(NB) Giáo trình Thiết kế đường ô tô: Phần 1 với các nội dung khái niệm chung về đường ô tô; thiết kế bình đồ; thiết kế trắc học, thiết kế trắc ngang và nền đường. Mời các bạn cùng tham khảo giáo trình để nắm chắc kiến thức.
TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ơ TƠ TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ TP.HCM NĂM 2017 CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 VAI TRỊ CỦA ĐƯỜNG Ơ TƠ TRONG GIAO THƠNG VẬN TẢI 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, không 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 Tốc độ vận tải đường ô tô 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 ô tô phận thiếu mạng lưới giao thông 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 ô tô cao so với đường sắt đường thủy, cự ly vận chuyển lớn - Vận tải đường ô tô phụ thuộc nhiều vào trạng thái đường, mà trạng thái đường lại chịu ảnh hưởng lớn thiên nhiên Do việc vận chuyển tô thường gặp nhiều trở ngại - Tai nạn đường ô tô không ngừng tăng lên Tổn thất người kinh tế tai nạn ô tô gây ngày lớn - Môi trường xung quanh đường ô tô ngày bị xấu khí thải, bụi bẩn tiếng ồn ô tô gây - Nạn ùn tắc giao thông đường đô thị ngày phổ biến, làm cho tốc độ ô tô giảm xuống, giá thành vận tải tăng lên 1.2 CÁC YẾU TỐ CỦA ĐƯỜNG Ô TÔ 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 tuyến đường: Do điều kiện địa hình tự nhiên bị hạn chế nên tuyến đường tơ hình chiếu thường phải uốn lượn với đoạn thẳng đoạn cong nối tiếp Tuyến đường hoàn tồn xác định bình đồ (tức hồn toàn xác định thực địa) nhờ yếu tố sau (Hình 1.1): - Điểm xuất phát góc định hướng - Các góc ngoặt 1, 2, 3, … chỗ đổi hướng tuyến - Chiều dài đoạn thẳng - Các yếu tố đường cong như: góc ngoặt , bán kính đường cong R, chiều dài tiếp tuyến T, chiều dài cung tròn K chiều dài phân cự p (Hình 1.1) Đ T p P K TC1 TĐ1 R Hình 1.1 Các yếu tố đường cong tròn Tất yếu tố đánh dấu thực địa cọc với đặt chỗ địa hình thay đổi (cọc địa hình) cọc đánh dấu lý trình (cọc Km, cọc 100m ký hiệu cọc H) 1.2.2 Trắc dọc tuyến đường: Mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường đem “duỗi thẳng” gọi trắc dọc, thường vẽ với tỉ lệ đứng gấp 10 lần tỉ lệ ngang (Hình 1.2) Hình 1.2 Trắc dọc Cao độ mặt đất tự nhiên trắc dọc gọi đường đen Còn tuyến đường xác định vị trí trắc dọc thơng qua đường đỏ thiết kế 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 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 1.2.3 Trắc ngang tuyến đường: Mặt cắt vng góc với tuyến đường điểm tuyến (ở vị trí cọc) gọi trắc ngang điểm Mép phần xe chạy Mép lề Tim đđường Hình 1.3 Trắc ngang tuyến đường Các yếu tố đường trắc ngang bao gồm: (Hình 1.3) - Bề rộng đường a - Bề rộng mặt đường (phần xe chạy) b - Bề rộng lề đường c - Độ dốc ta luy 1:m - Các kích thước rãnh nước dọc Thiết kế đường định yếu tố đường bình đồ, trắc dọc trắc ngang cho chúng đáp ứng yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tế 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG VẬN TẢI CHỦ YẾU CỦA ĐƯỜNG 1.3.1 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 lịch, xe khách nhiều loại chỗ ngồi, xe buýt,…) - Xe gắn máy Ở nước ta loại phương tiện nhiều - Xe đạp loại xe thơ sơ khác Vì phương tiện kể có khả tốc độ chạy xe khác nhiều, mặt tổ chức giao thơng, có hai giải pháp thiết kế đường: - 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 1.3.2 Xe thiết kế: Xe thiết kế loại xe phổ biến dịng xe để tính tốn yếu tố đường Các kích thước xe thiết kế quy định bảng sau: B¶ng 1.1 C¸c kÝch th-íc cđa xe thiÕt kÕ (mÐt) ChiỊu cao Nh« vỊ phÝa tr-íc Nh« vỊ phÝa sau Khoảng cách trục xe 1,80 2,00 0,80 1,40 3,80 12,00 2,50 4,00 1,50 4,00 6,50 16,50 2,50 4,00 1,20 2,00 4,00 + 8,80 ChiỊu dµi toµn xe ChiỊu rộng phủ bì Xe 6,00 Xe tải Xe moóc tú Lo¹i xe 1.3.3 Tải trọng xe chạy: Tải trọng xe tác dụng lên đường có ảnh hưởng quan trọng đến làm việc mặt đường cơng trình đường sở để tính tốn thiết kế cơng trình 1.3.4 Lưu lượng xe thiết kế: 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 Thường xe chạy có mức tăng xe theo quan hệ hàm số mũ: Nt = N0(1+p)t-1 (xcqđ/ng.đ) (1.1) Trong : Nt – lưu lượng xe chạy bình quân năm khai thác thứ t (xcqđ/ng.đ) N0 –lưu lượng xe chạy bình quân năm đầu khai thác đường ôtô (xcqd/ng.đ) P- mức tăng xe hàng năm Bảng 1.2 Hệ số quy đổi từ xe loại xe Loại xe Xe đạp Xe máy Xe Xe tải có trục xe buýt d-ới 25 chỗ Đồng đồi 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 Nói 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 Địa hình Xe tải có trục trở lên xe bt lín Xe kÐo mỗc, xe bt kÐo mỗc Chú thích: Việc phân biệt địa hình đ-ợc dựa sở độ dốc ngang phổ biến s-ờn đồi, s-ờn núi nh- sau: Đồng đồi 30 %; núi > 30 % Đ-ờng tách riêng xe thô sơ không quy đổi xe đạp Trờn tính tốn lưu lượng xe chạy trung bình năm Trong thiết kế kỹ thuật phải xét đến thay đổi lưu lượng xe chạy theo mùa năm theo ngày để phục vụ cho thiết kế áo đường, chiều rộng phần xe chạy tổ chức xe chạy Ví dụ: Số liệu đếm xe sau: Loại xe Hệ số quy đổi Kết đếm xe (xe/ngđ) Lượng xa quy đổi (xcqđ/ngđ) Xe đạp 0,2 662 132.4 Xe máy 0,3 7748 2324.4 Xe 25 25 Xe t¶i cã trơc 118 236 2,5 10 xe bt lín Tổng cộng: 2728 Giả sử mức tăng xe hàng năm 8% Vậy lưu lượng xe năm khai thác thứ 15 : N15 = 2728 x (1+0.08)15-1 = 8013 (xcqđ/ngđ) 1.4 PHÂN CẤP HẠNG KỸ THUẬT ĐƯỜNG Ô TÔ Việc phân cấp kỹ thuật dựa chức lưu lượng thiết kế đường mạng lưới đường quy định theo Bảng 1.3 B¶ng 1.3 Bảng phân cấp kỹ thuật đ-ờng ô tô theo chức đ-ờng l-u l-ợng thiết kế Cấp thiết kế đ-ờng L-u l-ợng xe thiết kế*) (xcqđ/nđ) Cao tốc Cấp I Chức đ-ờng > 25 000 §-êng trơc chÝnh, thiÕt kÕ theo TCVN 5729 : 1997 > 15 000 Đ-ờng trục nối trung tâm kinh tế, trị, văn hoá lớn ®Êt n-íc Qc lé CÊp II §-êng trơc chÝnh nèi trung tâm kinh tế, trị, văn hoá lớn cđa ®Êt n-íc > 000 Qc lé CÊp III Đ-ờng trục nối trung tâm kinh tế, trị, văn hoá lớn đất n-ớc, địa ph-ơng > 000 Quèc lé hay ®-êng tØnh CÊp IV Đ-ờng nối trung tâm địa ph-ơng, điểm lập hàng, khu dân c- > 500 Quốc lộ, ®-êng tØnh, ®-êng hun *) CÊp V > 200 §-êng phục vụ giao thông địa ph-ơng Đ-ờng tỉnh, đ-ờng huyện, ®-êng x· CÊp VI < 200 §-êng hun, ®-êng x· Trị số l-u l-ợng để tham khảo Chọn cấp hạng đ-ờng nên vào chức đ-ờng theo địa hình Tc thit k l tốc độ dùng để thiết kế yếu tố hình học đường, yếu tố ảnh hưởng đến vận hành xe Tốc độ thiết kế cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, qui định Bng Bảng Tốc độ thiết kế cấp đ-ờng Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng Đồng Đồng Nói §ång b»ng Nói §ång b»ng Nói §ång b»ng Nói Tèc ®é thiÕt kÕ, Vtk, km/h 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 chó thÝch: ViƯc ph©n biệt địa hình đ-ợc dựa sở độ dốc ngang phổ biến s-ờn đồi, s-ờn núi nhsau: Đồng đồi 30 %; núi > 30 % 1.5 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG 1.5.1 Các lực tác dụng vào ô tô xe chạy Khi xe chạy đường, ngồi sức kéo tơ chịu tác dụng loại sức cản khác bao gồm: lực cản lăn, lực cản khơng khí, lực cản qn tính lực cản dốc (Hình 1.4) Pk P Pj Pi Pf Hình 1.4 Các lực tác dụng ô tô xe chạy Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; P - Lực cản khơng khí Pi – Lực cản lên dốc; Pj – Lực cản quán tính 1.5.1.1 Lực cản lăn Pf Thực nghiệm cho thấy tổng sức cản lăn tất bánh xe P f tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) ô tô: Pf = f.G, (kG) (1.2) 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 1.5) Bảng 1.5 Hệ số sức cản lăn f Loại mặt đường + Bê tông xi măng Hệ số f 0,01 – 0,02 bê tông nhựa + Đá dăm đen 0,02 – 0,025 + Đá dăm 0,03 – 0,05 Loại mặt đường + Lát đá ,04 – 0,05 + Đất khô phẳng 0,04 – 0,05 + Đất ẩm không 0,07 – 0,15 phẳng + Đất cát rời rạc 1.5.1.2 Hệ số f 0,15 – 0,30 Sức cản khơng khí P Theo khí động học, sức cản khơng khí khơng có gió xác định theo công thức: Pω kFV2 13 (1.3) Trong đó: k – hệ số sức cản khơng khí phụ thuộc vào loại xe: tơ tải k = 0,06 – 0,07; ô tô buýt k = 0,04 – 0,06; xe k = 0,025 – 0,035 F – diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn ô tô) F = 0,8.B.H (B H chiều rộng chiều cao ô tô) V – vận tốc xe chạy, km/h 1.5.1.3 Sức cản lên dốc Pi Là trọng lượng thân ô tô gây xe chuyển động mặt phẳng nằm nghiên Ta có: Pi = G sin Do nhỏ nên sin tg = i i – độ dốc dọc đường Pi = G i Do đó: (1.4) Khi xe lên dốc lấy dấu “+” xe xuống dốc lấy dấu “-“ 1.5.1.4 Sức cản quán tính Pj Phát sinh xe tăng giảm tốc Khi xe tăng tốc lực quán tính cản trở chuyển động ô tô Bao gồm sức cản quán tính chuyển động tịnh tiến tơ có khối lượng m sức cản quán tính phận quay tơ Do ta có: Pj mδ dv G dv dt g dt (1.5) đó: m – khối lượng tơ; G – trọng lượng ô tô, g – gia tốc trọng trường; v – tốc độ xe chạy, t – thời gian; - hệ số kể đến sức cản quán tính phận quay Dấu “+” ứng với trường hợp tăng tốc dấu “-” ứng với trường hợp giảm tốc 1.5.2 Phương trình chuyển động ô tô biểu đồ nhân tố động lực Để tơ chuyển động đường động tơ phải sản sinh sức kéo không nhỏ tổng lực cản đường, phương trình chuyển động tô là: Pk Pf Pi + P Pj Hay Đặt Pk fG Gi + G dv kFV2 δ 13 g dt kFV2 Pk 13 f i δ dv D= G g dt D - gọi nhân tố động lực tơ Khi chuyển động dv điều kiện chuyển động ô tô dt mặt sức kéo là: D=f±i (1.6) Trong phương trình vế trái biểu diễn yếu tố phụ thuộc vào ô tô, vế phải biểu diễn yếu tố phụ thuộc vào điều kiện đường Biểu đồ biểu diễn đường D = f(v) ứng với chuyển số khác loại ô tô gọi biểu đồ nhân tố động lực loại tơ (Hình 1.5) D I II III V, km/h Hình 1.5 Biểu đồ nhân tố động lực ô tô Nếu biết tổng sức cản điều kiện đường gây f ± i theo điều kiện (1.6), nhờ biểu đồ nhân tố động lực ta nhanh chóng tìm tốc độ lớn tương ứng ô tô Ngược lại, muốn ô tô chạy với tốc độ thiết kế định xác định điều kiện đường tương ứng thơng qua biểu đồ Biểu đồ cho thấy điều kiện đường thay đổi chuyển động, ô tô phải chuyển chuyển số tương ứng 1.5.3 Sức bám lốp xe với mặt đường Xét bánh xe chủ động hình 1.7, điểm tiếp xúc A khơng có phản lực T đường tác dụng vào lốp xe bánh xe quay chỗ, xe không chuyển động Phản lực T có sức bám lốp xe với mặt đường rk Mk Pk A Pk T 10 Ở Việt Nam thường gặp loại đất sét mềm, bùn than bùn - Đất sét mềm: loại đất sét sét tương đối chặt, bảo hịa nước có cường độ cao so với bùn Đặc điểm quan trọng đất sét mềm tính dẻo Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo thành phần nhóm hạt có kích thước nhỏ 0,002mm hoạt tính chúng nước - Bùn: lớp đất tạo thành môi trường nước nước biển, gồm hạt mịn với tỉ lệ phần trăm cao Cường độ bùn nhỏ, biến dạng lớn - Than bùn: đất yếu nguồn gốc hữu cơ, tạo thành kết phân hủy di tích hữu (chủ yếu thực vật) đầm lầy, hàm lượng hữu chiếm 20 – 80%, có màu đen nâu, cấu trúc khơng mịn, cịn thấy tàn dư thực vật 2.13.2.Tính tốn ổn định đắp đất yếu: Bao gồm tính ổn định tính độ lún 2.13.2.1 Tính ổn định: Tính ổn định lún trồi: Nền đường đắp đất yếu thường ổn định hai hình thức: ổn định lún trồi ổn định trượt - Tính tốn ổn định lún trồi: đất yếu bị phá hoại lún xuống phần giữa, đồng thời bị trồi lên hai bên chân ta luy Có hai trường hợp: + Khi B/h ≤ 1,49 (B – chiều rộng đường; h – chiều dày lớp đất yếu, Hình 4.29) h H B Hình 4.29 Sơ đồ phá hoại đường có đáy rộng Áp lực giới hạn qgh bất lợi đất yếu xác định theo công thức: qgh = (2+p)Cu đó: Cu – lực dính khơng nước Ứng suất đường gây tim đắp là: q = gđ.H đó: gđ – trọng lượng thể tích đất đường; H – chiều cao đắp Hệ số an toàn: 69 F q gh q π 2C u γñ H + Khi B/h > 1,49: áp lực giới hạn đất yếu xác định theo công thức: qgh = Cu.Nc đó: Nc – hệ số thay đổi theo tỉ số B/h, tra tốn đồ hình 4.30 Nc 1 10 B/h 1,49 Hình 4.30 Hệ số chịu tải Nc đường Tính ổn định trượt: tiến hành theo phương pháp phân mảnh cổ điển với giả thiết mặt trượt có dạng hình trụ trịn Ví dụ: Kiểm tra điều kiện ổn định đắp cao 12m, đắp 9m đất yếu Các đặc trưng chống cắt trung bình đất yếu Cu=40kPa; u=0; cu=180; hệ số cố kết Cv=3.10-3cm2/s Xem hình vẽ 4.31 Kết quả: - Kiểm tốn theo điều kiện khơng cho phép lún trồi: hệ số an tồn F=0.97