KHÓA LUẬN CNTT tốt NGHIỆP (1)

- Trang - CHƯƠNG THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG 1.1 Yêu cầu chung đường Nền đường ô tô công trình thường làm đất có tác dụng: - Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên dải đất đủ rộng dọc theo tuyến đường có tiêu chuẩn bình đồ, trắc dọc, trắc ngang đáp ứng điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận kinh tế - Làm sở cho áo đường, với áo đường chịu tác dụng tải trọng xe cộ thiên nhiên Để đảm bảo yêu cầu nói trên, thiết kế xây dựng đường cần phải đáp ứng yêu cầu sau đây: Nền đường phải đảm bảo ổn định toàn khối, kích thước hình học hình dạng đường không bị phá hoại biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe Các tượng ổn định toàn khối đường thường là: trượt lở mái ta luy đường đào đắp, trượt đường đắp sườn dốc, trượt trồi lún đất đắp đất yếu,… (Hình 1.1) a) c) b) d) Hình 1.1 Các tượng đường ổn định toàn khối a) Trượt ta luy đắp; b) Trượt ta luy đào; c) Trượt đường đắp sườn dốc; d) Trượt trồi đất yếu Nền đường phải đảm bảo có đủ cường độ định, chịu lực cắt trượt tác dụng tải trọng bánh xe Nền đường phải đảm bảo ổn định mặt cường độ, không thay đổi theo thời gian, theo điều kiện khí hậu, thời tiết cách bất lợi Nền đường thường bị phá hoại nguyên nhân sau đây: Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - - Sự phá hoại thiên nhiên mưa làm tích nước hai bên đường, làm giảm cường độ đất đường, gây sạt lở mái dốc ta luy - Do điều kiện địa chất thủy văn chỗ không tốt làm cho đường bị ổn định - Do tác dụng tải trọng xe chạy - Do tác dụng tải trọng thân đường đường đắp cao đào sâu, ta luy thường hay bị sạt lở - Do thi công không đảm bảo chất lượng: đắp không quy cách, loại đất đắp, lu lèn không chặt,… Trong số nguyên nhân nói trên, tác dụng phá hoại nước đường chủ yếu (gồm nước mặt, nước ngầm nước) 1.2 Cấu tạo đường trường hợp thông thường 1.2.1 Cấu tạo đường đắp: đường đắp thường thiết kế theo trắc ngang định hình 1.2 a) Thùng đấu 1:5 2-3% b) Thùng đấu K :1 ,5 c) h1 2-3% 1,5 1: h2 1,7 1: 1:1 ,5 d) 0,5 1: Hình 1.2 Các trắc ngang định hình đường đắp a) Nền đắp 1m; b) đắp từ – 6m; c) Nền đắp từ – 12m; d) Nền đường đầu cầu đắp dọc sông Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - Đối với loại đất đắp thông thường, thường cấu tạo mái dốc ta luy 1:1,5 Khi đường đắp cao, độ dốc ta luy thoải Khi xây dựng đường sườn dốc, tùy theo độ dốc sườn dốc mà có biện pháp xử lý sau: - Khi độ dốc sườn dốc nhỏ 20% cần dãy cỏ đào bỏ lớp đất hữu phía đắp trực tiếp đường sườn dốc - Khi độ dốc sườn dốc từ 20 – 40% phải đánh cấp (bậc) hình 1.3 Nếu thi công thủ công chiều rộng bậc a = 1m; thi công máy chiều rộng bậc a = 3m a 2-3% 20-40% Hình 1.3 Cấu tạo đắp sườn dốc có độ dốc 20 – 40% - Nếu độ dốc sườn dốc lớn 40% đắp đất với mái dốc ta luy 1:1,5 mà phải dùng biện pháp xếp đá khan (Hình 1.4a), tường chắn đất (Hình 1.4b) a) b) Tường chắn Xếp đá khan >40 % Hình 1.4 Cấu tạo biện pháp chống đỡ đường sườn dốc a) Xếp đá; b) Xây tường chắn 1.2.2 Cấu tạo đường đào: Bao gồm đường đào hoàn toàn (Hình 1.5a) đào chữ L (Hình 1.5b) Độ dốc mái dốc ta luy đường đào 1:m định tùy thuộc vào địa chất chiều cao mái dốc ta luy Khi đào qua nhiều lớp đất đá khác độ dốc ta luy khác (Hình 1.6) Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang a) b) 1: m m 1: m 1: Rãnh dọc Rãnh dọc Hình 1.5 Cấu tạo đường đào a) Nền đào hoàn toàn; b) Nền đào chữ L Tầng đất 1:1 1:0,2 Tầng đá gốc Hình 1.6 Cấu tạo đào qua lớp đất khác 1.2.3 Cấu tạo đường nửa đào nửa đắp: thường gặp đường qua vùng sườn dốc nhẹ (dưới 40%) Khi thi công cần tận dụng vận chuyển ngang đất từ nửa đào sang nửa đắp (Hình 1.7) 1:1 1:1 ,5 Hình 1.7 Cấu tạo đường nửa đào nửa đắp 1.3 Tính toán ổn định đường đắp sườn dốc 1.3.1 Trường hợp mặt trượt tương đối phẳng (Hình 1.8): Điều kiện ổn định sườn dốc mặt học xác định: c if  h cos  Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - h c,  f  i Hình 1.8 Sơ đồ tính ổn định mặt trượt tương đối phẳng đó: i – độ dốc sườn dốc f – hệ số ma sát khối trượt mặt trượt dung trọng đất khối trượt trạng thái chứa ẩm lớn nhất, t/m3 h – chiều dày trung bình khối trượt, m c – lực dính khối trượt mặt trượt, t/m2 góc nghiêng mặt trượt so với mặt phẳng nằm ngang 1.3.1 Trường hợp mặt trượt gãy khúc (Hình 1.9): Fi-1 i-1 i li i+1 Fi i Qi li Hình 1.9 Sơ đồ tính ổn định mặt trượt gãy khúc Trình tự tính toán sau: Tại chỗ thay đổi dốc mặt trượt, kẻ đường thẳng đứng phân khối trượt thành đoạn hình vẽ Trên đoạn tính toán trọng lượng thân khối trượt Qi chiều dài mặt trượt tương ứng li Lần lượt tính toán lực gây trượt Fi đoạn khối trượt theo công thức: Fi = Qi(K.sini - cosi.tg) + Fi-1.cos(i - i-1) – c.li đó: i – độ dốc nghiêng mặt trượt đoạn i; c,  - lực dính góc nội ma sát khối trượt, t/m2; K – hệ số ổn định (1,0 – 1,5) Cuối tính lực gây trượt đoạn khối trượt chân dốc Fi+1 Nếu Fi+1  khối trượt ổn định sườn dốc ngược lại Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - 1.4 Tính toán ổn định mái dốc ta luy đường 1.4.1 Bài toán: Xét vách đất thẳng đứng, khối đất bị ổn định trượt theo mặt trượt (Hình 1.10) hi di i Mặt trượt i Qicosi Qi Hình 1.10 Sơ đồ xét ổn định vách đất thẳng đứng Xét điều kiện cân học mảnh đất i mặt trượt nó, ta có: - Lực gây trượt: Ti = Qi.sini - Lực giữ: di N i  Q i cos  i tg  C cos  i đó: Qi – trọng lượng mảnh đất i, Qi = di.hi.1m.  C,  - dung trọng, lực dính góc nội ma sát đất Khi Ti > Ni vách đất ổn định ngược lại Ở trạng thái cân giới hạn, ta có Ti = Ni Tức là: di Q i sin  i  Q i cos  i tg  C cos  i Chia hai veá cho Qi.cosi, ta coù: C h i cos  i Với đất cát có C = 0, muốn ổn định ta luy phải có góc dốc góc nghỉ tự nhiên ( = ), điều hoàn toàn chứng thực thực tế Với đất dính có C  0: điều kiện ổn định học mái dốc phụ thuộc vào chiều cao mái ta luy hi, hi  i  90o, hi   i   Như với đất dính cấu tạo mái ta luy nên có dạng dốc thoải 1.4.2 Kiểm toán ổn định mái đốc ta luy phương pháp phân mảnh cổ điển: tg i  tg  Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - Phương pháp W.Fellenius người Thụy Điển đề xuất từ năm 1926 với giả thiết khối đất ta luy ổn định trượt theo mặt trượt hình trụ tròn Xét toán phẳng hình 1.11, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành mảnh R N i  itg cili Ti Ni i Pi Pi Hình 1.11 Sơ đồ xét ổn định mái dốc ta luy theo phương pháp phân mảnh cổ điển Xét mảnh thứ i chịu tác dụng trọng lượng thân Pi, Pi phân thành hai thành phần: - Lực gây trượt: Ti = Pisini - Lực giữ: Ni.tgi + ci.li So sánh tổng mô men tâm trượt O lực gây trượt Ti mảnh i với tổng mô men cản trở trượt mảnh i, ta biết mức độ ổn định ta luy mặt trượt giả thiết (có tâm O, bán kính R) Hệ số ổn định K xác định theo công thức:  M giữ   ( Pi cos i tg  cili )  tg  Pi cos i  C.L K  M trượt  Pi sin  i  Pi sin  i với L – chiều dài cung trượt khối trượt Trên xác định hệ số ổn định K ứng với mặt trượt chưa mặt trượt mặt trượt nguy hiểm nhất, nghiã mặt trượt có trị số K nhỏ (Kmin) Nguyên tắc tìm Kmin: mái ta luy biết giả thiết thật nhiều mặt trược khác nhau, tương ứng với mặt trượt tính trị số K, từ lấy trị số K nhỏ số trị số K tính để đánh giá mức độ ổn định học ta luy Dựa theo kinh nghiệm để tìm nhanh trị số K ta làm sau (Hình 1.12): Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - Các giá trị   tra bảng 1.1 1:m 1:0,58 1:1 1:1,5  (độ) 29 28 26  (độ) 40 37 35 1:m 1:2 1:3 1:5 Bảng 1.1  (độ) 35 35 31  (độ) 25 25 25 Sau xác định trị số K min, đánh giá mức độ ổn định ta luy theo công thức: Kmin  Kôđ Kôđ – hệ số ổn định (1,0 – 1,5) 4 min 3 4 2 1 3  2 1  Đường quỹ tích tâm trượt  H H   4,5H Hình 1.12 Sơ đồ xác định đường quỹ tích tâm trượt 1.5 Tính toán ổn định đường đắp đất yếu 1.5.1 Khái niệm đất yếu Các loại đất yếu thường có đặc điểm: thường đất loại sét có lẫn hữu cơ; hàm lượng nước cao trọng lượng thể tích nhỏ; độ thấm nước nhỏ; cường độ chống cắt nhỏ khả nén lún lớn Ở Việt Nam thường gặp loại đất sét mềm, bùn than bùn - Đất sét mềm: loại đất sét sét tương đối chặt, bảo hòa nước có cường độ cao so với bùn Đặc điểm quan trọng đất sét mềm Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang - 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 không mịn, thấy tàn dư thực vật 1.5.2 Tính toán ổn định đắp đất yếu Bao gồm tính ổn định tính độ lún 1.5.2.1 Tính ổn định: Nền đường đắp đất yếu thường ổn định hai hình thức: ổn định lún trồi ổn định trượt - Tính toán 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 1.13) h H B Hình 1.13 Sơ đồ phá hoại đường có đáy rộng p lực giới hạn qgh bất lợi đất yếu xác định theo công thức: qgh = (2+)Cu đó: Cu – lực dính không thoát nước Ứng suất đường gây tim đắp là: q = đ.H đó: đ – trọng lượng thể tích đất đường; H – chiều cao đắp Hệ số an toàn: Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 10 - F q gh q  π  2C u γñH + 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 toán đồ hình 1.14 Nc  1 10 B/h 1,49 Hình 1.14 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 tròn 1.5.2.2 Tính độ lún: Độ lún đường đắp đất yếu độ lún toàn đường sau kết thúc lún tác dụng tải trọng, gồm độ lún thân đắp độ lún đất yếu đường Ở tính độ lún đất yếu đắp, bao gồm độ lún tức thời lún cố kết, độ lún cố kết thường có giá trị lớn Khi thiết kế đường đắp đất yếu cần phải biết độ lún tổng cộng để tính xác khối lượng kích thước đường (trong có chiều cao phòng lún), đồng thời cần phải biết tốc độ lún để khống chế thời gian lún cho kết thúc trước xây dựng mặt đường Việc tính toán chi tiết xem sách “Nền đường đắp đất yếu điều kiện Việt Nam” Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 11 - 1.6 Các giải pháp kỹ thuật xây dựng đường đất yếu 1.6.1 Tăng bề rộng đường, làm bệ phản áp: nhằm tăng độ ổn định, giảm khả trồi đất hai bên Bệ phản áp đóng vai trò đối trọng chống lại trồi đất hai bên chân ta luy, có tác dụng phòng lũ, chống sóng, chống thấm nước,…(Hình 1.15) h H L D Bệ phản áp Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo bệ phản áp Kích thước bệ phản áp thường lấy sau: h > 1/3H; L = (2 – 3)D Các yếu tố thể hình vẽ Phương pháp phù hợp vật liệu đắp sẵn có phạm vi đắp không bị hạn chế 1.6.2 Đào bỏ phần toàn đất yếu: Được dùng khi: - Thời hạn đưa đường vào sử dụng ngắn - Khi đặc trưng học đất yếu nhỏ mà việc cải thiện cố kết hiệu 1.6.3 Giảm trọng lượng đắp: Có thể thực hai cách: - Giảm chiều cao đắp đến mức tối thiểu cho phép - Dùng vật liệu nhẹ đắp đường dăm bào, mạc cưa, bê tông xenlulô,… 1.6.4 Làm lớp đệm cát: Thường dùng lớp đệm cát để tăng tốc độ cố kết đất yếu sau đắp đất (Hình 1.16a 1.16b) Lớp đệm cát có tác dụng cải tạo phân bố ứng suất lên đất yếu Thích hợp với điều kiện: - Chiều cao đắp – 9m - Lớp đất yếu không dày Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 12 - - Có sẵn nguồn cát gần 1.6.5 Đắp đất bè: Bè thường làm tre, gỗ bó cành Là phương pháp lâu đời thành công Có ưu điểm thi công đơn giản, trọng lượng nhẹ, tận dụng vật liệu địa phương tre, nứa, cừ tràm,… a) Lớp đệm cát Đất yếu b) Lớp đệm cát Đất yếu Hình 1.16 Làm lớp đệm cát a) Đặt trực tiếp đất yếu b) Sau đào bỏ phần lớp đất yếu 1.6.6 Dùng cọc cát, bấc thấm: Mục đích mao dẫn nước đất yếu đường thấm thẳng đứng, tăng nhanh độ cố kết đất yếu 1.6.7 Dùng vải địa kỹ thuật: Đào bỏ phần đất yếu rải vải địa kỹ thuật, sau đắp đất đường lên lu lèn chặt Vải địa kỹ thuật có tác dụng chống cắt trượt đường đắp Làm tăng ổn định toàn khối cho đường 1.7 Chế độ thủy nhiệt đường 1.7.1 Chế độ thủy nhiệt đường: quy luật thay đổi phân bố độ ẩm điểm khác đất đường theo thời gian Vì quy luật thay đổi độ ẩm chịu ảnh hưởng lớn thay đổi nhiệt độ khả bốc nước vận động nước đất nên gắng liền với quy luật thay đổi nhiệt độ đường thường gọi quy luật chế độ thủy nhiệt đường Chế độ thủy nhiệt đường phụ thuộc nhiều vào quy luật chung thời tiết, khí hậu yếu tố thiên nhiên vùng xây dựng đường Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 13 - Nội dung nghiên cứu chế độ thủy nhiệt đường nhằm xác định quy luật thay đổi phân bố độ ẩm đất đường theo thời gian kết cấu mặt đường khác vùng thiên nhiên khác Nhờ nắm quy luật phân bố độ ẩm thời gian bất lợi nên đề xuất biện pháp thay đổi tình trạng phân bố ngăn chặn nguồn ẩm, tăng cường độ đất đường 1.7.2 Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến đường: Nền đường ô tô chịu ảnh hưởng nguồn ẩm hình 1.17 Mức nước ngầm Hình 1.17 Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến đường Nước mưa; Nước mặt; Nước ngầm; Hơi nước Nước mưa: thấm qua lề đường mặt đường vào khu vực đất đường Nếu mặt đường không thấm nước, lề đường gia cố đủ dốc ảnh hưởng nguồn ẩm giảm nhiều Nước mặt: gồm nước đọng rãnh dọc, nước ngập hai bên thân đường qua vùng đồng lúa, có kênh mương thủy lợi dọc theo hai bên tuyến,… lâu ngày ngấm vào đường làm cho đường bị ẩm ướt làm giảm cường độ Nước ngầm: mao dẫn lên thân đường từ phía dưới, đường vùng đồng bằng, vùng lầy Còn vùng đồi núi ảnh hưởng mao dẫn nước ngầm đường thường không đáng kể Hơi nước: thường di chuyển lỗ rỗng đất theo chiều dòng nhiệt (từ nóng đến lạnh) Sự thay đổi nhiệt độ theo mùa nước ta lớn tạo điều kiện cho nước di chuyển liên tục thân đường làm cho đường bị ẩm ướt 1.8 Tính toán ổn định đường đắp ngập nước Nền đường nước ta thường chịu ảnh hưởng nước phía mao dẫn lên nước ngập hai bên thấm ngang vào (Hình 1.18) Để tính toán phân bố ẩm Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 14 - thân đường thường dùng lời giải phương trình truyền dẫn ẩm chiều có dạng: W  2W  a T x (nếu mao dẫn từ lên tọa độ x thay z) đó: W – độ ẩm đất đường (%) thay đổi theo vị trí (x z) thay đổi theo thời gian T (giờ); a – hệ số truyền dẫn ẩm tính toán, m2/giờ; z x Mức nước ngập H L Mức nước ngầm Hình 1.18 Sơ đồ tính toán phân bố ẩm Điều kiện ban đầu: W(x,z; T=0) = W0 xem đường ban đầu có độ ẩm đồng W0 Điều kiện biên: W(x=0,z=0; T) = Wmax xem vị trí tiếp xúc với nguồn ẩm, đất đạt tới độ chứa ẩm lớn Wmax W x W z x  L ,T 0 z  H ,T 0 Lời giải phương trình với điều kiện có dạng: W x, T   Wmax  W0  Wmax K w  đó:  x aT   z aT  K w  f  ,  , hay K w  f  ,  tra toán đồ L L  H H  (Bài toán mao dẫn từ lên biến số x thay z, thông số kích thước L thay H) Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 15 - 1.9 Phạm vi hoạt động đất đường 1.9.1 Phạm vi hoạt động đất đường Phạm vi hoạt động đất đường khu vực chịu tác dụng tải trọng động (tải trọng xe cộ đường truyền xuống) Phạm vi (hay chiều sâu khu vực tác dụng) xác định chiều sâu za hình 1.19 p za b+z z z b Hình 1.19 Sơ đồ xác định chiều sâu khu vực tác dụng đường Trên hình vẽ, ứng suất điểm đất trọng lượng thân đắp gây nên là: b = .z - dung trọng đất đắp (t/m3); z – chiều sâu tính ứng suất, m Ứng suất thẳng đứng tải trọng động bánh xe P gây phân bố tắt dần theo chiều sâu theo công thức Bussinet: P  z  k z k – hệ số (=0,5) Giả thiết b = nz bỏ qua ảnh hưởng tải trọng động ta xác định chiều sâu za khu vực tác dụng theo quan heä: P k.n.P b = nz  z a  nk  z a  za  Thường giả thiết n = – 10 với tải trọng bánh xe thông thường tính za = 0,9 – 1,3m 1.9.2 Các biện pháp cải thiện chế độ thủy nhiệt đất đường: Đầm nén chặt đất đường: biện pháp tăng cường độ cải thiện chế độ thủy nhiệt đường tương đối đơn giản, phổ biến có hiệu cao Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Bách - Trang 16 - Hiện người ta thường dùng đại lượng dung trọng khô  (g/cm3) đất để đặc trưng cho độ chặt đất đầm nén thông qua hệ số đầm nén: K = /0 Trong  - dung trọng khô đất sau nén chặt thực tế 0 dung trọng khô loại đất nén chặt điều kiện tiêu chuẩn (độ chặt lớn – xác định cối Procto) Biện pháp đắp cao đường: Đắp cao đường mức nước ngầm mức nước đọng thường xuyên biện pháp gần bắt buộc để cải thiện trạng thái phân bố ẩm bất lợi thân đường Chiều cao đắp cần thiết kể từ mức nước ngầm tính toán mức nước đọng thường xuyên đến bề mặt mặt đường xác định theo công thức: Hđắp = zmax + za Trong đó: zmax – chiều cao mao dẫn lớn mức nước ngầm za – chiều sâu khu vực tác dụng đường Biện pháp thoát nước ngăn chặn nguồn ẩm: - Biện pháp thoát nước mặt hệ thống rãnh, cống, cầu,… cần thiết thiếu - Ngăn chặn nước ngập hai bên đường dùng biện pháp đắp lề đường đủ rộng: b  xmax - Chọn thiết kế kết cấu áo đường lề đường hợp lý biện pháp hạn chế tác dụng nguồn ẩm oOo Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô – Phần TS Lê Văn Baùch ... làm giảm cường độ đất đường, gây sạt lở mái dốc ta luy - Do điều kiện địa chất thủy văn chỗ không tốt làm cho đường bị ổn định - Do tác dụng tải trọng xe chạy - Do tác dụng tải trọng thân đường