Bài Giảng Thiết Kế Đường Ô Tô Tập 1

Thiết kế đường ô tô là môn học chuyên ngành trong chương trình đào tạo kỹ thuật viên ngành cầu đường bộ. Nội dung môn học nghiên cứu các nguyên lý và phương pháp thiết kế tuyến đường, các công trình trên đường để đảm bảo cho đường ô tô thực hiện vai trò của nó trong hệ thống giao thông vận tải một cách tốt nhất.

CHƯƠNG 1.1 Vai trò đường tơ giao thơng vận tải hệ thống khai thác vận tải tơ 1.1.1 Vai trò đường tơ giao thơng vận tải: Vận tải đường tơ phận quan trọng mạng lưới giao thơng vận tải nói chung nước bao gồm giao thơng đường sắt, đường thủy (sơng biển), đường đường hàng khơng Vận tải đường tơ có đặc điểm sau: - Có tính động cao, điều động xe cộ nhanh chóng - Có thể vận chuyển trực tiếp từ chỗ lấy hàng đến nơi quy định, khơng cần phải có phương tiện vận chuyển bốc dỡ trung gian, tiện lợi vận chuyển ngắn - Thích ứng với địa hình vùng núi khó khăn, phụ thuộc hướng cố định với mạng lưới giao thơng thích hợp đáp ứng nhu cầu vận tải đến vùng xa xơi hẻo lánh - Tốc độ vận tải đường tơ nhanh, nhanh đường thủy tương đương với đường sắt - Có thể sử dụng hỗn hợp cho nhiều loại phương tiện vận tải (kể vận tải thơ sơ) Chính đặc điểm có ý nghĩa nên đường tơ phận khơng thể thiếu mạng lưới giao thơng vận tải nước Mặc dù có ý nghĩa quan trọng vậy, song việc vận tải đường tơ có nhược điểm: - Do tải trọng chở ít, lại tốn nhiên liệu nên giá thành vận chuyển tơ cao so với đường sắt đường thủy, cự ly vận chuyển lớn - Vận tải đường tơ phụ thuộc nhiều vào trạng thái đường, mà trạng thái đường lại chịu ảnh hưởng lớn thiên nhiên Do việc vận chuyển tơ thường gặp nhiều trở ngại -Tai nạn đường tơ khơng ngừng tăng lên Tổn thất người kinh tế tai nạn tơ gây ngày lớn - Mơi trường xung quanh đường tơ ngày bị xấu khí thải, bụi bẩn tiếng ồn tơ gây - Nạn ùn tắc giao thơng đường thị ngày phổ biến, làm cho tốc độ tơ giảm xuống, giá thành vận tải tăng lên Do cơng tác thiết kế đường, người kỹ sư ln tìm cách hạn chế thấp nhược điểm nói đường tơ 1.1.2 Vai trò đường tơ hệ thống khai thác vận tải tơ: Đường tơ phận quan trọng hệ thống khai thác vận tải tơ bao gồm: người lái xe, ơtơ, đường tơ mơi trường bên ngồi Các yếu tố có mối quan hệ mật thiết với người làm cơng tác thiết kế đường cần phải nắm vững để thiết kế đường tốt - Mối quan hệ “ô tô – đường ô tô”: Mối quan hệ cho biết tác động tơ lên đường xe chạy từ có đề xuất phù hợp đối vơí yếu tố kỹ thuật đường mà ta cần thiết kế nhằm đảm bảo cho điều kiện xe chạy mặt động lực ( để xác định độ dốc tối đa bao nhiêu…) - Mối quan hệ : “ Mơi trường xung quanh – đường ơtơ” Tức vấn đề địa hình địa mạo, địa chất, thủy văn, khí hậu ảnh hưởng đến đường ? Từ giúp ta xác định vị trí tuyến đường chọn biện pháp kỹ tht cho phù hơp ( tuyến cho hài hòa nhất, kinh tế nhất, xử lý tượng xói ngầm,…) - Mối quan hệ : “ Mơi trường xung quanh – người lái xe” Mơi trường xung quanh bao gồm thân đường có ảnh hưởng trực tiếp đến tâm – sinh lý người lái xe Trên sở người thiết kế tạo mơi trường thích hợp để người lái xe làm việc tốt - Mối quan hệ : “ Đường ơtơ – ơtơ” Mối quan hệ xét đến ảnh hưởng đường ơtơ vơí chất lượng khai thác sử dụng đường cơng việc vận tải ơtơ tiêu hao nhiên liệu, tốc độ, suất ơtơ 1.2 Tuyến đường phận tuyến đường: Đường tơ bao gồm đoạn đường thẳng, đường cong phẳng đường cong khơng gian; có cơng trình, trang thiết bị dùng cho xe chạy để phục vụ giao thơng đường Để thể đường vẽ, thường dùng hình chiếu: - Hình chiếu (bình đồ tuyến đường) - Hình chiếu đứng (mặt cắt dọc – trắc dọc tuyến đường) - Hình chiếu cạnh (mặt cắt ngang – trắc ngang tuyến đường) 1.2.1 Bình đồ: Bình đồ hình chiếu tuyến đường, địa hình, địa vật Trong bình đồ, tuyến đường thể nét mảnh hay thể chi tiết ( bề rộng mặt đường, đường, chân mái dốc taluy, rãnh đỉnh, rãnh biên) tuỳ thuộc vào giai đoạn thiết kế Còn địa hình thể đường đồng mức, địa vật thể ký hiệu riêng biệt ( ví dụ: cột điện, cối, cơng trình nhà cửa…) ký hiệu ghi vẽ Phép chiếu thực cách đo chiều dài thước thép đặt theo phương nằm ngang, góc chuyển hướng đo theo góc Vì cự ly cọc chiều dài tim tuyến đường mặt phẳng Tuỳ theo u cầu thể giai đoạn thiết kế hay mục đích thể mà bình đồ có tỷ lệ khác nhau: 1/50.000, 1/20.000, 1/1000, 1/500 Hình dạng tuyến đường có hai dạng: Khi V < 60 Km/h, tuyến đường bao đoạn thẳng đoạn đường cong tròn nối tiếp Khi V ≥ 60 Km/h, tuyến đường đoạn thẳng, đường cong chuyển tiếp, đường cong tròn, đường cong chuyển tiếp, đoạn thẳng nối tiếp Tuyến đường hồn tồn xác định bình đồ (tức hồn tồn xác định thực địa) nhờ yếu tố sau: + Điểm xuất phát góc định hướng + Các góc ngoặt α1, α2, α3, … chỗ đổi hướng tuyến + Chiều dài đoạn thẳng + Các yếu tố đường cong như: góc ngoặt α, bán kính đường cong R, chiều dài tiếp tuyến T, chiều dài cung tròn K chiều dài phân cự p (Hình 1.2) Tất yếu tố đánh dấu thực địa cọc đánh dấu lý trình (cọc Km, cọc 100m ký hiệu cọc H n n=1…9 Km), cọc đặt chỗ địa hình thay đổi (cọc địa hình ký hiệu cọc C n , n=1…1000 đóng chỗ tuyến cắt qua đường phân thủy, đường tụ thủy, điểm đổi dốc mặt đất, độ dốc ngang sườn thay đổi vị trí cọc chi tiết quy định) Tuyến đường hồn tồn xác định bình đồ (tức hồn tồn xác định thực địa) nhờ yếu tố sau: + Điểm xuất phát góc định hướng + Các góc ngoặt α1, α2, α3, … chỗ đổi hướng tuyến + Chiều dài đoạn thẳng + Các yếu tố đường cong như: góc ngoặt α, bán kính đường cong R, chiều dài tiếp tuyến T, chiều dài cung tròn K chiều dài phân cự p (Hình 1.2) Tất yếu tố đánh dấu thực địa cọc đánh dấu lý trình (cọc Km, cọc 100m ký hiệu cọc H n n=1…9 Km), cọc đặt chỗ địa hình thay đổi (cọc địa hình ký hiệu cọc C n , n=1…1000 đóng chỗ tuyến cắt qua đường phân thủy, đường tụ thủy, điểm đổi dốc mặt đất, độ dốc ngang sườn thay đổi vị trí cọc chi tiết quy định) 1.2.2 Mặt cắt dọc: Mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường đem “duỗi thẳng” gọi trắc dọc Để thể rõ mấp mơ tuyến đường, người ta quy định rõ tỉ lệ theo phương đứng gấp 10 lần tỉ lệ theo phương ngang (Hình 1.1.b): ví dụ thiết kế sở, tỉ lệ theo phương đứng 1/1.000, tỉ lệ theo phương ngang 1/10.000; thiết kế kỹ thuật, tỉ lệ theo phương đứng 1/100, tỉ lệ theo phương ngang 1/1.000 Cự ly cọc ghi mặt cắt dọc cự ly hình chiếu cọc mặt phẳng Trong vẽ mặt cắt dọc phải thể hiện: - Đường đen đường thể cao độ mặt đất tự nhiên tim đường - Đường đỏ đường thể cao độ thiết kế tim hay mép đường Ở chỗ đổi dốc, đường đỏ phải thiết kế nối dốc đường cong đứng lồi lõm Đường đỏ xác định nhờ yếu tố: + Cao độ đường đỏ điểm đầu tuyến + Độ dốc dọc (id) chiều dài đoạn dốc + Đường cong đứng chỗ đổi dốc với yếu tố Độ dốc dọc đường tơ hiểu sau: i = ∆H/∆L= tga ( i làm tròn đến %0, ∆L làm tròn đến cm) Căn vào đường đỏ xác định, với yếu tố tính cao độ thiết kế chiều sâu đào đắp vị trí cọc bố trí bình đồ tương ứng - Mặt cắt địa chất: thể cấu tạo tầng lớp địa chất, có tỷ lệ ngang tỷ lệ ngang tuyến đường, tỷ lệ đứng 1/50 Giới hạn mặt cắt địa chất vẽ tịnh tiến xuống đường đen 2cm cho dễ đọc, giới hạn vẽ theo u cầu chiều sâu khoan hay chiều sâu hố đào quy trình khảo sát thiết kế đường tơ - Cơng trình nước: loại cơng trình, vị trí, độ, mực nước dâng trước cơng trình Cao độ độ dốc rãnh tháo, rãnh dọc bên trái bên phải mặt cắt dọc 1.2.3 Mặt cắt ngang: Là mặt cắt thẳng đứng vng góc với tim đường điểm tuyến (ở vị trí cọc) (Hình 1.1.c) Khoảng cách điểm trắc ngang ghi mặt cắt ngang khoảng cách hình chiếu điểm mặt phẳng Mặt cắt ngang vẽ với tỷ lệ đứng tỷ lệ ngang Thường tỷ lệ 1/200 Trong trắc ngang thể hiện: + Cao độ đường đen + Cao độ đường đỏ + Bề rộng đường B + Bề rộng mặt đường (phần xe chạy) b + Bề rộng lề đường c - + Độ dố + Độ dốc ta luy 1:m + Các kích thước rãnh thoát nước dọc + Diện tích đào, diện tích đắp + Bán kính đường cong, độ dốc siêu cao, độ mở rộng mặt đường đường cong (nếu có) Thiết kế đường đònh yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tế k1.3 Các đặc trưng vận tải đường phân cấp hạng kỹ thuật đường ô tô 1.3.1 Các đặc trưng vận tải chủ yếu đường 1.3.1.1 Thành phần xe chạy đường: Ở nước ta, thành phần xe chạy đường bao gồm: - Các loại ô tô: ô tô tải (tải nhẹ, tải nặng, tai nơ,…), ô tô khách (xe du lòch, xe khách nhiều loại chỗ ngồi, xe buýt,…) - Xe gắn máy Ở nước ta loại phương tiện nhiều - Xe đạp loại xe thô sơ khác Vì phương tiện kể có khả tốc độ chạy xe khác nhiều, mặt tổ chức giao thông, có hai giải pháp thiết kế đường: tíc- Thiết kế theo phương án giao thông hỗn hợp: tức loại phương tiện chung phần xe chạy Tất yếu loại phương tiện chạy chậm cản trở loại chạy nhanh - Thiết kế theo phương án tách riêng nhóm theo khả tốc độ: nâng cao tốc độ chạy xe Như vậy, thành phần dòng xe tỉ lệ có mặt loại phương tiện dòng xe ảnh hưởng đáng kể đến giải pháp thiết kế tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đường Để chọn cấp hạng kỹ thuật tuyến đường cần phải chia thành phần xe chạy thành loại sau đây: xe đạp, xe gắn máy, xe con, xe tải có hai trục xe buýt 25 chỗ ngồi, xe tải có từ ba trục trở lên xe buýt lớn, xe kéo moóc xe buýt có kéo moóc ong, độ1.3.1.2 Tải trọng xe chạy: Tải trọng xe tác dụng lên đường có ảnh hưởng quan trọng đến làm việc mặt đường công trình đường sở để tính toán thiết kế công trình 1.3.1.3 Tốc độ xe chạy: LLECT OR LOCAL STREET    CULNo frontage access, no standing vehicle, very little cross traffic Design Speed : 80km/hr Land width : 50 – 60m    Spacing 1.5km in CBD & 8km or more in sparsely developed areas Divided roads with full or partial parking Pedestrian allowed to walk only at intersection -DE-SAC Requirements: Short  Easy  Safe  Economical Factors controlling alignment :  1) Obligatory points A Obligatory points through which alignment should pass through ( bridge site, intermediate town , Mountain pass etc B Obligatory points through which alignment should not pass (Religious Places,Lakes/Ponds 2) Traffic 3) Geometric design 4) Economics 5) Other considerations PATHWAY DRIVEWAY RIAL ROADS Factors governing alignmentARTERIA SUB  LObligatory points         Geometric design features Facilitate easy grade and curvature Enable ruling gradient in most sections Void sudden changes in sight distance, especially near crossings Avoid sharp horizontal curves Avoid road intersections near bend or at the top or bottom of a hill fPrecautions    The location should avoid obstructions such as places of cemeteries, archeological, historical monument, public facilities like schools and hospitals, utility services at river and railway crossings Bridges should be preferably be located at right angles to the river flow, not located on a horizontal curve Crossing railway lines should avoid intersections at gradient, frequent crossing and recrossing loTopographical control points  The alignment, where possible should avoid passing through  Marshy and low lying land with poor drainage  Flood prone areas  Unstable hilly features  Avalanche prone areas Cross Slope • • • • Flat terrain : – 10% Rolling terrain :10 to 25% Mountainous terrain:–25% - 40% Steep : >60%   wMaterials     ,n A location on high ground should be preferred rather than valley to avoid cross drainage works and constructional features Deep cutting should be avoided Earth work is to be balanced; quantities for filling and excavation Alignment should preferably be through better soil area to minimize pavement thickness Location may be near sources of embankment and pavement materials Traffic Trend, Direction and pattern of traffic are critical elements OD survey should be conducted Desire lines based on survey should be drawn to indicate the desired pattern of traffic flow   Trend, Direction and pattern of traffic are critical elements  OD survey should be conducted DesirECONOMIC FACTORS Capital cost Maintenance Cost Operational cost Road User Cost Embankment and deep cuttings cost Other Considerations      Engineering feasibility Environmental consideration Social consideration Political Acceptability Engineering Surveys for Highway locations     5) Provisional alignment Identification ( Map study) Reconnaissance survey Preliminary survey Final location to determine center line and detailed survey Key map 6) Index map 7) Preliminary survey plans 8) Detailed plan and longitudinal section 9) Detailed cross section 10) Land acquisition plans 11) Drawings of cross drainage and other retaining structures 12) Drawings of road intersections 13) Land plans showing quarries etc 1) 2) 3) 4) SURVEY DATA COLLECTION        • eNatural and man made features Proposed Geometric Design elements Number of cross drainage structures Soil characteristics Source of construction materials Geological formation, type of rocks Drainage Base Map preparation  Topographical map (SoI) Scale -1: 2,50,000 1: 50,000 1: 25,000 • Shows man made and natural features and contour lines at 15 or 30m interval Shows possible alignments with obligatory points and minimum number of cross drainage structuresMAP STUDY   Map updating – to confirm features indicated on map Checking for:  Number of cross drainage structures  High Flood Level (HFL)      Confirming Length and value of gradient to IRC standards Soil Characteristics Geological features Proximity to source of construction materials- quarries, water sources Prepare a report on merits and demerits and profile map of scale 1:50,000 PRELIMINARY SURVEY      Base Plan Hz Vr  Built up area/hilly terrain 1:1000 1:100  Plain and rolling terrain 1:2500 1:250  Establish center line Incorporation of natural and man made features Longitudinal and cross sectional profile (Levelling)  Plain Terrain` : 100 – 200m  Rolling Terrain : 50m  Hilly Terrain : 30m Other studies  Drainage, Hydrological, soil, Traffic and Materials Finalisation of the best alignment  Comparative analysis  Choose best alignment among alternatives  Design geometric elements    Soil Profile Transferring the alignment on to ground Detail Survey – levelling work for longitudinal and transverse direction Intervals for cross sectional levelling  Plain 50 – 100m  Rolling 50 – 75m  Built up 50m  Hilly 20m Alignment for hill roads    Minimum hair pin bends Bends should be located on stable and flat slopes Cross section for hair pin bends should be at intervals of 20-25m Avoid bends in valleys  Survey for a width of ;  15 m on either side of centre line in straight alignment 30m on sharp curves  1) 2) 3) 4) Provisional alignment Identification ( Map study) Reconnaissance survey Hand held GPS giving 3D positions to an accuracy of 10-20m Preliminary Survey  Mapping of topography and relief  Use of aerial Photos  Airborne Laser Terain Mapping 5) Final location and detailed survey Modern Equipments for Surveying      EDM – Electronic Distance Measurement Auto level Digital level Total station GPS – global positioning system lines based on surv eyBalloon photography (1858) Pigeon cameras (1903) Kite photography (1890) Aircraft (WWI and WWII) Space (1947) should be drawn to indicate the desired pattern of traffic flot located on a horizontal curve      Crossing railway lines should avoid intersections at gradient, frequent crossing and recrossing COLLECTOR LOCAL STREET CUL-DE-SAC PATHWAY DRIVEWAY + Bán kính đường cong, độ dốc siêu cao, độ mở rộng mặt đường đường cong (nếu có) Thiết kế đường đònh yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tế + Độ dốc ta luy 1:m + Các kích thước rãnh thoát nước dọc + Diện tích đào, diện tích đắp + Bán kính đường cong, độ dốc siêu cao, độ mở rộng mặt đường đường cong (nếu có) Thiết kế đường đònh yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tếĐộ dốc ta luy 1:m + Các kích thước rãnh thoát nước dọc + Diện tích đào, diện tích đắp + Bán kính đường cong, độ dốc siêu cao, độ mở rộng mặt đường đường cong (nếu có) Thiết kế đường đònh yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tế ặt cắt đòa chất: thể cấu tạo tầng lớp đòa chất, có tỷ lệ ngang b + Độ dốc ta luy 1:m + Các kích thước rãnh thoát nước dọc + Diện tích đào, diện tích đắp + Bán kính đường cong, độ dốc siêu cao, độ mở rộng mặt đường đường cong (nếu có) Thiết kế đường đònh yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tằng tỷ lệ ngang tuyến đường, tỷ lệ đứng 1/50 Giới hạn mặt cắt đòa chất vẽ tònh tiến xuống đường đen 2cm cho dễ đọc, giới hạn vẽ theo yêu cầu chiều sâu khoan hay chiều sâu hố đào quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô - Công trình thoát nước: loại công trình, vò trí, độ, mực nước dâng trước công trình Cao độ độ dốc rãnh tháo, rãnh dọc bên trái bên phải mặt cắt dọc - Mối quan hệ “ơ tơ – đường tơ”: Mối quan hệ cho biết tác động tơ lên đường xe chạy từ có đề xuất phù hợp đối vơí yếu tố kỹ thuật đường mà ta cần thiết kế nhằm đảm bảo cho điều kiện xe chạy mặt động lực ( để xác định độ dốc tối đa bao nhiêu…) - Mối quani hệ : “ Mơi trường xung quanh – đường ơtơ” Tức vấn đề địa hình địa mạo, địa chất, thủy văn, khí hậu ảnh hưởng đến đường ? Từ giúp ta xác định vị trí tuyến đường chọn biện pháp kỹ tht cho phù hơp ( tuyến cho hài hòa nhất, kinh tế nhất, xử lý tượng xói ngầm,…) - Mối quan hệ : “ Mơi trường xung quanh – người lái xe” Mơi trường xung quanh bao gồm thân đường có ảnh hưởng trực tiếp đến tâm – sinh lý người lái xe Trên sở người thiết kế tạo mơi trường thích hợp để người lái xe làm việc tốt - Mối quan hệ : “ Đường ơtơ – ơtơ” Mối quan hệ xét đến ảnh hưởng đường ơtơ vơí chất lượng khai thác sử dụng đường cơng việc vận tải ơtơ tiêu hao nhiên liệu, tốc độ, suất ơtơ ... thiết kế nâng cấp, cải tạo + t = 25 năm đường thiết kế áo đường có tầng mặt bê tông xi măng + t = 15 năm đường thiết kế áo đường có tầng mặt cấp cao A1 ( bê tông nhựa (BTN) rải nóng) + t = 4 -10 ... kinh tế k1.3 Các đặc trưng vận tải đường phân cấp hạng kỹ thuật đường ô tô 1. 3 .1 Các đặc trưng vận tải chủ yếu đường 1. 3 .1. 1 Thành phần xe chạy đường: Ở nước ta, thành phần xe chạy đường bao... đ 1. 3 .1. 2 Tải trọng xe chạy: Tải trọng xe tác dụng lên đường có ảnh hưởng quan trọng đến làm việc mặt đường công trình đường sở để tính toán thiết kế công trình 1. 3 .1. 3 Tốc độ xe chạy: Trên đường