(NB) Giáo trình Thiết kế đường ô tô: Phần 2 thông tin đến các bạn những kiến thức về thiết kế áo đường mềm; thiết kế áo đường cứng; thiết kế nút giao thông; thiết kế hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm.
CHƯƠNG THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM 5.1.KHÁI NIỆM CHUNG: 1.1.1.Khỏi nim: (Kết cấu tổng thể mặt đ-ờng) (Subgrade) Lớp đáy móng (Capping layer) Kết cấu áo đ-ờng Lớp móng d-ới (Sub-base) (Pavement structure) Lớp mặt (Surfacing) áo đ-ờng (hay kết cấu áo đ-ờng) Tầng mặt Lớp móng (Base) Khu vực tác dụng 80-100 cm Lớp tạo nhám (nếu có) Tầng móng Kt cu ỏo ng mm (hay gọi áo đường mềm) gồm có tầng mặt làm vật liệu hạt vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường tầng móng làm loại vật liệu khác đặt trực tiếp khu vực tác dụng đường lớp đáy móng Hình 1-1: Sơ đồ tầng, lớp kết cấu áo đường mềm kết cấu - áo đường Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có nhiều lớp gồm lớp tạo nhám, tạo phẳng lớp bảo vệ, lớp hao mòn (đây lớp khơng tính vào bề dày chịu lực kết cấu mà lớp có chức hạn chế tác dụng phá hoại bề mặt trực tiếp tạo chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường) đến lớp mặt lớp mặt lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ kết cấu áo đường mềm Tầng móng thường gồm lớp móng lớp móng (các lớp kiêm chức lớp thoát nước) Tùy loại tầng mặt, tuỳ cấp hạng đường lượng xe thiết kế, kết cấu áo đường đủ tầng lớp nêu gồm một, hai lớp đảm nhiệm nhiều chức 84 1.1.2.Yêu cầu kết cấu áo đường mềm lề gia cố: Áo đường cơng trình xây dựng đường nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau, trực tiếp chịu tác dụng tải trọng xe chạy phá hoại thường xuyên nhân tố thiên nhiên mưa, gió, thay đổi nhiệt độ,… Do thiết kế xây dựng áo đường phải đạt yêu cầu sau đây: - Trong suốt thời hạn thiết kế, áo đường phải có đủ cường độ trì cường độ để hạn chế tối đa trường hợp phá hoại xe cộ yếu tố môi trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; xâm nhập nguồn ẩm…) - Mặt đường phải đảm bảo đạt độ phẳng định để giảm sức cản lăn, giảm sóc xe chạy - Bề mặt áo đường phải có đủ độ nhám định để nâng cao hệ số bám bánh xe với mặt đường, tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với tốc độ cao trường hợp cần thiết dừng xe nhanh chóng - Áo đường sản sinh bụi tốt Vì bụi làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa gây ô nhiễm môi trường 5.2.PHÂN LOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: 1.2.1.Phân loại tầng mặt: Tuỳ theo mức độ đảm bảo yêu cầu nêu cao hay thấp, tầng mặt kết cấu áo đường mềm phân thành loại sau: - Tầng mặt cấp cao A1: Là loại tầng mặt có lớp mặt bê tơng nhựa chặt loại I trộn nóng (theo “Quy trình cơng nghệ thi cơng nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa”, 22 TCN 249) - Tầng mặt cấp cao thứ yếu A2: Là loại tầng mặt có lớp mặt bê tông nhựa chặt loại II trộn nóng (theo “Quy trình cơng nghệ thi cơng nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa”, 22 TCN 249) bê tơng nhựa nguội có láng nhựa, đá dăm đen có láng nhựa lớp thấm nhập nhựa (theo "Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công nghiệm thu mặt đường đá dăm thấm nhập nhựa", 22 TCN 270) hay lớp láng nhựa (theo "Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công nghiệm thu mặt đường láng nhựa", 22 TCN 271) - Tầng mặt cấp thấp B1: Là loại tầng mặt có lớp mặt cấp phối đá dăm, đá dăm nước, cấp phối tự nhiên với điều kiện phía chúng phải có lớp bảo vệ rời rạc thường xuyên tu bảo dưỡng (thường xuyên rải cát bù quét phủ kín bề mặt lớp) - Tầng mặt cấp thấp B2: Là loại tầng mặt có lớp mặt đất cải thiện hay đất, đá chỗ gia cố phế thải công nghiệp gia cố chất liên kết vô với điều kiện phía chúng phải có lớp hao mịn lớp bảo vệ tu bảo dưỡng thường xuyên 1.2.2.Phân loại theo vật liệu cấu trúc vật liệu: 85 - Các tầng lớp áo đường làm vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá nguyên lý cấp phối - Các tầng lớp áo đường làm vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá nguyên lý cấp phối có trộn thêm chất kết dính vơ (xi măng, vơi,…): nhờ có chất kết dính nên cường độ tính ổn định nước loại mặt đường tăng lên rõ rệt - Các tầng lớp áo đường làm vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá nguyên lý cấp phối có trộn thêm chất kết dính hữu (bi tum, guđrơng 1.2.3.Phân loại theo đặc điểm tính tốn cường độ áo đường Có hai loại: áo đường cứng áo đường mềm - Áo đường cứng (mặt đường bê tơng xi măng): kết cấu có khả chịu kéo uốn lớn, làm việc theo nguyên lý đàn hồi, tức phân bố áp lực tải trọng bánh xe xuống đất diện tích rộng làm cho đất phía phải tham gia chịu tải (Hình 5.2b) - Áo đường mềm: kết cấu với tầng lớp khơng có khả chịu uốn có khả chịu uốn nhỏ, tác dụng tải trọng bánh xe chúng chịu nén chịu cắt trượt chủ yếu Do đất tham gia chịu tải với mặt đường mức độ đáng kể (Hình 5.2a) Thuộc áo đường mềm tất loại áo đường làm vật kiệu khác nhau, trừ mặt đường bê tông xi măng a Phân bố ứng suất áo đường mềm b Phân bố ứng suất áo đường cứng Hình 5.2 5.3.CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: 1.3.1.Cấu tạo tầng mặt: Bảng 1-1: Chọn loại tầng mặt 86 Cấp thiết kế đường (theo TCVN 4054) Cấp I, II, III cấp IV Cấp III, IV cấp V Vật liệu cấu tạo tầng mặt Thời hạn thiết kế (năm) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy thời hạn thiết kế (trục xe tiêu chuẩn/làn) Bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ, hạt trung làm lớp mặt trên; hạt trung, hạt thô (chặt hở loại I loại II) làm lớp mặt 10 > 4.106 - Bê tông nhựa chặt loại II, đá dăm đen hỗn hợp nhựa nguội có láng nhựa 8-10 > 2.106 5-8 > 1.106 4-7 > 0.1.106 3-4 0,1.106 2-3 < 0,1.106 Loại tầng mặt Cấp cao A1 Cấp cao A2 - Thấm nhập nhựa - Láng nhựa (cấp phối đá dăm, đá dăm tiêu chuẩn, đất đá gia cố có láng nhựa) Cấp IV, V VI Cấp thấp B1 Cấp phối đá dăm, đá dăm nước, cấp phối thiên nhiên có lớp bảo vệ rời rạc (cát) có lớp hao mịn cấp phối hạt nhỏ - Cấp V cấp VI Cấp thấp B2 Đất cải thiện hạt - Đất, đá chỗ, phế liệu công nghiệp gia cố (trên có lớp hao mịn, bảo vệ) Tầng mặt cấp cao A1: Bố trí lớp tầng mặt cấp cao A1: Đây lớp chủ yếu với tầng móng khu vực tác dụng đất tạo cường độ chung kết cấu áo đường Trong trường hợp tầng mặt cấp cao A1, lớp phải hỗn hợp vật liệu hạt có sử dụng nhựa đường lớp phải bê tông nhựa chặt loại I trộn nóng Các lớp phía làm bê tông nhựa loại II, bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, bê tông nhựa nguội (trộn nhựa lỏng nhũ tương nhựa) thấm nhập nhựa Trường hợp đường cao tốc, đường cấp I, cấp II đường cấp III có quy mơ giao thơng lớn tầng mặt cấp cao A1 bố trí thành lớp lớp Trường hợp bố trí thành lớp bố trí lớp bê tơng nhựa chặt loại I hạt nhỏ với bề dày từ 3,0 - 4,0cm đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung 5,0 – 6,0cm bê tơng nhựa hạt lớn Hoặc bố trí lớp bê tơng 87 nhựa chặt loại I hạt trung dày 4,0 – 5,0cm đến lớp bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0 – 6,0cm 6,0 – 8,0cm Trường hợp bố trí thành lớp bố trí lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ dày 3,0 – 4,0cm đến 4,0 -5,0cm bê tông nhựa hạt trung 4,0 – 5,0cm bê tông nhựa chặt loại I hạt trung đến 6,0-8,0 cm bê tông nhựa hạt lớn Bề dày tối thiểu tầng mặt cấp cao A1: xem tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 Tầng mặt cấp cao A2: - Lớp mặt bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, bê tơng nhựa nguội thường bố trí bề dày 4,0 -8,0cm; - Lớp mặt thấm nhập nhựa bề dày phải tuân theo 22 TCN 270; - Lớp mặt loại vật liệu hạt khơng gia cố có gia cố chất liên kết vơ thường có bề dày từ 15,0-18,0cm; Tầng mặt mặt đường cấp thấp: Bố trí lớp hao mịn lớp bảo vệ mặt đường cấp thấp: Trên loại tầng mặt cấp thấp B1 bảng 5-1 phải bố trí lớp hao mòn cấp phối hạt nhỏ lớp bảo vệ rời rạc; đường quan trọng bố trí lớp hao mịn lớp bảo vệ Trên mặt đường cấp phối thiên nhiên thường rải lớp hao mòn; mặt đường đá dăm nước cấp phối đá dăm thường rải lớp bảo vệ rời rạc Các lớp phải tu cách bổ sung vật liệu thường xuyên, san gạt phủ kín bề mặt tầng mặt để hạn chế tác dụng phá hoại xe cộ tầng mặt để tạo phẳng cho mặt đường; Lớp hao mòn thường dày từ – 4cm làm cấp phối hạt nhỏ có thành phần hạt loại C, D, E 22 TCN 304 nên có số dẻo từ 15-21 Có thể trộn cát sỏi để tạo cấp phối hạt loại này; Lớp bảo vệ thường dày 0,5-1,0cm cát thô, cát lẫn đá mi, đá mạt với cỡ hạt lớn 4,75mm; Dù làm tầng mặt loại vật liệu nên loại bỏ hạt có kích cỡ lớn 50mm trường hợp cỡ hạt lớn 4,75mm nên chiếm tỷ lệ 65% 1.3.2.Cấu tạo tầng móng: Chức tầng móng truyền áp lực bánh xe tác dụng mặt đường xuống đến đất cho trị số áp lực truyền đến đất đủ nhỏ để đất chịu đựng ứng suất biến dạng, đồng thời tầng móng phải đủ cứng để giảm ứng suất kéo uốn đáy tầng mặt cấp cao bê tông nhựa phía Do việc bố trí cấu tạo tầng móng nên tuân theo nguyên tắc sau: - Nên gồm nhiều lớp, lớp vật liệu có cường độ khả chống biến dạng cao lớp để phù hợp với trạng thái phân bố ứng suất hạ giá thành xây dựng Tỷ số mô đun đàn hồi lớp so với lớp liền nên lần (trừ trường hợp lớp móng loại móng nửa cứng) tỷ số mô đuyn đàn hồi lớp móng với mơ đuyn đàn hồi đất nên phạm vi 2,5 – 10 lần Số lớp không nên nhiều để tránh phức tạp cho thi công kéo dài thời gian khai triển dây chuyền công nghệ thi công 88 - Cỡ hạt lớn vật liệu làm lớp móng phía nên chọn loại nhỏ so với cỡ hạt lớn lớp Vật liệu hạt dùng làm lớp móng cần có trị số CBR 80 dùng làm lớp móng cần có CBR30 - Kết cấu tầng móng (về vật liệu bề dày) nên thay đổi đoạn tuỳ thuộc điều kiện đất tình hình vật liệu chỗ sẵn có Trong trường hợp nên tận dụng vật liệu chỗ (gồm phế thải công nghiệp) để làm lớp móng Chọn loại tầng móng theo dẫn bảng 5-3: Bảng 1-3: Chọn loại tầng móng Lớp vật liệu làm móng Phạm vi sử dụng thích hợp Vị trí móng Loại tầng mặt Cấp phối đá dăm nghiền loại I (22 TCN 334 -06) - Móng Cấp cao A1, A2 - Móng Cấp cao A1 Cấp phối đá dăm nghiền loại II (22 TCN 334 -06) - Móng Cấp cao A1 - Móng Cấp cao A2 cấp thấp B1 Cấp phối thiên nhiên (22 TCN 304 03) - Móng Cấp cao A1, A2 - Móng Cấp cao A2 - Móng (mặt) móng Cấp thấp B1, B2 - Móng Cấp cao A2 - Móng (mặt ) Cấp thấp B1, B2 Đá dăm nước (22 TCN 06 -77) Điều kiện sử dụng Nếu dùng làm lớp móng cỡ hạt lớn Dmax 25mm bề dày tối thiểu 15cm (khi số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ 15 năm nhỏ 0,1.106 tối thiểu dày 10cm) Nếu dùng làm lớp móng Dmax=25mm; Nếu dùng làm lớp bù vênh Dmax=19mm Như quy định 22 TCN 304 03 Phải có hệ thống rãnh xương cá nước q trình thi cơng sau đưa vào khai thác có khả thấm nước vào lớp đá dăm; Nên có lớp ngăn cách (vải địa kỹ thuật) lớp móng đá dăm nước với đất làm móng có tầng mặt cấp cao A2; Khơng dùng loại kích cỡ mở rộng trường hợp Bê tông nhựa rỗng - Móng theo 22 TCN 249; hỗn - Móng (mặt hợp nhựa trộn nguội, ) lớp thấm nhập nhựa (22 TCN 270) Cấp cao A1 Cấp cao A2 Với loại hỗn hợp cuội sỏi, cát, trộn nhựa nguội chưa có tiêu chuẩn ngành 89 Lớp vật liệu làm móng Phạm vi sử dụng thích hợp Vị trí móng Điều kiện sử dụng Loại tầng mặt Cấp phối đá (sỏi - Móng cuội) gia cố xi măng theo 22 TCN 245; cát - Móng (mặt gia cố xi măng theo 22 ) TCN 246 Cấp cao A1 Đất, cát, phế liệu - Móng cơng nghiệp (xỉ lị (mặt) cao, xỉ than, tro bay…) gia cố chất liên - Móng kết vơ cơ, hữu gia cố tổng hợp Cấp cao A2 Cấp cao A2 Cỡ hạt lớn sử dụng 25mm Cường độ yêu cầu cát gia cố phải tương ứng với yêu cầu móng Cấp cao A1 A2 Trường hợp gia cố chất kết dính vơ tn thủ 22 TCN 8184; Các trường hợp gia cố khác chưa có tiêu chuẩn ngành 5.3.3.Bề dày cấu tạo lớp kết cấu áo đường: Bề dày tầng mặt lớp móng kết cấu áo đường phải xác định thông qua yếu sau: - Đạt trạng thái giới hạn cường độ - Bảo đảm điều kiện làm việc tốt đảm bảo thi công thuận lợi Bề dày tối thiểu xác định 1,5 lần cỡ hạt lớn có lớp kết cấu không vượt trị số Bảng 5-4 Bề dày tối thiểu (cm) Bề dày thường sử dụng (cm) Hạt lớn 5–8 Hạt trung 4–6 Hạt nhỏ 3-4 Cát trộn nhựa 1,0 – 1,5 Thấm nhập nhựa 4,5 4,5 – 6,0 Láng nhựa 1,0 1,0 – 3,5 Loại lớp kết cấu áo đường Bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa Cấp phối đá dăm Dmax=37,5mm 12 (15) Dmax25mm (15) Cấp phối thiên nhiên (15) Đá dăm nước 10 (15) 15 – 24 15 – 30 15 – 18 5.3.ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY TÁC DỤNG LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM: 90 Độ lớn tải trọng trục tính tốn P (T, KN): Tải trọng tính tốn P lấy ½ trọng lượng trục sau Các xe tải thường có trọng lượng trục sau chiếm ¾ trọng lượng tồn xe Diện tích vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường (cm2): Diện tích vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào độ cứng kích thước lốp xe Vệt tiếp xúc thực tế đo hình elip, để đơn giản cho tính tốn người ta xem gần hình trịn có diện tích (S) diện tích thực tế (Hình 5.3) Đường kính vệt bánh xe tương đương (D): 91 Đặc điểm tải trọng xe tác động lên mặt đường: - Tải trọng động - Tải trọng tác dụng đột ngột tức thời (xung kích ngắn hạn) - Tải trọng trùng phục lặp lặp lại nhiều lần (phát sinh tượng mỏi vật liệu) Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng kết cấu áo đường: - Thời gian tác dụng tải trọng: tải trọng tác dụng thời gian tác dụng lâu sinh biến dạng lớn + Thời gian tác dụng tải trọng xe chạy lớp tầng mặt 0.02s với vận tốc V>50Km/h + Thời gian tác dụng tải trọng xe chạy lớp tầng móng 0.1-0.2s với vận tốc V>50Km/h Trong thời gian tác dụng tải trọng thay đổi từ 0p0 - Trị số tải trọng: thời gian tác dụng tải trọng tác dụng lớn sinh biến dạng lớn - Tốc độ gia tải: tốc độ gia tải chậm biến dạng nĩ gy cng lớn Do đất lớp vật liệu áo đường loại vật liệu đàn hồi nhớt dẻo nên tác dụng tải trọng động, trùng phục phát sinh tượng mỏi có tích lũy biến dạng dư Nên tìm cách tạo điều kiện đất đáy áo đường trở nên biến cứng khơng cịn tích lũy biến dạng dư 5.4 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM, NGUN LÝ TÍNH TỐN: 1.4.1.Các tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm: Dưới tác dụng tải trọng xe chạy, đạt đến cường độ giới hạn, kết cấu áo đường mềm xảy tượng sau: (hình 5.5) - Ngay mặt tiếp xúc bánh xe, mặt đường bị lún (ứng suất nén) 92 - Xung quanh chỗ tiếp xúc phát sinh trượt dẻo (ứng suất cắt) - Trên mặt đường xuất đường nứt hướng tâm bao tròn, xa chút vật liệu bị đẩy trồi, mặt đường bị gãy vỡ phần đáy áo đường bị nứt (ứng suất kéo) Kết luận rút sau phân tích sơ đồ phá hoại: - Biến dạng kết cấu áo đường mềm kết tác động nhiều yếu tố xảy lúc yếu tố tiếp sau yếu tố - Trong khu vực hoạt động đường tác dụng tải trọng xe, toàn kết cấu mặt bị biến dạng áo đường bị lún xuống dạng đường cong gọi vòng tròn lún với độ lún l Các lớp áo đường dày cứng áp lực xe truyền xuống phân bố diện tích rộng hơn, áp lực truyền xuống móng đất nhỏ ngược lại kết cấu áo đường mỏng, mềm áp lực bánh xe truyền xuống sâu diện phân bố nhỏ - Độ lún lớn ứng suất kéo bề mặt lớp vật liệu lớn - Độ lún áo đường đặc trưng cho độ cứng, cho khả chống biến dạng kết cấu áo đường, thân độ cứng đặc trưng cho khả chống biến dạng áo đường có liên quan đến cường độ (khả chống biến dạng), tới ứng suất kéo uốn lớp vật liệu liền khối, tới ứng suất gay trượt đất, lớp vật liệu rời rạc lớp đá nhựa nhiệt độ cao Vì lẽ xem độ lún, mơđun đàn hồi tiêu cường độ kết cấu áo đường Việc đo đạc xác định độ lún đơn giản so với xác định ứng suất kéo uốn, ứng suất cắt Tuy nhiên quan hệ độ lún, ứng suất cắt, ứng suất kéo uốn khơng phải tuyến tính phụ thuộc vào cấu tạo kết cấu áo đường nên việc tính tốn kết cấu áo đường theo trạng thái giới hạn cần thiết 93 Qtt2 4,842 0,315 g d 9,81 1,5 Ta có: Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập - NXB GTVT”, ta được: Ko 0,943 Ko = 0,943 Kd Kd Mặc khác: Kd = 24 d8/ = 24 1,58/ 70,760 Do đó: Ko = 0,943 70,760 66,727 ik Suy ra: 4,842 0,0053 0,53% 66,727 Ta thấy, ik = 0,53% ic =1,0% nên cống làm việc theo chế độ dốc nước Vận tốc nước chảy cống Với trường hợp biết tỷ số Ko :Kd Wo :Wd tốc độ nước chảy cống có Vc Wo ic thể xác định theo công thức: Trong đó: Ko Qtt ic 4,84 0,01 48,420 Kd 24 d8/ = 24 1,58/ 70,760 Wd = 30,5 d2/ 3= 30,5 1,52/ = 39,966 Suy ra: K 48,420 0,684 K d 70,760 Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường tơ - Tập - NXB GTVT”, ta được: W0 1,073 Wo = 1,073 Wd= 1,073 39,966 42,874 Wd Do đó, vận tốc nước chảy cống: Vc Wo ic 42,874 0,01 4,287 m/s Kiểm tra khả thoát nước cống Khả nước cống lúc tính theo cơng thức : Qc = Qc c c 2.g.(H hc ). Trong đó: c: Hệ số vận tốc, cống làm việc không áp lấy c = 0,85 : Xác định theo công thức: ik D 0,01 10 1,05 với D = 10 145 c: Tiết diện nước chảy chỗ bị thu hẹp xác định nhờ đồ thị hình 13-4 trang 156 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập - NXB GTVT” biết hc d Ta có: hc 1,029 0,686 d 1,5 Tra đồ thị, ta được: c 0,61 c = 0,61 1,52 1,373m2 d2 g: Gia tốc trọng trường 9,81 m/s2 hc: Chiều sâu nước chảy cống chỗ bị thu hẹp, lấy: hc = 0,9 hk =1,029m H : Chiều cao nước dâng cống H = hc = 2,058 mm Suy ra: Qc 0,85 1,373 9,81 (2,058 1,029) 1,05 5,373 m3/s Ta thấy rằng: Qc = 5,373 m3/s Qtt = 4,84m3/s, cống đảm bảo thoát nước Xác định chiều dài cống: Chiều dài cống phụ thuộc chiều rộng đường, chiều cao đất đắp, độ dốc mái taluy vị trí đặt cống Chiều dài cống tính theo cơng thức sau: Lc = Bn + 2X Với: Bn: chiều rộng đường, Bn = 13m X = 1.5 x Hđắp Hđắp: chiều cao đất đắp cống, vị trí C1 có : Hn = 3.35m, Do đó: Hđắp = Hn – D = 3.35 – 1.0 = 2.35 m Lc = Bn + x Hđắp = 13 + x 2.35 = 20 m Vậy chọn Lc = 15 m 1: 1 1: Hđắp Bn D hc hcv Hn X Lc Kiểm tra cao độ đất đắp cống: Đối với cống có áp Hn = H + (0.5; Hađ) m Hn: chiều cao đắp vị trí cống H: chiều cao mực nước dâng trước cống 146 Hađ: bề dày áo đường; Hađ > 0.5m thì: Hn = H + Hađ Đối với cống không áp: Hn = Hc + (0.5; Hađ) m Hc: chiều cao đỉnh cống Ỡ cống làm việc theo chế độ không áp, Hađ = 0.63m nên: Hn = 1.0 + 0.63 = 1.63 m Mà thực tế chiều cao đắp cống Hn = 3.35 m Như chiều cao đất đắp cống thỏa mãn Tính gia cố cống: Khi thiết kế gia cố sau cống cần ý vận tốc nước chảy sau cống tăng lên xây dựng cơng trình nước dịng chảy bị thu hẹp Theo kinh nghiêm vận tốc sau cống Vs = 1.5V0 (V0 vận tốc nước chảy cống ), thường gây xói lở hạ lưu Để đảm bảo an tồn cho đường phải thiết kế gia cố hạ lưu sau cơng trình cuối phần gia cố phải có tường nghiêng chống xói sâu Các trị số tính đại diện cho cống có 2.0 m: - Chiều dài đoạn gia cố: Lgc =(2 5) d = d = 1.5 = 6.0 m - Chiều sâu xói lở: Hxói = H b b 2.5 LGC Để tính Hx tra bảng 7-22 trang 257 (sổ tay thiết kế đường ôtô NXB KHKT) dựa quan hệ Lgc/b Hxói/H Trong đó: H: chiều sâu nước dâng trước cơng trình, lấy H =2hc = 2.356 m b : độ cơng trình, b = 2.0 m Hxói = 2.356 2.0 = 1.83 m 2.0 2.5 4.5 - Chiều sâu chân tường chống xói : Ht Hxói + 0.5 m Ht 1.83 + 0.5 = 2.23 m, chọn Ht =2.3 m 2.20.2.5 Gia cố chống xói rãnh: Nói chung việc gia cố chống xói rãnh chọn sở kết tính tốn thủy lực Tuy nhiên dựa vào độ dốc lòng rãnh để chọn vật liệu gia cố Bao gồm số biện pháp sau đây: 147 1) Lát cỏ: dùng đáy rãnh rộng 1m Khi đáy rãnh nhỏ 1m lịng rãnh gia cố đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố – 10cm; cỏ lát bên bờ ta luy 2) Lát đá: Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố lấy sau: 12 – 14cm với đá loại nhỏ; 14 – 16cm với đá loại vừa; 16 – 18cm với đá loại lớn; Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, khe hở phải chèn kín đá phải đầm lèn chặt 3) Bê tông đất sét: làm đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm 4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát cát pha sét Chiều dày lớp gai cố từ – 10m 5) Gia cố bê tơng: tốc độ nước chảy rãnh lớn, dùng bê tơng kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh cịn dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa kênh rãnh điều kiện vật liệu chỗ 2.20.3.Rãnh đỉnh: Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ đường lớn chiều cao taluy đào 12 m phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước chảy phía đường dẫn nước cơng trình nước, sơng suối hay chỗ trũng cạnh đường, không cho phép nước đổ trực tiếp xuống rãnh biên Rãnh đỉnh phải có quy hoạch hợp lý hướng tuyến, độ dốc dọc mặt cắt thoát nước Rãnh đỉnh thiết kế với tiết diện hình thang, chiều rộng đáy rãnh tối thiểu 0,50 m, bờ rãnh có taluy : 1.5, chiều sâu rãnh xác định theo tính tốn thuỷ lực đảm bảo mực nước tính tốn rãnh cách mép rãnh 20 cm không nên sâu 1,50 m Khi rãnh đỉnh có chiều dài đáng kể cần chia rãnh thành đoạn ngắn Lưu lượng nước chảy tính tốn đoạn lấy lưu lượng nước chảy qua mặt cắt cuối đoạn, tức lưu lượng từ phần lưu vực chảy trực tiếp đoạn rãnh tính tốn cộng với tất lưu lượng nước chảy từ lưu vực đoạn rãnh từ phía chảy Độ dốc rãnh đỉnh thường chọn theo điều kiện địa hình để tốc độ nước chảy khơng gây xói lịng rãnh Trường hợp điều kiện địa hình bắt buộc phải thiết kế rãnh đỉnh cố độ dốc lớn phải có biện pháp gia cố lịng rãnh thích hợp, tốt gia cố đá hộc xây hay bê tơng thiết kế rãnh có dạng dốc nước hay bậc nước Để tránh ứ đọng bùn cát rãnh, độ dốc rãnh không nhỏ 0/00 0/00 148 Ở nơi địa hình sườn núi dốc, diện tích lưu vực lớn, địa chất dễ sụt lở làm hai nhiều rãnh đỉnh Ngược lại, độ dốc ngang sườn đồi nhỏ diện tích lưu vực nước chảy rãnh dọc khơng lớn khơng làm rãnh đỉnh, phải kiểm tra khả thoát nước rãnh biên Vị trí rãnh đỉnh phải cách mép taluy đường đào m đất thừa đào rãnh đỉnh đắp thành trạch (đê nhỏ) phía dốc xuống địa hình (phía thấp); bề mặt trạch có độ dốc ngang % phía rãnh chân cách mép taluy đường đào m (Hình 8.6) Trường hợp cần bố trí rãnh đỉnh để ngăn nước chảy đường đắp vị trí rãnh đỉnh phải cách mép rãnh biên m có làm rãnh biên, cách chân taluy nên đắp m khơng có rãnh biên đất đào rãnh đỉnh đắp thành trạch phía đường, bề mặt trạch có độ dốc ngang % phía rãnh Rãnh đỉnh khơng nên bố trí cách xa đường hạn chế tác dụng rãnh đỉnh Con trạch 2% >5m Rãnh đỉnh Rãnh dọc Hình 8.7 Cấu tạo rãnh đỉnh 2.20.4.Rãnh dẫn nước: Rãnh dẫn nước thiết kế để dẫn nước từ nơi trũng cục cơng trình nước gần từ rãnh dọc, rãnh đỉnh chỗ trũng hay cầu cống, để nối tiếp sơng suối với thượng hạ lưu cống (Hình 8.8) Rãnh dẫn nước không nên thiết kế dài 500 m Đất đào từ rãnh đắp thành đê nhỏ dọc theo rãnh Nếu rãnh dẫn nước bố trí dọc theo đường mép rãnh phải cách chân taluy đường m – m rãnh đường có đê bảo vệ cao 0,50 m – 0,60 m Hướng rãnh nên chọn thẳng tốt nơi chuyển hướng, bán kính đường cong nên lấy từ 10 lần đến 20 lần chiều rộng đáy rãnh không nhỏ 10 m Tiết diện rãnh xác định theo tính tốn thuỷ lực chiều sâu rãnh không nên nhỏ 0,50 m đáy rãnh không nhỏ 0.40m, mép bờ rãnh phải cao mực nước chảy rãnh 0,20 m Tần suất tính lưu lượng rãnh dẫn nước lấy tần suất cơng trình nước liên quan 149 2.20.5.Dốc nước bậc nước: 2.20.5.1 Khái niệm: Ở nơi rãnh nước có độ dốc lớn, để đảm bảo cơng trình khơng bị xói lở dịng nước phải làm dốc nước (hình 8.11) bậc nước Chọn cơng trình nước loại phải giải sở so sánh phương án phụ thuộc vào 150 điều kiện cụ thể Dốc nước bậc nước thường sử dụng đoạn rãnh có dốc lớn nối tiếp thượng lưu hạ lưu cống với lòng suối tự nhiên, đoạn rãnh nước từ cơng trình nước đổ dọc theo taluy đường đào hay đường đắp, đoạn nối tiếp từ rãnh đỉnh sông suối cầu cống Hình 8.11a Mặt cắt dọc theo tim dốc nước Hình 8.11b Mặt dốc nước Hình 8.11c Mặt cắt ngang dốc nước Mặt cắt ngang dốc nước thường thiết kế có dạng hình chữ nhật, với chiều rộng chiều sâu tính tốn theo thuỷ lực phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế, độ dốc dốc nước, tốc độ cho phép khơng xói vật liệu làm dốc nước tùy thuộc vào kích thước cơng trình nối tiếp với dốc nước 151 Cấu tạo dốc nước làm bê tơng, bê tông cốt thép, đá xây Để giảm tốc độ nước chảy dốc nước, đáy dốc nước có tạo gờ nhám cuối dốc nước thường làm bể (giếng) tiêu hay tường tiêu Bậc nước có bể tiêu thường dùng rãnh, kênh nước có độ dốc lớn Bậc nước thường có tiết diện hình chữ nhật, làm bê tơng, bê tông cốt thép, đá xây Chiều rộng, chiều cao bậc nước, chiều sâu, chiều dài bể tiêu năng, chiều cao chiều dày tường tiêu tính tốn theo cơng thức thuỷ lực tùy thuộc vào kích thước cơng trình nối tiếp với dốc nước (Hình 8.12) Hình 8.12a Mặt cắt dọc theo tim bậc nước Hình 8.12b Mặt bậc nước Hình 8.12c Mặt cắt ngang bậc nước Cấu tạo dốc nước bậc nước thiết kế theo thiết kế điển hình Trường hợp khơng có thiết kế điển hình phù hợp tham khảo theo quy định sau đây: 152 - Chiều cao dốc nước bậc nước cao mực nước tính tốn tối thiểu 0,20 m; - Để chống trượt, mặt đáy dốc nước cách 2,5 m – 4,0 m phải thiết kế chân khay cắm sâu vào đất 0,30 m – 0,50 m; - Độ dốc dốc nước không nên dốc : 1,5 Nếu lớn độ dốc phải thiết kế bậc nước; - Bậc nước thường thiết kế có chiều cao bậc 0,30 m – 0,60 m độ dốc mặt bậc % – 3% Tần suất tính tốn lưu lượng thiết kế dốc nước, bậc nước lấy theo tần suất tính tốn lưu lượng tính tốn cơng trình liên quan tới dốc nước, bậc nước 2.20.5.2 Tính tốn dốc nước: Dốc nước rãnh, kênh có độ dốc lớn độ dốc phân giới (i > ik) Mặt cắt ngang dốc nước thường dùng có dạng hình chữ nhật Đáy tường dốc nước thường làm bê tông, đá, gạch xây,… Để giảm tốc độ nước chảy cuối dốc nước thường làm tường tiêu hay giếng tiêu (Hình 8.13) H hk i < ik ho i> h ik h2=h0'' d i < ik lg Hình 8.13 Sơ đồ tính dốc nước có giếng tiêu Trình tự tính tốn dốc nước sau: 1) Xác định chiều rộng dốc nước: b Qi3 / n 3a / v 50 / đó: na – hệ số nhám dốc nước có xét đến tượng lẫn khí: na = n.a n – hệ số nhám, lấy theo vật liệu làm dốc nước (tra bảng); a – hệ số lẫn khí (tra bảng); i – độ dốc dốc nước; v0 – tốc độ cho phép khơng xói vật liệu làm dốc nước; 153 2) Xác định chiều sâu nước chảy cuối dốc nước: h0 Q b.v0 3) Xác định chiều sâu nước chảy đầu dốc nước: lấy chiều sâu nước chảy phân giới hk: Q h k 0,47 b 2/3 4) Xác định điều kiện ngập hạ lưu dốc nước: Cần tính chiều sâu liên hợp sau bước nhảy thủy lực: h h '0' v0 2h 0,45.v0 h1/2 g h0 – chiều sâu nước chảy dốc nước Xác định chiều sâu nước chảy suối sau dốc nước h Sêdi-Maning Nếu h δ 1,1h'0' có tượng chảy ngập tốc độ sau dốc nước xác định theo h Nếu h δ 1,1h '0' sau dốc nước phải làm giếng tiêu để giảm tốc độ nước chảy Chiều sâu giếng tiêu xác định theo công thức: d 1,1h'0' h δ Chiều dài giếng tiêu tính từ cuối dốc nước tới thành biên cuối tính theo cơng thức: lg 3h '0' h Dựa vào tốc độ nước chảy tính tốn để chọn vật liệu làm dốc nước 2.20.5.3 Tính tốn bậc nước: Bậc nước có giếng tiêu thường dùng rãnh, kênh dốc Bậc nước thường có tiết diện hình chữ nhật, làm bê tơng, đá xây,… Trình tự tính tốn bậc nước sau (Hình 8.14): 154 lT hk hk H P lg d Hình 8.14 Sơ đồ tính tốn bậc nước có giếng tiêu 1) Chọn chiều rộng bậc nước b: thường lấy độ cơng trình nước, lấy theo tiêu chuẩn lưu lượng 0,5 – 1m3/s cho mét chiều rộng bậc nước 2) Định số bậc nước xác định chiều sâu nước đổ xuống cách chia chiều cao nước đổ toàn đoạn thiết kế bậc nước cho số bậc nước giả thiết 3) Xác định chiều sâu nước chảy cửa vào bậc nước: lấy chiều sâu nước chảy phân giới hk: Q h k 0,47 b 2/3 4) Xác định chiều sâu sau bước nhảy thủy lực: h 'c' ε 'c' h k ε 'c' - xác định theo đồ thị 5) Xác định chiều sâu nước trước tường tiêu năng: h = H + d = 1,7hk + d 6) Kiểm tra điều kiện nước chảy ngập: h 1,1h 'c' Nếu điều kiện không thỏa mãn phải giả định lại d lập lại tính tốn thỏa mãn 7) Xác định chiều dài tối thiểu cho phép giếng: lg = l1 + l2 l1 – độ xa dòng nước đổ xuống đáy: l1 v k 2y g 155 vk – tốc độ nước chảy cửa vào: vk Q b.h k g – gia tốc rơi tự do; y – chiều cao nước đổ xuống dòng chảy: y Pd hk l2 – chiều dài bước nhảy thủy lực: l 3h 'c' h c hc – chiều sâu tiết diện thắt hẹp giếng xác định theo đồ thị tương tự xác định h 'c' : hc = ec.hk 8) Xác định chiều dày tường tiêu theo công thức: lT = 3hk 9) Kiểm tra điều kiện bố trí bậc nước nơi thiết kế: cách xác định độ dốc đặt bậc nước ib P lT lg Độ dốc ib không nhỏ độ dốc địa hình nơi làm bậc nước, khơng thỏa mãn phải giả thiết lại số bậc, xác định lại kích thước bậc nước Cịn ib lớn độ dốc địa hình tăng chiều dài bậc nước, cải thiện điều kiện ngập dòng chảy xem bước tính tốn thỏa mãn Chiều dài giếng xác định lại theo độ dốc i địa hình: l 'g 2.21 P lT i HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC NGẦM: 2.21.1.Tác dụng phân loại rãnh ngầm: - Nước ngầm phần nước nằm đất tác dụng trọng lực chảy theo dốc lớp đất không thấm nước - Tác dụng rãnh ngầm hạ thấp mức nước ngầm - Tùy theo vị trí tác dụng rãnh ngầm phân loại chúng sau: 1) Rãnh ngầm làm đáy rãnh dọc hay đường để hạ thấp mức nước ngầm phần xe chạy 156 2) Rãnh ngầm đặt sau ta luy đường đào để làm cho ta luy khô ngăn chặn không cho nước ngầm từ mái dốc đường đào đổ mặt đường 3) Rãnh ngầm đặt sau tường chắn đất, mố cầu 4) Rãnh ngầm thoát nước lớp áo đường (rãnh xương cá) 2.21.2.Cấu tạo rãnh thoát nước ngầm: Rãnh nước ngầm cấu tạo theo kiểu rãnh hở kín Rãnh loại hở dùng mực nước ngầm cao, rãnh loại kín thường sử dụng mực nước ngầm nằm sâu Chiều rộng đáy rãnh ngầm từ 0,30 m đến m tuỳ theo chiều sâu rãnh điều kiện thi cơng Cấu tạo rãnh nước ngầm loại kín thiết kế theo sơ đồ tổng quát sau: Phía rãnh đắp vật liệu (đất) không thấm nước lèn chặt để giữ không cho nước mưa ngấm xuống rãnh; sau hai lớp cỏ lật ngược để giữ không cho đất rơi xuống lớp vật liệu lọc nước bên dưới, lớp cỏ lớp cát sau lớp đá dăm hay sỏi cuội, để tăng khả nước rãnh thường có ống nước hầm nước (Hình 8.9) Trường hợp sử dụng rãnh thoát nước ngầm taluy dương đường đào để ngăn chặn nước ngầm không cho chảy phía ngồi cần sử dụng loại rãnh nước ngầm bên có tường chắn khơng thấm nước chạy dọc theo rãnh ngầm, bên theo nguyên tắc tầng lọc ngược Đá dùng để lấp rãnh phải loại khơng bị phong hóa tan rã mơi trường nước, ống thoát nước rãnh ngầm thường dùng ống bê tơng đường kính nước nhỏ 15 cm – 20 cm sành, gạch hay đá xây có đường kính 30 cm – 50 cm chiều dài đốt ống thoát nước 0,3 m – 0,6 m; ống thoát nước đặt giáp nhau, khe hở cm – 0,5 cm nước chảy vào ống nước MN ngầm Đất đầm chặt Thoát nước ngầm Lớp cỏ lật ngược Đường cong nước thấm Lớp cát Lớp đá Ống thoát nước Lớp đất không thấm nước Hình 8.9 Cấu tạo rãnh nước ngầm kiểu kín 157 Đá dùng để lấp rãnh phải loại khơng bị phong hóa tan rã nước 2.21.3.Các trường hợp tính tốn rãnh ngầm: MN ngầm H hr Rãnh ngầm lr Hình 8.10 Sơ đồ tính tốn rãnh ngầm 1) Xác định khoảng cách cần thiết hai rãnh ngầm lr biết yêu cầu hạ mức nước ngầm S chiều sâu rãnh tính từ mực nước ngầm H 2) Xác định chiều sâu hạ mức nước ngầm S biết khoảng cách hai rãnh ngầm lr chiều sâu rãnh tính từ mực nước ngầm H 3) Xác định chiều sâu rãnh ngầm cần thiết biết yêu cầu hạ mức nước ngầm S cự ly hai rãnh ngầm lr 158 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô 4054-05 Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 211-06 Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95 Tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị TCXDVN 104 2007 Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô 273-01 Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 274-01 Sổ tay thiết kế đường ôtô – Nguyễn Xân Trục Thiết kế đường, tập 1,2,3 – nhà xuất giao thông vận tải Khảo sát thiết kế đường ôtô 263-2000 Khảo sát thiết kế đường ôtô qua vùng đất yếu 262-2000 159 ... 2. 0 1.8 1.6 1.4 1 .2 1.0 0.8 0.6 0.5 20 00 2. 74 2. 60 2. 49 2. 36 2. 21 2. 05 1. 82 1.55 1.39 1500 2. 62 2.54 2. 42 2.30 2. 14 1.95 1.71 1.47 1. 32 1000 2. 51 2. 41 2. 39 2. 14 2. 00 1.80 1.60 1.36 1.19 800 2. 44... 23 22 j (độ) 28 26 26 25 25 24 24 23 c (Mpa) 0, 024 0, 022 0,018 0,014 0,0 12 0,011 0,010 0,009 E (Mpa) 49 45 42 38 34 32 30 28 j (độ) 30 28 28 27 27 26 26 25 0, 020 0,018 0,014 0,0 12 0,011 0,010 0,009... 1. 62 1.49 1500 2. 31 2. 27 2. 20 2. 12 2.04 1.91 1.73 1.55 1. 42 1000 2. 26 2. 19 2. 13 2. 04 1.95 1.80 1.66 1.47 1.34 800 2. 20 2. 14 2. 07 1.99 1.88 1.75 1.60 1.40 1 .26 600 2. 14 2. 09 2. 02 1.93 1.80 1.68