Bài giảng Thiết kế đường - Phần 3: Thiết kế mặt đường - Th.S Võ Hồng Lâm

Bài giảng Thiết kế đường - Phần 3: Thiết kế mặt đường cung cấp cho người học những kiến thức như: Cấu tạo và nguyên lý tính toán cường độ áo đường; Tính toán cường độ (bề dày) áo đường mềm (theo 22tcn 211-06); Thiết kế áo đường cứng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường PHẦN III THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG -1- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường -2- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG 1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 1.1.1 Những yêu cầu chung áo đường Áo đường cơng trình xây dựng đường nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau, có độ cứng cường độ lớn so với đất đường, 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: Áo đường phải có đủ cường độ chung biểu thị qua khả chống lại biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt, biến dạng co dãn chịu kéo uốn thay đổi nhiệt độ Ngoài ra, cường độ áo đường phải thay đổi theo điều kiện thời tiết, khí hậu, tức phải ổn định mặt cường độ Mặt đường phải đảm bảo đạt độ phẳng định để giảm sức cản lăn, giảm sóc xe chạy Do nâng cao tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiện liệu kéo dài tuổi thọ xe, giảm giá thành vận tải Để đảm bảo độ phẳng thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp ý đến biện pháp kỹ thuật thi công Áo đường phần xe chạy cho ô tô áo lề gia cố có cho xe thơ sơ phải đảm bảo bề mặt đạt độ phẳng yêu cầu thời điểm bắt đầu đưa đường vào khai thác đánh giá số đo độ gồ ghề quốc tế IRI (đo theo dẫn TCVN 8865-2011) Như Bảng 1.1 Bảng 1.1: Yêu cầu độ phẳng tuỳ thuộc tốc độ chạy xe yêu cầu Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h) Chỉ số IRI yêu cầu (m/Km) Đường xây dựng Đường cải tạo, nâng cấp 120 100 £ 2,0 £ 2,2 80 £ 2,0 £ 2,2 60 £ 2,2 £ 2,5 Từ 40 đến 20 (mặt đường nhựa) £ 4,0 £ 5,0 Từ 40 đến 20 (mặt đường cấp thấp) £ 6,0 £ 8,0 Độ phẳng đánh giá thước dài 3m theo tiêu chuẩn TCVN8864-2011 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 Để đảm bảo độ nhám thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp Độ nhám bề mặt kết cấu áo đường bê tông nhựa phải đạt yêu cầu tối thiểu quy định thông qua tiêu chiều sâu rắc cát trung bình tuỳ thuộc tốc độ -3- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường chạy xe yêu cầu mức độ nguy hiểm đoạn đường thiết kế Bảng 1-2 theo quy trình TCVN 8866-2011: Bảng 1.2: Yêu cầu độ nhám mặt đường Áo đường phải có sức chịu bào mịn tốt sản sinh bụi Vì bụi làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa gây nhiễm mơi trường Khơng phải lúc địi hỏi áo đường phải có đủ phẩm chất đáp ứng yêu cầu nói cách tốt nhất, tốn kém, cường độ vận tải cịn thấp Do người thiết kế phải xuất phát từ yêu cầu thực tế, ý nghĩa tầm quan trọng đường, để đưa kết cấu mặt đường thích hợp thỏa mãn mức độ khác yêu cầu nói 1.1.2 Các tầng lớp kết cấu áo đường Kết cấu tầng lớp áo đường phải đáp ứng yêu cầu vận tải sử dụng nói Phân tích trạng thái ứng suất kết cấu áo đường chịu tác dụng tải trọng Khi xe chạy, lực tác dụng lên kết cấu áo đường gồm hai thành phần: -4- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Kết cấu mặt đường - Lực thẳng đứng tải trọng xe chạy, gây trạng thái ứng suất σz kết cấu áo đường: Trên bề mặt σz = p (p áp lực thẳng đứng tải trọng bánh xe nặng truyền xuống qua diện tích vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường) Lực thẳng đứng truyền xuống sâu đất (trong phạm vi tác dụng tải trọng) khiến đất phải tham gia chịu tải - Lực nằm ngang sức kéo, lực hãm, lực ngang (khi xe chạy đường cong) gây trạng thái ứng suất σx kết cấu áo đường Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất kết cấu áo đường theo chiều sâu σx = (0,2-0,3)p xe chạy σx = (0,75-0,85)p hãm xe Lực ngang chủ yếu tác dụng gần mặt áo đường mà không truyền sâu xuống lớp nên gây trạng thái ứng suất lớp lớp kết cấu làm cho vật liệu bị xơ trượt, bào mịn dẫn đến phá hoại Như vậy, mặt chịu lực kết cấu áo đường cần có nhiều tầng lớp có nhiệm vụ khác để đáp ứng yêu cầu chịu lực khác phù hợp với trạng thái ứng suất: Cường độ lớp giảm dần, lớp vật liệu tốt có cường độ cao, có sức chịu bào mịn tốt trên, lớp vật liệu rời rạc có cường độ thấp Hình 1.2 Cấu tạo tầng lớp kết cấu áo đường -5- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Tầng mặt: Tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng lực nằm ngang) tác dụng nhân tố thiên nhiên (mưa, gió, thay đổi nhiệt độ,…) Để chịu tác dụng đó, tầng mặt đòi hỏi phải làm vật liệu có cường độ sức liên kết tốt Tầng mặt phải đủ bền suốt thời kỳ sử dụng, phải phẳng, có đủ độ nhám, chống thấm nước, chống nứt, có khả chịu mài mịn tốt, khơng bụi bong bật 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: Chịu lực thẳng đứng chính, nhiệm vụ truyền phân bố lực thẳng đứng để truyền xuống đất ứng suất giảm đến mức độ đất đường chịu mà không tạo nên biến dạng thẳng đứng biến dạng trượt lớn Vật liệu tầng móng dùng loại rời rạc phải đảm bảo có độ cứng định Có thể bố trí lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất tải trọng bánh xe truyền xuống đường Như tận dụng vật liệu chỗ địa phương để giảm giá thành xây dựng Lớp đáy áo đường: Lớp đáy áo đường có chức sau: – Tạo lòng đường chịu lực đồng nhất, sức chịu tải tốt; – Ngăn chặn ẩm thấm từ xuống đất từ lên móng áo đường; – Tạo "hiệu ứng đe" để bảo đảm chất lượng đầm nén lớp móng phía trên; – Tạo điều kiện cho xe máy lại trình thi công áo đường không gây hư hại đất phía (ngay thời tiết xấu) Lớp đáy móng cấu tạo đất vật liệu thích hợp để đạt yêu cầu sau: – Độ chặt đầm nén cao K = 1,00 ¸1,02 (đầm nén tiêu chuẩn); – Môđun đàn hồi E ³50 MPa (500 daN/cm2) số CBR ≥ 10 (tùy theo loại đất); – Bề dày tối thiểu 30 cm Cần bố trí lớp đáy móng thay cho 30 cm phần đất đường đường cấp I đường cấp II đường cấp III có xe trở lên, thân phần đất đường khơng đạt u cầu nói Nên thiết kế lớp đáy móng đắp cát, đất sét trương nở đường qua vùng mưa nhiều chịu tác động nhiều nguồn ẩm khác -6- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Vật liệu làm lớp đáy móng đất có cấp phối tốt (khơng cát loại), cấp phối thiên nhiên, đất gia cố vôi (xi măng) tỷ lệ thấp Chiều rộng lớp đáy móng nên rộng chiều rộng tầng móng bên 15 cm Móng đất : Cũng phận kết cấu áo đường gọi kết cấu tổng thể mặt đường Kết cấu áo đường hay kết cấu tổng thể mặt đường gồm kết cấu áo đường phần khu vực tác dụng đường Thiết kế tổng thể mặt đường có nghĩa ngồi việc trọng giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường phải trọng đến giải pháp nhằm tăng cường cường độ độ ổn định cường độ khu vực tác dụng đường 1.1.3 Cấu tạo trắc ngang áo đường Trắc ngang áo đường có dạng hình máng hình 1.3 Hình 1.3 Cấu tạo trắc ngang áo đường Hai ví dụ kết cấu áo đường cấp cao hình 1.4 đây: Hình 1.4 Các kết cấu áo đường cấp cao 1.2 PHÂN LOẠI ÁO ĐƯỜNG 1.2.1 Phân loại đặc tính phạm vi sử dụng Tầng mặt áo đường phân thành cấp: cấp cao A1; cấp cao A2 (cấp cao thứ yếu); cấp thấp B1 (cấp độ); cấp thấp B2, cấp lại bao gồm số loại tầng mặt làm loại vật liệu khác theo nguyên lý cấu trúc khác bảng 1.3 -7- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Áo đường cấp cao A1 loại đáp ứng yêu cầu không phát sinh biến dạng dư tác dụng tải trọng xe chạy, tức loại áo đường cho phép làm việc hoàn toàn giai đoạn đàn hồi, bảo đảm trì chất lượng khai thác cao, xe chạy an toàn với tốc độ cao, kéo dài thời hạn kỳ sửa chữa tầng mặt Bảng 1.3 Loại tầng mặt áo đường đặc tính phạm vi sử dụng 1.2.2 Phân loại vật liệu cấu trúc vật liệu 1) 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: - Theo nguyên lý đá chèn đá: mặt đường đá dăm nước (hay đá dăm macadam) cấu trúc đá dăm có kích cỡ đồng đều, hình dạng sần sùi sắc cạnh có cường độ tương đối cao Thơng qua q trình vừa lu lèn (khi lu có tưới nước để đá dễ chặt khỏi vỡ) vừa chèn thêm cỡ đá dăm kích thước nhỏ so với đá bản, cường độ lớp áo đường hình thành sở ma sát, chèn móc hịn đá với Ưu điểm: cơng nghệ thi cơng đơn giản Nhược điểm: địi hỏi q cao hình dạng, kích cỡ cường độ đá, tốn công lu lèn, sức chịu bong bật nên thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp thấp làm lớp móng cho đường cấp cao - Theo nguyên lý cấp phối: mặt đường cấp phối cấu trúc hỗn hợp đá, sỏi, cuội, cát, đất từ cỡ lớn đến cỡ nhỏ trộn với theo tỷ lệ định để đảm bảo sau lu lèn hỗn hợp có độ rỗng nhỏ, tức đạt độ chặt lớn Cường độ hình thành lực dính lực ma sát hạt tăng lên Yêu cầu khống chế tỷ lệ phối hợp thành phần hạt số dẻo (thông qua hàm lượng hạt nhỏ – đất dính) Nếu hàm lượng sét nhiều làm cho mặt đường ổn định với nước, không đủ dính kết -8- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Ưu điểm: tạo thuận lợi cho việc sử dụng vật liệu địa phương, cường độ hạt khơng địi hỏi q cao, tốn cơng lu lèn Nhược điểm: ổn định nước, mùa mưa lầy lội, mùa khơ nhiều bụi 2) 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 Cơ (xi măng, vơi,…): nhờ có chất kết dính nên cường độ tính ổn định nước loại mặt đường tăng lên rõ rệt Điển hình cho loại mặt đường lớp: đất đá có gia cố vơi, xi măng,… thường dùng làm lớp móng cho đường cấp cao Áo đường bê tông xi măng thuộc loại cấu trúc đặc biệt tốt thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp cao, chịu bào mòn bề mặt, khả chịu kéo uốn lớn 3) 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): tùy theo phương pháp thi cơng, ta có: * Theo phương pháp tưới: - Mặt đường thấm nhập nhựa: tưới nhựa vào lớp đá rải sẵn chèn lu lèn, tùy theo chiều sâu nhựa thấm nhập mà ta có: thấm nhập nhẹ, bán thấm nhập thấm nhập sâu - Mặt đường láng nhựa: tưới nhựa lên tầng mặt hình thành rải sỏi sạn đá dăm nhỏ lu cho đá sỏi chìm vào nhựa * Thi cơng theo phương pháp trộn có loại: đất gia cố nhựa; đá dăm đen (đá có kích cỡ đồng trộn với nhựa rải chèn đá trộn nhựa); hỗn hợp đá trộn nhựa (cấp phối đá trộn nhựa lu lèn chặt) bê tông nhựa (bao gồm đá, cát, bột khoáng 4-12% nhựa đem trộn với theo nguyên lý cấp phối tốt lu lèn chặt) 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 độ cứng lớn, cường độ chống biến dạng (mô đun đàn hồi mô đun biến dạng) cao hẳn so với đất đặc biệt có khả chịu kéo uốn lớn, làm việc theo nguyên lý đàn hồi phân bố áp lực tải trọng bánh xe xuống đất diện tích rộng làm cho đất phía phải tham gia chịu tải - Áo đường mềm: kết cấu với tầng lớp có khả chịu uốn nhỏ (hoặc khơng có khả chịu uốn), tác dụng tải trọng bánh xe chúng chịu nén chịu cắt trượt chủ yếu Cường độ khả chống biến dạng thay đổi phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ độ ẩm Trong kết cấu áo đường mềm đất tham gia chịu tải với mặt đường mức độ đáng kể Kết cấu 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 -9- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường liệu khác đặt trực tiếp khu vực tác dụng đường lớp đáy móng 1.3 NỘI DUNG VÀ NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 1.3.1 Trình tự thiết kế áo đường: Đề xuất phương án cấu tạo kết cấu áo đường, phương án có tầng mặt, tầng móng, số lớp vật liệu khác nhau, cấu trúc công nghệ thi công khác nhau, phương án đầu tư lần hay phân kỳ đầu tư, Ngoài đề xuất phương án kết cấu áo đường cần phải trọng đến yêu cầu bảo vệ môi trường, yêu cầu bảo đảm an tồn giao thơng u cầu bảo vệ sức khoẻ, bảo đảm an toàn cho người thi cơng, Nội dung cơng việc thiết kế cấu tạo phương án kết cấu áo đường Tính tốn kiểm tra cường độ chung cường độ lớp kết cấu áo đường xác định bề dày lớp kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn giới hạn cho phép Tính toán luận chứng kinh tế – kỹ thuật, so sánh phương án để lựa chọn phương án kết cấu áo đường tối ưu thỏa mãn yêu cầu kết cấu áo đường, yêu cầu tận dụng vật liệu địa phương, phù hợp với công nghệ thi công khả tu bảo dưỡng, Tính tốn, thiết kế tỷ lệ phối hợp thành phần hạt tỷ lệ phối hợp vật liệu hạt khoáng với chất liên kết cho loại vật liệu sử dụng kiểm nghiệm đặc trưng học vật liệu để đưa yêu cầu cụ thể vật liệu sử dụng cho lớp kết cấu phương án chọn 1.3.2 Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường: Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường chọn bố trí hợp lý lớp vật liệu phù hợp với chức yêu cầu tầng, lớp áo đường, chọn giải pháp tăng cường cường độ ổn định cường độ khu vực tác dụng (bao gồm giải pháp thoát nước cần, cho lớp kết cấu áo đường) Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường mềm: Chọn loại tầng mặt áo đường: Từ ý nghĩa, cấp hạng kỹ thuật đường, lưu lượng xe chạy tốc độ xe chạy thiết kế, đồng thời có xét đến điều kiện khí hậu, khả cung cấp vật liệu, khả công nghệ thi công, khả tu bảo dưỡng, mà chọn loại tầng mặt thích hợp Trên tầng mặt áo đường, tùy theo cấp hạng đường, bố trí lớp tạo nhám, hao mịn, tạo phẳng thích hợp Chọn loại tầng mặt áo đường bảng 1.3 Chọn loại tầng móng: Gồm nhiều lớp chọn tùy theo điều kiện đường, địa chất, thủy văn tình hình vật liệu địa phương sẵn có Nên bố trí lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất tải trọng xe chạy nhằm sử dụng hợp lý khả làm -10- ... tiếp lớp -1 1- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Bảng 1.4 Chọn loại tầng móng -1 2- Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Về mô đun đàn hồi tầng lớp: Trừ trường hợp bố trí kết cấu ngược mặt đường. . .Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường -2 - Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ NGUN LÝ TÍNH TỐN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG 1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU... ứng suất kết cấu áo đường chịu tác dụng tải trọng Khi xe chạy, lực tác dụng lên kết cấu áo đường gồm hai thành phần: -4 - Th.S Võ Hồng Lâm Thiết Kế Mặt Đường Kết cấu mặt đường - Lực thẳng đứng tải