Thuyết minh đồ án nền mặt đường

-Thời gian tính toán kết cấu áo đường bằng thời gian đại tu Tđạitu của cấp áo đường .Với áo đường cấp A1 lớp 1 phải là bêtông nhựa hạt trung có Tđạitu = 15 năm, do đó thời gian tính toán

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án thiết kế công trình nền mặt đường là đồ án chuyên ngành tiếp theo của đồ án thiết kế hình học công trình đường Đồ án là cơ sở để sinh viên học tập các học phần tiếp theo của ngành Cầu Đường

Đồ án là kết quả của quá trình tích luỹ kiến thức trong các môn học em đã được học tại trường Đại học Xây dựng, đặc biệt là môn học thiết kế nền mặt đường.Đây là một đồ án rất quan trọng đối với sinh viên ngành Cầu Đường, là các công việc trong bước thiết kế cơ sở của một tuyến đường

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên: Trần Xuân Tuyến

Chương I : Kiểm Tra Ổn Định Mái Dốc

1. Số Liệu Đầu Vào

STT γ ( T/m3) φ ( độ ) C ( daN/cm2) H ( m) m n (%)

2. Sơ Đồ Tính

3. Xác Định Tâm Trượt

- Vẽ một đường thẳng 1 đi qua điểm C hợp với phương ngang 1 góc = 39độ,góc nhìn 

về phía bên trái Đường thẳng 2 đi qua chân trượt E hợp với mái taluy một góc =  30độ, Điểm B chính là giao điểm của đường thẳng 1 và 2

- Đường thẳng 3 qua chân trượt D và hợp vs mái taluy một góc = 38 độ, đường thẳng 4

là đường trung trực của cung tròn CD giao với đường thẳng 3 tại điểm A

- Đoạn thẳng AB là đường quỹ tích tâm trượt

- Ở đây ta tìm được 7 tâm trượt là O1, O2, O3, O4, O5, O6, O7

4. Xác Định Kod.

Hệ số ổn định K được xác định bởi công thức:

K =

1

1

i n igiu i

i n itruot i

M M

=

=

=

=

∑

∑

=

1

1

i n

i i i i i

i n i i

T

φ

=

=

=

=

+

∑

∑

=

1

1

( sin )

i n

i i i i i i

i n

i i i

P

α φ α

=

=

=

=

+

∑

∑

Trong đó :

+ Pi : Trọng lượng của phân mảnh i

+

ϕ

,c: Góc ma sát, lực dính của lớp đất mặt trượt đi qua ứng với từng phân mảnh

+

i i

P cos α ϕ

: là lực ma sát trên 1 phân tố

+

i

il

c

: là lực dính ứng với 1 phân tố

+

i i

P sin α

: là phần trọng lực có phương tiếp tuyến với mặt trượt

+Pi : là trọng lượng của phân mảnh Pi = Fi*

i

γ

Trong đó : - Fi : diện tích phân mảnh i

-

i

γ

là dung trọng của đất

5 Xác Định K min

- Kmin được xác định thông qua việc tìm tâm trượt của mặt trượt nguy hiểm nhất dựa vào đường quỹ tích tâm trượt kinh nghiệm

- Việc tính toán thực hiện với nhiều tâm trượt khác nhau cho tới khi tìm thấy Kmin.

- Thực hiện với 7 tâm trượt O1, O2, O3, O4, O5, O6, O7 mỗi tâm tương ứng với bán kính R khác nhau và các tâm nằm trên đường quỹ tích tâm trượt AB (các giá trị tính toán được thể hiện trong phụ lục) Phân khối đất trượt thành nhưng mảnh (như hình vẽ) có bề rông 0.5m Các yếu tố đều được xác định bằng cách đo trực tiếp trên Autocad theo tỉ lệ định trước

- Từ kết quả tính toán ta có bảng sau:

Bảng thể hiện kết quả tính hệ số ổn định mái taluy

Kết luận: Kmin = 1.567 > Kod = 1.2 =>Mái dốc đường đảm bảo điều kiện ổn định

6. Nhận Xét Và Đánh Giá.

- Do sử dụng phương pháp mò tìm tâm trượt nên vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất chỉ ở mức gần đúng

- Mái dốc đảm bảo ổn định trượt

CHƯƠNG II:CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG.

I-Tải trọng và thời gian tính toán.

-Công trình đường thiết kế là cấp IV (số liệu đồ án đường I) nên theo [1] tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn Ptt=100Kn (10T), áp lực tính toán lên mặt đường p = 0,6 Mpa, đường kính vệt bánh xe D=33cm

-Thời gian tính toán kết cấu áo đường bằng thời gian đại tu Tđạitu của cấp áo đường Với áo

đường cấp A1 lớp 1 phải là bêtông nhựa hạt trung có Tđạitu = 15 năm, do đó thời gian tính

toán kết cấu áo đường là 15 năm

* Các thông số của đất nền đường

-Từ kết quả thí nghiệm mẫu chế bị => nền là đất á sét có các tính chất cơ lý sau:

• Mô đun đàn hồi E = 39 Mpa

• Lực dính c = 0,025 Mpa

ϕ

-Kết quả thí nghiệm mẫu lấy từ hiện trường cho E = 38 Mpa

II-Lưu lượng và thành phần dòng xe.

-Tuyến đường thiết kế với các số liệu thiết kế:

• Lưu lượng thiết kế năm thứ 15 là :1638 (xe/ng.đ)⇒

N15=1638 (xe/ng.đ)

• Hệ số tăng xe q=6%

• Thành phần dòng xe :

 Xe con : 29% (khi tính toán bỏ qua)

 Xe tải nhẹ : 15%

 Xe tải trung : 15%

 Xe tải nặng : 10%

 3 Trục : 9%

 Contener : 9%

 Bus : 13%

• Cấp hạng áo đường A1

III-Quy đổi ra trục xe tiêu chuẩn.

1.Xác định lưu lượng xe theo thời gian.

-Công thức xác định:

0

(1 ) *t t

t

t

N

N

q

⇒ =

+

=

15 15

N q

+

== 683 (xe/ng.đ)

-Bảng tính lưu lượng xe các năm thứ 0, 5, 10, 15.

2.Số xe trục quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100KN

2.1.Dự báo thành phần giao thông ở năm cuối thời kì thiết kế:

Loại xe

Trọng lượng trục Pi(kN)

Số trục sau

Số bánh ở mỗi cụm bánh ở trục

sau

Khoảng cách giữa cách trục sau(m) Trục trước Trục sau

(*) phần đầu kéo và romooc có khoảng cách >3m

2.2.Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN.

-Theo [1] mục 3.2.3 theo biểu thức (3.1) và (3.2) cụ thể:

Lưu lượng xe chạy của các loại xe tải trục khác nhau quy đổi về loại xe có tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn thông qua mặt cắt ngang đường ở cuối thời kỳ khai thác theo công thức:

Ntk =

4 4

2











∑

= C C n P Ptt

i i k

Trong đó:

 Ntk : Là tổng số trục xe quy đổi từ k loại xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trong cả hai chiều(trục /ngày đêm)

 ni: Là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục Pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất)

o C1: Là hệ số trục được xác định theo biểu thức (3-2):

C1=1 + 1,2(m-1)

o Với m là trục của cụm trục i:

 m=1 nếu khoảng cách các trục L<3m

 m = số trục xe nếu L≥ 3m )

 C2: là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2=6,4;với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy

 C2=1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2= 0,38

-Bảng tính trục quy đổi trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ 15 :

Contene

(*)Vì tải trọng trục dưới 25KN nên không xét đến quy đổi

⇒

Ntk = 1360 (trục/ng.đ)

- trục xe nặng nhất tính toán sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kì bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết kế:

Ntt= Ntk f1 (trục/ng.làn)

Trong đó :

o Ntk : là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế.Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (3-1) nhưng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều được lấy số liệu của năm cuối của thời hạn thiết kế và được lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùa mưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm ( nếu ni trung bình cả năm lớn hơn ni

trung bình trong mùa mưa)

o f1 =0.55 :Hệ số phân tải của đường hai làn xe (không có giải phân cách) -Vậy ⇒

Ntt = 0.55*Ntk = 0.55*1360 =748 (trục/ng.làn)

-Với lưu lượng tính toán Ntt15 =748 (trục/ng.làn)

→

Tra theo bảng 3-4 và bảng 3-5 [2] Ta có bảng lựa chọn cấp hạng áo đường và môđun đàn hồi yêu cầu và được thể hiện như sau :

Cấp TK Năm tính toán Loại mặt Ntt Eyc (Mpa) Eycmin(Mpa) Echọn (Mpa)

Số trục xe tích lũy trong thời hạn thiết kế.

-Dựa vào kết quả dự báo giao thông ở năm cuối thời kì thiết kế→

số trục xe tích lũy tiêu chuẩn trong thời hạn thiết kế theo công thức :

1

.365.

t

q

+ −

= +

= 365 748 = 2.81 x 106 (trục) -Dựa vào tải trọng trục tích lũy và cấp đường.Bảng 2-2 ta chọn được bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 là 10cm (1)

-Dựa vào khả năng thi công và hạn chế nứt khi tầng mặt đặt trên lớp móng nửa cứng thì tổng bề dày tối thiểu của tầng mặt là 12 – 15 (cm)

Từ (1),(2) ta chọn chiều dày tối thiểu của tầng mặt là 12 cm

IV Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường

1.Chọn sơ bộ các phương án kết cấu áo đường

1.1 Tầng mặt

Lớp mặt trên : Bê tông asphalt 9,5

Lớp mặt dưới : Bê tông asphalt 19

Thành Phần:

+ Cốt liệu:

Đá dăm cỡ hạt danh định 9,5 mm và lớn nhất là 12,5mm, hàm lượng > 50%( Bê tông Asphalt 9,5)

Đá dăm cỡ hạt danh định 19mm và lớn nhất là 25mm, hàm lượng > 35% ( Bê tông asphalt 19)

Cát vàng có hàm lượng < 20%( Bê tông asphalt 9,5) và <35% ( bê tông asphalt 19) Bột khoáng (6 – 14)%

Nhựa đường (5,2 – 6,2)%

+ Nhiệt độ:

Nhiệt độ trộn nhỏ nhất 150 ( độ C)

Nhiệt độ thi công nhỏ nhất 120 ( độ C)

+ Độ chặt yêu cầu K = 0,95 (riêng 30 cm dưới đáy áo đường K = 0,98)

1.2 Tầng móng

- Phương án 1: Lớp móng trên là cấp phối đá gia cố xi măng 6%

Lớp móng dưới là cấp phối đá dăm nghiền loại II

- Phương án 2: Lớp móng trên là lớp đá gia cố xi măng 6% và cấp phối đá dăm nghiền loai I

Lớp móng dưới là lớp đá dăm nghiền loại II

-Tuyến đường xây dựng là cấp IV (Vtk=60 km/h) có thể dùng một số vật liệu làm áo đường với các thông số tính toán tra theo bảng C1-C2 phụ lục C [1]

-Các thông số được lập thành bảng sau:

ST

T Tên vật liệu

E (Mpa)

Rku (Mpa)

C (Mpa)

ϕ

(độ)

Tính

độ võng

t = 30 o C

Tính trượt

t =

60 o C

Tính kéo uốn

15 o C(10 o )

* Quan điểm thiết kế.

-Kết cấu áo đường phải đảm bảo ổn định toàn khối, ổn định về cường độ, đảm bảo cường

độ, chịu được bào mòn tốt dười tác dụng của xe chạy Kết cấu mặt đường phải kín và ổn định nhiệt

-Tận dụng tối đa vật liệu tại địa phương để giảm giá thành xây dựng

-Công tác thi công phải phù hợp, đảm bảo thuận lợi cho việc bảo dưỡng sau này

-Vật liệu thi công phải phù hợp với cường độ giảm dần tránh gây lãng phí

1- Phương án đầu tư tập trung (15 năm).

1.-Xác định chiều dày của các lớp vật liệu làm kết cấu áo đường.

-Kết cấu áo đường đảm bảo chi phí xây dựng rẻ nhất và vẫn đảm bảo các yêu cầu đặt ra

- Cấu tạo tầng mặt

Kết cấu tầng mặt cấp cap A1 được đặt trực tiếp lên lớp móng nửa cứng nên để hạn chế nứt,tổng chiều dày tầng mặt tối thiểu là 12-15cm và không nhỏ hơn chiều dày lớp móng nửa cứng.từ đó ta chọn như sau:

 Lớp mặt trên : bê tông asphalt 9.5 có E1=420Mpa, dày 6 cm

 Lớp mặt dưới :bê tong asphalt 19 có E1=350Mpa, dày 8 cm

Cấu tạo tầng móng

Phương án 1:

-Ta có kết cấu áo đường :

- Chuyển hệ nhiều lớp thành hệ hai lớp bằng cách quy đổi lần lượt hai lớp kết cấu áo đường

từ dưới lên theo công thức:

3 3 / 1 1

1

1









 +

+

=

k

t k E

E tb

;k =

1

2

h h

; t =

1

2

E E

; htb = h1 + h2

STT Lớp vâât liêâu hi (cm)

E (Mpa)

2 Cấp phối đá dăm loại I 15 300

1 Cấp phối đá dăm loại II 22 250

Lớp VL Ei(Mpa)

t= 1

2

E

2

H

H htb=h2+h1

(cm)

'

tb

a)

Đá gia cố XM

BT Asphalt

BT Asphalt

-Ta có : H/D = 65/33=1,969 tra bảng 3.6 [1] ta được hệ số β = 1,208

-Kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 1 lớp có = β = 1,208 350,74 = 423,83 Mpa -Xác định mô đun đàn hồi chung của mặt đường Ech

+Có H/D = 65/33 = 1,969 và Eo / = 0,092

+Kết hợp tra toán đồ Kôgan ta được:

Ech/ = 0,4566 Ech = 0,4851 423,83 = 205.54 (Mpa)

-Điều kiện kiểm nghiệm Ech > Eyc = 1,1 185.4 = 203,94 (MPa)

*Vậy : Điều kiện độ võng đàn hồi đảm bảo.

Phương án 2:

Ta có kết cấu áo đường

STT Lớp vâât liêâu hi (cm)

E (Mpa)

1 Cấp phối đá dăm loại II 22 250

Lớp VL Ei(Mpa)

t= 1

2

E

2

H

H htb=h2+h1

(cm)

'

tb

a)

Đá gia cố XM

BT Asphalt

BT Asphalt

-Ta có : H/D = 65/33=1,969 tra bảng 3.6 [1] ta được hệ số β = 1,206

-Kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 1 lớp có = β = 1,206 338,83 = 408,7 Mpa

-Xác định mô đun đàn hồi chung của mặt đường Ech

+Có H/D = 64/33 = 1,939 và Eo / = 0,0955

+Kết hợp tra toán đồ Kôgan ta được:

Ech/ = 0,4911 Ech = 0,4911 408,7 = 200,7 (Mpa)

-Điều kiện kiểm nghiệm

( Eyc – Ech) /( Eyc) = (1,1 185,4 – 200,7)/( 1,1 185,4).100%= 1,6% <3%

*Vậy : Điều kiện độ võng đàn hồi đảm bảo.

3.2- Kiểm tra điều kiện trượt của nền đất và vật liệu kém dính.

-Thực hiện chuyển các lớp vật liệu hai lớp một từ dưới lên như ở 5.1.4.1 ta có = 423,83 Mpa

- Điều kiện kiểm tra:

tt

cd

C

K

 Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất Tax

H/D = 65/33 = 1,969 và / Eo =423,83/39 = 10,86 ; ϕ = 150

-Tra toán đồ 3-2[1] ta được : Tax / p = 0,0114-Với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P=100 kN nên theo bảng 3.1 [1] ta có áp lực tính toán lên mặt đường p = 0,6 Mpa

⇒ Tax = 0,0114 0,6 = 0,00684 MPa

 Xác định ứng suất cắt do trọng lượng bản thân Tav

-Với H = 65 cm;ϕ = 15o tra toán đồ Hình 3-4 [1] ta được: Tav = 0.0023

τ = Tax + Tav = 0,00684 + 0,0023 = 0,00914 Mpa

 Xác định lực dính tính toán Ctt = C.K1.K2.K3

Trong đó:

 K2 : Hệ số xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, với lưu lượng tính toán trên một làn >100 xe K2= 0,8

 K3 : Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K3=1,5 do đất là á sét

⇒ Ctt = C.K1.K2.K3 = 0,025 0,6 0,8 1,5 = 0,018 (Mpa)

Như vậy : Tax + Tav = 0,00914(MPa) <

tt tr cd

C

K = 0.018 / 0,94 = 0.0191 (MPa)

→ Kết cấu đảm bảo điều kiện chống trượt.

3.3-Kiểm tra điều kiện kéo uốn của các lớp vật liệu liền khối (BTN ở nhiệt độ 15 o C).

- Điều kiện kiểm tra:

ku tt

cd

R K

σ ≤ Trong đó :

• K

ku

cd : hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết kế giống như với trị số K

tr

cd;

• Rtt ku : cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối;

• σku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

 Bê tông nhựa lớp dưới

-Đối với các lớp phía trên (kể từ mặt lớp cấp phối đá dăm loại I trở lên) về 1 lớp:

H1=6+8= 14 cm ; E1 = =2360 Mpa

-Tính Echm của các lớp phía dưới lớp đá gia cố xi măng:

-Theo tính toán ở trên ta có giá trị của 3 lớp Đá gia cố xi măng 6% và cấp phối đá dăm loại

I, II là = 343,25 Mpa

+Với chiều dày hai lớp Htb=22 + 15 + 14 = 51 cm

+Giá trị còn phải kể đến hệ số điều chỉnh

H f D

β  ÷

=

với Htb / D = 51/33 = 1,5454 Tra bảng 11 – 4 ta có hệ số β = 1,174

+Vậy = β = 343,25 1,174 = 402,88 Mpa.

- Lại có : Htb / D = 51/33 = 1,5454; Eo / = 39 / 402,88 = 0,0968

+Tra toán đồ Kôgan

.

ch m dc tb

E E

⇒

= 0,4358 + Vậy Ech.m = 402,88 0,4358 = 175,57 Mpa

- σku xác định theo công thức : σku = σku p kb

Trong đó:

• σku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe;

• kb : hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán là bánh đôi hoặc bánh đơn Ta sử dụng cụm bánh đôi nên kb = 0,85;

• σku : ứng suất kéo uốn đơn vị;

• p : áp lực bánh của tải trọng trục tính toán, p = 0,6 (MPa)

-H1 / D = 14 / 33 = 0,4242 ; E1 / Ech.m = 1600 / 175,57 = 9,1

+Tra toán đồ hình 3-5 [3] ta được σku = 1,59 (MPa)

Vậy : σku = σku p kb = 1,59 0,6 0,85 = 0,81 (MPa).

 Bê ˆong nhựa lớp trên

-Số liệu : H1 = 4 (cm) ; E1 = 1800 (Mpa)

-Xác định trị số của 3 lớp phía dưới nó Ta có bảng giá trị sau:

Lớp VL Ei(Mpa)

t= 1

2

E

2

H

H htb=h2+h1(cm

)

'

tb

pa)

Đá gia cố xi

-Xét đến hệ số điều chỉnh

H f D

β  ÷

=

với H/D = 59 / 33 = 1,7878 +Tra Bảng 3-6 [1] được β = 1,194 Vậy = β = 445,63 * 1,194= 532,08 (Mpa) + H/D = 59 / 33 = 1,7878 và Eo / = 39 / 532,08 = 0,0733

+Tra toán đồ Kôgan

.

ch m dc tb

E E

⇒

= 0,42378 Vậy Ech.m = 532,08 0,43278= 230,27 (Mpa)

-σku xác định theo công thức:

.

ku ku p kb

+h/D = 6 /33 = 0,1818 và E1/Ech.m = 1800/ 230,27 = 7,82

+Tra toán đồ hình 3.5 [1] ta được σku = 1,87 (MPa)

+ Cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán là : Rtt ku=k

1.k2.Rku

Trong đó :

 -Theo 3.6.3 [1] với bê tông nhựa chặt k2= 1,0;

 -Rku:Cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán;

 k1: Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục; k1 = 11,11 / Ntl0,22 = 11,11 / (2.81 x

106)0,22 = 0,43

 Với bê tông nhựa trên là : Rtt ku=k

1k2Rku=0,43×1,0×2,8=1,204 (Mpa)

 Với bê tông nhựa dưới là : Rtt ku=k

1k2Rku=0,43×1,0×2,0=0,86 (Mpa)

-Biểu thức kiểm toán :σ ≤ku ku

cd

ku tt

K

R

+Đường cấp IV ứng với độ tin cậy 0,9 nên hệ sốKdc ku = 0,94

 Với bê tông nhựa chặt lớp trên : σku= 0,954 (Mpa) < = 1,28(Mpa).

 Với bê tông nhựa chặt lớp dưới : σku= 0,81 (Mpa) < = 0.914 (Mpa).

-Vậy : Các lớp mặt bê tông nhựa đảm bảo về điều kiện kéo uốn.