Việc tính toán để xác định chiều sâu tối thiểu cho phép của nền đắp trên đất yếu để loại trừ ảnh hưởng của dao động được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm Plaxis 2D version 8.6 và s[r]
(1)KIỂM TOÁN DAO ĐỘNG DO PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG
GÂY RA TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ NỀN ĐƢỜNG Ô TÔ
TRÊN ĐẤT
YẾU
KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Lê Thành Trung(1)
(1)
Trường Đại học Thủ Dầu Một
Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: lttrung@tdmu.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo trình bày sở lý thuyết vấn đề kiểm tốn dao động cơng tác thiết kế đường ô tô đất yếu theo tiêu chuẩn Cộng Hòa Liên Bang Nga Trên sở đó, áp dụng vào cơng tác thiết kế đường ô tô điều kiện đất yếu khu vực đồng sông Cửu Long Đồng thời, kiến nghị bổ sung điều kiện kiểm toán dao động vào quy trình khảo sát thiết kế đường tô đắp đất yếu 22TCN – 262-2000
Từ khóa: kiểm tốn dao dộng đường, dao dộng đường
Abstract
CALCULATING AND CHECKING THE VIBRATION CAUSED BY VEHICLES IN THE DESIGN OF HIGHWAY ROADBED ON SOFT SOILS IN THE AREA OF MEKONG DELTA
This paper presents the theoretical basis of the calculating and checking the vibration of highway roadbed on soft soils using the standards of the Federal Republic of Russia The method is applied to the design of highway roadbed on soft soils in the area of the Mekong Delta Vibration checking conditions are proposed to be added into the actual guide of survey and design of highway roadbed on soft soils 22TCN - 262-2000
1 Đặt vấn đề
Khi thiết kế xây dựng đường khu vực địa chất đất yếu người ta thường cố gắng hạ chiều cao đắp xuống nhiều tốt nhằm tăng ổn định trượt, giảm độ lún cho đường đắp Tuy nhiên đất yếu, đường đắp thấp ảnh hưởng tải trọng động xe chạy, đất yếu (đặc biệt khu vực tác dụng đường) xuất dao động đàn hồi không cho phép làm ảnh hưởng tới ổn định lâu dài đường
(2)Quy trình 22TCN-262-2000 đưa lời khuyên tổng quát chiều cao đắp tối thiểu đất yếu mà khơng có giải thích định lượng rõ ràng Trong nước chưa có cơng trình, tài liệu nghiên cứu cụ thể chiều cao tối thiểu Vì vậy, nội dung báo trình bày nghiên cứu xác định chiều cao tối thiểu đường đắp thấp nhằm loại trừ dao động đàn hồi không cho phép tải trọng động gây điều kiện đất yếu khu vực đồng song Cửu Long nhằm làm sáng tỏ vấn đề nêu
2 Cơ sở lý thuyết tính tốn động lực học đất yếu
Hiện nay, tiêu chuẩn Cộng hòa Liên Bang Nga [1] tính tốn ổn định đắp đất yếu xét đến dao động phương tiện giao thông:
Để đảm bảo đất yếu đắp thấp không bị phá vỡ kết cấu ảnh hưởng dao động đàn hồi từ tải trọng động (xe chạy) gây tính tốn động lực học đắp phải thỏa mãn điều kiện: att ≤ acf (1); đó: att – (mm/sec2) gia tốc dao động tính toán đắp thiết kế
trên đất yếu, acf – (mm/sec2) gia tốc dao động đắp cho phép giới hạn đất yếu
xác định phụ thuộc vào loại mặt đường thiết kế tần số dao động đắp (hình 1)
Gia tốc dao động đắp thiết kế đất yếu tính tốn theo cơng thức: att =
A2 (2); đó: A (mm) – biên độ dao động đắp đất yếu xác định theo công thức: A = l (Kđ – 1) (3)
l – Độ võng đàn hồi đất yếu gây nên tải trọng tĩnh từ bánh xe xe tính tốn
Kđ – Hệ số động học đặc trưng tăng độ
võng hiệu dịch chuyển tải trọng
(sec-1) - tần số dao động riêng đắp, xác định theo công thức sau:
1
1
K K
K K g E h
dy qd dy
(4)
Trong đó: Eqd (kN/m2) – mơđun đàn hồi quy
đổi đất yếu xem xét điều kiện khơng có dịch chuyển hơng
1
dy
qd E
E (Mpa) (5)
Edy – môđun đàn hồi đất yếu nén
dưới đắp, xác định theo số liệu thí nghiệm nén hay ép Trị số Edy xác định
theo mối quan hệ thực nghiệm Edy = f(d, n)
nêu đồ thị hình
n – Biến dạng nén tương đối đất yếu
nén đắp
- Trị số trung bình hệ số Poisson đất yếu, khơng có số liệu thực nghiệm cho phép lấy =0,35 Khi Eqd=1,41.Edy
g - Gia tốc trọng trường (g=9,81m/s2)
I II III
0 20 40 60 80 100
10 12 14 16 18 20 25 30 35 40 45 50 60 70 90 120 140 150 180 200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 900 800 700 600 500 450 400 350 300 250
100 80
sec )
acf (mm/sec )2
-1
Hình 1.Toán đồ xác định gia tốc dao động (acf)
của đắp cho phép giới hạn đất yếu I: Đối với mặt đường cấp cao chủ yếu
II: Đối với mặt đường cấp cao thứ yếu III: Đối với mặt đường cấp thấp
Hình 1 Tồn đồ xác định gia tốc dao
động (acf) đắp cho phép giới hạn
trên đất yếu I: Đối với mặt đường cấp cao chủ yếu, II: Đối với mặt đường cấp cao thứ yếu,
(3)dy d h
h
K1 ;
d dy
K
2 (6)
hd, d – Chiều cao đắp tổng cộng trọng lượng riêng đắp (sơ đồ hình 3),
đó hd=h+S = Háo đường + hd’ (7)
hdy, dy – Chiều dày lớp đất yếu đắp (m) trọng lượng riêng đất yếu
(kN/m3)
Hình 2 Tốn đồ xác định mơđun đàn hồi Edy
của đất yếu
Hình 3.Sơ đồ tính tốn
Độ võng đàn hồi đất yếu tính theo cơng thức:
n K E
D p l
dy
(m) (8)
Trong đó: D – đường kính tính tốn vệt bánh xe tính tốn (m); p – áp lực bánh xe tính tốn lên mặt đường (Mpa); K – Hệ số tổng hợp xét đến kích thước cuối đất yếu khả phân bố đắp Hệ số K xác định theo đồ thị hình 4a phụ thuộc vào tỷ số hd/D
và hdy/D; - Hệ số thay đổi ứng suất tiếp xúc lớp có độ cứng khác nhau, phụ thuộc
chủ yếu vào tỷ số độ cứng thể môđun đàn hồi Các trị số để tính hệ số
như hàm số tỷ số Ed/Edy hd 2.D xác định theo đồ thị hình 4b; Edy -
Môđun đàn hồi đất yếu (Mpa); n - Hệ số xác định theo bảng 1
Hệ số động lực Kđ tỷ số độ võng động học lớn đất yếu gây
xe chạy với trị số độ võng tĩnh xác định theo đồ thị hình 5 phụ thuộc vào hệ số chống rung , hệ số chống rung 0,33/Edy
3 Nội dung kết nghiên cứu
3.1 Các số liệu để tính tốn
Nội dung tính tốn thực theo số liệu địa chất đặc trưng cho đất yếu khu cực đồng sông Cửu Long [2] (bảng 2) tính cho hai trường hợp đất yếu có 01 lớp đất yếu có nhiều lớp (sơ đồ hình 10)
Cấp đường bề rộng đường: lấy theo TCVN 4054-2005 kèm theo thông
số tốc độ thiết kế bề rộng tối thiểu đường, xác định theo bảng Loại mặt đường tính toán: áp dụng với ba loại mặt đường quy định TCN 211-06: Mặt
b
H
h
bi
h
dy
h
'
d
h
ad
h
dy
hd
s
h
hc
E
qd3
E
qd
h
qd
h3e3
h2e2
h1e1
E
dy2
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
0.1
0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9
n
dy (g/cm3)
(4)đường cấp cao chủ yếu A1;mặt đường cấp cao thứ yếu A2 mặt đường cấp thấp (B1, B2)
Nền đường đắp: Vật liệu đắp đường phải tuân thủ quy định tiêu chuẩn kỹ thuật
hiện hành Thông thường vùng đồng phía Nam, đường đắp cát, có đắp bao đất dính phía ngồi Một cách tương đối lấy dung trọng riêng đắp
d=1,90 g/cm3, ứng với độ ẩm tương đối a = 0,60 ta môđun đàn hồi đường Ed =
45Mpa (bảng B-3 tiêu chuẩn 22TCN – 211-06) Đối với cơng trình thực tế trị số tham khảo cần bổ sung xác Tải trọng tính tốn: Đường kính vệt bánh xe tính tốn D=36cm (hoặc D= 33cm tùy theo tải trọng xe tính tốn thực tế), áp lực bánh xe mặt đường p=0,6Mpa, riêng trường hợp xe có tải trọng lớn tính tốn cụ thể theo 22TCN 251-98
Bảng 1.Xác định hệ số n
hd/D ≤2,5 3,5 4,5 ≥5,0
n 1.5 1,3
Hình 4a Đồ thị xác định hệ số tổng hợp K Hình 4b Đồ thị xác định hệ số
Bảng 2 Số liệu địa chất đặc trưng miền Nam
Đặc trưng lý Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Dung trọng riêng (w) g/cm
3 1,50
Độ ẩm tự nhiên W % 40
Góc ma sát độ 30
Lực dính C kG/cm2 0.067
Hệ số rỗng eo - 2,0
Áp lực tiền cố kết Pc T/m2 5,2
Chỉ số nén Cc - 1,2
Chỉ số nở Cs - 0.12
Hình 5 Đồ thị xác định hệ số động học Kđ
Bảng 3 Bảng chi tiết cấp đường bề rộng đường
Cấp thiết kế đường I II III IV V VI
Tốc độ thiết kế (km/h) 120 100 80 60 40 30
Chiều rộng tối thiểu đường
(m) 32,5 22,5 12,0 9,0 7,5 6,5
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13
3
4
6
10
0 1.4 10 14 20
K
hdy/d
hd/d =2
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
10 20 30 40 60 ed/edy
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
k®
(5)3.2 Các kết tính tốn
Việc tính tốn để xác định chiều sâu tối thiểu cho phép đắp đất yếu để loại trừ ảnh hưởng dao động thực cách sử dụng phần mềm Plaxis 2D version 8.6 số hóa biểu đồ tra (từ hình đến hình 5) để lập bảng tính chi tiết (thay cho biểu đồ)
3.2.1 Thay đổi chiều cao đắp thiết kế
Với Bnền = 12,0m, hđắp =1,0 ÷ 3,2m chênh lệch h = 0,10m Kết cho thấy chiều cao
nền đắp lớn tần số gia tốc dao động đắp nhỏ với phép tính cụ thể cho thấy để thỏa mãn att< acf hdapmincho phép 1,8m (hình 7)
Hình 6 Mặt cắt đặc trưng tính tốn - trường
hợp 01 lớp đất yếu Hình 7.Quan hệ chiều cao đất đắp – gia tốc dao động đường
3.2.2 Thay đổi loại kết cấu mặt đường xe chạy
Thay đổi ứng với 03 loại mặt đường quy định TCN 211-06, kết cho chiều cao đắp tối thiểu ứng với loại kết cấu mặt đường (thể bảng hình 8) Cấp mặt đường cao yêu cầu chiều cao đắp tối thiểu để loại trừ dao động đàn hồi lớn
Bảng 4 Quan hệ chiều cao đắp -
loại kết cấu mặt đường
Loại kết cấu mặt đường
Chiều cao đắp tối thiểu
min
dap
h (m)
Cấp cao chủ yếu 1,8
Cấp cao thứ yếu 1,4
Cấp thấp 1,2
Hình 8 Quan hệ chiều cao đất đắp – gia tốc
dao động đường loại KCAĐ
3.2.3 Thay đổi bề rộng đường
Bề rộng đường nguyên tắc thay đổi tùy ý, để phù hợp với thực tế, thay đổi bề rộng đường tương ứng với cấp đường cụ thể quy định TCVN
Bùn sét màu xám xanh, xám nâu
Sét, màu xám vàng, trạng thái dẻo cứng
g/cm3
'ckG/cm2, Pc=5,2T/m2, Cc=1,2
g/cm3
'ckG/cm2
12,0m
2,
5m
1/2
-6,0 0,0
0 20 40 60 80 100 120 140
0
Chieu cao dat dap hd (m)
G
ia
t
o
c
d
a
o
d
o
n
g
a
(
m
m
/s
2
)
att acf
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Chieu cao nen dap hd (m)
G
ia
t
o
c
d
a
o
d
o
n
g
a
(
m
m
/s
2
)
(6)4054-2005 Kết tính tốn thể bảng 5 Các số liệu tính tốn cho thấy: Bề rộng đường lớn gia tốc dao động tăng, nhiên ảnh hưởng tăng lên không đáng kể, bề rộng dù có thay đổi Bnền =7,5m÷32,5m chiều cao đắp tối thiểu cho
phép
dap
h =1,8m Điều có nghĩa chiều cao đắp tối thiểu đất yếu
nhằm loại trừ ảnh hưởng dao động động không phụ thuộc vào bề rộng đường đắp thiết kế
3.2.4 Thay đổi bề dày lớp đất yếu
Tính với lớp đất yếu có bề dày thay đổi hdy =5,0 ÷ 9,0m chiều cao đắp thay đổi từ
1,0 ÷ 3,2m, kết trị số hdapmin cho phép ghi bảng biểu diễn hình cho
thấy bề dày lớp đất yếu lớn gia tốc dao động tính tốn (att) đất yếu nhỏ,
tức chiều cao đất đắp tối thiểu nhằm loại trừ ảnh hưởng dao động đàn hồi nhỏ
3.2.5 Thay đổi tính chất lý đất yếu
Tính yếu đất thể nhiều tiêu đặc trưng như: hệ số rỗng e0, dung trọng
riêng đất , số nén Cc, áp lực tiền cố kết Pc Vì vậy, chiều cao đắp tối thiểu cho phép xác định cách thay đổi trị số thơng số nói kết nêu bảng 7 Ta dễ nhận thấy đất yếu yêu cầu chiều cao đất đắp tối thiểu (hdapmin) để
loại trừ ảnh hưởng dao động xe chạy phải lớn
Bảng 5 Chiều cao đắp tối thiểu với bề dầy
lớp đất yếu
hdy
(m)
att < acf
(mm/s2)
min
dap
h
(m)
5,0 18.084 < 18.198 2.50
6,0 17.295 < 17.630 2.10
7,0 16.139 < 17.164 1.90
8,0 16.422 < 16.804 1.70
9,0 16.032 < 16.480 1.60
Hình 9 Quan hệ chiều cao đắp- gia tốc dao
động đường - chiều sâu đất yếu
Bảng 6 Quan hệ chiều cao đắp tối thiểu – bề rộng đường
hd (m)
Cấp I: Bnd = 32,5m Cấp II: Bnd=22.5m Cấp III: Bnd = 12m Cấp V: Bnd = 7.5m
Kết luận att
mm/s2
acf mm/s2
att mm/s2
acf mm/s2
att mm/s2
acf mm/s2
att mm/s2
acf mm/s2
1.00 119.421 18.684 119.216 18.683 117.974 18.675 115.847 18.661 Ko đạt 1.20 74.749 18.569 74.606 18.567 73.757 18.559 72.327 18.546 Ko đạt
… … …
1.70 20.329 18.332 20.290 18.331 20.067 18.322 19.695 18.309 Ko đạt 1.80 17.398 18.294 17.366 18.293 17.179 18.284 16.870 18.271 Đạt 1.90 16.071 18.257 16.042 18.256 15.874 18.248 15.596 18.234 Đạt
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
4 10
Chieu sau dat yeu (m)
G
ia
t
o
c
d
a
o
d
o
n
g
a
t
t
(
m
m
/s
2
)
(7)Bảng 7 Quan hệ tính chất đất yếu chiều cao đắp tối thiểu (hd) đất yếu
Chỉ số nén Cc hdapmin (m) Hệ số rỗng e0
min
dap
h (m)
1.20 2.10 1.50 2.00
1.50 2.30 2.00 2.10
1.80 2.60 2.50 2.40
3.2.6 Thay đổi tải trọng xe lưu thông đường
Tải trọng xe chạy quy định hai thông số đường kính vệt bánh xe tính tốn (D) áp lực bánh xe tính tốn lên mặt đường (p) Tính tốn với tải trọng thay đổi theo 22TCN211-06 xác định chiều cao đắp tối thiểu phụ thuộc vào tải trọng xe thiết kế sau:
Bảng 8. Quan hệ loại tải trọng xe chạy & chiều cao đắp tối thiểu (hd) đất yếu
Đường kính vệt bánh xe D (m)
dap
h (m) Áp lực bánh xe tính tốn p (Mpa) hdapmin(m)
0.36 2.10 0.5 1.90
0.33 1.90 0.6 2.10
- - 0.7 2.40
Từ bảng ta thấy tải trọng xe chạy đường lớn yêu cầu chiều cao đất đắp tối thiểu (hdapmin) để loại trừ ảnh hưởng dao động động xe phải lớn
3.2.7 Trường hợp nhiều lớp đất yếu
Trong trường hợp đường đắp có nhiều lớp đất yếu việc kiểm tốn động học sở qui đổi nhiều lớp đất yếu trường hợp lớp đất yếu [1] (Tương tự tính tốn kết cấu áo đường mềm)
Khi tb - dung trọng riêng trung bình xác định dựa biểu đồ hình từ giá trị
Edytb biến dạng nén tương đối tổng hai lớp () Sau xác định Edytb tb
lớp đất quy đổi việc kiểm toán tiến hành với trường hợp lớp đất yếu
Dưới ví dụ tính tốn xác định chiều cao đắp tối thiểu cho phép đất yếu có 02 lớp Sơ đồ thơng số tính tốn trình bày hình 10 kết thể hình 11 (hdapmin=1,7m tương ứng với 15,075=att < acf=17,622 (mm/s2)
Hình 10 Mặt cắt đặc trưng tính tốn (trường
hợp 02 lớp đất yếu)
Hình 11 Quan hệ chiều cao đất đắp – gia tốc
dao động đắp (trường hợp lớp đất yếu)
12,0m
2,
5m
1/2
-4,0 0,0
SÐt, mµu xám vàng, trạng thái dẻo cứng
g/cm3
'ckG/cm2
-4,0
Bùn sét màu xám nâu Bùn sét màu xám xanh, xám nâu
g/cm3
'ckG/cm2, Pc=5,2T/m2, Cc=1,2
g/cm3
'ckG/cm2, Pc=5,5T/m2, Cc=0,8
8
h
dy
2
h
dy
1
2
1
0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 Chieu cao dat dap hd (m)
G
ia
t
o
c
d
a
o
d
o
n
g
a
(
m
m
/s
2
)