Bài giảng môn học thiết kế đường ô tô: Chương 7 - Thiết kế áo đường cứng

Coâng thöùc ñaàu tieân söû duïng ñeå tính chieàu daøy taám BTXM maët ñöôøng do Oaùtstecgat tìm ra naêm 1926 luùc ñoù oâng söû duïng moâ hình heä soá neàn K ( Winkler ) va[r]

CHƯƠNG

THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG

2.1 Đặc điểm cấu tạo kết cấu áo đường cứng 2.1.1 Đặc điểm kết cấu áo đường cứng:

- Áo đường cứng kết cấu áo đường có lớp mặt lớp móng làm bê tơng xi măng – loại vật liệu có độ cứng cao

- Ưu điểm chủ yếu mặt đường bê tông xi măng có cường độ cao, thích hợp với xe tải trọng nặng, có độ phẳng, độ nhám tốt, ổn định nhiệt tốt so với mặt đường nhựa, niên hạn sử dụng dài (từ 30 – 40 năm lâu hơn)

- Nhược điểm chủ yếu mặt đường bê tông xi măng phải làm nhiều khe, thi công phức tạp, dễ bị thấm nước hư hỏng vị trí khe, dễ bị nứt gãy

- Áo đường cứng thiết kế dựa theo lý thuyết “tấm đàn hồi” đồng thời có xé tới thay đổi nhiệt độ nhân tố khác gây bê tông

- Nội dung thiết kế áo đường cứng bao gồm:

+ Thiết kế cấu tạo nhằm chọn bố trí hợp lý kích thước tấm, khe liên kết tấm, chọn vật liệu tầng móng, vật liệu chèn khe

+ Tính tốn kiểm tra cường độ (bề dày) bê tông xi măng lớp móng tác dụng tải trọng nhiệt độ

2.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường cứng:

Kết cấu mặt đường bê tông xi măng đổ chỗ gồm lớp hình 2.1

B/2 C

b

Bm/2 d

1

1:m

1,5-2%

Hình 2.1 Mặt cắt ngang áo đường bê tông xi măng đổ chỗ

1 Lớp mặt (tấm bê tông); Lớp tạo phẳng; Lớp móng; Nền đất

B: bề rộng phần xe chạy; b: dải an toàn gia cố lề; C: Bề rộng lề; Bm: bề rộng móng;

d: Bề rộng thêm lớp móng so với lớp mặt

- Bề rộng lớp móng Bm nên rộng lớp mặt B bên từ 0,3 –

0,5m

- Lớp móng có tác dụng giảm áp lực tải trọng ô tô lên đất, hạn chế nước ngấm qua khe xuống đất, giảm tích lũy biến dạng góc cạnh tấm, đảm bảo độ phẳng cho mặt đường, đảm bảo ô tô máy rải bê tơng chạy lớp móng thời gian thi cơng

- Lớp móng làm bê tơng nghèo, đá gia cố xi măng, cát gia cố xi măng, đất gia cố xi măng vôi Bề dày lớp móng tùy theo tính tốn tối thiểu phải 14cm bê tông nghèo, 15 – 16cm đất, cát đá gia cố 20cm cát hạt to hạt trung

- Lớp tạo phẳng giấy dầu, cát trộn nhựa dày – 3cm cát vàng dày – 5cm Lớp có tác dụng đảm bảo độ phẳng lớp móng, đảm bảo dịch chuyển dễ dàng nhiệt độ thay đổi

- Tấm bê tơng xi măng có khơng có cốt thép Chiều dày xác định thơng qua tính tốn khơng nhỏ trị số quy định (xem bảng 2.1 Tr.43)

- Các bê tông liên kết với khe: khe dọc khe ngang, khe ngang có hai loại: khe dãn khe co Mục đích việc bố trí khe nhằm giảm ứng suất nhiệt nhiệt độ thay đổi Cấu tạo loại khe thể hình vẽ 2.2 2.3

1 2

3

3,

5-3,

75

m

l l

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí khe mặt đường bê tơng xi măng

1 Khe dãn; Khe co; Khe doïc

- Khe dọc thường bố trí theo tim đường song song với tim đường Khoảng cách khe dọc không vượt 4,5m, thường bề rộng xe

- Vật liệu chèn khe đảm bảo tính đàn hồi lâu dài, dính bám chặt với bê tơng, khơng thấm nước, khơng dịn trời lạnh, trời nóng khơng bị chảy

2,5

h/

2

50

Mattit Gỗ đệm Mạc cưa tẩm nhựa Quét nhựa

h/

2

Mattit Quét nhựa 0,8-1,2

h/4

50 Quét nhựa

a

b

c

4

d

a) b)

c) Mattit

Hình 2.3 Các loại khe

a Khe dãn có truyền lực; b Khe co giả; c Khe dọc kiểu ngàm Ghi chú: kích thước a, b, c, d phụ thuộc chiều dày 7.2 Các tham số thiết kế áo đường cứng

7.2.1 Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn: kết cấu áo đường cứng quy định thống thiết kế áo đường mềm tính tốn tải trọng bánh xe nhân thêm với hệ số xung kích bảng 2.1

Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn hệ số xung kích Bảng 2.1 Tải trọng trục tiêu

chuẩn, daN

Tải trọng bánh xe tiêu chuẩn, daN

Hệ số xung kích Tải trọng bánh xe tính tốn, daN 10.000

12.000 9.500

5.000 6.000 4.750

1,2 1,15

1,2

6.000 6.900 5.700 7.2.2 Hệ số chiết giảm cường độ n:

Khi tính toán cường độ kết cấu áo đường cứng, cường độ chịu kéo uốn cho phép bê tông xi măng xác định cường độ chịu uốn giới hạn nhân với hệ số chiết giảm cường độ n quy định tùy thuộc tổ hợp tải trọng tính tốn bảng 2.2

Hệ số chiết giảm cường độ n Bảng 2.2 Tổ hợp tải trọng tính tốn Hệ số chiết giảm

cường độ n

Hệ số an toàn k = 1/n - Tính với tải trọng thiết kế

- Kiểm toán với xe nặng

0,5 0,59-0,63

- Kiểm tốn với xe xích

- Tác dụng đồng thời hoạt tải ứng suất nhiệt

0,65 0,85-0,90

1,54 1,18-1,11

7.2.3 Cường độ bê tông xi măng:

Các tiêu cường độ mô đun đàn hồi bê tông quy định bảng 2.3

Bảng 2.3 Cường độ giới hạn sau 28 ngày, daN/cm2

Các lớp kết cấu

Cường độ chịu kéo uốn Cường độ chịu nén

Mô đun đàn hồi E, daN/cm2 Lớp mặt

50 45 40

400 350 300

35.104

33.104

31,5.104

Lớp móng mặt đường bê

tông nhựa

35 30 25

250 200 170

29.104

26,5.104

23.104

7.3 Tính tốn bề dày BTXM:

7.3.1 Các tượng phá hoại mặt đường BTXM:

Dưới tác dụng tải trọng xe chạy, thay đổi nhiệt độ, mặt đường BTXM gặp hư hỏng sau:

+ Tại vị trí khe nối, mặt đường bị vỡ tác dụng tải trọng xe chạy, nước dễ dàng thấm vào khe hở làm cường độ đất giảm xuống, điều kiện tiếp xúc BTXM đất không tốt

+ Để khắc phục tượng thiết kế chiều dày BTXM chịu tác dụng bánh xe đặt chọn chiều dày nhỏ so với trường hợp bánh xe đặt cạnh

+ Dưới tác dụng thay đổi nhiệt độ, ứng suất BTXM đổi dấu liên tục, chênh lệch nhiệt độ theo mùa theo chu kỳ ngày đêm gây nên tượng mỏi nhiệt độ làm dễ bị phá hoại Như vậy, BTXM xem phá hoại suốt thời kỳ khai thác, sử dụng bị nứt, bị tính tồn khối ban đầu dẫn đến lực chịu tải giảm xuống đến mức cần thiết

7.3.2 Các tiêu chuẩn tính tốn cường độ: 7.3.2.1 Trường hợp BTXM:

[ ]

ku n Rku ku

σ ≤ = σ (7 – 3)

Trong đó: σku – ứng suất kéo uốn tải trọng bánh xe tính tốn gây

n – hệ số chiết giảm cường độ (hệ số dự trữ cường độ)

Khi kiểm toán với tổ hợp tải trọng xe tiêu chuẩn thay đổi nhiệt độ

Điều kiện: σku =σxe+σt ≤n R ku(n=0.85 0.9÷ )

Nếu σxe=0.5Rku⇒σt=(0.35 0.4÷ )Rku

Như vậy, điều kiện khống chế để tính chiều dày BTXM 7.3.2.2 Kiểm tốn lớp móng mặt đường BTXM:

Lớp móng coi đảm bảo mặt cường độ điểm đất không phát sinh biến dạng dẻo

Điều kiện: τa =τam+τab≤k c

Trong đó: τam – ứng suất cắt hoạt động lớn tải trọng bánh xe tính

toán gây đất

τab – ứng suất cắt chủ động trọng lượng thân lớp phía

gồm BTXM, lớp móng lớp đất đến độ sâu cần kiểm tra k – hệ số: k = k’.k1

c – lực dính tính tốn đất

7.4 Tính tốn chiều dày (cường độ) bê-tơng xi-măng đổ chỗ 7.4.1 Ngun lý tính tốn:

Kiểm tốn kết cấu mặt đường BTXM theo lý thuyết đàn hồi Với giả thiết khác làm việc đàn hồi đáy tấm, mơ hình nền Winkler và mơ hình bán khơng gian vơ hạn đàn hồi

7.4.2 Tính tốn theo phương pháp Westergard:

Cơng thức sử dụng để tính chiều dày BTXM mặt đường tstecgat tìm năm 1926 lúc ơng sử dụng mơ hình hệ số K (Winkler) ơng tính ứng suất kéo uốn lớn cho trường hợp tải trọng tác dụng tải trọng điển hình xảy mặt đường BT vị trí tấm, góc cạnh

1 Tải trọng tác dụng tấm: ứng suất kéo uốn lớn sinh mặt đáy vị trí tác dụng tải trọng, tính sau:

4 max ) ( 275 , R K h E g l h p µ σ = +

2 Tải trọng tác dụng cạnh tấm: ứng suất kéo lớn sinh mặt đáy vị trí tác dụng tải trọng tính là:

] 71 , [ ) 54 , ( 529 , 4

max = + −

d (cm): đường kính vịng trịn nội tiếp BT (đường kính trịn, cạnh ngắn hình chữ nhật, hai cạnh cạnh)

Nếu S tính >10 ta gọi thuộc loại mềm tính tốn giống vơ hạn

0,5≤ S ≤ 10 ta nói có độ cứng hữu hạn S < 0,5 tuyệt đối cứng

•Đối với có độ cứng hữu hạn momen uốn hoạt tải gây tính theo cơng thức:

Mtt = P(MA +MB )

P: Tải trọng tính tốn (kG)

A

M ,MB : trị số thiết lập thành bảng tra phụ thuộc trị số S d D ,

baûng 5.1, MA = f(S), MB = f(D/d)

D: đường kính vệt tiếp xúc bánh xe tính tốn (cm) •Đối với tuyệt đối cứng:

Mtt =

4

2 p

d M

M : trị số tra bảng phụ thuộc d

D , baûng 5.2

p: áp lực bánh xe tính tốn, daN/cm2

* Ngồi việc tính momen uốn hoạt tải gây tính lắp ghép cần phải ý tới ảnh hưởng lân cận Momen uốn ảnh hưởng lực cắt Q tính theo chu vi ta sử dụng công thức sau đây:

2 Q d M MQ =− Q

Q

M : trị số tra bảng phụ thuộc S, bảng 5.3

Như ta phải xác định lực cắt Q ảnh hưởng lân cận, Q xác định sau:

1

L

P Q Q=

Q: trị số xác định theo bảng lập sẵn phụ thuộc

1

2L

L1=

1

2 S

d

-Momen uốn tổng cộng tải trọng tính tốn tải trọng lân cận truyền sang tính sau:

M = Mtt + MQ

=> chiều dày lắp ghép: h =

[ ]σ

M

[ ]σ : Cường độ kéo uốn cho phép BT, kG/cm2

Ta không cần phải kiểm tra ứng suất nhiệt lắp ghép có kích thước nhỏ ứng suất nhiệt không nguy hiểm ta cần phải kiểm tra ứng suất BT cẩu để lắp ghép cẩu để vận chuyển xem dầm giản đơn đặt gối tựa chịu tải trọng phân bố trọng lượng thân Lúc momen uốn tính theo cơng thức:

Mcẩu = Kd

l q

q: tải trọng phân bố trọng lượng thân

l F h q = γ

h: chiều dày (cm) F: diện tích (cm2)

γ: dung trọng BT (kg/cm3)

l: chiều dài (cm)

Kd: hệ số động (xung kích) thường lấy Kd= 1,5