Các thông số trong thiết kế kết cấu mặt đờng Bảng 1: Bảng các thông số trong thiết kế kết cấu mặt đờng theo hớng dẫn AASHTO Các thông số chung Hệ số truyền lực cho mặt đờng BTXM có
Trang 1Thiết kế mặt đờng THEO HƯớNG DẫN aashto
I Các thông số trong thiết kế kết cấu mặt đờng
Bảng 1: Bảng các thông số trong thiết kế kết cấu mặt đờng theo hớng dẫn
AASHTO
Các thông số chung
Hệ số truyền lực cho mặt đờng BTXM có
mối nối vμ cốt thép liên tục
Hệ số tổn thất gối đỡ (tổn thất khả năng chịu
Các tham số cốt thép
Mặt đờng BTXM có mối nối
Mặt đờng bê tông cốt thép liên tục
1 Đặc trng năng lực mặt đờng (hệ số mức độ phục vụ)
Tình trạng đờng đợc phân loại theo hệ số mức độ phục vụ trong phạm vi từ 0 đến 5; 5 lμ tình trạng mặt đờng hoμn hảo vμ 0 lμ đờng không thể đi đợc
Trang 2A Hệ số mức độ phục vụ ban đầu
Hệ số mức độ phục vụ ban đầu (Po) lμ số PSI tại thời điểm khi mới đa đờng vμo khai thác Theo các thí nghiệm đờng của AASHTO giá trị nμy lμ 4.5 đối với mặt
đờng cứng vμ 4.2 đối với mặt đờng mềm
B Hệ số mức độ phục vụ cuối
Hệ số mức độ phục vụ cuối (Pt) lμ số PSI thấp nhất có thể chấp nhận đợc trớc khi rải lại lớp mặt hay xây dựng lại mặt đờng, đợc lấy tuỳ thuộc vμo cấp đờng
với đ ờng giao thông ngoμi đô thị
= 1.5 - đờng cấp thấp (không có khả năng đầu t ban đầu lớn)
= 2.0 - đờng gom phụ
= 2.50 - 3.0 - đờng gom chính vμ các đờng chính
với đ ờng thμnh phố
= 2.00 - đờng cấp cao thứ yếu, đờng phố cấp khu vực
= 2.25 - đờng gom phụ, đờng khu công nghiệp vμ đờng phố thơng nghiệp
= 2.50 - đờng gom chính vμ các đờng chính
2 Các thông số thiết kế
A Thời kỳ thiết kế : thông số nμy đa ra khoảng thời gian dùng để phân tích Thông thờng lμ 50 năm với mặt đờng cứng vμ 30 năm với mặt đờng mềm
B Thông số về giao thông – Lμ dự báo số lần tác dụng tải trọng trục tích luỹ tơng
đờng 18 kip trong thời kỳ thiế kế Thông số nμy có thể dự tính trên cơ sở:
• Lu lợng xe ngμy đêm trung bình năm hiện tại,
• thμnh phần xe (phần trăm xe tải trung bình),
• tỉ lệ tăng trởng xe trung bình năm, vμ
• thời kỳ thiết kế
C Độ tin cậy [R(%), ZR]
Độ tin cậy lμ khả năng kết cấu thiết kế thoả mãn (về cờng độ) trong thời kỳ thiết
kế Các giá trị về độ tin cậy vμ độ lệch thông thờng đợc sử dụng Các giá trị độ tin cậy tham khảo bảng 11-13 (trang 145 - Thiết kế đờng tập 2) Các giá trị có thể
sử dụng cho đờng thμnh phố nh sau:
Trang 3Với mặt đờng cứng : 0.30 đến 0.40
Với mặt đờng mềm : 0.40 đến 0.50
3 Đặc tính vật liệu để thiết kế kết cấu.
A Mô đun đμn hồi hữu hiệu của đất nền đờng (MR)
Lμ thông số quan trọng thể hiện cờng độ nền đờng dùng trong thiết kế mặt
đờng mềm MR lμ đặc trng của đất nền thể hiện độ cứng hoặc lμ độ đμn hồi của
đất dới tác dụng của tải trọng động
Mô đun đμn hồi (Resilient Modulus) lμ thông số hơi khác một chút so với các đặc tính trên của đất vμ của lớp móng dới Nó lμ số đo khả năng biến dạng hồi phục
tại bất kể mức độ ứng suất nμo của thí nghiệm gia tải động lên mẫu Cả hai số đo
đều lμ chỉ số độ cứng tức thời của lớp dới mặt đờng
Môi trờng có thể ảnh hởng đến đặc tính mặt đờng bằng nhiều cách Thay đổi nhiệt độ vμ độ ẩm có thể ảnh hởng đến cờng độ, độ bền vμ khả năng chịu lực của vật liệu mặt đờng vμ nền đờng Một tác động môi trờng quan trọng khác lμ ảnh hởng của việc trơng nở đất nền đờng, mặt đờng do đóng băng, tan băng có thể lμm giảm chất lợng mặt đờng, giảm mức độ phục vụ Các tác động của môi
trờng lμm mất mát năng lực phục vụ, mất mát chất lợng phục vụ của mặt
đờng đợc tính vμo giá trị thông số mô đun đμn hồi hữu hiệu của đất nền theo
mùa
Mục đích của việc sử dụng mô đun theo mùa lμ để xác định tác dụng gây h hại
đến mặt đờng trong mỗi mùa trong năm vμ đa chúng vμo một thông số để xem xét trong thiết kế Mô đun hữu hiệu của nền đờng tính toán tơng đơng với các
ảnh hởng kết hợp của tất cả các giá trị mô đun theo mùa cho từng tháng AASHTO có đa ra phơng pháp để tính giá trị mô đun đμn hồi hữu hiệu (MR) cho mặt đờng mềm
Một số giá trị MR đợc cho trong bảng sau*
Bảng 2: Một số giá trị của MR của đất nền
Loại đất Cờng độ
nền đờng
Phạm vi giá trị
hệ số nền K (pci) - mặt
Đất sét vμ đất bụi, hệ số nén
lún cao - không sử dụng Rất thấp 50-100 1000 - 2700 d 3
Trang 4Đất cấp phối, cát cấp phối
tốt, cấp phối sỏi cuội ít hạt
dính
Tơng đối cao 220 - 250 > 5700 > 12
Ghi chú:
- * Các giá trị đ ợc đề nghị cho vùng khí hậu 3 của Mỹ
- Mô đun đμn hồi đợc xác định theo AASHTO T-274 (cho kết cấu mặt đờng mềm)
- Hệ số nén lún cao - tơng đơng với giới hạn chảy t 50
- Hệ số nén lún thấp - t ơng đờng giới hạn chảy < 50
B Mô đun phản lực nền (k, kc)
Một số các thông số quan trọng của nền đờng:
k - Mô đun phản lực nền của đất
kc - Mô đun phản lực nền tổng hợp xét đến vật liệu móng dới của kết cấu mặt đờng mới
MR - Mô đun đμn hồi của nền đờng
(1) Mô đun phản lực nền của nền cơ sở, k
Đối với mặt đờng bê tông xi măng, yêu cầu của nền đờng lμ đồng nhất Đây lμ cơ sở của tiêu chuẩn đầm nén đất nền đờng Trong thiết kế mặt đờng bê tông xi măng, cờng độ của đất đợc đặc trng bằng mô đun phản lực nền, ký hiệu "k" Mối quan hệ tơng đối giữa k vμ MR theo AASHTO lμ mối quan hệ tuyến tính:
Trang 5Bảng3 ; Khoảng giá trị các mô đun phản lực nền tổng hợp gồm các lớp móng dới bằng các loại vật liệu khác nhau:
Chiều dμy lớp móng dới không gia cố vμ giá trị kc, pci (LS*=1) Giá trị k của
PCC - Mô đun đμn hồi (Ec) vμ Cờng độ kéo uốn (S'c)
Cờng độ của bê tông sử dụng trong thiết kế mặt đờng bê tông xi măng dựa trên tiêu chuẩn thí nghiệm của AASHTO T-97 hoặc ASTM C78 - cờng độ chịu kéo uốn của bê tông ( sử dụng mẫu dầm, gia tải kéo uốn tại 2 điểm, ở 1/3 dầm) Cờng
độ bê tông dựa trên cờng độ trung bình của các mẫu 28 ngμy tuổi
Mặc dù mô đun đμn hồi (Ec) có thể lấy theo số liệu thí nghiệm (Tiêu chuẩn ASTMC469), nhng thờng trong thực tế ít dùng vì thờng ít tiến hμnh thí nghiệm Phạm
vi giá trị của Ec dựa vμo cờng độ của bê tông Các giá trị phổ biến nằm trong khoảng từ 2,000,000 - 6,000,000 psi Có thể tính giá trị Ec theo phơng trình:
Trang 6Các giá trị hệ số lớp cho trong bảng sau đây
Bảng 4.6 - Bảng hệ số lớp đã có hiệu chỉnh so với hớng dẫn AASHTO
Loại vật liệu Hệ số lớp Chiều dμy tối thiểu cho phép
(in.)
Tầng mặt
Móng trên
*Các hệ số lớp lấy theo h ớng dẫn AASHTO thiết kế kết cấu áo đờng mềm
**Giá trị nμy hợp lý với mặt đ ờng bê tông xi măng hiện tại (còn đang sử dụng) Giá trị thực tế sử dụng có thể nhỏ hơn phụ thuộc với mức độ xuống cấp của mặt
đ ờng.
Trang 74 Đặc tính cấu trúc mặt đờng
A Hệ số thoát nớc
Nớc dới kết cấu mặt đờng lμ một trong các nguyên nhân cơ bản gây h hỏng mặt đờng Nớc ma hoặc nớc ngầm đều có thể lμm cho nền đờng bão hoμ nớc vμ giảm cờng độ, gây lún mặt đờng khi có tải trọng xe nặng tác dụng với
số lần lặp lại lớn
Cd - Hệ số thoát nớc cho thiết kế mặt đờng cứng đợc sử dụng để thể hiện mức
độ tăng cờng hoặc cải thiện chất lợng thoát nớc
mi - Hệ số thoát nớc cho thiết kế mặt đờng mềm đợc sử dụng để hiệu chỉnh hệ
số lớp
Trong thí nghiệm đờng của AASHTO, mặt đờng đợc bố trí thoát nớc không tốt, nên quan sát thấy đợc có hiện tợng phụt bùn nghiêm trọng trên một số đoạn
đờng thí nghiệm Trong các đoạn đờng thí nghiệm, mặt cắt ngang đờng đều có
bố trí độ dốc ngang vμ rãnh thoát nớc Tuy nhiên, thiết kế rãnh dọc sát ngay mép
đờng nh thờng thấy trong xây dựng đờng hiện nay không đợc thể hiện trong thí nghiệm đờng của AASHTO Rãnh dọc ngăn chặn hiện tợng phụt bùn sớm vμ các h hỏng có liên quan của mặt đờng
Khi lựa chọn giá trị của Cd vμ mi, cần quan tâm đến hai yếu tố:
- Rãnh thoát nớc hiệu quả nh thế nμo vμ trong khoảng thời gian lμ bao nhiêu thì nền đờng vμ móng dới đạt đến trạng thái bão hoμ? Ví dụ: các kết cấu mặt đờngtrong vùng khô ráo với hệ thống thoát nớc kém có thể lμm việc tốt nh lμ các kết cấu mặt đờng đợc xây dựng trong vùng ẩm ớt với hệ thống thoát nớc tốt
Các quan niệm sau đây có thể sử dụng lμm hớng dẫn khi thiết kế mặt đờng: Thoát nớc rất tốt: Vật liệu đợc thoát nớc đạt đến 50% độ bão hoμ trong 2 giờ Thoát nớc tốt: Vật liệu đợc thoát nớc đạt đến 50% độ bão hoμ trong 1 ngμy Thoát nớc trung bình: Vật liệu đợc thoát nớc đạt đến 50% độ bão hoμ trong 7 ngμy
Thoát nớc kém: Vật liệu đợc thoát nớc đạt đến 50% độ bão hoμ trong 1 tháng Thoát nớc rất kém: Vật liệu không thể thoát đợc nớc
Trên cơ sở các định nghĩa nμy các giá trị hệ số Cd hoặc mi đối với các điều kiện trong thí nghiệm đờng của AASHTO lμ 1.00 Giá trị 1.00 nghĩa lμ không có ảnh hởng đến chiều dμy kết cấu mặt đờng hay số tải trọng trục W18 mμ mặt đờng
sẽ chịu Các giá trị thấp hơn sẽ lμm tăng chiều dμy mặt đờng yêu cầu, các giá trị cao hơn sẽ lμm giảm chiều dμy mặt đờng yêu cầu
Bảng4: Các giá trị hệ số thoát nớc (Cd) đề nghị cho thiết kế kết cấu mặt đờngcứng
% thời gian kết cấu mặt đờng chịu độ ẩm gần mức bão hoμ Chất lợng
thoát nớc < 1% 1 - 5 % 5 - 25% > 25% Rất tốt 1.25 - 1.20 1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10
Trang 8đây đợc đề nghị sử dụng cho các loại đờng thμnh phố
Bảng 6: Hệ số truyền lực (J) điển hình
Có thanh truyền
lực & lới cốt thép
Liên kết cốt liệu (không có thanh truyền lực)
Đờngchính
* "Liên kết lề" đợc tính đến ở đây lμ các lμn có chiều rộng lớn hơn 13 feet (1feet
= 0.3048m), lề bê tông có bó vỉa, vμ mặt đờng bê tông xi măng có bó vỉa hoặc có rãnh dọc đúc bằng bê tông sát mép mặt đờng
Bảng 6 cho thấy hệ số J nh nhau cho dù mặt đờng đợc gia cố bằng lới thép hay mặt đờng không có cốt thép Cả hai loại mặt đờng nμy đã đợc đánh giá
Trang 9trong thí nghiệm đờng của AASHTO vμ cho đặc trng mặt đờng tơng tự nhau, vì vậy J lμ giống nhau cho hai loại mặt đờng nμy
C Hệ số tổn thất gối đỡ (tổn thất năng lực chịu tải nền)
Hệ số tổn thất gối đỡ đợc đa ra trong thiết kế mặt đờng cứng để tính đến khả năng mất mát năng lực chịu tải của nền do xói của lớp móng dới vμ/ hoặc do đất nền bị lún xuống
Bảng 7: Phạm vi giá trị của hệ số tổn thất gối đỡ đối với các loại vật liệu khác nhau
Loại vật liệu Hệ số tổn thất gối đỡ (LS) Móng cốt liệu gia cố xi măng (E =
Vật liệu hạt không gia cố(E = 15,000
A Giới thiệu chung
Có hai loại mặt đờng bê tông xi măng có cốt thép lμ mặt đờng có khe nối (JRCP) vμ mặt đờng liên tục (CRCP) Sự khác nhau cơ bản lμ JRCP có các khe nối còn CRCP không có khe nối Tóm tắt về các yêu cầu tham số thiết kế của cốt thép đã đợc cho trong bảng 4.1 với các giải thích kèm theo
Mục đích của việc đặt cốt thép trong bê tông mặt đờng lμ để chống nứt Cơ chế gây nứt bị ảnh hởng bởi nhiệt độ vμ/hoặc độ ẩm liên quan đến việc tấm bị co ngót, vμ ma sát giữa với các lớp vật liệu ở dới Khi nhiệt độ giảm hay độ ẩm tăng, tấm bê tông có chiều hớng co lại Việc co ngót nμy bị cản trở bởi lớp dới của tấm do khả năng ma sát vμ trợt giữa lớp dới vμ tấm Biến dạng co ngót của tấm
bê tông gây ứng suất kéo mμ có giá trị lớn nhất tại giữa tấm Nếu các ứng suất kéo nμy vợt quá cờng độ chịu kéo của bê tông, vệt nứt sẽ xuất hiện vμ toμn bộ ứng suất nμy sẽ truyền cho cốt thép Nh vậy, cốt thép phải đợc thiết kế để chịu toμn
bộ ứng suất nμy mμ không dãn dμi để tạo nên chiều rộng vết nứt quá lớn Do yêu cầu về cốt thép dọc của mặt đờng bê tông cốt thép có khe nối vμ mặt đờngBTXM cốt thép liên tục khác nhau cơ bản, các thiết kế cốt thép đợc giải quyết riêng biệt cho mỗi loại mặt đờng Tuy nhiên, thiết kế cốt thép ngang cho mặt
đờng BTXM cốt thép liên tục hoμn toμn giống với thiết kế cốt thép dọc vμ cốt
Trang 10thép ngang cho mặt đờng BTCT có khe nối Trong tất cả các trờng hợp, số lợngcốt thép yêu cầu đợc xác định lμ % của diện tích mặt cắt ngang của bê tông
B Mặt đờng bê tông cốt thép có khe nối (JRCP)
Mặt đờng bê tông cốt thép có khe nối (JRCP) lμ mặt đờng cứng đợc thiết kế có lới cốt thép lμ thanh thép hay lới thép Cốt thép đợc lắp đặt nếu có khả năng xuất hiện vệt nứt ngang trong thời gian khai thác do các yếu tố nh lμ biến dạng của đất nền, ứng suất do thay đổi nhiệt độ/ độ ẩm
Sau đây lμ các thông số cần thiết để thiết kế mặt đờng bê tông cốt thép có khe nối (JRCP) Các thông số nμy áp dụng để thiết kế đối với cả cốt thép dọc vμ cốt thép ngang
1 Chiều dμi tấm - Chính lμ khoảng cách giữa các khe nối theo chiều ngang, L
(feet) Đây lμ vấn đề cần xem xét vì nó có ảnh hởng lớn đến ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện trong tấm bê tông vμ đồng thời ảnh hởng đến lợng cốt thép yêu cầu
Do các ảnh hởng nμy, chiều dμi tấm (khoảng cách giữa các khe nối) lμ yếu tố quan trọng cần phải xem xét trong thiết kế đối với cả mặt đờng bê tông xi măng
có mối nối có cốt thép vμ không có cốt thép (trong tμi liệu nμy, khoảng cách giữa các khe nối 15 đến 20 foot đợc đề nghị sử dụng)
2 ứng suất lμm việc của cốt thép- chính lμ ứng suất lμm việc cho phép trong cốt
thép (psi) Thông thờng sử dụng giá trị tơng đơng 75% độ bền kéo của thép Với thép 40 vμ thép 60, ứng suất lμm việc cho phép của thép tơng ứng lμ 30,000
vμ 45,000 psi Với thép sợi hμn (WWF) vμ Deformed Wire Fabric (DWF), độ bền kéo lμ 65,000 psi vμ ứng suất lμm việc cho phép lμ 48,750 psi Kích thớc sợi tối thiểu nên bằng với độ ăn mòn có thể để không ảnh hởng đến diện tích cốt thép trên mặt cắt ngang
3 Yếu tố ma sát - F, thể hiện ma sát giữa đáy tấm vμ đỉnh lớp móng hoặc đỉnh nền
vμ cơ bản lμ bằng với hệ số ma sát Các giá trị đề nghị cho đất nền tự nhiên vμ một
số vật liệu móng đợc giới thiệu trong bảng 8
Bảng 8: Hệ số ma sát giữa tấm bê tông mặt đờng vμ các loại vật liệu nền
Loại vật liệu dới tấm bê tông Hệ số ma sát (F)
II Toán đồ thiết kế áo đờng mềm
Hình 1 lμ toán đồ sử dụng để xác định hệ số kết cấu thiết kế (SN) ứng với yêu cầu giao thông thiết kế Tóm tắt nh sau:
Trang 111 Mất mát độ phục vụ , PSI = Po-Pt
2 Số ESAL's yêu cầu (W18)
3 Độ tin cậy, R
4 Độ lệch tiêu chuẩn tổng hợp, S0
5 Mô đun đμn hồi hữu hiệu của vật liệu nền đờng, MR
Khi có số kết cấu thiết kế, (SN) của kết cấu mặt đờng đợc xác định từ toán đồ, sẽ
có một bộ chiều dμy các lớp mặt đờng khi kết hợp với nhau cho khả năng chịu tải trọng của mặt đờng tơng ứng với số kết cấu cần đợc xác định Phơng trình sau
đây đa ra cơ sở để đổi số SN về chiều dμy thực tế của lớp mặt, móng trên vμ móng dới
m2,m3 = hệ số thoát nớc tơng ứng của móng trên vμ móng dới
Phơng trình SN không chỉ có nghiệm duy nhất Có nhiều cách kết hợp chiều dμy lớp thoả mãn phơng trình Chiều dμy của các lớp kết cấu mặt đợc lμm tròn đến 1/2 inch
Ngời thiết kế nên thử một số các các phối hợp chiều dμy các lớp vμ khi số SN
đợc xác định từ các lớp vật liệu mặt đờng vợt quá số SN xác định theo toán đồ, thì chiều dμy của mỗi lớp sẽ đợc quyết định
Ví dụ, trên toán đồ, xác định đợc số SN bằng 5 Giả sử trong lần thử thứ nhất ta
có lớp mặt bê tông nhựa loại B dμy 3 inch, móng trên cấp 2 bằng bê tông nhựa loại
B dμy 11 inch, móng dới cốt liệu hạt dμy 6 inch Hệ số thoát nớc đợc giả thiết
lμ 1
SN = 0.40(3.0") + 0.30(11") (1.0) + (0.10)(6")(1.0) = 5.1
Nh vậy, kết cấu mặt đờng mềm với móng cốt liệu hạt dμy 6 inch lμ một phơng
án lựa chọn để sử dụng
Trang 12Hình 1: Toán đồ thiết kế cho mặt đờng mềm
Trang 13III - Thiết kế mặt đờng cứng
1 Toán đồ thiết kế chiều dμy tấm bê tông xi măng
Hình 2 giới thiệu toán đồ sử dụng để xác định chiều dμy tấm bê tông xi măng cho thiết kế mặt đờng cứng Chiều dμy đợc xác định từ toán đồ cần đợc lμm tròn (tăng lên) đến 1/2 inch) Sau khi xác định chiều dμy tấm, cần so sánh nó với chiều dμy mặt đờng tối thiểu yêu cầu vμ sử dụng giá trị lớn hơn Tóm tắt các thông số
đầu vμo nh sau:
A Mất mát mức độ phục vụ thiết kế, PSI = Po-Pt
B Số lần tác dụng tải trọng trục tích luỹ (W18)
C Độ tin cậy, R
D Sai số tiêu chuẩn tổng hợp, So
E Mô đun phản lực nền, K hoặc Kc
F Mô đun đμn hồi của bê tông xi măng, Ec
G Cờng độ chịu kéo , S'c
H Hệ số thoát nớc, Cd
I Hệ số truyền tải trọng, J
2 Toán đồ thiết kế mặt đờng bê tông cốt thép
Toán đồ dự tính % cốt thép yêu cầu của mặt đờng bê tông cốt thép có khe nối
đợc giới thiệu trong hình 3 Các số liệu đầu vμo bao gồm:
A Chiều dμi tấm, L
B.ứng suất lμm việc của thép, fs
C Hệ số ma sát , F
Biểu đồ nμy áp dụng vμo thiết kế cốt thép ngang vμ dọc của mặt đờng có khe nối Thông thờng với khoảng cách khe nối nhỏ hơn 15 feet, vết nứt ngang thờngkhông xuất hiện vμ không yêu cầu có cốt thép