Giáo trình thiết kế đường ô tô 2017 : lý thuyết ngắn gọc xúc tích, hướng dẫn thiết kế đường cụ thể chi tiết, có ví dụ và hướng dẫn cụ thể cho người mới bắt đầu công tác thiết kế đường ô tô. Giáo trình thiết kế đường ô tô 2017 : lý thuyết ngắn gọc xúc tích, hướng dẫn thiết kế đường cụ thể chi tiết, có ví dụ và hướng dẫn cụ thể cho người mới bắt đầu công tác thiết kế đường ô tô.
GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ơ TƠ 2017 Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 TỔNG QUAN VỀ XE TRÊN ĐƯỜNG VÀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1.1 Vận tải, hình thức vận tải Giao thơng vận tải đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân, động lực phát triển kinh tế, có vai trò quan trọng hàng đầu kết cấu hạ tầng mạch máu lưu thông đất nước Trong GTVT có nhiều ngành ngành có đặc trưng khác nhau: Vận tải thủy: vận tải đường sông vận tải đường biển Ưu điểm tiết kiệm lượng vận chuyển chi phí vận chuyển rẻ, thuận lợi việc vận chuyển loại hàng hóa cồng kềnh từ khắp nơi giới Nhược điểm tốc độ vận chuyển chậm, phụ thuộc vào đường biển, điều kiện sơng ngòi, điều kiện thời tiết khí hậu Vận tải hàng không: ưu điểm tốc độ cao, tiết kiệm thời gian vận chuyển Nhược điểm giá thành cao Hiện phát triển mạnh mẽ Vận tải đường sắt: ưu điểm tốc độ vận chuyển cao, vận chuyển hàng hóa khối lượng lớn, giá thành tương đối rẻ Nhược điểm không vượt độ dốc lớn, đường vận chuyển cố định nên không động Vận tải đường bộ: chủ yếu đường ô tô, phận quan trọng ngành vận tải Đặc điểm: - Có tính động cao, vận chuyển trực tiếp khơng cần qua phương tiện chuyển tải trung gian, giao thông đường có khả luồn lách đến tất nơi miền đất nước, từ vùng đồng đến vùng miền núi xa xơi mà hình thức giao thông khác đến khó khăn tốn kém; - Kinh phí xây dựng khơng q cao so với hình thức giao thơng khác; - Tốc độ vận tải lớn, nhanh đường thủy, tương đương đường sắt, đường cao tốc chạy 100km/h nên cự ly ngắn cạnh tranh với đường hàng khơng; - Cước phí vận chuyển đường rẻ nhiều so với đường hàng không nên lượng hành khách hàng hóa thường chiếm 80 - 98% khối lượng hàng 59 - 70% khối lượng vận chuyển; - Nhược điểm chủ yếu vận tải ô tô tai nạn giao thông cao Hiện nước ta số nước có số vụ tai nạn giao thơng lớn giới, phủ có biện pháp nhằm hạn chế tai nạn; Vì ý nghĩa nên cần nhanh chóng phát triển giao thơng đường nhằm thỏa mãn nhu cầu vận chuyển hàng hóa, nhu cầu lại nhân dân, nhu cầu giao lưu kinh tế, văn hóa miền đất nước 1.1.2 Xe đường tơ 1.1.2.1 Các kích thước xe thiết kế Trên đường cao tốc cho phép xe ô tô lưu hành, đường ô tô theo tiêu chuẩn TCVN 4054: 2005 tất loại xe, trừ xe bánh xích, phép lưu hành ngồi xe tơ có loại xe xe máy, xe đạp, hành Kích thước xe thiết quy định sau: Bảng 1.1 Các kích thước xe thiết kế (Kích thước tính mét) Loại xe Xe Xe tải Xe moóc tỳ Chiều dài tồn xe 6,00 12,00 16,50 Chiều rộng phủ bì 1,80 2,50 2,50 Chiều cao 2,00 4,00 4,00 Nhơ phía Nhơ phía Khoảng cách trước sau trục xe 0,80 1,40 3,80 1,50 4,00 6,50 1,20 2,00 4,00 - 8,80 1.1.2.2 Lưu lượng xe thiết kế (xcqđ/nđ) Lưu lượng xe thiết kế số xe quy đổi từ loại xe khác, thông qua mặt cắt đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai Năm tương lai năm thứ 20 sau đưa đường vào sử dụng cấp I II; năm thứ 15 cấp III IV; năm thứ 10 cấp V, cấp VI đường thiết kế nâng cấp, cải tạo Hệ số quy đổi từ xe loại xe lấy theo Bảng 1.2 (Bảng TCVN 4054 - 2005) Bảng 1.2 Hệ số quy đổi từ xe loại xe Loại xe Xe tải có Xe tải có Địa hình Xe kéo mc, xe Xe đạp Xe máy Xe trục xe buýt trục trở lên buýt kéo moóc 25 chỗ xe buýt lớn Đồng đồi 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 Núi 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 Chú thích: Việc phân biệt địa hình dựa sở độ dốc ngang phổ biến sườn đồi, sườn núi sau: Đồng đồi 30 %; núi > 30 % Đường tách riêng xe thơ sơ khơng quy đổi xe đạp Các loại lưu lượng xe thiết kế Lưu lượng xe thiết kế bình quân ngày đêm năm tương lai (viết tắt Ntbnđ) có thứ nguyên xcqđ/nđ (xe quy đổi/ngày đêm) Lưu lượng tham khảo chọn cấp thiết kế đường tính tốn nhiều yếu tố khác Lưu lượng xe thiết kế cao điểm năm tương lai viết tắt Ngcđ có thứ nguyên xcqđ/h (xe quy đổi/giờ) Lưu lượng để chọn bố trí số xe, dự báo chất lượng dòng xe, tổ chức giao thơng… Ngcđ tính cách: có thống kê, suy từ Ntbnđ hệ số không theo thời gian; có đủ thống kê lượng xe năm, lấy lưu lượng cao điểm thứ 30 năm thống kê; khơng có nghiên cứu đặc biệt dùng Ngcđ = (0,10 0,12) Ntbnđ Khi lựa chọn cấp hạng đường, điều trước tiên mà ta nên quan tâm chức hay tầm quan trọng đường đồng thời có xét tới yếu tố địa hình, cấp có tiêu chuẩn theo địa hình để có giá thành xây dựng hợp lý Chỉ tiêu lưu lượng xe thiết kế để tham khảo (chỉ tiêu mở rộng, khơng có cận trên) có nhiều trường hợp tuyến đường có chức quan trọng lượng xe không nhiều tạm thời không nhiều 1.1.3 Đường ô tô Đường ô tô tổng hợp cơng trình, trang thiết bị nhằm phục vụ cho giao thông đường thường thể vẽ bản: a) Bình đồ: hình chiếu tuyến đường địa hình, ngồi yếu tố địa hình, biễu diễn đường đồng mức, tuyến đường bình đồ thể yếu tố sau: - Điểm đầu, điểm cuối điểm chuyển hướng tuyến đường - Các góc chuyển hướng, giá trị góc chuyển hướng α - Các yếu tố đường cong điểm chuyển hướng - Các cọc lý trình, vị trí cơng trình tuyến Hình - Các yếu tố tuyến bình đồ b) Trắc dọc: hình chiếu mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường duỗi thẳng Trên mặt cắt dọc thể yếu tố chủ yếu sau: - Cao độ thiên nhiên theo tim tuyến, đường nối cao độ gọi đường đen, - Cao độ thiết kế đường nối cao độ gọi đường thiết kế (đường đỏ) Đường đỏ xác định bằng: Độ dốc dọc thiết kế (tính phần trăm hay phần nghìn), Chiều dài đoạn dốc Đường cong nối dốc vị trí đổi dốc yếu tố đường cong Để xác định chiều cao thi công, dựa vào cao độ thiên nhiên cao độ thiết kế vị trí Cèng hép bxh =1.25x1.25m cäc 12, km0+224.87 giao đường sắt cọc h1, km0+098.04 điểm đầu dự án km760+802.00 (lý tr×nh theo ql1) - Các cơng trình đường: vị trí cầu, cống, đường giao cắt… R·nh däc bªn trái Rãnh dọc bên phải Dốc dọc thiết kế Cao độ thiết kế Cao độ thiên nhiên Cự ly lẻ Cự ly cộng dồn Tên cọc Lý trình Đoạn thẳng, ®o¹n cong Hình - Một đoạn trắc dọc thiết kế c) Trắc ngang: hình chiếu yếu tố đường mặt chiếu thẳng góc với tim đường Trên mặt cắt ngang mặt đất tự nhiên thể đường đen, yếu tố thiết kế mặt cắt ngang chủ yếu là: - Tim đường: trục đối xứng đường mặt đường (trừ trường hợp đường cong có mở rộng phía) - Phần xe chạy (mặt đường): Là phần kết cấu gồm nhiều tang lớp vật liệu trực tiếp chịu tác dụng tải trọng xe cộ yếu tố thời tiết, phần quan trọng đường Phần xe chạy có nhiều xe có bề rộng xác định tùy theo cấp đường - Nền đường: tảng phần xe chạy, lớp phía đường với áo đường chịu tác dụng tải trọng xe Nền đường bao gồm chiều rộng phần mặt đường lề đường (hay bề rộng hai vai đường) - Lề đường: phần nằm bên mặt đường có chức năng: giao thông hành, nơi để vật liệu tu sửa chữa đường, nơi đỗ xe tạm thời, xe thơ sơ, bộ… Lề đường bao gồm lề đất có lề gia cố - Mép mặt đường: phần tiếp giáp lề đường mặt đường - Mái đường dốc đường: có dạng mái đường dốc đường đắp mái đường dốc đường đào o( Đuờng thiên nhiên T ắp yđ a lu (-) /m in (%) KÕt cÊu gia cè lỊ lỊ ®Êt igcl (%) iđ (%) in (%) Kết cấu mặt đuờng gia cố b c lề đuờng Chiều rộng mặt đuờng Lề đuờng Ta iđ (%) igcl (%) luy đà Cao ®é thiÕt kÕ tim ®uêng +) 1/n h7 Km4+700 R·nh däc B ChiỊu réng nỊn ®ng Hình - Trắc ngang đường d) Các cơng trình đường: - Các cơng trình nước đường - Cơng trình vượt qua dòng nước - Các cơng trình khác đường: Hệ thống an tồn tổ chức giao thơng, xanh, chiếu sáng, trạm nghỉ, trạm thu phí, nhà phục vụ bảo trì đường 1.1.4 CÊp h¹ng kü tht đường ô tô a Phân cấp theo quan quản lý đường: Mạng lưới đường ô tô quốc gia phân thành: + Hệ thống đường Quốc lộ, nối trung tâm kinh tế trị giao thơng có ý nghĩa toàn quốc + Hệ thống đường địa phương: đường tỉnh, đường huyện - đường xã, nối liền trung tâm kinh tế có tính chất địa phương tỉnh, huyện, xã… b Phân loại đường theo TCVN: Theo tiêu chuẩn Việt Nam, đường ô tô phân loại: + Đường cao tốc: đường chuyên cho ô tô chạy, có phần xe chạy riêng biệt (mỗi chiều có xe), lại chia : - Đường cao tốc loại A: tất nút giao thông đường khác mức; - Đường cao tốc loại B: số nút giao thông tuyến phép giao + Đường ô tô: dùng chung cho loại phương tiện giao thơng, trừ xe xích c Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức lưu lượng xe thiết kế: Đường ô tô đường cao tốc phân cấp tùy theo chức đường, theo địa dẫn bảng 1.3: Bảng 1.3 Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức lưu lượng xe thiết kế Cấp thiết kế đường Cao tốc Lưu lượng xe thiết kế*) Chức đường (xcqđ/nđ) > 25 000 Đường trục chính, thiết kế theo TCVN 5729 : 1997 Đường trục nối trung tâm kinh tế, trị, văn hoá Cấp I > 15 000 lớn đất nước Quốc lộ Đường trục nối trung tâm kinh tế, trị, văn hố Cấp II > 000 lớn đất nước Quốc lộ Đường trục nối trung tâm kinh tế, trị, văn hố lớn Cấp III > 000 đất nước, địa phương.Quốc lộ hay đường tỉnh Đường nối trung tâm địa phương, điểm lập hàng, Cấp IV > 500 khu dân cư Quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện Đường phục vụ giao thông địa phương Đường tỉnh, đường Cấp V > 200 huyện, đường xã Cấp VI < 200 Đường huyện, đường xã Trị số lưu lượng để tham khảo Chọn cấp hạng đường nên vào chức đường theo địa hình d Các tiêu chủ yếu cấp đường - Vận tốc thiết kế (Vtk): Tốc độ thiết kế tốc độ dùng để tính tốn tiêu kỹ thuật chủ yếu đường trường hợp khó khăn Tốc độ khác với tốc độ cho phép lưu hành đường quan quản lý đường Tốc độ lưu hành cho phép phụ thuộc tình trạng thực tế đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thơng, ) Tốc độ thiết kế cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, xem Bảng 1.4 (Bảng TCVN 4054 - 2005) Bảng 1.4 Tốc độ thiết kế đường Cấp thiết kế Địa hình I Đồng II Đồng III Đồng Núi IV Đồng Núi V Đồng Núi VI Đồng Núi Tốc độ thiết kế, 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 Vtk, km/h CHÚ THÍCH: Việc phân biệt địa hình dựa sở độ dốc ngang phổ biến sườn đồi, sườn núi sau: Đồng đồi 30 %; núi > 30 % - Chiều dài tối thiểu tuyến đường ứng với cấp đường: Các đoạn tuyến phải có chiều dài tối thiểu thống theo cấp Chiều dài tối thiểu đường từ cấp IV trở xuống km, với cấp khác 10 km - Mặt cắt ngang: Chiều rộng tối thiểu yếu tố mặt cắt ngang đường quy định tuỳ thuộc cấp thiết kế đường quy định Bảng 1.5 (Bảng TCVN40542005) áp dụng cho địa hình đồng đồi, Bảng 1.6 (Bảng TCVN4054-2005) áp dụng cho địa hình vùng núi Bảng 1.5 Chiều rộng tối thiểu yếu tố mặt cắt ngang cho địa hình đồng đồi Cấp thiết kế đường Tốc độ thiết kế, km/h Số xe tối thiểu dành cho xe giới (làn) Chiều rộng xe, m Chiều rộng phần xe chạy dành cho giới, m Chiều rộng dải phân cách giữa1), m I 120 II 100 III 80 IV 60 V 40 VI 30 2 3,75 2x 11,25 3,75 3,50 3,50 2,75 3,50 x 7,50 7,00 7,00 5,50 3,5 1,50 0 0 3,00 3,50 3,00 2,50 1,00 1,00 1,50 (3,00) (2,50) (2,00) (0,50) (0,50) Chiều rộng đường, m 32,5 22,5 12,00 9,00 7,50 6,50 1) Chiều rộng dải phân cách có cấu tạo nói điều 4.4 Hình áp dụng trị số tối thiểu dải phân cách cấu tạo dải phân cách bê tông đúc sẵn xây đá vỉa, có lớp phủ khơng bố trí trụ (cột) cơng trình Các trường hợp khác phải bảo đảm chiều rộng dải phân cách theo quy định điều 4.4 2) Số ngoặc hàng chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu Khi có thể, nên gia cố toàn chiều rộng lề đường, đặc biệt đường khơng có đường bên dành cho xe thô sơ Chiều rộng lề lề gia cố2), m Bảng 1.6 Chiều rộng tối thiểu phận mặt cắt ngang cho địa hình vùng núi Cấp thiết kế đường Tốc độ thiết kế, km/h Số xe dành cho xe giới, Chiều rộng xe, m Chiều rộng phần xe chạy dành cho xe giới, m III 60 3,00 IV 40 2,75 V 30 3,50 VI 20 3,50 6,00 5,50 3,50 3,50 1,5 1,0 1,5 1,25 (1,0m) (0,5m) (1,0m) Chiều rộng đường, m 9,00 7,50 6,50 6,00 *) Số ngoặc hàng chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu Khi có thể, nên gia cố tồn chiều rộng lề đường, đặc biệt đường khơng có đường bên dành cho xe thô sơ Chiều rộng tối thiểu lề đường lề gia cố *), m 1.2 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG 1.2.1 Lực cản xe đường Chuyển động ô tô đường chuyển động phức tạp: tịnh tiến đường thẳng, quay đường cong đứng, lượn đường cong nằm dao động chuyển động mặt đường không phẳng Tất đặc điểm chuyển động chưa vận dụng hết vào việc xác định yếu tố tuyến đường Ngồi ra, trình độ nghề nghiệp, tâm sinh lí lái xe chưa xét Chúng ta xét hệ đơn giản: Xe Đường Trong đó, xe coi chất điểm, có lực kéo động để thắng lực cản đường, mặt đường giả thiết phẳng, cứng không biến dạng Khi xe chạy đường, động phải tiêu hao lượng để khắc phục lực cản đường Các lực cản xe chạy bao gồm: lực cản lăn, lực cản khơng khí, lực cản qn tính lực cản leo dốc Hình 2.1 Các lực tác dụng lên ô tô chuyển động Pk - Lực kéo; Pf - Lực cản lăn; Pw - Lực cản khơng khí; Pj - Lực cản quán tính; Pi - Lực cản leo dốc 1.2.1.1 Lực cản lăn Pf Khi xe chạy, điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường xuất lực cản lăn Lực ngược chiều chuyển động xe, cản trở chuyển động ô tô Lực cản lăn sinh ma sát bánh xe với mặt đường, sinh biến dạng lốp xe biến dạng mặt đường, xe bị xung kích chấn động mặt đường không phẳng ma sát ổ trục xe xe chạy Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn tất bánh xe Pf tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) tơ: Pf = f.G (kN) Trong đó: G - tải trọng tác dụng bánh xe ô tô (kN); (2.1) f - hệ số cản lăn không thứ nguyên; Pf - lực cản lăn (kN) Hệ số sức cản lăn f phụ thuộc vào độ cứng lốp xe, tốc độ xe chạy chủ yếu phụ thuộc vào loại mặt đường (Bảng 1) Thường lấy f = 0,02 tính tốn thiết kế yếu tố hình học đường Bảng 2.1 Hệ số lực cản lăn f phụ thuộc loại mặt đường Loại mặt đường + Bê tông xi măng Hệ số f 0,01 - 0,02 bê tông nhựa Loại mặt đường Hệ số f + Lát đá 0,04 - 0,05 + Đất khô bằngphẳng 0,04 - 0,05 + Đá dăm đen 0,02 - 0,025 + Đất ẩm không phẳng 0,07 - 0,15 + Đá dăm 0,03 - 0,05 + Đất cát rời rạc 0,15 - 0,30 1.2.1.2 Lực cản khơng khí Pw Khi xe chạy, lực cản khơng khí gây phản lực khối khơng khí phía trước, ma sát thành xe với khơng khí hai bên khoảng chân khơng phía sau tơ hút lại Lực cản khơng khí xác định theo công thức: Pw = k.F.v2 = k.F.V2/13 ̣ (kN) (2.2) Trong đó: Pw - Lực cản khơng khí (kN); k - hệ số sức cản khơng khí phụ thuộc vào mật độ khơng khí hình dạng xe (ơ tô tải k = 0,06-0,07; ô tô bus k = 0,04 - 0,06; xe k = 0,025 - 0,035); F - diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn ô tô) (m ); F = 0,8.B.H (B H chiều rộng chiều cao ô tô m) v - vận tốc tương đối xe kể tốc độ gió, (m/s); V - vận tốc xe chạy, (km/h) 1.2.1.3 Lực cản leo dốc Pi Lực cản leo dốc sinh xe phải khắc phục đoạn dốc (h 2.1) Giả thiết xe phải leo độ cao h đoạn có chiều dài l (m), với trọng lượng xe G (kN), xe phải sinh công phụ leo dốc G.h Vậy lực cản leo dốc tính theo công thức: Pi = h.G/l = ± G.i (kN) (2.3) Trong đó: G - tải trọng tác dụng bánh xe ô tô (kN); Pi - Lực cản leo dốc (kN) i - độ dốc dọc đường (%), có dấu dương xe lên dốc, âm xe xuống dốc 1.2.1.4 Lực cản quán tính Pj Phát sinh xe tăng giảm tốc Bao gồm sức cản quán tính chuyển động tịnh tiến ô tô có khối lượng m sức cản quán tính phận quay tơ Khi xe tăng tốc lực qn tính ngược chuyển động ô tô, cản trở chuyển động; xe giảm tốc, lực qn tính chiều chuyển động Do ta có: Pj = ± m.j (kG) (2.4) Trong đó: m - khối lượng ô tô (G/g); g - gia tốc trọng trường (9,81 m/s ); j - gia tốc tơ (dv/dt) Vì ngồi chuyển động tịnh tiến xe có chuyển động quay bánh xe, trục xe nên phải nhân thêm hệ số kể đến quán tính quay δ = 1,03-1,07 G dv Pj (2.5) g dt Dấu dương ứng với trường hợp tăng tốc dấu âm ứng với trường hợp giảm tốc 1.2.1.5 Lực cản đường Lực cản leo dốc lực cản quán tính khơng phải ln ln có (trừ leo dốc trừ thay đổi tốc độ) Còn lực cản lăn lực cản khơng khí ln có xe chạy Do tổng hai lực cản có tên gọi lực cản đường Lực cản tính theo: Đối với xe xe buýt : Pđ = 0,00453 G + 0, 000073 GV + 0, 000625 CFV² Đối với xe tải: Pđ = 0,00345 G + 0, 0000653 GV + 0, 0004656 CFV² Cơng thức theo giáo trình TKĐ tập 1/2006 GS Đỗ Bá Chương với: Pđ - lực cản đường tổng lực cản khơng khí lực cản lăn, (kN); G - tải trọng tác dụng bánh xe ô tô, (kN); V- tốc độ xe chạy, km/h; F - diện tích cản trở, tính F = 0,8.B.H (B H chiều rộng chiều cao ô tô m); C- thông số lực cản khơng khí, xe 0,40 - 0,50, xe tải 0,65- 0,70, xe buýt 0,60 - 0,70 1.2.2 Lực kéo xe - nhân tố động lực xe 1.2.2.1 Lực kéo xe Nhiên liệu động chuyển hóa thành cơng có cơng suất hiệu dụng N, công suất tạo nên mômen M trục khuỷu động Giữa N M có quan hệ sau: N= M.w (mã lực) 75 (2.6) Trong đó: w - Tốc độ góc trục khuỷu, có liên hệ với vòng số quay động n (vòng/phút) w =2πn / 60 Do đó, ta thiết lập quan hệ sau: M =716,2 N (kNm) n (2.7) Trong đó: N- Cơng suất (mã lực); w- Tốc độ góc trục khuỷu; n- Số vòng quay trục khuỷu phút Mô men trục khuỷu nhỏ tốc độ quay lớn, muốn sử dụng cần phải qua hộp số để tạo mômen kéo đủ lớn Mk trục chủ động, mômen sinh ngoại lực (lực kéo Pk điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường) trị số trái chiều với phản lực đường T Hình 2.6 Quá trình sinh sức kéo tơ 10 a) b) Mùc níc ngÇm Đường cong nước thấm Thoát nước ngầm 0,3 0,5 Lớp đất không thấm nước Hình 3.31 Rãnh nước ngầm kiểu kín 0,2 a, b - tương ứng với trường hợp rãnh thoát nước ngầm có lớp vật liệu thay đổi theo chiều ngang chiều đứng 1- Đất bền chặt; 2- Lớp cỏ lật ngược; 3- Cát; 4- Đá dăm nhỏ; 5- Đá ba, đá hộc; 6- Ống Phần chứa nước là: - Đá ba, đá hộc - Đá xếp (để tạo lỗ rỗng) - Ống sành (xung quanh ống có lỗ nhỏ); - Ghép gỗ Bố trí mạng lưới rãnh ngầm: việc bố trí rãnh ngầm kín, hở, giếng ngầm mạng lưới rãnh ngầm vào phạm vi cần thoát nước ngầm khu vực chứa nước cần điều tra khảo sát, lập đồ (có đường đồng mức nước ngầm) Thốt nước ngầm đường: 1- Bố trí dọc tim đường 2- Bố trí mép phần xe chạy 3- Bố trí rãnh nước 4- Bố trí kết hợp 5- Khi đắp sườn dốc 6- Khi đào sườn dốc MN ngÇm C B C A B Hình 3.32 Các phương án bố trí rãnh ngầm đường tơ 6.1.3 Qui ho¹ch hƯ thèng thoát nước đường ô tô 128 129 6.2 Thiết kế rãnh đường ôtô 6.2.1 Khái niệm chung a Những yêu c ầu thiết kế rãnh 130 b Các công thức tính toán 131 c Trình tự tÝnh to¸n thủ lùc r·nh 132 6.3 ThiÕt kÕ cèng thoát nước đường ôtô 6.3.1 Khái niệm chung - Cống cơng trình nhân tạo phổ biến tuyến đường Tác dụng chủ yếu cống dùng để nước dòng chảy thường xuyên hay định kỳ chảy qua phía đắp, ngồi cống làm đường chui dân sinh - Khẩu độ cống chiều rộng lớn tiết diện nước Trường hợp cống có nhiều lỗ độ tính bẳng tổng số độ lỗ - Số lượng cơng trình nước tuyến phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu cống chiếm 80%-:-90% số lượng cơng trình nước Ở Việt Nam đường cấp IV miền núi trung bình 1km đường có 4-:-9 cống Giá thành xây dựng cống thường chiếm 10%-:-20% giá thành toàn tuyến 133 - Cống khác cầu nhỏ chỗ nước chảy cống có chế độ chảy khơng áp mà có loại chảy có áp bán áp chiều cao đất đắp đỉnh cống (kể chiều dày kết cấu áo đường) tối thiều 0,5m (đối với đường ôtô) đường sắt tối thiểu 1,0m - Khi giá thành xây dựng cống cầu việc lựa chọn dùng cống có ưu điểm sau: +) Cống không làm thay đổi điều kiện chuyển động xe ôtô chạy đường qua vị trí cống; khơng hạn chế mặt đường lề đường; không yêu cầu thay đổi loại kết cấu mặt đường cống +) Việc bố trí cầu đường cong (cong cong đứng) hay đường dốc thường gây nên phức tạp kết cấu; song cống bố trí cách dễ dàng với tổ hợp biểu đồ trắc dọc mà không gây nên phức tạp kết cấu +) Do nằm sâu đường nên tăng tải trọng đoàn xe ảnh hưởng đến cống Vì nâng cấp đường (tăng cấp tải trọng) phải tăng cường cống (nhất chiều cao đất đắp đỉnh cống 2m) +) Người ta dùng cầu mà cống khơng thể đảm bảo chảy qua đường Cấu tạo cống bao gồm phận sau: Đầu cống Thân cống Móng cống H×nh 1- Các thành phần cấu tạo cống 1- đốt cống ; 2- tường đầu cống ; 3- tường cánh cống ; 4- gia cố sân cống 5- móng thân cống ; 6- móng đầu cống ; 7- khe nối đốt cống ; 8- đất đắp cống 6.3.2 Tính tốn độ cèng cơng trình phụ trợ 6.3.2.1 Xác định diện tích lưu vực F hứng nước dồn vị trí cơng trình Khoanh vùng lưu vực hứng nước dồn vị trí cơng trình bình đồ Xác định diện tích lưu vực F (km2) 6.3.2.2 Xác định lưu lượng ứng với tần suất thiết kế cơng trình Qp% Xác định Qp% theo cơng thức trình bày mục 5.2 tiêu chuẩn tính tốn đặc trưng dòng chảy lũ có mã hiệu TCVN 9845-2013: 134 Nếu lưu lượng thiết kế ≤ 15m3 thường lựa chọn cơng trình nước cống tròn BTCT có giá thành rẻ 6.3.2.3 Xác định độ cống Chọn cống có độ cho khả nước cống lớn với lưu lượng thiết kế Khả thoát nước cống xác định sau: (a) Cống làm việc chế độ chảy tự (khơng áp): - Khả nước cống tính theo cơng thức: Q ωC VC δ ωC 2g.(H h C ) (1) Trong đó: hC: chiều sâu nước mặt cắt thu hẹp cửa vào cống (m) h C 0,9h K 0,73 VC2 g hK: chiều sâu phân giới chiều sâu dòng chảy ứng với chế độ nước chảy phân giới C : diện tích mặt cắt ướt thu hẹp dòng chảy cống tính với chiều sâu thu hẹp hC; (m2) VC: lưu tốc mặt cắt có chiều sâu hC (m/s) : hệ số lưu tốc ; = 0,85 loại đầu cống thơng thường ngoại trừ hình loa H: chiều sâu nước dâng trước cống tính theo công thức: 135 H hC VC2 2g. δ2 (Phương trình Becnuli) Thay = 0,85 ; h C 0,9h K 0,73 VC2 vào (2) ta có: g VC2 H 1,43 2h C g - (3) Thay (3) vào (1) ta có: Q 0,85 ωC 2gH - (2) (4) Đối với cống mặt cắt hình chữ nhật C = b.hC = 0,5.b.H đó: Q 0,425.b 2gH 1,33.b.H 3/2 (b) Cống làm việc chế độ chảy bán áp: - Khả nước cống tính theo công thức: Q ωC VC ε ω 2g.(H h C ) (5) Trong đó: - H: chiều sâu nước dâng trước cống hC = 0,6 hT hT: chiều cao lòng cống : diện tích mặt cắt ngang cống Hệ số lưu tốc = 0,85 loại đầu cống thông thường; = 0,95 đầu cống hình loa Hệ số co hẹp: = 0,6 cống hình chữ nhật ; = 0,65 cống tròn Thay vào (1) ta có: Q 0,51.ω 2g.(H 0,6h T ) (6) (c) Cống làm việc chế độ chảy có áp - Khả nước cống tính theo cơng thức: Q ω 2g.(H h T ) (7) Trong đó: hT: chiều cao lòng cống : diện tích mặt cắt ngang cống Thông thường, người ta hay sử dụng bảng tra lập sẵn để chọn độ cống cho đảm bảo: V Vcp Q QTK 136 Với: QTK – Lưu lượng thiết kế (Qp%) Vra – Lưu tốc cửa cống Vcp – Lưu tốc lớn cho phép cửa cống đảm bảo khơng gây xói hạ lưu Nó phụ thuộc vào địa chất hình thức đặc điểm gia cố hạ lưu cống Các bảng tra tham khảo sách « Thiết kế đường ô tô tập – Công trình vượt sông » NXB Giáo dục 6.3.2.4 Xác định chiều dài cống (trong trường hợp tim cống vng góc với tim đường): 137 Cơng thức (03), (04) tính chiều dài cống L1 L2 theo phương ngang đường Do cống có độ dốc lòng cống nên chiều dài cống thực tế là: L1’= L1/cosα; L2’=L2/cosα Chiều dài cống L’ = L1’ +L2’ Chọn L’ số nguyên Với α = arctg(i) Chiều dài thực tế cống có tính đến mối nối Ltt= n.l + (n-1)d n : Số đốt cống (thường n = L’) 138 l: chiều dài ống cống l = 100 cm d : chiều rộng mối nối d = (1-:-2) cm 6.3.2.5.Tính tốn xói lở hạ lưu gia cố lòng dẫn sau cơng trình - Đại phận cơng trình nước bị hư hỏng xói lở hạ lưu cơng trình Lưu tốc cửa cống cầu nhỏ thường lớn, đạt tới 6m/s Trong đó, lưu tốc cho phép khơng gây xói lở đất từ 0,7 1m/s Nếu lưu tốc lớn lưu tốc phân giới dòng chảy trạng thái chảy xiết Nếu độ dốc lòng suối, lòng dẫn hạ lưu nhỏ độ dốc phân giới dòng chảy trạng thái chảy êm xuất nước nhảy đoạn từ cửa đến vị trí chảy êm Các xốy nước phát sinh đoạn nước nhảy (và sau đoạn nữa) gây xói mòn lớn Như vậy, lòng suối hạ lưu cống cầu nhỏ bị xói mòn nước chảy xiết nước nhảy, cần thiết phải tiến hành gia cố hạ lưu cơng trình Việc gia cố hạ lưu cơng trình thường đạt hiệu cao nhờ có khả tăng lưu tốc cho phép , thu hẹp độ cầu cống cách thích đáng - Để ngăn ngừa xói lở lòng dẫn hạ lưu cần thiết phải gia cố đoạn dài Muốn phải lựa chọn hình thức gia cố kích thước chúng Khi thiết kế cơng trình gia cố, phải dựa sở: +Địa chất độ dốc lòng dẫn hạ lưu +Trạng thái yếu tố thủy lực cửa cơng trình +Khơng cho phép xói lở cho phép xói lở khơng gây nguy hại tới cơng trình m 1/ L gc hm h2 h1 Vra 0,3L gc 0,7L gc Gia cố hạ lưu cơng trình 1-Nền đường 2-Móng tường đầu 3-Móng tường cánh 4-Tường chống xói (đứng) 5-Tường chống xói (xiên 1/1) 6-Đá hộc Lgc – Chiều dài đoạn gia cố hạ lưu hm – Chiều sâu chơn tường chống xói -Chiều dài gia cố ( Lgc): Thường tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm xác định theo kinh nghiệm: 100cm L gc 1 3.B Với B độ cống -Chiều dày đoạn gia cố: h1 n d n hk h h2 20 30cm 139 n - Dung trọng nước, lấy n = 1T/m3 d - Dung trọng đá hk - Độ sâu phân giới h - Chiều sâu trung bình nước đoạn gia cố Để đơn giản, lấy h1 = h2 = (2030)cm -Đường kính đá bỏ vào hố xói sau tường chống xói (D): V2 D 25 D - Đường kính đá (cm) V – Lưu tốc sau xói (m/s) hm 0,5(m) -Chiều sâu chôn tường chống xói (hm ): hm Hoặc: -Chiều sâu xói lở (): Phải xác định rõ nguyên nhân gây xói (xói nước chảy xiết hay xói nước nhảy), từ có phương pháp tính tốn xác Trường hợp đơn giản, dùng cơng thức gần Viện sĩ O.V.Andreev: 2H B B 2,5 L gc H - Chiều cao nước dâng trước cống Ngồi ra, phải xét trường hợp dòng chảy chéo góc với bờ khe suối bờ khe suối bị nước chảy thúc vào sinh xói lở cục -Chiều rộng phần gia cố (Bgc) : B gc (4 6) B -Phía thượng lưu gia cố với trị số lấy 1/2 so với hạ lưu Mái ta luy đường phía thượng lưu gia cố đến cao độ (H +0,5m) -Hình thức gia cố: +Trồng cỏ +Lát đá hộc, miết mạch vữa mác 100, dày khoảng 2030cm +Lát bê tông, BTCT , … -Trường hợp cống chảy xiết, cống chảy có áp, đường tràn, đường tràn liên hợp cống, cầu hình thức gia cố kích thước gia cố phức tạp nhiều 6.3.2.6 Xử lý thượng, hạ lưu cống a) Xử lý thượng lưu cống cửa vào cống - Khi độ dốc dọc khe suối chỗ làm cống < 10%, khe suối thẳng thường bố trí cống theo độ dốc dọc lòng suối có đào cửa vào cống với độ dốc > 10% Tuỳ theo tình hình địa chất lưu tốc mà định có hay khơng gia cố phần đào - Khi độ dốc dọc rãnh biên lớn nước chứa nhiều bùn rác làm hố tụ cửa vào cống Khi độ dốc dọc đáy suối cửa vào cống khoảng 10 40% tạo độ dốc dọc trước cửa cống từ 10% chiều dài (1 2)B ( Với B độ cống ) - Khi độ dốc dọc lòng suối > 40%, lưu lượng lưu tốc lớn, cần phải thiết kế cơng trình tiêu năng, như: bậc nước, dốc nước, tường tiêu năng, bể tiêu nng 140 Rãnh dọc Nền đƯờng Đáy cống Hố tụ ic Khi lòng suối có độ dốc is < 10%, dòng chảy có chứa nhiều bùn rác Khi lòng suối cã ®é dèc is = 10-30% (B : KhÈu ®é tính toán cống) Nền đƯờng 10-40% 4-10% Đáy cống ic (1-2)B Gia cố phía hạ lƯu (D > 200cm) Gia cố phía thựơng lƯu (L) Nền đƯờng Bể tƯờng tiêu Đáy cống dốc nƯớC, Bể tƯờng tiêu ic a b 1:m c 2D/5 Khi lòng suối có độ dốc is > 30%, dòng chảy có vận tốc lớn Các đại lựợng L, D, m , a, b, c tính toán mà có Vi hỡnh thức xử lý thượng – hạ lưu cống b Xử lý hạ lưu cống cửa cống Kinh nghiệm cho thấy, đại phận cơng trình nước bị hư hỏng xói lở hạ lưu, xử lý cửa khơng tốt Vì vậy, phải vào điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ lực thuỷ văn, đặc tính dòng chảy để lựa chọn hình thức xử lý hạ lưu cho phù hợp, như: mở rộng dòng chảy, tiêu nước nhanh, tiêu năng, giảm tốc 141 - Khi độ dốc dọc cống < 5%, lưu tốc cửa cống không lớn ( lưu tốc khơng gây xói đất vào khoảng 0,5 0,7m/s ), phía ngồi tường chống xói (chân khay) gia cố đá hộc xếp khan - Để biến xói thành bồi, giảm khối lượng xây lắp cơng trình, nên xử dụng bậc chắn hạ lưu cơng trình Thực tế cho thấy, sử dụng cửa cống kiểu tường cánh chéo (kiểu chữ bát) kết hợp với bậc chắn đoạn gia cố hình thức chống xói hiệu kinh tế Cưa cđa cèng BËc trªn (2-3bËc) B/5 1: BËc b»ng (2-3bËc) BËc dø¬i (2 bËc) 1: x Tõ¬ng chèng xãi y > 2B/5 > 2B Xử lý hạ lưu cống cách biến xói thành bồi (x : y = 2: 1) CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày hệ thống nước đường tơ? Câu 2: Trình bày ngun tắc chung trình tự thiết kế bố trí hệ thống nước đường tơ? Câu 3: u cầu thiết kế rãnh? Trình tự thiết kế rãnh? Câu 4: Trình bày trình tự tính tốn độ cống cơng trình phụ trợ? Câu 5: Đường cấp IV đồng bằng, bề rộng mặt đường Bm= 7,00m; bề rộng lề gia cố Blgc= 2x0,5m; bề rộng lề đất Blđ= 2x0,5m; chiều rộng đường Bn=9,0m; dốc ngang mặt đường lề gia cố in= ilgc= 3%, lề đất ilđ= 5% Cống tròn có độ 100cm, chiều dày ống cống = 12cm Cống đặt vng góc với đường, độ dốc dọc cống 2% nghiêng thấp phải Chiều dày đầu cống thượng lưu hạ lưu c= 40cm, độ dốc mái ta luy đắp cống 1:1,5 Chiều cao đầu cống thượng lưu hạ lưu h= l,55m Cho biết: Đáy cống đặt trùng với cao độ thiên nhiên tim đường 20,5m; cao độ thiết kế đường vị trí cống 23,63m Hãy tính chiều dài cống bố trí đốt cống (giả thiết đốt cống dài lm)? 142 ... số nút giao thông tuyến phép giao + Đường ô tô: dùng chung cho loại phương tiện giao thơng, trừ xe xích c Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức lưu lượng xe thiết kế: Đường ô tô đường cao tốc... chức đường, theo địa dẫn bảng 1.3: Bảng 1.3 Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức lưu lượng xe thiết kế Cấp thiết kế đường Cao tốc Lưu lượng xe thiết kế* ) Chức đường (xcqđ/nđ) > 25 000 Đường. .. trường hợp tuyến đường có chức quan trọng lượng xe không nhiều tạm thời không nhiều 1.1.3 Đường ô tô Đường ô tơ tổng hợp cơng trình, trang thiết bị nhằm phục vụ cho giao thông đường thường thể