CH-ơng 3 Tớnh toỏn c-ờng độ và bề dày kết cấu ỏo đ-ờng
3.3 Số trục xe tính toỏn trờn một làn xe và trờn kết cấu ỏo lề có gia cố
3.3.1. Định nghĩa
Số trục xe tớnh toỏn Ntt là tổng số trục xe đà đ-ợc quy đổi về trục xe tớnh toỏn tiờu chn (hc trơc xe nỈng nhất tớnh toỏn nờu ở mục 3.2.2) sẽ thụng qua mặt cắt ngang đoạn đ-ờng thiết kế trong một ngày đờm trờn 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 tuỳ thuộc loại tầng mặt dự kiến lựa chọn cho kết cấu ỏo đ-ờng.
Xỏc định Ntt theo biểu thức (3-3):
Ntt = Ntk . fl (trục/làn.ngày đờm); (3-3) trong đó:
Ntk: là tỉng số trơc xe quy đổi từ k loại trục xe khỏc nhau về trục xe tính tốn trong một ngày đờm trờn cả 2 chiều xe chạy ở năm ci cđa thời hạn thiết kế. Trị số Ntk đ-ợc xỏc định theo biểu thức (3-1) nh-ng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều đ-ợc lấy số liệu ở năm cuối của thời hạn thiết kế và đ-ợc lấy bằng số trục i trung bỡnh ngày đờm trong khoảng thời gian mựa m-a hoặc trung bỡnh ngày đờm trong cả năm (nếu ni trung bỡnh cả năm lớn hơn ni trung bình trong mùa m-a) ;
fl: là hệ số phõn phối số trục xe tớnh toỏn trờn mỗi làn xe đ-ợc xỏc định nh- ở mục 3.3.2 và 3.3.3.
3.3.2. Hệ số fl của cỏc làn xe trờn phần xe chạy:
1. Trờn phần xe chạy chỉ cú 1 làn xe thỡ lấy fl = 1,0;
2. Trờn phần xe chạy cú 2 làn xe hoặc 3 làn nh-ng khụng cú dải phõn cỏch thỡ lấy fl =0,55;
3. Trờn phần xe chạy cú 4 làn xe và cú dải phõn cỏch giữa thỡ lấy fl =0,35; 4. Trờn phần xe chạy cú 6 làn xe trở lờn và cú dải phõn cỏch giữa thỡ lấy fl=0,3; 5. ở cỏc chỗ nỳt giao nhau và chỗ vào nỳt, kết cấu ỏo đ-ờng trong phạm vi chuyển làn phải đ-ợc tớnh với hệ số fl = 0,5 cđa tỉng số trơc xe quy đỉi sẽ qua nút.
3.3.3. Số trục xe tớnh toỏn trờn kết cấu lề có gia cố:
Số trục xe tớnh toỏn Ntt để thiết kế kết cấu ỏo lề gia cố trong tr-ờng hợp giữa phần xe chạy chớnh và lề khụng cú dải phõn cỏch bờn đ-ợc lấy bằng 35 50% số trục xe tính toỏn của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trớ phần xe chạy chớnh.
Tr-ờng hợp phần xe chạy chỉ cú 2 làn xe trở xuống thỡ nờn lấy trị số lớn trong phạm vi quy định nờu trờn; cũn tr-ờng hợp phần xe chạy cú 4 làn xe trở lờn và cú dải phõn cỏch giữa thỡ lấy trị số nhỏ.
3.4 Tớnh toỏn c-ờng độ kết cấu nền ỏo đ-ờng và kết cấu ỏo lề có gia cố theo tiêu chuẩn độ vừng đàn hồi cho phộp
3.4.1. Điều kiện tớnh toỏn
Theo tiờu chuẩn này kết cấu đ-ợc xem là đủ c-ờng độ khi trị số mụ đun đàn hồi chung cđa cả kết cấu nền ỏo đ-ờng (hoặc của kết cấu ỏo lề cú gia cố) Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu Eyc nhõn thờm với một hệ số dự trữ c-ờng độ về độ võng Kdv
cd đ-ợc xỏc định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn Ech Kdv
cd . Eyc ; (3.4) 3.4.2. Xỏc định hệ số c-ờng độ và chọn độ tin cậy mong muốn
1. HƯ số c-ờng độ vỊ độ võng Kdv
cd trong (3.4) đ-ợc chọn tuỳ thuộc vào độ tin cậy thiết kế nh- ở Bảng 3-2.
Bảng 3-2: Xỏc định hƯ số c-ờng độ vỊ độ võng phơ thc độ tin cậy
Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80
HƯ số c-ờng độ Kdv
cd 1,29 1,17 1,10 1,06 1,02 2. Có thĨ chọn độ tin cậy thiết kế đối với cỏc loại đ-ờng và cấp hạng đ-ờng nh- ở Bảng 3-3 theo nguyờn tắc đ-ờng có tốc độ thiết kế càng cao, thời hạn thiết kế càng dài thỡ chọn độ tin cậy càng cao nh-ng khụng đ-ợc nhỏ hơn trị số nhỏ nhất ở Bảng 3-3. Ngoài ra, chủ đầu t- cú thể căn cứ vào yờu cầu sử dụng để tự lựa chọn độ tin cậy muốn có cho cụng trỡnh.
Bảng 3-3 : Lựa chọn độ tin cậy thiết kế tuỳ theo loại và cấp hạng đ-ờng
(ỏp dụng cho cả kết cấu ỏo đ-ờng và kết cấu ỏo cú lề gia cố)
Loại, cấp hạng đ-ờng Độ tin cậy thiết kế
1. Đ-ờng cao tốc 0,90 , 0,95 , 0,98 2. Đ-ờng ụ tụ - Cấp I, II - Cấp III, cấp IV - Cấp V, VI 0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95 0,80 , 0,85 , 0,90 3. Đ-ờng đụ thị - Cao tốc và trục chớnh đụ thị - Cỏc đ-ờng đụ thị khỏc 0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95 4. Đ-ờng chuyờn dụng 0,80 , 0,85 , 0,90
3. Cỏc đoạn đ-ờng nờu ở điểm 4 Khoản 1.4 khi thiết kế kết cấu ỏo đ-ờng cần chọn độ tin cậy cao hơn so với cỏc đoạn thụng th-ờng ớt nhất là 1 cấp.
3.4.3. Xỏc định trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu Eyc
1. Trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu đ-ợc xỏc định theo Bảng 3-4 tuỳ thuộc số trơc xe tính tốn Ntt xỏc định theo biểu thức (3.4) và tuỳ thuộc loại tầng mặt của kết cấu áo đ-ờng thiết kế. Số trơc xe tính tốn đối với ỏo lề cú gia cố phải tuõn theo quy định ở mục 3.3.3
Bảng 3.4: Trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu
Trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu Eyc (MPa), t-ơng ứng với số trơc xe tớnh toỏn (xe/ngày đờm/làn) Loại tải trọng trơc tiêu chn Loại tầng mỈt 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 7000 Cấp cao A1 133 147 160 178 192 207 224 235 Cấp cao A2 91 110 122 135 153 10 Cấp thấp B1 64 82 94 Cấp cao A1 127 146 161 173 190 204 218 235 253 Cấp cao A2 90 103 120 133 146 163 12 Cấp thấp B1 79 98 111
2. Trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu xỏc định đ-ợc theo Bảng 3-4 khụng đ-ợc nhỏ hơn trị số tối thiểu quy định ở Bảng 3-5.
Chỳ ý: Khụng đ-ợc phộp dựng trị số tối thiểu của mụ đun đàn hồi yờu cầu ở Bảng 3-5
nh- một căn cứ đề xuất nhiệm vụ thiết kế kết cấu ỏo đ-ờng (kể cả trong giai đoạn thiết kế cơ sở phơc vơ cho việc lập dự ỏn khả thi) để trỏnh việc điều tra dự bỏo l-ợng giao thụng theo mục 1.5.2. Trong mọi tr-ờng hợp tr-ớc hết đều phải tiến hành điều tra dự bỏo l-ợng giao thụng để từ đú xỏc định ra trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu tuỳ theo số
trục xe tính toỏn nh- ở Bảng 3-4 rồi sau đú mới so sỏnh với trị số ở Bảng 3-5 và chọn trị số lớn hơn làm trị số Eyc thiết kế.
Bảng 3-5: Trị số tối thiểu của mụ đun đàn hồi yờu cầu (MPa) Loại tầng mặt của kết cấu ỏo đ-ờng
thiết kế Loại đ-ờng và cấp đ-ờng Cấp cao A1 Cấp cao A2 Cấp thấp B1 1. Đ-ờng ụ tụ - Đ-ờng cao tốc và cấp I - Đ-ờng cấp II - Đ-ờng cấp III - Đ-ờng cấp IV - Đ-ờng cấp V - Đ-ờng cấp VI 180 (160) 160 (140) 140 (120) 130 (110) 120 (95) 100 (80) 80 (65) 75 Không quy định 2. Đ-ờng đụ thị - Đ-ờng cao tốc và trục chính - Đ-ờng chính khu vực - Đ-ờng phố - Đ-ờng cụng nghiệp và kho tàng - Đ-ờng xe đạp, ngõ 190 155 120 155 100 130 95 130 75 70 100 50 Ghi chú Bảng 3-5:
- Cỏc trị số trong ngoặc là mụ đun đàn hồi yờu cầu tối thiểu đối với kết cấu lỊ gia cố.
3.4.4. Các tr-ờng hợp tớnh toỏn, ph-ơng phỏp tớnh toỏn và cỏch xỏc định Ech Sau khi xỏc định trị số mụ đun đàn hồi yờu cầu sẽ cú thể cú 2 tr-ờng hợp tớnh toỏn:
1. Kiểm toỏn lại cỏc ph-ơng ỏn cấu tạo kết cấu nền ỏo đ-ờng đà đề xuất gồm các lớp vật liƯu với bỊ dày đã giả thiết xem có thoả mÃn điều kiện (3.4) hay khụng. Trong tr-ờng hợp này phải tớnh đ-ợc Ech của cả kết cấu rồi so sánh với tích số Kdv
cd. Eyc để đỏnh giỏ. Đõy cũng là tr-ờng hợp tớnh toỏn để đỏnh giỏ c-ờng độ của kết cấu nền ỏo đ-ờng cị hiƯn có.
2. Biết tích số Kdv
cd. Eyc, tiến hành tớnh toỏn bề dày ỏo đ-ờng để thoả mÃn điỊu kiƯn (3.4)
Đối với cả 2 tr-ờng hợp nờu trờn việc tớnh toỏn đều cú thể đ-ợc thực hiện với toỏn đồ ở Hỡnh 3-1
Hỡnh 3-1: Toỏn đồ để xỏc định mụ đun đàn hồi chung cđa hƯ 2 lớp Ech (Trị số ghi trờn cỏc đ-ờng cong là tỷ số 1 E Ech )
Theo toỏn đồ, nếu biết mụ đun đàn hồi của nền trong phạm vi khu vực tác dơng E0 (cỏch xỏc định E0 xem ở mơc 3.4.6), mô đun đàn hồi trung bỡnh Edc
tb đã điỊu chỉnh (tức là E1) của cả kết cấu ỏo đ-ờng (cỏch xỏc định xem ở mục 3.4.5) và tổng bề dày kết cấu ỏo đ-ờng H thỡ sẽ tớnh đ-ợc Ech; ng-ợc lại biết Ech = Kdv
cd . Eyc, biết Edc
tb tức là E1 và E0 thỡ sẽ tớnh toỏn đ-ợc bề dày H cần thiết để thoả mÃn điều kiện (3. 5).
Trong tr-ờng hỵp kết cấu ỏo đ-ờng cú tổng bề dày lớn (H/D>2) thỡ việc tớnh toỏn Ech cú thể đ-ợc tớnh theo cụng thức gần đỳng nh- chỉ dẫn ở Phụ lục F.
3.4.5. Cỏch xỏc định trị số mụ đun đàn hồi trung bỡnh Etb và trị số mụ đun đàn hồi chung Ech của kết cấu ỏo đ-ờng cú nhiều lớp .
Vỡ kết cấu ỏo đ-ờng mềm th-ờng cú nhiều lớp nờn cần quy đổi về hệ 2 lớp để ỏp dụng dạng toỏn đồ Hỡnh 3-1. Việc quy đổi đ-ỵc thực hiƯn đối với 2 lớp một từ d-ới lờn theo sơ đồ ở Hỡnh 3-2 và biểu thức (3.5)
Hình 3-2: Sơ đồ đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp
(Các lớp ký hiƯu số thứ tự tăng dần từ d-ới lờn) E' tb= E1 3 3 1 1 . 1 k t k ; (3-5) trong đó:
k =h2/h1; t =E2/E1 với h2 và h1 là chiều dày lớp trờn và lớp d-ới của ỏo đ-ờng; E2 và E1 là mụ đun đàn hồi của vật liệu lớp trờn và lớp d-ớ
Việc đổi hệ nhiều lớp và hệ 2 lớp đ-ợc tiến hành từ d-ới lờn, cú hai lớp vật liƯu quy đỉi vỊ một lớp bỊ dày H’ = h1 + h2 và cú trị số mụ đun đàn hồi E'
tbtính theo (3.5). Sau đú lại xem lớp H’ (với E'
tb) là lớp d-ới và tiếp tục quy đổi nú cựng với lớp trờn nú thành một lớp có bỊ dày H = H’+ h3 và E'
tb tính theo (3.5) nh-ng với E'
tb lớp này đúng vai trò E1 và K = h3/H’, t=E3/E'
tb .
Sau khi quy đổi nhiều lớp ỏo đ-ờng về một lớp thỡ cần nhõn thờm với Etb một hệ số điỊu chỉnh xỏc định theo Bảng 3-6 để đ-ợc trị số Edc tb : Edc tb = . E' tb với =1,114.(H/D)0,12 (3-6) Bảng 3-6: Hệ số điều chỉnh Tỷ số H/D 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Hệ số 1,033 1,069 1,107 1,136 1,178 1,198 1,210 Chỳ thớch Bảng 3-6 và biểu thức 3-6 :
- H là bỊ dày toàn bộ của kết cấu ỏo đ-ờng; D là đ-ờng kính vƯt bánh xe tính toỏn. Khi H/D >2 thỡ cú thể tớnh theo biểu thức (3-6).
- Tr-ờng hỵp tính Edc
tb theo (3-6) cho kết quả lớn hơn cả trị số mụ đun đàn hồi lớn nhất của vật liệu trong cỏc lớp kết cấu đem quy đổi thỡ chỉ đ-ợc lấy Edc
tb bằng trị số mụ đun đàn hồi lớn nhất đó.
Trị số Edc
tb tính theo (3.6) dựng để tớnh toỏn tiếp trị số Ech của cả kết cấu theo toỏn đồ Hỡnh 3-1 và nh- vậy cỏch thiết kế tiện lợi nhất đối với hệ nhiều lớp là ỏp dụng tr-ờng hợp 1 nờu ở mơc 3.4.4.
Tr-ờng hỵp mn tớnh bề dày thỡ cần giả thiết tr-ớc cấu tạo cỏc lớp vật liệu (biết mụ đun đàn hồi của cỏc lớp này và tỷ số bề dày giữa cỏc lớp kề nhau), từ đú theo (3.5) tính ra Etb, với Etb (ch-a điều chỉnh) và cho Ech= Eyc lại ỏp dụng toỏn đồ Hỡnh 3-1 để tớnh đ-ợc tỷ số H/D để xỏc định bề dày H của ỏo đ-ờng một cỏch gần đỳng (gần đỳng vỡ E
lúc này ch-a đ-ợc điều chỉnh do chớnh hệ số lại phụ thuộc vào H/D). Để chớnh xỏc hoỏ trị số H cần dựa vào tỷ số H/D tớnh đ-ợc với Etb ch-a điều chỉnh này để giả thiết vài trị số H/D khỏc nhỏ hơn rồi tớnh nghiệm lại theo cỏch thử dần cho đến khi vừa thoả mÃn cả (3.5) và điều kiện (3.4). Với tỷ số H/D đ-ợc chớnh xỏc hoỏ và với tỷ số bề dày đà giả thiết ta sẽ tớnh đ-ợc bề dày của cỏc lớp ỏo đ-ờng thiết kế.
3.4.6. Xỏc định trị số mụ đun đàn hồi E0 trong phạm vi khu vực tỏc dụng của nền đất d-ới ỏo đ-ờng
1. Đối với kết cấu ỏo đ-ờng mới ở giai đoạn thiết kế cơ sở lập dự ỏn đầu t-, t- vấn thiết kế phải thực hiện thớ nghiệm xỏc định E0 t-ơng ứng với loại hỡnh gõy ẩm dự bỏo trờn cỏc mẫu thớ nghiệm trong phũng theo cỏc ph-ơng phỏp chỉ dẫn ở Phụ lục B, thớ nghiệm xỏc định chỉ số sức chịu tải CBR và dựng t-ơng quan E0 = f(CBR) thực nghiệm để giỏn tiếp xỏc định ra E0 đồng thời so sỏnh cỏc kết quả trờn với cỏc trị số tra bảng tuỳ theo độ chặt và độ ẩm (t-ơng đối) bất lợi nhất để quyết định trị số E0 dùng trong tớnh toỏn c-ờng độ kết cấu nền ỏo đ-ờng cho từng đoạn đ-ờng khỏc nhau dọc tuyến (khi tra bảng xỏc định E0 tr-ớc hết phải xỏc định loại hỡnh gõy ẩm đối với kết cấu nền ỏo đ-ờng thiết kế nh- chỉ dẫn ở Phụ lục B).
Trong tr-ờng hợp khu vực tỏc dụng của nền đ-ờng gồm nhiều lớp khụng đồng nhất về vật liệu, về loại đất, về độ chặt và độ ẩm (nh- tr-ờng hỵp có bố trí lớp đỏy ỏo đ-ờng hoặc tr-ờng hợp nền đào hoặc nền đắp với cỏc lớp đất khỏc nhau…) thỡ từ trị số mụ đun đàn hồi thớ nghiƯm cđa các lớp Etn hoặc từ trị số CBR cđa các lớp khác nhau đú phải tớnh ra trị số Etn trung bỡnh hoặc trị số CBR trung bỡnh cho cả phạm vi khu vực tỏc dụng theo cỏc cách chỉ dẫn ở Phơ lơc B để suy ra trị số mụ đun đàn hồi E0 đại diện cho cả phạm vi khu vực tỏc dụng của nền đ-ờng.
2. ở giai đoạn thiết kế kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi cụng đối với kết cấu ỏo đ-ờng mới, t- vấn thiết kế phải dự tớnh và kịp thời bố trớ đo ép tại hiƯn tr-ờng bằng bản ộp đ-ờng kớnh 33cm để xỏc định trị số của mụ đun đàn hồi E0 theo ph-ơng phỏp chỉ dẫn ở Phụ lục D ngay trờn cỏc đoạn nền đ-ờng điển hỡnh vừa thi cụng xong để kiểm nghiệm lại trị số E0 đà dựng khi tớnh toỏn thiết kế. Nếu trị số E0 thực đo nhỏ hơn trị số đà dựng để thiết kế thỡ phải kịp thời đ-a ra cỏc giải phỏp điều chỉnh lại kết cấu thiết kế (tăng c-ờng c-ờng độ nền đất trong phạm vi khu vực tỏc dụng hoặc tăng bề dày lớp múng ỏo đ-ờng). ViƯc đo ép nờn cố gắng thực hiện vào thời kỳ bất lợi của nền đ-ờng, nếu đo ộp vào mựa khụ thỡ cú thể tham khảo Phơ lơc B đĨ điỊu chỉnh vỊ thời kỳ bất lỵị