2.5. KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG
2.5.2.1. Kiểm tra đất nền
Thực hiện tương tự phần trên, ta thống kê kết quả ở bảng sau:
Bảng 2-16. Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)
Lớp KC Cấp phối thiên nhiên loại A CPĐDL Ⅰ BTNC 19 BTNC 12,5
Với H/D = 65/33 = 1,970 nên trị số của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều
chỉnh β = f ( ) . Tra bảng 3-6 [1] được β = 1,209. Vậy: = . = 1,209.231,05 = 279,33 Điều kiện kiểm tra: + ax av Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất Tax = 1,970 và Tra toán đồ 3-2 [1]:
Ta được Tax/p = 0,0123 với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P = 100 kN nên
theo bảng 3-1 [1] ta có áp lực tính toán trên mặt đường p = 0,6 MPa
Tax = 0,0123.0,6 = 0,0074 MPa
Xác định ứng suất cắt do trọng lượng bản
thân Tav H = 65 cm, φ = 24˚ tra toán đồ 3-4 [5]:
Ta được Tav = -0,0014 MPa
= Tax + Tav = 0,0074 + (-0,0014) = 0,0060 MPa
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG
Ctt = C.K1.K2.K3
Trong đó:
- C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính C = 0,032
(MPa)
- K1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng
của tải trọng trùng phục (K1= 0,6,)
- Hệ số xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, với lưu lượng tính toán trên một làn(Ntt=226 trục/làn.ngày đêm) >100 xe K2= 0,8 (tra bảng 3-8[3]),
- Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K3=1,5 do
đất là á cát.
Ctt = 0,032.0,6.0,8.1,5 = 0,023
- Độ tin cậy thiết kế =0,85; tra bảng 3-7[3], ta được hệ số cường độ về cắt trượt:
= 0,90
Như vậy: Tax + Tav = 0,0060 (MPa) < =0,0230,90 = 0,026 (MPa)
Vậy đất nền đảm bảo điền kiện cân bằng trượt 2.5.2.2. Kiểm tra lớp 4 : cấp phối thiên nhiên loại A
Tính đổi các lớp bên trên về một lớp được thề hiện ở bảng sau :
Bảng 2-17. Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)
Lớp KC
CPĐDL Ⅰ
BTNC 19 BTNC 12,5
Với H/D = 24/33 = 0,727 nên trị số của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều chỉnh β = f ( ) . Tra bảng 3-6 [1] được β = 1,066.
Vậy modun đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán:
= . = 1,066 × 291,22 = 310,44
Ta có: 1 = = 291,220 42 1= 291,22= 0,21
41
=33 = 1,242
Tra toán đồ Hình 3-1, với 2 tỷ số trên ta xác định được: ℎ = 0,550
1
Modun đàn hồi chung của kết cấu: ℎ = 0,550 × 200 = 110
Sử dụng toán đồ 3-2, với các tỷ số sau:
18
= 400
Tra được: = 0,0547 với p=0,6 Mpa
Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tính toán gây ra:
= 0,6 × 0,0547 = 0,0328
Sử dụng toán đồ hình 3-4, với các thông số sau:
= 24 và = 400
Tra được ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp kết cấu gây ra: Tav= -0.0017 (MPa)
Lực dính tính toán: Ctt = C.K1.K2.K3
Trong đó:
- C = 0.05 (MPa)
- K1 = 0.6 Kết cấu áo đường
- Ntt = 226 (trục/làn.ngày đêm)
- K2 = 0.8 (tra bảng 3-8) Đất nền là:
Do đó: Vậy: Ctt
Độ tin cậy thiết kế
Tra bảng 3-7, ta được hệ số cường độ về cắt trượt: Kcđtr
= 0.90
Kiểm tra điều kiện về cắt trượt:
Tax + Tav = 0.0328 + (-0.0017) =
Ctt/Kcđtr = 0.036 / 0.90 = 0.0400 (MPa) Tax + Tav = 0.0311 < Ctt/Kcđtr
0.0311 (MPa) = 0.0400
Vậy lớp cấp phối thiên nhiên loại A đảm bảo điều kiện cân bằng trượt
2.5.3. Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các vật liệu liền khối
Điều kiện kiểm tra:
≤ (2-11)
Trong đó:
- : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe
- : cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối
19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG
- : hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết kế giống như với trị số
Tính toán ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp bê tông nhựa:
2.5.3.1. Kiểm tra lớp 1 : BTNC 12,5
Xác định ℎ. ở trên mặt lớp BTNC 19
Tính đổi các lớp về một lớp thể hiện ở bảng sau : S
T Lớp vật liệu (từ trên xuống) T
1 BTN chặt 19
2 Cấp phối đá dăm loại I 3 Cấp phối thiên nhiên loại A
Ta có H/D=61/33=1,848 Tra bảng 3-6[3], ta được hệ số điều chỉnh = 1,203
Từ bảng kết quả tính quy đổi trên, ta có :
′ = 284,10 ( )
Module đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán :
= . ′ = 1,203 × 284,10 = 341,77 1 = 0 42 1= 341,77= 0,123 61 =33 = 1,848
Tra toán đồ Hình 3-1[3], với hai tỷ số trên ta xác định được :
ℎ= 0,537
1
Module đàn hồi chung của kết cấu :
ℎ = 0,537. 1 = 0,537 × 341,77 = 183,53
Tra toán đồ Hình 3-5[3] với các thông số sau :
1 = = 1600( )
1 = 1600 = 8,718
ℎ. 183,53
ℎ 4
=33 = 0,121
Tra được ứng suất kéo uốn đơn vị : [ ] = 2,174
Tải trọng tác dụng là : Cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn) Do đó : = 0,85
Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp BTNC loại I (đá dăm≥35%)
20
Theo trên ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong suốt thời gian thiết kế (15 năm) :
= 0,85. 106 ( ụ )
Với vật liệu kiểm tra là BTNC 12,5, vậy hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục 1:
11,11
1 = 0,22= 0,551
Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết. Với vật liệu BTNC loại I, ta có2 = 1
Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp BTNC 12,5 :
= 1. 2. =0,551×1×2=1,102
Độ tin cậy thiết kế 0,85, tra bảng 3-7[3] hệ số cường độ về chịu kéo uốn : Do đó :
So sánh :
= 1,109 < = 1,225 Vậy kết cấu đảm bảo tiêu chuẩn chịu kéo uốn
2.5.3.2. Kiểm tra lớp 2 : BTNC 19
Xác định ℎ. ở trên mặt lớp Cấp phối đá dăm loại I :
Tính đổi các lớp về một lớp thể hiện ở bảng sau : S
T Lớp vật liệu (từ trên xuống) T
1 Cấp phối đá dăm loại I 2 Cấp phối thiên nhiên loại A
Ta có H/D=56/33=1,697 Tra bảng 3-6[3], ta được hệ số điều chỉnh = 1,194
Từ bảng kết quả tính quy đổi trên, ta có :
′ = 224,17 ( )
Module đàn hồi trung bình điều chỉnh dùng để tính toán :
= . ′ = 1,194 × 224,17 = 267,66 1 = 0 42 1= 267,66= 0,157 21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG
56
=33 = 1,697
Tra toán đồ Hình 3-1[3], với hai tỷ số trên ta xác định được :
ℎ= 0,577
1
Module đàn hồi chung của kết cấu :
ℎ = 0,577. 1 = 0,577 × 267,66 = 154,44
Tra toán đồ Hình 3-5[3] với các thông số sau :
1 = = 1600 ( )
1 = 1600 = 10 ,360
ℎ. 154,44
ℎ 9
=33 = 0,273
Tra được ứng suất kéo uốn đơn vị : [ ] = 2,154
Tải trọng tác dụng là : Cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn) Do đó : = 0,85
Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp BTNC loại I (đá dăm= [ ]. . ≥= 2,154 × 0,6 × 0,85 = 1,09935%)
Theo trên ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong suốt thời gian thiết kế (15 năm) :
= 0,85. 106 ( ụ )
Với vật liệu kiểm tra là BTNC 12,5, vậy hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục 1:
11,11
1 = 0,22= 0,551
Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết. Với vật liệu BTNC loại I, ta có2 = 1
Cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp BTNC 12,5 :
= 1. 2. = 0,551 × 1 × 2,8 = 1,543
Độ tin cậy thiết kế 0,85, tra bảng 3-7[3] hệ số cường độ về chịu kéo uốn : Do đó :
So sánh :
= 1,099 < = 1,714 Vậy kết cấu đảm bảo tiêu chuẩn chịu kéo uốn
2.5.4. Kết luận
Vậy kết cấu áo đường thoản mãn 3 điều kiện kiểm toán về cường độ.
22
2.6. PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KÌ
Hiện nay do nguồn vốn đầu tư cho các ngành xây dựng cơ bản còn hạn hẹp nên việc tập trung vốn một lúc là rất khó khăn. Để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu và khắc phục được hạn chế trên, ta có thể xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giai đọan. Việc đầu tư xây dựng phân kỳ theo từng giai đoạn sẽ đáp ứng được cường độ xe chạy trên tuyến tăng dần theo thời gian và khả năng thông xe cũng như Eyc của kết cấu áo đường trong thời kỳ sử dụng. Dựa vào lưu lượng xe chạy vào các năm tương lai và thời gian trung tu, đại tu của các loại tầng mặt áo đường, ta đề xuất phân kỳ như sau : 5 năm đầu là mặt đương cấp cao A2 (giai đoạn 1) và 10 năm sau tăng cường lên mặt đường cấp cao A1 (giai đoạn 2).
Xác định lưu lượng xe tính toán trong 5 năm đầu:
Với thành phần dòng xe Bảng 2-18. Thành phần dòng xe Thành phần dòng xe Xe con Xe tải nhẹ Xe tải trung Xe tải nặng
Bảng 2-19. Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng
Loại xe
Tải nhẹ Tải trung
Tải nặng
Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN :
Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo công thức 3.1[3] :
1 2
Trong đó :
23
- N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ ngày đêm) ;
- ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất). Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy ;
- C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức 3-2[3]
1 =1+1,2( −1)
Với m là số trục của cụm trục i (cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi m=1,2,3)
- C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh : với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì C2=6,4 ; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì C2=1 ; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2=0,38.
- C2=6,4 cho các trục trước và trục sau cho mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C2=1 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi) Các xe tính toán có trục trước có 1 bánh, trục sau là cụm bánh đôi.
Bảng 2-20. Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN
Loại xe
Tải nhẹ
Tải trung
Tải nặng
Kết quả tính được N=229 (trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm)
Ghi chú : * Vì tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy đổi (xem mục 3.2.3 [3])
Số trục xe tính toán trên một làn xe :
Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên làn xe chịu
đựng lớn nhất vào thời kỳ bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết kế quy định tại mục 1.2.3 [3] tùy thuộc loại tầng mặt dự kiến lựa chọn cho kết cấu áo đường.
Xác định Ntt theo biểu thức (3-3)[3] :
24
= . 1 (trục/làn.ngày đêm)
Trong đó :
Ntk : là tổng số trục xe quy đổi từ các loại xe trục khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở cuối năm cuối của thời hạn thiết kế.
fl : là hệ số phân phối trục xe tính toán trên mỗi làn xe. Với đường cấp Ⅳ, trên phần xe chạy có 2 làn, không có dải phân cách thì lấy fl=0,55
= 5 = 229 (trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm)
Vậy = . , = (trục/làn/ngày đêm)
Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (5 năm đầu):
Tỷ lệ tăng xe hàng năm là q=6% ta tính Ne theo biểu thức (A-3)[3] :
=
5−1
Tìm Eyc:
Trị số modun đàn hồi yêu cầu được xác định theo Bảng 3-4[3] và Bảng 3-
5[3], tùy thuộc vào Ntt và phụ thuộc vào loại tầng mặt của kết cấu áo đường.
= max{ , } (Mpa)
Trong đó:
- : mô đun đàn hồi tối thiểu (theo Bảng 3-5[3])
- : mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng xe tính toán (theo Bảng 3-
4[3])
Với lưu lượng tính toán5 = 126 (trục/ngày đêm/làn). Theo yêu cầu trên, ta nội suy ra được = 125,25 (Mpa)
Với hệ số tin cậy thiết kế=0,85, ta có = 1,06 Do đó, × = 1,06 × 125,25 =
138,86
Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo áo đường, dự
tính biện pháp tăng cường bề dày, thay đổi kết cấu để nâng cấp áo đường để
phù hợp với lưu lượng xe chạy tăng dần theo thời gian.
2.6.1. Phương án đầu tư phân kỳ:
Ởcác phương án đầu tư phân kỳ , ta chấp nhận tăng kết cấu áo đường
của 5 năm đầu tiên ( A2 ) lên vì các lí do sau :
Sự chênh lệch giữa trị số mô đun đàn hồi của phương án đầu tư 1 lần và
phương án đầu tư phân kì là tương đối lớn .
Nếu giai đoạn 5 năm đầu tiên, sử dụng kết cấu áo đường có trị số mô đun đàn hồi Ech đạt yêu cầu nhưng chỉ lớn hơn trị số (Kdv.Eyc) khoảng 2-3% thì ở giai đoạn
10 năm sau, chiều dày của các lớp mặt bê tông nhựa là rất lớn . Điều này sẽ dẫn đến rất khó
25
thi công và giá thành sẽ tăng lên rất cao ( bởi vật liệu bê tông nhựa là loại vật liệu rất đắt tiền ).
Với phương án đầu tư phân kỳ, ta giữ nguyên 2 lớp móng của phương án đầu tư tập trung.
2.6.1.1. Kết cấu 5 năm đầu (với = )
Lớp láng nhựa nóng hai lớp , ℎ1 = 2
Lớp cấp phối đá dăm loại I , ℎ2 = 15
Lớp cấp phối thiên nhiên loại A , ℎ3 = 41
Đất nền Á sét
Bảng 2-21. Lớp áo đường mặt đường cấp cao A2 cho đầu tư phân kỳ giai đoạn 1 (5 năm đầu) hi 2 15 41 ∞
2.6.1.2. Kết cấu 10 năm sau (với=)
Kết cấu cho 10 năm sau được nâng cấp từ mặt đường cấp cao thứ yếu A2 lên mặt đường cấp cao chủ yếu A1, do đó ta chọn vật liệu là bê tông nhựa làm lớp mặt cho kết cấu 10 năm sau.Còn lớp móng là kết cấu áo đường cũ.
Kết cấu của 10 năm sau như sau :
Lớp 1 : h1 = 4 (cm) : BTNC 12,5
Lớp 2 : h2 = 6 (cm) : BTNC 19
Kết cấu áo đường cũ.
2.6.2. Kiểm toán phương án đầu tư phân kỳ 5 năm đầu
2.6.2.1. Kiểm tra cường độ trung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép
Theo kết quả tính toán được ở trên, ta có modun đàn hồi yêu cầu là : = 125,25
(Mpa)
Để kiểm tra tính ổn định của kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn, điều kiện kiểm tra là:
≥ .
ℎ
Chuyển hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp bằng cách đổi nhiều lớp kết cấu áo
đường lần lượt hai lớp một từ dưới lên theo công thức:
Trong đó: k = Lớp KC Cấp phối thiên nhiên loại A CPĐDL Ⅰ Láng nhựa 2 lớp
Với H/D = 56/33 = 1,697 nên trị số của kết cấu được nhân thêm một hệ số điều
chỉnh β = f ( ) . Tra bảng 3-6 [1] được β = 1,194.
Vậy:
= . = 1,194.224,18 = 267,67
Dùng toán đồ Kogan xác định mô đun đàn hồi chung của đường với :
H { 0 tb ⇒ Ech = 0,577.267,67=154,44(MPa) Với hệ số tin cậy thiết kế=0,85, ta có = 1,06 .Eyc = 1,06.125,25 = 133 (MPa) So sánh: