Bài tập lớn THIẾT KẾ CẤU TẠO ÁO ĐƯỜNG MỀM

Yêu cầu chung đối với áo đường: Áo đường là công trình xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường để phục vụ cho xe chạy, tr

CHƯƠNG I

THIẾT KÊ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1 Yêu cầu chung đối với áo đường:

Áo đường là công trình xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu

có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường để phục vụ cho xe chạy, trựctiếp chịu tác dụng phá hoại thường xuyên của các phương tiện giao thong và của cácnhân tố thiên nhiên (mưa gió, sự biến động nhiệt độ) Như vậy để bảo đảm xe chạy antoàn, êm thuận, kinh tế, bảo đảm đạt các chỉ tiêu khai thác – vận doanh có hiệu quảnhất thì việc thiết kế và xây dựng áo đường cần phải đạt được các yêu cầu cơ bản dướiđây :

- Áo đường phải có đủ cường độ chung (và tại mỗi điểm riêng trong mỗi tầng,

lớp vật liệu) biểu thị qua khả năng chống lại biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt,biến dạng co dãn do chịu kéo – uốn hoặc do nhiệt độ, đồng thời phải có đủ sức chịuđựng các tác dụng phá hoại bề mặt của xe cộ (chống bong bật, chống tạo vết hằn bánhxe) và thiên nhiên Hơn nữa cường độ và sức chịu đựng này phải ít thay đổi theo điều

kiện thời tiết, khí hậu, tức là phải ổn định về cường độ, do vậy cấu trúc vật liệu và hình

dạng bề mặt mặt đường phải tạo điều kiện thoát nhanh nước mưa khỏi phần xe chạy ;

- Mặt đường phải bảo đảm đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cảnlăn, giảm sóc khi xe chạy do đó nâng cao được tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiênliệu và kéo dài tuổi thọ và các phụ tùng Đây là một yêu cầu và một phương hướngquan trọng để hạ giá thành vận tải Nó có liên quan chặt chẽ với cường độ áo đường vìnếu cường độ thấp thì mặt đường càng dễ bị biến dạng gây lồi lõm, bong bật, ổ gà…

Để bảo đảm độ bằng phẳng khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thíchhợp (nhất là các lớp bề mặt) và chú ý trước đến các biện pháp kỹ thuật và công nghệthi công

- Bề mặt áo đường phải có đủ độ nhám nhất định (nhất là khi trời mưa) để nângcao hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với tốc

độ cao và trong trường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng Yêu cầu này cũngchủ yếu phụ thuộc việc chọn lớp trên mặt của kết cấu áo đường và nó hoàn toàn không

có mâu thuẫn gì với yêu cầu về độ bằng phẳng, đông thời cũng đòi hỏi phải thoát nướcmặt đường thật nhanh ;

- Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt Bụi là do xe cộ phá hoại, bào mòn mặtđường ; bụi làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu đến hành khách và hàng hóa, các bộphận máy móc của xe và làm bẩn môi trường

Không phải lúc nào cũng đòi hỏi áo đường có đầy đủ phẩm chất đáp ứng cácyêu cầu nói trên một cách tốt nhất, vì như vậy sẽ rất tốn kém, nhất là khi cường độ vậntải còn thấp Do đó người thiết kế phải xuất phát từ yêu cầu thực tế, ý nghĩa xây dựngđường… để đưa ra những kết cấu mặt đường thích hợp thõa mãn các mức độ khácnhau các yêu cầu nói trên.

2 Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường.

- Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp phải chú trọng các biện pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng để tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng Đồng thời, còn phải sử dụng các biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vậtliệu và tổ hợp các thành phần vật liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bịnước xâm nhập…) để hạn chế các tác dụng của ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết cấu áo đường và đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp mặt trên cùng do xe chạy gây ra

- Phải chọn và bố trí đúng các tầng, lớp vật liệu trong kết cấu áo đường sao cho phù hợp với chức năng của mỗi tầng, lớp và bảo đảm cả kết cấu đáp ứng được những yêu cầu cơ bản theo mục 1.3.1 đồng thời phù hợp với khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công và khả năng khai thác duy tu, sửa chữa, bảo trì sau này

- Phải sử dụng tối đa các vật liệu và phế thải công nghiệp tại chỗ (sử dụng trựctiếp hoặc có gia cố chúng bằng chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ) Ngoài ra, phải chútrọng vận dụng các kinh nghiệm về xây dựng và khai thác áo đường trong điều kiện cụthể của địa phương đường đi qua

- Cần đề xuất từ 2 đến 3 phương án cấu tạo kết cấu áo đường Khi đề xuất các phương án thiết kế cần phải chú trọng đến yêu cầu bảo vệ môi trường, yêu cầu bảo đảm an toàn giao thông và cả yêu cầu về bảo vệ sức khoẻ, bảo đảm an toàn cho người thi công

- Cần xét đến phương án phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo kết cấu áo

đường Trên cơ sở phương án cho quy hoạch tương lai cần dự tính biện pháp tăng cường bề dày để tăng khả năng phục vụ của áo đường phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian Riêng đối với áo đường cao tốc và đường cấp I hoặc cấp II thì không nên xét đến phương án phân kỳ xây dựng áo đường

- Đối với các đoạn đường có tầng mặt là loại cấp cao A1 nhưng qua vùng đất yếu có khả năng phát sinh độ lún lớn và kéo dài thì có thể thiết kế kết cấu nền áo đường theo nguyên tắc phân kỳ xây dựng trên cơ sở đảm bảo cho tầng mặt cấp cao A1

ở trên không bị hư hại do lún Lúc thiết kế vẫn phải dựa vào lượng giao thông ở cuối thời hạn thiết kế để thiết kế kết cấu và bề dày nhưng khi thi công có thể giảm bớt bề dày tầng mặt tương ứng với thời gian phân kỳ, đợi sau khi nền đường đi vào ổn định mới rải tiếp lớp mặt bê tông nhựa cấp cao A1 hoặc các lớp tạo phẳng, tạo nhám trên cùng.

3 Quy trình tính toán và tải trọng tính toán.

3.1 Quy trình tính toán:

Áo đường mềm được tính toán thiết kế theo quy trình thiết kế áo đường mềm

22 TCN 211-06

3.2 Tải trọng tính toán:

- Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (trục đơn): 100(kN).

- Áp lực tính toán lên mặt đường : p = 0,6 (Mpa).

- Đường kính vệt bánh xe: D = 33 (cm).

4 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu.

Eyc = max(Emin ; Ellxc)

4.1 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiều E min :

Mô đun đàn hồi tối thiểu của phần xe chạy (lề gia cố) phụ thuộc vào cấp đường

và cấp áo đường, được xác định theo bảng 3-5 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06.

Bảng I.4.1: Trị số tối thiểu của mô đun đàn hồi yêu cầu (Mpa)

Loại đường và cấp đường Loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế

1 Đường Ô tô

4.2 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng E llxc :

Mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng trục xe tính toán phụ thuộc vào tảitrọng xe tính toán, cấp áo đường và lưu lượng trục xe tính toán trên một làn xe trongmột ngày đêm tại năm thiết kế

Xác định lưu lượng trục xe tính toán trên một làn xe Ntt :

P

P N C C f

N

1

4 , 4 2

) 1 ( 2 , 1 1

- k : Số loại xe chạy trên đường.

- P i : Tải trọng trục của loại xe i.

- P tt : Tải trọng trục của loại xe tính toán Ptt = 10 (T)

- N i : Lưu lượng của loại xe i theo cả 2 chiều ở thời điểm bắt đầu đầu tư:

t

N   (  1 )

+ Nt : Lưu lượng xe hỗn hợp tại thời điểm t

+ q (%) : Hệ số tăng xe trung bình hàng năm q = 11%

+ N : Lưu lượng xe khảo sát ở đầu năm 2012 N = 660 (xhh/ng.đ)

Năm đưa công trình vào khai thác 2014

Từ lưu lượng trục xe tính toán, tra bảng 3.4 tiêu chuẩn 22TCN 211-06, ta được

Mô đun đàn hồi theo lưu lượng xe chạy Ellxc(Mpa)

Bảng I.4.3 : Bảng tổng hợp kết quả chọn Mô đun đàn hồi yêu cầu EycNăm tính

toán

5 Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường.

5.1 Quan điểm thiết kế cấu tạo :

- Xác định tên tuổi và sắp xếp thứ tự trên, dưới của các lớp vật liệu trong các

phương án kết cấu áo đường trên cơ sở chức năng và nhiệm vụ của mỗi lớp để đảmbảo cả kết cấu áo đường thoả mãn cơ bản các yêu cầu chung

- Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền mặt đường, tạo điều kiện để nềnđất tham gia chịu lực cùng với kết cấu áo đường đến mức tối đa

- Cấu tạo lớp mặt và trong một số trường hợp còn có lớp bảo vệ trên lớp mặtnhằm hạn chế tác hại của ngoại lực đến lớp chịu lực chủ yếu của tầng mặt

- Phải chú ý sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ, phế thải công nghiệp

- Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế, tăng nhanh tốc độ dây chuyền thicông, cơ giới hóa, công nghiêp hóa trong quá trình xây dựng áo đường, góp phần giảmgiá thành xây dựng

- Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo áo đường, dự tínhbiện pháp tăng cường bề dày, thay đổi kết cấu để nâng cấp áo đường để phù hợp vớilưu lượng xe chạy tăng dần theo thời gian

- Kết cấu nên được phân chia thành nhiều tầng lớp để phù hợp với điều kiện chịu

- Chiều dày của mỗi lớp vật liệu không nhỏ hơn chiều dày tối thiểu để thi công dểdàng và vật liệu không bị gãy vỡ cục bộ trong quá trình lu lèn và chịu tải trọng saunày.

5.2 Đề xuất các phương án thiết kế cấu tạo áo đường :

5.2.1 Phương án đầu tư một lần : (E yc = 183.45 Mpa)

Chọn kết cấu áo đường cấp A1

a Phương án 1:

- h1 = 5 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >50%)

- h2 = 7 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm > 35%)

- h3 = 20 (cm) : Cấp phối đá dăm GCXM

- h4 = 30 (cm) :Cấp phối thiên nhiên loại A

- Đất nền K98 dày 30(cm) có E = 45Mpa

b Phương án 2:

- h1 = 5 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >50%)

- h2 = 7 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm > 35%)

- h3 = 20 (cm) : Cấp phối đá dăm loại I

- h4 = 20 (cm) : Cấp phối đá dăm loại II

- Đất nền K98 dày 50(cm) có E = 45Mpa

c Phương án 3:

- h1= 7 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại I (đá dăm >50%)

- h2= 7 (cm) : Lớp bê tông nhựa chặt loại II rải nóng hạt trung Dmax 20

- h3 = 14 (cm) : Lớp cấp phối đá dăm loại I Dmax 25

- h4 = 18 (cm) : Lớp cấp phối đá dăm loại II Dmax 37,5

- Đất nền K98 dày 50(cm) có E = 45Mpa

d So sánh chọn phương án thiết kế :

* Phương án 1:

+ Phương án này có chiều dày kết cấu áo đường lớn nhất

+ Sử dụng lớp cấp phối thiên nhiên loại A rẻ tiền, góp phần giảm giá thành củacông trình

+ Công nghệ thi công khác nhau khi thi công các lớp kết cấu do vậy khó địnhhình hóa công nghệ thi công

* Phương án 2 :

+ Phương án này sử dụng các lớp cấp phối có gia cố xi măng nên cần có thờigian bảo dưỡng hình thành cường độ làm kéo dài thời giant hi công, dễ bị ảnhhưởng bởi các yếu tố thời tiết

+ Cần những phương tiện thi công chuyên dụng cho lớp cát gia cố xi măng.+ Các lớp khác nhau nên công nghệ thi công khác nhau dẫn đến khó khăn trongcông tác thi công.

* Phương án 3 :

+ Phương án này có chiều dày kết cấu nhỏ nhất

+ Vẫn đảm bảo thông xe trong quá trình thi công các lớp móng

+ Các lớp móng đều sử dụng cấp phối đá dăm nên trình tự và kỹ thuật thi cônggiống nhau, có thể xác lập công nghệ thi công, nâng cao năng suất và chấtlượng thi công

* Kết luận : Qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án đề ra ta chọn phương án

1 làm cấu tạo kết cấu áo đường

5.2.2 Phương án đầu tư phân kỳ :

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1 Xác định các thông số tính toán.

Phương án thiết kế cấu tạo :

Hình II.1: Cấu tạo kết cấu áo đường cấp A1.

- Độ tin cậy và Hệ số cường độ Kcđ :

Có thể chọn độ tin cậy thiết kế đối với các loại đường và cấp hạng đường như ở

bảng 3-3 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, theo nguyên tắc đường có tốc độ càng cao, thời

gian thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao nhưng không được nhỏ hơn trị sốnhỏ nhất ở bảng

Với đường cấp II ta chọn độ tin cậy : 0,90

Từ độ tin cậy dựa vào bảng 3-2 và 3-7 tiêu chuẩn 22TCN 211-06 ta có các hệ

số tường độ : Kcdđv = 1,10 ; Kcdtr = 0,94 ; Kcdku = 0,94

- Các thông số về nền đất :

+ Dựa vào bảng 2-5 Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, độ chặt của nền đường K98 + Giả thiết đất nền đường thuộc đất loại II (ẩm vừa), đất Á sét, tham khảo phụ lục B Tiêu chuẩn 22TCN 211-06, ta có các thông số nền đất như sau :

Eo = 45 Mpa,  =260, C = 0,022 Mpa

- Các thông số của các lớp vật liệu :

Khi thiết kế kết cấu áo đường có tầng mặt là loại cấp cao A1, A2 thì ngay tronggiai đoạn thiết kế cơ sở lập dự án đầu tư đã phải thực hiện các công việc sau đây:

+ Thiết kế thành phần hỗn hợp vật liệu cho mỗi lớp kết cấu (tỷ lệ phối hợp cácthành phần hạt, tỷ lệ trộn vật liệu hạt khoáng với chất liên kết) như đối với lớp bê tôngnhựa, lớp đất đá gia cố liên kết, lớp cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên… trên

cơ sở các vật liệu thực tế dự kiến sẽ sử dụng dọc tuyến, theo đó chế bị các mẫu vật liệu

tương ứng với thành phần đã thiết nêu trên, tiến hành các thí nghiệm trong phòng nhưcách chỉ dẫn ở phụ lục C để xác định mô đun đàn hồi của chúng.

+ So sánh các số liệu thí nghiệm trong phòng ới các trị số tra bảng ở phụ lục C

để quyết định trị số mô đun đàn hồi dùng để tính toán với mỗi lớp kết cấu

Ở đây ta không tiến hành thiết kế thành phần và thí nghiệm mà lấy các giá trị

tham khảo ở Phụ lục C Tiêu chuẩn 22TCN 211-06.

1.1 Phương án đầu tư một lần.

1.2 Phương án đầu tư phân kỳ.

2 Tính toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn.

2.1 Công thức tính :

yc đv

ch K E

E   (1)Trong đó :

+ Ech : Mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu

+ Eyc : Mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc = 183.45 Mpa

+ Kcdđv : Hệ sộ cường độ độ võng Kcdđv = 1,10

2.2 Tính toán và kiểm tra.

2.2.1 Phương án đầu tư một lần.

Hình II.4 : Sơ đồ xác định E ch cho hệ hai lớp.

Tra toán đồ Kogan

Trong đó :

+ h1 : Bề dày lớp áo đường có mô đun đàn hồi E1

+ D : Đường kính tương đương của vệt bánh xe

+ E0 : Mô đun đàn hồi của nền đất

b.2 Đối với hệ nhiều lớp :

Hình II.5 : Sơ đồ chuyển từ hệ 4 lớp về hệ 3 lớp.

Hình II.6 : Sơ đồ chuyển từ hệ 3 lớp về hệ 2 lớp.

MPa K

t K E

14 0 1

17 1 14 0 1 56 298 1

1

3 3 1 3

3 1 12

420

;088.057

5

123

4 123

E

E t H

h K

MPa K

t K E

67 0 1

5 2 67 0 1 200 1

1

3 3 1 3

3 1 1

500

; 67 0 30

20

1

2 1

h K

17.156.298

350

;14.050

7

12

3 12

E

E t H

h K

57 7 50

3 2

1

H

50 30 20 2 1

E12tb

E o

H12

=h1+h2

E3

p

h 3

Tra toán đồ Kogan

BảngII.2 : Bảng tổng hợp kết quả tính toán.

2.2.2 Phương án đầu tư đầu tư phân kỳ.

3 Tính toán theo tiêu chuẩn cân bằng giới hạn trượt.

+ tr cd

K : Hệ số cường độ chịu cắt (trượt)

+ C tt : Lực dính tính toán của nền đất hoặc của các lớp vật liệu kém dính

ở trạng thái tính toán

MPa K

t K E

088 0 1

38 1 088 0 1 59 304 2 1 1

1

3 3 1 3

3 1 123

62 114 , 1 114

, 1

12 , 0 12

, 0

376

45

879,133

E

E

ch tb

tr

K  (    ) 

3.2.1 Phương án đầu tư một lần :

C tt  1 2 3Trong đó :

+ C : Lực dính tính toán của lớp đất nền : C = 0,022 Mpa

+ k1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắ dưới tác dụng của tải trọng trùng phục

Với phần xe chạy : k1 = 0,6+ k2 : Hệ số an toàn xét đến điều kiện làm việc không đồng nhất của kết cấu, hệ số này phụ thuộc lưu lượng xe chạy :

Với N = 694.77(trục/làn.ng.đêm), tra bảng 3-8 tiêu chuẩn 22TCN

211-06

k2 = 0,8

+ k3 : Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống trượt của đất hoặc vật liệu kémdính khi làm việc trong kết cấu và điều kiện tiếp xúc trực tiếp giữa các lớp kết cấu áo đường với nền đất

Đối với đất dính : k2 = 1,5

Mpa C

k k k

C tt  1 2 3  0 , 6  0 , 8  1 , 5  0 , 022  0 , 01584



b Xác định ax :

5 2 200

500

; 67 0 30

20

1

2 1



E

E t h

h

K

MPa K

t K E

67 0 1

5 2 67 0 1 200 1

1

3 3 1 3

3 1 1

E

E t H

h K

Mpa K

t K E

14 , 0 1

837 0 14 , 0 1 56 298 1

1

3 3 1 3

3 1 12

3 12

123

4 12

E

E t H

h K

62 5 57

4 123

H

20 1 33

62 114 , 1 114

,

1

12 , 0 12

, 0



Mpa K

t K E

088 , 0 1

03 1 088 , 0 1 29 292 1

1

3 3 1 3

3 1 123

chm tb

p đô toán Tra E

+ Etb : Mô đun đàn hồi của các lớp áo đường phía trên vị trí tính toán

, 0

51 , 6 45

90 292

879 , 1 33

, 0 ) 0016 , 0 0084 , 0 ( 94 , 0 )

4.1 Công thức tính toán.

Tính toán với lớp mặt bê tông nhựa chặt

Ứng suất kéo uốn xuất hiện ở đáy các lớp vật liệu toàn khối do tải trọng xe chạygây ra không được vượt quá ứng suất kéo uốn cho phép của các lớp vật liệu đó

ku tt ku

R : Cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu

+ ku cd

K : Hệ số cường độ về chịu kéo uốn

4.2 Tính toán và kiểm tra.

4.2.1 Phương án đầu tư một lần :

Chú ý : Khi tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi của lớp bê tông nhựa chặt lấy ở nhiệt độ 10-15 0 C

ku k p 

   

Trong đó :

+ p : Áp lực bánh xe tính toán tác dụng lên mặt đường p = 0,6Mpa

+ kb : Hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đườngdưới tác dụng của tải trọng tính toán

Khi kiểm tra với cụm bánh đôi Kb = 0,85

+ ku : Ứng suất kéo uốn đơn vị

Ta đang xác định với lớp mặt

MPa E

cm

h1 5 ; 4  2000

Tính E123tb :

5 2 200

500

; 67 0 30

20

1

2 1

h

K

MPa K

t K E

67 0 1

5 2 67 0 1 200 1

1

3 3 1 3

3 1 1

1800

; 14 0 50

7

12

3 12



E

E t H

h

K

19 1 33

57 114 1 114

.

1

12 , 0 12

, 0

