ khó khăn hơn do hailần thi công, khả năng cung cấp vật liệu không tập trung bằng phương án đầu tưmột lần, các tính năng kỹ thuật của mặt đường như tốc độ xe chạy trung bình,lượng tiêu hao nhiên liệu sẽ lớn hơn phương án đầu tư một lần

Từ những phân tích trên đề xuất phương án đầu tư xây dựng một lần 7.1.5.Xác định các điều kiện cung cấp vật liệu – bán thành phẩm,cấu kiện:

Qua điều tra khảo sát, trên địa bàn tỉnh Phú Yên nói chung và hai huyện Tuy An, ĐồngXuân nói riêng có nhiều mỏ vật liệu có thể đáp ứng yêu cầu xây dựng nền mặt đườngcũng như các bộ phận công trình, cụ thể:

+ Xi măng, sắt thép lấy ở các đại lý tại thị trấn La Hai, huỵện Đồng Xuân cách chân công trình khoảng 8Km.

+ Nhựa, nhũ tương, bê tông nhựa lấy tại trạm trộn bê tông nhựa cánh công trình 18Km.

+ Đá các loại có thể lấy tại các mỏ đá nằm cách chân công trình 18Km.

+ Cát, sạn lấy tại thị trấn La Hai, huyện Đồng Xuân cách công trình 8Km.

+ Các bán thành phẩm và cấu kiện đúc sẵn được đáp ứng đầy đủ cả về số lượng, chất lượng theo yêu cầu đặt ra của việc thi công tuyến đường Các cấu kiện đúc sẵn có thể lấy

ở nhà máy bê tông đúc sẵn công ty 1-5 cách công trình 18km.

+ Đất đắp nền đường dùng đất từ nền đào sang đắp ở nền đắp, trong quá trình thi công nếu đất đào ra không đủ để đắp nền đắp thì ta sẽ lấy đất từ mỏ cách tuyến 1-2 km.

7.1.6 Xác định các điều kiện thi công:

Công nhân của đơn vị thi công có trình độ tay nghề cao, có đội ngũ kỹ thuậtgiàu kinh nghiệm đã từng tham gia chỉ đạo thi công nhiều công trình quan trọng

và có quy mô lớn tạo điều kiện thuận lợi cho công tác thi công nhằm đảm bảo tiến

độ và đảm bảo chất lượng Ngoài ra tuyến đường đi qua khu vực có lực lượng laođộng nông dân khá nhiều, chi phí cho một lao động rẻ do đó rất thuận lợi choviệc tận dụng nguồn nhân lực địa phương nhằm góp phần hạ giá thành công trình,hoàn thành công trình đúng tiến độ Các đơn vị thi công có đầy đủ các loại máynhư máy san, máy đào, máy ủi, máy xúc, các loại lu (lu bánh cứng, lu bánh lốp, lurung) các loại ô tô tự đổ, máy rải bê tông, máy rải nhựa, xe tưới nhựa, xe tướinước , các xe máy luôn được bảo dưỡng và sẵn sàng phục vụ thi công, có độingũ thợ máy giỏi có thể đảm bảo cho máy móc thi công được an toàn, khi gặp sự

cố có thể xử lý kịp thời

7.2 Thiết kế cấu tạo.

7.2.1 Quan điểm thiết kế cấu tạo:

Nội dung thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường là: 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, nhiệm vụ của mỗi lớp để đảm bảo cả kết cấu áo đường thỏa mãn cơ bản các yêu cầu nêu trên (đầu chương 7) cũng như các điều kiện về vật liệu địa phương, khả năng cung cấp vật liệu, năng lực thi công và khả năng khai thác, duy tu bảo dưỡng.

Cấu tạo lớp mặt và trong một số trường hợp còn có lớp bảo vệ trên lớp mặt nhằm hạn chế tác hại của ngoại lực đến lớp chịu lực chủ yếu của tầng mặt.

Cố gắng sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ, đồng thời linh hoạt vận dụng các kinh nghiệm về xây dựng và khai thác áo đường trong từng điều kiện cụ thể của từng địa phương Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế, tăng nhanh tốc độ dây chuyền thi công, cơ giới hóa, công nghệ hóa trong quá trình xây dựng áo đường, góp phần giảm giá thành công trình.

* Căn cứ vào cấp thiết kế đường là cấp IV, thời hạn thiết kế chọn là 15 năm và đây là tuyến đường có chức năng và ý nghĩa kinh tế, xã hội quan trọng do đó ta chọn mặt đường cấp cao chủ yếu A 1

7.2.2 Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường:

* Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu phần xe chạy:

Việc đề xuất các phương án kết cấu áo đường hợp lý, vừa thỏa mãn các yêu cầu kỹthuật, cấp hạng của tuyến vừa phù hợp điều kiện của khu vực tuyến đi qua, đó là:

Về khả năng cung cấp vật liệu và các bán thành phẩm, về điều kiện địa chất thuỷ văncủa khu vực, về điều kiện thi công và đảm bảo kinh tế Đó là công việc rất quan trọng và

có ý nghĩa quyết định sự làm việc của kết cấu áo đường sau này, sao cho kết cấu áođường có đủ cường độ, độ bằng phẳng, độ nhám, độ bào mòn thích hợp.Từ điều kiện củakhu vực tuyến ta đưa ra các loại vật liệu làm mặt đường như sau:

- Tầng mặt:

Tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng bánh xe bao gồm cả thành

phần thẳng đứng và nằm ngang cùng với tác động gây bong bật, bào mòn của bánh xe và chịu tác dụng trực tiếp các yếu tố tự nhiên: Mưa, nắng, nhiệt độ Ngoài chức năng chịu lực tầng mặt còn phải đảm bảo bằng phẳng, có độ nhám cao, kín nước Vì vậy vật liệu làm tầng mặt cần thỏa mãn yêu cầu sau:

+ Có cường độ cao, ổn định cường độ khi chịu tác dụng của nhiệt độ, củanước, có sức chống cắt lớn để có thể chịu được lực ngang

+ Vật liệu phải có độ cứng lớn để hạn chế bào mòn của bánh xe hoạt tải.+ Vật liệu làm tầng mặt cần có kích cở hạt nhỏ để dễ tạo phẳng, tăngcường độ nhám và hạn chế được tác dụng gây bong bật của bánh xe hoạt tải

+ Tầng mặt đảm bảo chặt kín để hạn chế nước mưa, nước mặt thấm xuốngdưới gây hư hỏng tầng móng và nền đường Để thỏa mãn yêu cầu này thì vật liệulàm tầng mặt được cấu tạo từ cốt liệu có dạng cấp phối hạt liên tục để sau khi lulèn chặt các hạt nhỏ sẽ lấp đầy lỗ trống giữa các hạt lớn tạo thành một kết cấu đặcchắc có độ rỗng còn dư nhỏ

Trong quá trình lựa chọn vật liệu làm tầng mặt thì nên ưu tiên sử dụng cácvật liệu tại chổ (vật liệu địa phương) Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế,tăng nhanh tốc độ dây chuyền thi công, cơ giới hóa, tự động hóa trong quá trìnhxây dựng, góp phần giảm giá thành công trình.

Các loại vật liệu có thể sử dụng làm tầng mặt như sau:

+ Đối với mặt đường cấp cao A1 có thể dùng:

- Bê tông nhựa chặt hạt mịn, bê tông nhựa chặt hạt trung

Đặc điểm:

Mặt đường bê tông nhựa là loại mặt đường cấp cao, có những ưu điểm

chính như: ít bụi, không phát sinh tiếng động khi xe chạy, ít bị bào mòn, dể bảo dưỡng sữa chữa Kết cấu mặt đường dễ thoát nước, ổn định.

Kết luận: Qua phân tích trên kết hợp với điều kiện cung cấp nguyên vật

liệu và khả năng thi công của đơn vị thi công (cả nhân lực và máy móc) ta chọn loại vật liệu cho tầng mặt như sau:

Tầng mặt A 1 : Bê tông nhựa chặt hạt vừa loại 1 D max 20 (đá dăm > 50%) dùng cho lớp mặt trên, Bê tông nhựa chặt hạt vừa loại 2 D max 25 (đá dăm > 50%) làm lớp mặt dưới.

- Tầng móng:

Khác với tầng mặt, tầng móng không chịu tác dụng trực tiếp của bánh xe

và các yếu tố thiên nhiên Vì vậy chức năng chủ yếu của nó là chịu đựng được tảitrọng thẳng đứng của xe cộ sau khi chuyển qua tầng mặt, truyền và phân bố lựcthẳng đứng để khi lực này truyền đến nền đất thì ứng suất đã giảm đến mức nềnđường có thể chịu được mà không tạo nên biến dạng quá lớn

Do những đặc điểm chịu lực trên mà vật liệu để làm tầng móng chỉ cần có

độ cứng nhất định, ít biến dạng, có thể chịu bào mòn kém, có kích cỡ lớn và cóthể không dùng chất kết dính liên kết

Tầng móng cũng như tầng mặt, trong quá trình lựa chọn vật liệu thì cũng

ưu tiên cho các vật liệu tại chổ trước Trong một tầng như vậy thì chia thành nhiềulớp vật liệu khác nhau có cường độ giảm dần từ trên xuống dưới nhằm tiết kiệmvật liệu

Các loại vật liệu có thể sử dụng làm tầng móng như sau:

+ Cấp phối đá dăm + Đá dăm gia cố xi măng

+ Cấp phối đất đồi tự nhiên, + Cát gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng)

Cấp phối đá dăm được sản xuất tại mỏ đá cách chân công trình 18km Do là cấp phốiđược xay ra từ đá gốc nên có thành phần và kích cỡ hạt đảm bảo liên tục Cấp phối thiênnhiên được lấy tại khu vực gần công trình, là loại vật liệu rẻ tiền, tận dụng được vật liệuđịa phương Tuy nhiên, loại vật liệu này có cường độ thấp, khó đảm bảo cường độ, công

lu lèn lớn

Cát gia cố xi măng có cường độ lớn, thường đảm bảo chất lượng công trình Khidùng loại vật liệu này làm lớp móng dưới có thể tận dụng làm lớp cách hơi ẩm chokết cấu áo đường Tuy nhiên loại vật liệu này thường khó thi công, giá thành vật liệucao

* Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu lề gia cố:

Từ kết quả xác định mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc theo số trục xe tính toán ta thấy môđun đàn hồi Eyc của phần lề gia cố là khá lớn, gần bằng mô đun đàn hồi Eyc của phần xechạy Lề gia cố được chọn là gia cố tối thiểu bề rộng 1.0 m nên việc thi công khó khăn.Mặt khác nếu chọn kết cấu lề gia cố nhỏ hơn khác kết cấu phần xe chạy thì sau này

muốn mở rộng phần xe chạy ta phải dỡ bỏ lề gia cố Vì vậy ta chọn kết cấu lề gia cố giống kết cấu của phần xe chạy

Từ các đặc điểm nêu trên ta chọn kết cấu áo đường cho phương án đầu tư xây dựngnhư sau:

7.2.2.1 Phương án đầu tư xây dựng một lần:

*Kết cấu phần xe chạy và lề gia cố mặt đường A1 thời gian thiết kế 15 năm.

a) Phương án I:

1) BTN chặt hạt vừa loại 1(đá dăm >50%) – Dmax 20 dày 4cm

2) BTN chặt hạt vừa loại 2(đá dăm >50%) – Dmax 25 dày 6cm 3) CPĐD loại 1 – Dmax 25 dày 14cm

4) CPĐD loại 2 – Dmax 37,5 dày 30cm

98

4

1 2 3

1) BTN chặt hạt vừa loại 1(đá dăm >50%) – Dmax 20 dày 4cm

2) BTN chặt hạt vừa loại 2(đá dăm >50%) – Dmax 25 dày 6cm 3) CPĐD loại II – Dmax25 dày14cm

5) Cát gia cố xi măng 8% dày 28cm

1 2 3 5

c) Phương án III:

1) BTN chặt hạt vừa loại 1(đá dăm >50%) – Dmax 20 dày 4cm

2) BTN chặt hạt vừa loại 2(đá dăm >50%) – Dmax 25 dày 6cm

3) CPĐD loại I gia cố xi măng 8% dày 20cm

6) CP thiên nhiên loại A dày 28 cm

Hình 1.7.3 Cấu tạo kết cấu áo đường phương án III.

7.3 Tính toán cường độ kết cấu áo đường.

7.3.1.Xác định các đặc trưng tính toán của nền đường và các lớp vật liệu

7.3.1.1 Môđuyn tính toán của đất nền:

Đất đáy áo đường là đất á sét lẫn sỏi sạn lu lèn đạt K = 0,98 ( Theo TCN 211-06 tra

bảng B-3 ) ta có các thông số về tính chất cơ lý và cường độ của nó như sau:

-Mô đun đàn hồi E0 = 55 MPa

-Độ ẩm tương đối trong tính toán: W1/W2 = 0,625 (loại hình ẩm : Loại II -ẩm vừa) -Trị số lực dính: C = 0,03, góc nội ma sát  = 22,5o

7.3.1.2 Môđuyn đàn hồi tính toán của các lớp áo đường:

Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa phải xác định tùythuộc vào từng trường hợp cụ thể

Nhiệt độ tính toán:

-Khi tính điều kiện chịu kéo khi uốn: t = 10 -15 0 C