CHƯƠNG 5 THIẾT kế nền mặt ĐƯỜNG, ĐƯỜNG cấp 3 MIỀN núi tốc độ 60KM

Làm cơ sở cho áo đường : lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu đựng tác dụng của xe do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ và tình trạng khai thác của cả kết cấu áo đường..

Chương 5:

THIẾT KẾ NỀN - MẶT ĐƯỜNG

I Yêu cầu đối với nền đường :

Nền đường là một công trình bằng đất có tác dụng :

Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên một dải đủ rộng dọc theo tuyến đường có tác tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc (độ dốc)…, trắc ngang đáp ứng được điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận, kinh tế

Làm cơ sở cho áo đường : lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu đựng tác dụng của xe do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ và tình trạng khai thác của cả kết cấu áo đường

Để bảo đảm làm tốt các yêu cầu nói trên, khi thiết kế và xây dựng nền đường cần phải đạt các yêu cầu sau :

Nền đường phải đảm bảo luôn ổn định toàn khối : nghĩa là kích thước hình học và hình dạng của nền đường trong mỗi hoàn cảnh không bị phá hoại hoặc biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe

Nền đường phải bảo đảm có cường độ nhất định : tức là đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không bị biến dạng quá nhiều (hay không được tích lũy biến dạng) dưới tác dụng của áp lực bánh xe chạy qua

Nền đường phải đảm bảo ổn định về cường độ : nghĩa là cường độ của nền đường không được thay đổi theo thời gian, theo khí hậu, thời tiết một cách bất lợi

II Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm:

Mặt đường là lớp vật liệu trên cùng chịu ảnh hưởng trực tiếp lực thẳng đứng và lực ngang của xe và chịu tác dụng của các nhân tố thiên nhiên (độ ẩm, nước mưa, nắng, nhiệt độ thay đổi …) Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng phải bằng phẳng, đủ độ nhám, chống thấm nước, biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao

Tuỳ theo cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường ,tuỳ vào công nghệ thi công ,điều kiện vật tư mà ta đưa ra phương án chọn tầng mặt cho thích hợp

Trong kết cấu áo đường tầng mặt là đắt tiền nhất nên khi sử dụng phải thiết kế sao cho các lớp của tầng mặt là có chiều dày tối thiểu theo điều kiện mođun đàn hồi chung (Ech) của kết cấu áo đường.Đối với tầng móng phải tận dụng được vật liệu địa phương

Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai thác sẽ được tăng lên

Thiết kế kết cấu áo đường theo Quy trình thiết kế áo đường mềm theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06

III Loại tầng mặt và mô đun đàn hồi yêu cầu của kết cấu áo đường:

1 Loại tầng mặt kết cấu áo đường:

Theo 22TCN 211-06 với đường cấp III thì loại tầng mặt là cấp cao A1

2 Mô đun đàn hồi yêu cầu của mặt đường:

Theo 22TCN 211-06 thì tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được qui định là trục đơn của ôtô có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường ôtô các cấp thuộc mạng lưới chung

Lưu lượng xe chạy ở năm tương lai 1625xe/ng.đ Tải trọng trục tính toán

P = 100KN, áp lực tính toán lên mặt đường p = 0.6 Mpa, đường kính vệt bánh xe

D = 33 cm

+ Aùp lực tính toán lên mặt đường: p = 0.6 MPa

Loại xe

Trọng lượng trục Pi (kN) Số

trục sau

Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau

Khoảng cách giữa các trục sau (m)

Lượng

xe n i xe/ngđ

Trục trước

Trục sau

Xe tải

Xe buýt

Xe tải

Tính số trục xe qui đổi về trục tiêu chuẩn 100kN

4.4 k

i

I 1

P

100





c1: Hệ số số trục

1

c 1 1.2(m 1)   m: Số trục của cụm trục i

c2: Hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh

2

c =6.4 cho các cụm bánh chỉ có một bánh

c =1 cho các cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)

Vì tải trọng trục dưới 25kN(2.5T) nên không xét đến khi qui đổi

Vì khoảng cách các trục sau >3m nên việc chuyển đổi được thực hiện riêng từng trục, tức là c1 = 2

Khi khoảng cách giữa các trục <3m thì qui đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như 1 trục theo công thức: c 1 1.2(m 1)1   

Bảng tính số trục xe qui đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

Số trục xe qui đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

Ntk = 947 (trục/làn.ngđ) Số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe

N Ntk f 947 0.55 521 (trục/làn.ngđ)

Vì đường có 2làn xe và có dải phân cách giữa nên f  L 0.55 Tra bảng 3-4 ta có:

yc

N (trục/

yc

Nội suy  E yc 178.6Mpa

Tra bảng 3-5(TCVN 4054-2005) thì tt 140

yc

Do đó lấy  Eyc 178.6Mpađể kiểm toán

Số trục tiêu chuẩn tích luỹ trong thời hạn t=15 năm với qui luật tăng trưởng xe trung bình năm q=7% :

6

(trục/làn)

Trong đó:

+q=0.07 :tỉ lệ tăng xe hàng năm

+ t=15 năm :thời hạn tính toán

+ Nt : số trục xe dự báo ở năm cuối của thời điểm thiết kế(15 năm)

IV Chọn cấu tạo áo đường:

 Phương án I:

Cấu tạo các lớp mặt đường từ trên xuống như sau:

Bê tông nhựa chặt loại I hạt mịn dày 5 cm

Bê tông nhựa chặt loại I hạt trung dày 7 cm Cấp phối đá dăm loại I dày 28 cm

Cấp phối đá dăm loại II dày 34 cm

 Phương án II:

Cấu tạo các lớp mặt đường từ trên xuống như sau:

Bê tông nhựa chặt loại I hạt mịn dày 5 cm

Bê tông nhựa chặt loại I hạt trung dày 7 cm

Đá dăm gia cố xi măng 6% dày 15 cm

Cấp phối đá dăm loại II dày 30 cm

V Dự kiến cấu tạo kết cấu áo đường phương án I:

Các đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu:

Lớp kết cấu ( từ dưới lên)

Bề dày lớp (cm)

E (Mpa)

R ku

(Mpa)

c (Mpa)



(độ)

Độ võng Trượt

Kéo uốn

-Đất lẫn sỏi sạn ở độ ẩm

- Bê tông nhựa chặt loại I

- Bê tông nhựa chặt loại I

1 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi:

a/ Chuyển hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách đổi kết cấu áo đường hai lớp một từ dưới lên trên theo công thức:

3 1/ 3 dh

1 kt

1 k



Với: i 1

i

h k

h

i

E t

E



Kết quả tính đổi theo bảng:

Lớp kết cấu (MPa)Ei i 1

i

E t

E

(cm)

i 1 i

h k

h

(cm)

tb

E (Mpa)

34 0.824 62 271.84 BTN nhựa chặt

loại I

350

7 0.113

BTN nhựa chặt

loại I

690.072 74 287.47 b/ Xét hệ số điều chỉnh :

Tỉ số giữa bề dày kết cấu áo đường và kích thước vệt bánh xe:

H 74 2.242

D 33

Vì H/D > 2 nên ta có:

 

 

0.12

0.12

H

D

 Edctb  Eitb 1.2274 287.47 352.84(Mpa) 

c/ Tính toán Ech của cả kết cấu:

Từ các tỉ số: H 2.242

D >2 nên không thể tra trong bảng 3-1 mà phải tính toán bằng công thức F-1 trong phục lục F của 22TCN 211-06 để tính Ech:

0 0

0 1

0.67

0 1

1.05 1

1 4

ch

E E

E

E E

E E

H









Ta có E0= 41.2 Mpa; E1= dc

tb

E = 352.84 Mpa

 Ech 182.22 Mpa

Thực tế thì công thức F-1 có độ sai lệch so với toán đồ 3-1 Bằng thực tế

kiểm nghiệm với 0

1

E

E =0.1168 ta có độ sai lệch này khoảng 8% nên:

 Ech 182.22 182.22 8% 196.8 Mpa   

d/ Kiểm toán điều kiện: Ech  dv

K E

Vì đường cấp III, 2 làn xe nên theo bảng 3.3, chọn độ tin cậy thiết kế là 0.9,

do vậy theo bảng 3.2 xác định được hệ số cường độ dv

cd

K =1.1 Kết quả nghiệm toán:

Ech= 196.8 Mpa > dv

Cho thấy kết cấu dự kiến đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi

2 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất:

a/ Tính E tbcủa cả 4 lớp kết cấu:

Lớp kết cấu Ei

(MPa)

i 1 i

E t

E

(cm)

i 1 i

h k

h

(cm)

tb

E (Mpa)

250

300

28

BTN nhựa chặt

loại I

hạt trung 250

250

0.92

BTN nhựa chặt

loại I

300 269.581.11

5 0.072

Xét hệ số điều chỉnh :

Tỉ số giữa bề dày kết cấu áo đường và kích thước vệt bánh xe:

 

H 74 2.242

D 33

 

 

0.12

0.12

H

D

 Edctb  Eitb 1.2274 271.56 333.3(Mpa) 

b/ Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải tọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây ra trong nền đất T ax :

H 74 2.242

tb 0

Với góc nội ma sát của đất nền  22.80

Tra toán đồ hình 3.3 ta được Tax 

0.0104 p

 Tax= 0.0104 x 0.6 = 0.00624 Mpa

c/ Xác định ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân của các lớp kết cấu áo đường gây ra trong nền đất T av

Tra toán đồ hình 3.4 ta được T av =-0.0015

d/ Trị số lực dính tính toán của đất nền C tt

Ctt= c k1.k2.k3

c : lực dính tính toán của đất nền

c =0.0304

1

k : hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất chịu tải trọng động và gây giao động

1

k =0.6 với kết cấu áo đường cho phần xe chạy

2

k : hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, các yếu tố này ảnh hưởng nhiều khi lưu lượng xe chạy càng lớn Do đó k2

được xác định tuỳ thuộc vào số trục xe qui đổi mà kết cấu phải chịu đựng trong một ngày đêm

Tra bảng 3.8 ta được k2=0.8

3

k : hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt của đất trong điều kiện chúng làm việc trong kết cấu khác với trong mẫu thử, ngoài ra hệ số này còn xét đến sự khác biệt về điều kiện tiếp xúc thực tế giữa các lớp kết cấu áo đường với nền đất

so với điều kiện xem như chúng dính kết chặt Trị số này được xác định tuỳ thuộc loại đất trong khu vực tác dụng của nền đường

Đối với đất dính k3=1.5 Vậy Ctt = 0.0304 x 0.6 x 0.8 x 1.5 = 0.022 MPa

e/ Kiểm toán điều kiện: ax av trtt

cd

C

k

Với đường cấp III, độ tin cậy yêu cầu 0.9 do vậy theo bảng 3.7: tr

cd

k =0.94

     tt  

cd

0.94 k

Cho thấy kết cấu dự kiến đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất

3 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn lớp bê tông

nhựa:

a/ Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa:

- Đối với bê tông nhựa lớp dưới:

Qui đổi 2 lớp bê tông nhựa về 1 lớp:



1

h 12cm



1

1600 7 1800 5

7 5 Trị số E tbcủa 2 lớp cấp phối đá dăm I và cấp phối đá dăm II là E tb= 271.84 Mpa (tính ở bảng phía dưới) với bề dày 2 lớp này là H = 62 cm trị số này còn phải xét đến hệ số điều chỉnh  :

H 62 1.88

D 33 Tra bảng 3.6 được  1.204

 Edctb  Eitb 1.204 271.84 327.34(Mpa) 

tb

327.34 E

Tra toán đồ hình 3.1 được chmdc 

tb

E

0.542 E

 Echm 0.542 327.34 177.42Mpa 

ku

 : ứng suất kéo uống đơn vị ở đáy lớp bê tông nhựa lớp dưới bằng cách tra toán đồ hình 3.5 với:

1

1 chm

Tra toán đồ được ku=1.74

b

k : 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 đơn hay bánh đôi Khi kiểm tra với cụm bánh đôi trong trường hợp tính với tải trọng trục tiêu chuẩn thì k b=0.85

Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối

ku ku.p.kb 1.74 0.6 0.85 0.8874Mpa  

- Đối với bê tông nhựa lớp trên:



1

1

E 1800Mpa

Lớp kết cấu Ei

(MPa)

i 1 i

E t

E

(cm)

i 1 i

h k

h

(cm)

tb

E (Mpa)

250

300

28

BTN nhựa chặt

loại I

hạt trung 1600

1600

7

Trị số E tbcủa 3 lớp là E tb= 344.18 Mpa với bề dày 3 lớp này là H=69 cm trị số này còn phải xét đến hệ số điều chỉnh :

Từ các tỉ số: H 69 2.09 

 = 1.114x(H/D)0.12=1.217

 Edctb  Eitb 1.217 344.18 418.87(Mpa) 

Từ các tỉ số: H 2.09

D >2 nên không thể tra trong bảng 3-1 mà phải tính toán bằng công thức F-1 trong phục lục F của 22TCN 211-06 để tính Ech:

0 0

0 1

0.67

0 1

1.05 1

1 4

ch

E E

E

E E

E E

H









Ta có E0= 41.2 Mpa; E1= dc

tb

E = 418.87Mpa

 Ech 198.52 Mpa

Thực tế thì công thức F-1 có độ sai lệch so với toán đồ 3-1 Bằng thực tế

kiểm nghiệm với 0

1

E

E =0.098 ta có độ sai lệch này khoảng 8% nên:

 Echm 198.52 198.52 8% 214.4 Mpa.  

ku

 : ứng suất kéo uống đơn vị ở đáy lớp bê tông nhựa lớp dưới bằng cách tra toán đồ hình 3-5 với:

1

1 chm

Tra toán đồ được ku=1.9

b

k : 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 đơn hay bánh đôi Khi kiểm tra với cụm bánh đôi trong trường hợp tính với tải trọng trục tiêu chuẩn thì k b=0.85

Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối

ku ku.p.kb 1.9 0.6 0.85 0.969Mpa  

b/ Kiểm toán theo điều kiện chịu kéo uốn ở đáy lớp bê tông nhựa:

ku tt

cd

R K

ku

cd

K : hệ số cường đo về chịu kéo uốn tuỳ thuộc vào độ tin cậy thiết kế

ku

cd

K =0.94 tra bảng 3.7 cho trường hợp đuờng cấp III ứng với đô tin cậy 0.9

ku

tt

R : cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa

ku

ku

tt k k R

R  1. 2.

ku

R : cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán

1

k : hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục.Đối với vật liệu bê tông nhựa:

k1 = 0,22

e

N

11,11

0,22 6

11,11

2

k : hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết Với bê tông nhựa chặt loại I

2

Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa lớp dưới:

ku

ku

tt k k R

R  1. 2. = 0.464 x 1 x 2 = 0.928 MPa

Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa lớp trên:

ku

ku

tt k k R

R  1. 2. = 0.464 x 1 x 2.8 = 1.299 MPa

Kiểm toán:

Với lớp bê tông nhựa lớp dưới:

 = 0.8874 MPa < 0.928

0.94 =0,987 MPa Với lớp bê tông nhựa lớp trên:

ku

 = 0.969 MPa < 1.299

0.94 =1.382 MPa Cho thấy kết cấu dự kiến đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp bê tông nhựa

Các kết quả kiểm toán theo trình tự tính toán như trên cho thấy kết cấu dự kiến đẩm bảo được tất cả các điều kiện về cường độ, do đó có thể chấp nhận nó làm kết cấu thiết kế

VI Dự kiến cấu tạo kết cấu áo đường phương án II:

Các đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu:

Lớp kết cấu ( từ dưới lên)

Bề dày lớp (cm)

Mođun E (Mpa)

R ku

(Mpa)

c (Mpa)



(độ)

Độ võng Trượt

Kéo uốn

-Đất lẫn sỏi sạn ở độ ẩm

-Đá dăm gia cố xi măng

6%

(Cường độ chịu nén ở tuổi

28 ngày  4Mpa)

- Bê tông nhựa chặt loại I

- Bê tông nhựa chặt loại I

1 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi:

a/ Chuyển hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách đổi kết cấu áo đường hai lớp một từ dưới lên trên theo công thức:

3 1/ 3 dh

1 kt

1 k



Với: i 1

i

h k

h

i

E t

E



Kết quả tính đổi theo bảng:

Lớp kết cấu (MPa)Ei i 1

i

E t

E

(cm)

i 1 i

h k

h

(cm)

tb

E (Mpa)

Đá gia cố xi măng

600

2502.4 15 15300.5 45 344.65 BTN nhựa chặt

loại I

350

7

BTN nhựa chặt

loại I

420 345.57 1.21

5 0.096

b/ Xét hệ số điều chỉnh :

Tỉ số giữa bề dày kết cấu áo đường và kích thước vệt bánh xe:

H 57 1.73

D 33 Tra bảng 3.6 được  1.196

 Etttb Eitb 1.196 351.7 420.7(Mpa) 

c/ Tra toán đồ 3.1 để xác định E chcủa mặt đường:

Từ các tỉ số: H 1.73

0 dc tb

E

E = 420.741.2 = 0.098

Ta xác định được: chdc 

tb

E 0.468 E

 Ech 0.468 420.7 196.89 Mpa 

d/ Kiểm toán điều kiện: Ech  dv

K E

Vì đường cấp III, 2 làn xe nên theo bảng 3.3, chọn độ tin cậy thiết kế là 0.9,

do vậy theo bảng 3.2 xác định được hệ số cường độ dv

cd

Kết quả nghiệm toán:

Ech= 196.89 Mpa > dv

K E 1.1 178.6 196.46 Mpa  Cho thấy kết cấu dự kiến đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi

2 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất:

a/ Tính E của cả 4 lớp kết cấu:tb

Lớp kết cấu Ei

(((MPa)

i 1 i

E t

E

(cm)

i 1 i

h k

h

(cm)

tb

E (Mpa)

Đá gia cố xi măng

600

BTN nhựa chặt

loại I

hạt trung 250

250

BTN nhựa chặt

loại I

300

Xét hệ số điều chỉnh :

Tỉ số giữa bề dày kết cấu áo đường và kích thước vệt bánh xe:

H 57 1.73

D 33 Tra bảng 3.6 được  1.196

 Edctb  Eitb 1.196 327.89 392.156(Mpa) 

b/ Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải tọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây ra trong nền đất T ax :

H 57 1.73

tb 0

Với góc nội ma sát của đất nền  22.80

Tra toán đồ hình 3.3 ta được Tax 

0.0145 p

 Tax= 0.0145 x 0.6 = 0.0087 Mpa

c/ Xác định ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân của các lớp kết cấu áo đường gây ra trong nền đất T av

Tra toán đồ hình 3.4 ta được T av =-0.0011

d/ Trị số lực dính tính toán của đất nền C tt

Ctt= c k1.k2.k3

c : lực dính tính toán của đất nền c =0.0304

1

k : hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất chịu tải trọng động và gây giao động k1=0.6 với kết cấu áo đường cho phần xe chạy

2

k : hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, các yếu tố này ảnh hưởng nhiều khi lưu lượng xe chạy càng lớn Do đó k2

được xác định tuỳ thuộc vào số trục xe qui đổi mà kết cấu phải chịu đựng trong một ngày đêm Tra bảng 3.8 ta được k2=0.8