5.1.1,Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn,xác định cấp thiết kế áo đường.. Hệ số tăng trưởng hàng năm là 7% Tải trọng tiêu chuẩn tính toán là Ptc =10KN Tải trọng trục các loại xe
Trang 1CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
5.1 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
5.1.1,Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn,xác định cấp thiết kế áo đường.
Lưu lượng xe năm đầu thiết kế theo thống kê là 950 xe
Hệ số tăng trưởng hàng năm là 7%
Tải trọng tiêu chuẩn tính toán là Ptc =10KN
Tải trọng trục các loại xe
Loại xe
Trọng lượng trục
trục sau
Số bánh ở mỗi cụm bánh
ở trục sau
Khoảng cách giữa các trục
Lượng xe
ni xe/ngđ Trục
trước
Trục sau
đơn
276
Xe tải
nặng1
Xe tải
nặng2
45.40 90.00 2 Cụm bánh đôi <3m 28
Xe tải
nặng3
Theo số liệu thống kê loại về tỷ phần và thành phần xe qua tuyến đường , tải trọng trục của các loại xe lớn nhất là 10T vì vậy kết cấu áo đường chỉ cần tính toán và kiểm toán với tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc=10T
-Quy đổi tải trọng xe về về tải trọng trục tiêu chuẩn 10T để tính toán ,kiểm toán kết cấu mặt đường
Cơ sở qui đổi:
Phá hoại tương đương
đổi cụm trục về trục tính toán
Chỉ quy trục có tải trọng lớn hơn 25T
Các cụm trục có khoảng cách >3m thì quy đổi về trục đơn
<3m quy đổi về cụm trục
Công thức quy đổi:
Trang 2ni: Số trục thứ i = tổng số trục có tải trọng Pi
Pi: Tải trọng trục thứ i
c1: Hệ số kể đến ảnh hưởng của các trục trong cụm trục khi quy đổi
c1=1+1,2(m-1) m là số trục
c2: Hệ số kể đến số bánh trong cụm bánh
c2=0.38 ( 4 bánh trở lên)
1 (2 bánh Ptc) 6.4 ( 1 bánh với trục sau và trục trước) Tải trọng trục của các loại xe như sau :
Từ đây ta lập bảng tính số trục xe quy đổi về số trục xe tính toán tiêu chuẩn ở năm hiện tại
Số trục tiêu chuẩn quy đổi ở năm hiện tại
Xe bus
nhỏ
Xe bus
lớn
Xe tải
nhẹ
Xe tải
trung
Xe tải
nặng 1
Xe tải
nặng 2
Xe tải
nặng 3
Kết quả tính được N1=287 trục xe tiêu chuẩn / ngày đêm
Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế.
+ Về nguyên tắc phải dựa vào kết quả dự báo hàng năm ở mục 1.5.2 tiêu chuẩn này để tính ra số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế Ne tức là theo biểu thức sau:
Trang 31
t
¿
Trong đó:
Ni là số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn ở năm thứ i
t : là thời hạn thiết kế tuyến đường
+Trong trường hợp được dự báo về tỷ lệ tăng trưởng xe trung bình hàng nắm q thì Ne có thể tính theo cong thức sau:
N e=[(1+q ) t−1]
q ×365×N1 Trong đó :
N1 là số trục xe quy đổi về số trục xe tiêu chuẩn ở năm đầu đưa đường vào khai thác
q : Hệ số tăng trưởng giao thong trung bình hàng năm
t : Thời hạn tính toán thiết kế của tuyến đường Với đường cấp III miền núi lựa chọn loại tầng mặt cấp cao A1, thời hạn thiết kế kết cấu áo đường là ≥15 năm
Ta có :
N e=[(1+0 07)15−1]
0 07 ×365×287=2632391(truc)
Số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe
N ett=f l×N e=0 55×2632391=1447815 (truc )=1 448 106
+Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 , mặt đường cấp cao A1 số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong 15 năm thiết kế là >4.106 (trục) Nett =1.448.106 <<4 106 => Thiết kế kết cấu mặt đường cấp cao A2 Thời gian thiết kế của kết cấu áo đường t=10 năm
Tính toán lại ta có :
Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên một làn xe trong thời gian thiết kế là :
N e=[(1+0 07)10−1]
0 07 ×365×287=1447342(truc/ngd )
Số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe
N ett=f l×N e=0 55×1447342=796038(truc / ngd / lan )
-Số tải trọng trục tính toán Ntt trên một làn đường
Ntt= fl× NTK
Trong đó: fl=1 đường 1 làn xe
=0.55 đường 2 làn xe không có dải phân cách
=0.35 đường 4 làn xe
=0.3 đường 6 làn trở lên
Trang 4NTK: lưu lượng trục xe thiết kế qua một mặt cắt ngang trong một đơn vị
thời gian ( ngày đêm)
N TK=(1+q)( t− )×N1=(1+0 07)( 10−1)×287=528(truc /ngd )
N tt=0.55×528=290(truc/ngd /lan)
Theo 22TCN211-06 với số trục xe tiêu chuẩn tính toán được quy đổi từ tải trọng trục xe Ntt=290( trục/ngày đêm) và mặt đường là loại mặt đường cấp cao A2 =>
Eyc=140.4Mpa
Trị số mô đun đàn hồi tối thiểu theo cấp đường là Eyc=120Mpa
Chọn Eyc=140.4Mpa
-Đối với lề gia cố N
lg c
tt=0 35×N tt=0 35×290=102( truc/ ngd )
Theo 22TCN211-06 =>Eyc=122.2Mpa
5.1.2-Sơ bộ lựa chọn kết cấu áo đường gồm các lớp như sau.
+Kết cấu mặt đường
7cm bê tông nhựa trung
15cm cấp phối đá dăm loại I
28cm cấp phối đá dăm loại II
+ Kết cấu lề gia cố làm như kết cấu mặt đường
5.2 KIỂM TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG
Kết cấu dự kiến và các đặc trưng tính toán
Lớp kết cấu ( từ dưới
lên)
Bề dày lớp (cm)
E (Mpa)
Rku
(Mpa)
C (MPa) (độ)(độ)(độ)
Tính
về độ võng
Tính về trượt
Tính về kéo uốn
- Đất nền á cát , độ
Trang 5- Cấp phối đá dăm
-Cấp phối đá dăm loại I 15 300 300 300
5.2.1.Kiểm toán kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi.
- Công thức kiểm toán:
E ch≥K cd dv×E yc
Trong đó
Ech: Là mô đun đàn hồi chung trên lớp mặt của kết cấu áo đường
K cd dv
: Hệ số dự trữ cường độ về độ võng phụ thuộc độ tin cậy khi thiết kế Với
đường cấp III miền núi độ tin cậy khi thiết kế lựa chọn là 0.9 thì
K cd dv=1.1
Eyc: mô đun đàn hồi yêu kết cấu áo đường phải đạt được phụ thuộc vào số tải trọng trục tính toán và cấp hạng kỹ thuật của đường.Eyc=140.4Mpa
+Ech : Mô đun đàn hồi chung quy đổi trên lớp mặt của kết cấu nền mặt đường được xác định bằng cách tra toán đồ Kogan hình sau :
Trang 6Toán đồ Kogan xác định Echcủ hệ hai lớp
Trong đó :
H : Chiều dày kết cấu áo đường : H=50cm
D : Đường kính vệt bánh xe qui đổi với áp lực p=0.6Mpa tương ứng với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T : D=33cm
E0 : Mô đun đàn hồi cua đất nền E0=45Mpa, ϕ=280
, C=0.018(Mpa)
E1 : Mô đun đàn hồi chung của các lớp kết cấu áo đường
Xác định E 1
0.502
Trang 7Sơ đồ tính toán
Quy đổi dần 2 lớp kết cấu áo đường về một lớp từ dưới lên trên
E2
E1
Etb
Etb= E1( 1+k×t
1 3
1+k )3
k = h2
h1
t= E2
E1
Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :
)
Etb(Mpa)
Etb=277.51Mpa
Mô đun đàn hồi trung bình của hai lớp còn được nhân với hệ số điều chỉnh β phụ
thuộc vào tỷ lệ
H tb D
Trong đó Htb =50cm
Trang 8D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T
⇒H
D=
50
33=1 515→ β=1 179
⇒E tb dc=β×E tb=1 179×277 51=327 25 Mpa
-Xác đinh E ch
Ta có
E0
E1=
45
277 25=0 1375
H
D=
50
33=1 515 Tra toán đồ Kogan (Hình 3-1,/T38-22TCN211-06)
E ch
E1=0 502→Ech=0 502×277 25=164 28 Mpa
Ta có E yc×K cd dv=140 4×1 1=154 44<Ech=164 28 Mpa→
Đạt
5.2.2Kiểm toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn mặt trượt sụt nền đất và các lớp vật liệu kém dính
Công thức kiểm tra
τ ax+τ av≤C tt
K tr cd
Trong đó
τax: Lực cắt do tải trọng gây ra
τay: Lực cắt do trọng lượng bản thân gây ra
Ctt: Lực dính tính toán của đất nền
K cd tr
:Hệ số dự trữ cường độ về cắt trượt ,đường thiết kế với độ tin cậy 0.95
=> Kcdtr=1
+ Xác đinh Ctt
Ctt=k1k2k3C
Trong đó
-k1: Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ chống cắt trượt khi đất hoặc vật liệu chịu tải trọng động và gây dao động, với kết cấu nền mặt đường trong phần xe chạy k1=0.6 -k2: Hệ số xét đén các yếu tố tạo nên sự làm việc không đồng nhất của kết cấu Các yếu tố này gây ảnh hưởng nhiều khi lưu lượng xe lớn và ngược lại Với số trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm =290 <1000 thì k2=0.8
-k3: Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất hoặc của vật liệu mặt đường do điều kiện làm việc thực tế khác với điều kiện tiến hành thí nghiệm trong
Trang 9phòng với tác dụng tương hỗ của môi trường đất xung quanh.Ngoài ra hệ số này còn xét đến điều kiện tiếp xúc thực tế giữa các lớp vật liệu kết cấu áo đường và nền đất Trị số k3 phụ thuộc vào loại đất trong khu vực tác dụng của nền đường
Đất nền là á cát => k3=1.5
C: Lực dính của đất nền C=0.018Mpa
Ctt= 0.6×0.8×1.5×0.018=0.013 Mpa
Hệ số dự trữ cường độ về cắt trượt phụ thuộc vào độ tin cậy khi tính toán thiết kế Đường cấp III miền núi thiết kế với độ tin cậy 0.9 thì :
K cd tr=1 0
+ Xác định lực cắt do tải trọng gây ra τ ax
Tra toán đồ
Toán đồ tra ứng suất cắt trượt do tải trọng gây ra với hệ hai lớp với
(H/D=0-2)
Trong đó :
H : Chiều dày lớp kết cấu áo đường.H=50cm
D=33cm
E1 : Mô đun đàn hồi trung bình quy đổi của các lớp kết cấu áo đường
0.016
Trang 10E2 : MMoo đun đàn hồi đất nền
Xác định E1
Mô hình tính toán
- Quy đổi các lớp kết cấu áo đường về một lớp tương tự như khi kiểm toán theo
điều kiện kéo uốn
Sơ đồ quy đổi hệ hai lớp về 1 lớp
E2
E1
Etb
Etb= E1( 1+k×t
1 3
1+k )3
k = h2
h1
t= E2
E1
Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :
)
Etb(Mpa)
Trang 11Mô đun đàn hồi trung bình của hai lớp còn được nhân với hệ số điều chỉnh β phụ
thuộc vào tỷ lệ
H tb D
Trong đó Htb =50cm
D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T
⇒H
D=
50
33=1 515→ β=1 179
⇒E tb dc=β×E tb=1 179×264 36=311 74 Mpa
Ta có { E 1
E 0 =
311.74
45 =6.928 ¿ { ϕ=28 0 ¿¿¿¿
Tra toán đồ (Hình 3-2/T43 ,22TCN211-06)
ta xác định được
τ ax
p =0.016 →τax=0.016×0.6=0.0096 Mpa + Xác đinh lực cắt do trọng lượng bản thân gây ra τav
Trang 120 20 40 60 80 100 ChiÒu dÇy mÆt
h= (cm)
T av (MPa )
0.003 0.002 0.001
0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001
Toán đồ tìm ứng suất cắt hoạt động τ av do trọng lượng bản thân mặt đường gây ra
Chiều dày mặt đường 50cm và nền đường có φ=280
Tra toán đồ ta được τay=-0.0018Mpa
Vậy ta có
{ C tt
K cd tr =
0.013 1.0 = 0.013 Mpa ¿ ¿¿¿
¿
¿
5.2.3.Kiểm toán kết cấu mặt đường theo trạng thái giới hạn về ứng suất chịu kéo uốn xuất hiện tại đáy các lớp vật liệu liền khối.
- Kiểm toán tại đáy lớp bê tông nhựa trung
Công thức kiểm toán
K cd ku
Trong đó
0.0018
Trang 13- K cd
ku
: Hệ số dự trữ cường độ , với đường cấp III độ tin cậy khi thiết kế là 0.9 thì
- K cd
ku=1 0
- R tt
ku
=k1k2R ku
- Rku
: Sức chịu kéo khi uốn giới hạn Rku
=2.0Mpa -K1 : Hệ số kể đến sự suy giảm cường độ chịu kéo khi uốn dưới tác dụng của tải trọng trùng phục
Với bê tông nhựa
K1=11.11
(N ett)0 22=
11.11
7960380 22=0 559
-K2 :Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ chịu kéo khi uốn dưới tác động của các nhân tố thời tiết khí hậu
Với bê tông nhựa K2=1.0
⇒R tt ku=0 559×1 0×2 0=1 118 Mpa
- σku
: Ứng suất kéo khi uốn do tải trọng tác dụng gây ra tại đáy lớp vật liệu liền khối
σku= σku p.kb
+ σku
: Ứng suất kéo uốn đơn vị
+p : Áp lực tính toán , với tải trọng trục tiêu chuẩn tính toán Ptc=10T thì
p=0.6Mpa
+ kb : Hệ số kể đến đặc điểm của tải trọng : kb=0.85
-Xác định σku
Tra toán đồ
Trang 14Toán đồ xác định ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy lớp vật liệu liền khối
Trong đó
H : Chiều dày kết cấu H=50cm
D=33cm
Ech.m : Mô đun đàn hồi chung ở đáy lớp kết cấu kiểm toán điều kiện về ứng suất kéo uốn
Es : Mô đun đàn hồi đất nền Es=45Mpa
- Xác định Echm
Các bước tính tương tự như khi tính toán Echm khi kiểm toán kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi, gồm hai lớp CPĐD loại I và CPĐD loại II trên nền đất á cát
+Tính Ech của hai lớp cấp phối đá dăm
Trang 15Tính theo phương pháp quy đổi hai lớp kết cấu về một lớp theo phương pháp đã thực hiện như trên
Kết quả tính ta lập thành bảng như sau :
)
Etb(Mpa)
Xét tới hệ số điều chỉnh
β=f(H D)
Trong đó Htb =43cm
D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T
⇒H
D=
43
33=1 303→ β=1 142
⇒E tb dc=β×E tb=1 142×266 75=304 67 Mpa
+Xác đinh Ech
Ta có
E0
E1=
45
304 67=0.148
H
D=
43
33=1.303 Tra toán đồ Kogan (Hình 3-1,/T38-22TCN211-06)
E ch
E1=0 47→ Ech=0 47×304 74=143 195 Mpa
- E1=1600Mpa
-Xác định σku
E1
E chm=
1600
143 195=11.17
H
D=
7
33=0 212
Trang 16Tra toán đồ hình 3-29a ta được σku=2.13
σ ku=σ ku pk b=2 13×0 6×0 85=1 086 Mpa
R tt ku=k1k2R ku=0 559×1×2 0=1 118 Mpa
R tt ku
K cd ku=
1 118
1 0 =1 118 Mpa>σku=1 086 ⇒ dat
Vậy kết cấu mặt đường đã chọn đủ khả năng chịu lực.