CHơNG 7. THIếT Kế KếT CấU áO đấNG
7.2. Phơng án đầu t tập trung (15 năm)
Để lựa chọn kết cấu áo đờng có chi phí xây dựng rẻ nhất đồng thời vẫn đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra, sơ bộ đề ra các giải pháp kết cấu áo đờng, rồi so sánh mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đờng với mô đun đàn hồi yêu cầu và so sánh chi phí xây dựng ban đầu giữa các giải pháp. Từ đó chọn phơng án áo đờng có chi phí rẻ nhất.
Tầng mặt gồm hai lớp BTN hạt trung và hạt thô là hai lớp đắt tiền, nên khi thiết kế nếu quá
dầy sẽ không kinh tế. Vì vậy ta cố định chiều dầy của các lớp BTN theo bề dày tối thiểu đảm bảo cấu tạo, cờng độ và thi công rồi thay đổi và tính toán chiều dày các lớp dới. Chọn h3 = 7cm, h4 = 5cm. Trên cơ sở đó, dự kiến các giải pháp kết cấu áo đờng loại A1 nh sau:
Trong đó:
1 2
h K =h và
1 2
E t=E
h1, h2 : là chiều dày lớp dới và lớp trên của áo đờng E1,E2: là mô đun đàn hồi của vật liệu lớp dới và lớp trên
Trong đó:
Ech: mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đờng
E1: mô đun đàn hồi trung bình của các vật liệu làm áo đờng Eo: mô đun đàn hồi chung của nền đất
H: tổng chiều dày cảu các lớp vật liệu làm áo đờng D: đờng kính vệt bánh xe tính toán, D = 33cm Kết cấu 1
h1h275
CPĐD loại I E = 3000daN/cm2 BTN hạt thô E = 3500daN/cm2 BTN hạt trung E = 3000daN/cm2
Kết cấu 2
h1h275
§D gia cè XM 6% E = 6000daN/cm2 BTN hạt thô E = 3500daN/cm2 BTN hạt trung E = 3000daN/cm2
CPĐD loại II E = 2500daN/cm2 CPĐD loại II E = 2500daN/cm2
Đất nền á cát E = 400daN/cm2 Đất nền á cát E = 400daN/cm2
Đề ra các phơng án về chiều dày h1, h2 ứng với mỗi giải pháp kết cấu. Từ đó tính mô đun
đàn hồi chung của cả kết cấu áo đờng theo các bớc:
Chuyển hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách đổi các lớp vật liệu làm áo đờng lần lợt hai lớp một theo thứ tự từ dới lên trên theo công thức:
3 3 / 1
1 1
.
1
+
= +
K t E K
Etb
Sau đó xem lớp tơng đơng có chiều dày H = h1+h2 và trị số mô đun đàn hồi Etb là lớp dới rồi tiếp tục quy đổi nó với lớp trên về một lớp. Sau khi quy đổi xong cần nhân thêm hệ số β với Etb của các lớp vật liệu làm áo đờng ta đợc trị số điều chỉnh E1 (trị số β tra bảng 3.6 của 22 TCN 211-93 phụ thuộc vào tỷ số H/D): E1=β.Etb.
Dựa vào toán đồ 3.3 của 22 TCN 211-93 xác định đợc tỷ số:
) , (
0 1
1 D
H E f E E Ech
=
Kết quả tính toán các phơng án đợc thể hiện trong bảng sau:
Bảng 7-6 Giải Pháp h2 h1 H/D β Etttb = E1 E0/E1 Ech/E1 Ech Eyc
I
14 38 1,94 1,206 3310 0,12 0,539 1784 1778
15 36 1,91 1,204 3318 0,12 0,536 1779 1778
16 35 1,91 1,204 3328 0,12 0,535 1780 1778
II
12 30 1,64 1,182 3895 0,10 0,461 1796 1778
14 25 1,55 1,174 4073 0,10 0,437 1780 1778
16 22 1,52 1,171 4239 0,09 0,424 1797 1778
Dựa vào đơn giá xây dựng cơ bản của tỉnh Bắc Giang ta tính giá thành xây dựng móng mỗi giải pháp nh sau:
Bảng 7-7 Giải pháp h2 G2(đ/100m2) h1 G1(đ/100m2) ΣG(đ/100m2) Chọn
I
Cấp phối đá dăm loại I Cấp phối đá dăm loại II
14 2 271 279 38 6 103 861 8 375 139
15 2 433 513 36 5 782 605 8 216 118
16 2 595 747 35 5 621 977 8 217 724
II
Đá dăm gia cố XM 6% Cấp phối đá dăm loại II
12 3 698 940 30 4 818 837 8 517 777
14 4 315 429 25 4 015 698 8 331 127
16 4 931 919 22 3 533 814 8 465 733
: giải pháp chọn.
Nhận thấy phơng án h2 = 15cm và h1 = 36cm của của giải pháp I có kết cấu móng là rẻ nhất, G = 8.216.118đ/100m2 . Vậy ta sơ bộ chọn kết cấu áo đờng cho phơng án đầu t tập trung một lần với thời gian so sánh là 15 năm nh sau:
5cm Bê tông nhựa hạt trung 7cm Bê tông nhựa hạt thô
15cm Cấp phối đá dăm loại I 36cm Cấp phối đá dăm loại II 7.2.2. Kiểm tra kết cấu chọn
Với kết cấu áo đờng đờng cấp AI phải kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cờng độ:
Độ vừng đàn hồi (độ lỳn kết cấu ỏo đờng khụng vợt quỏ trị số cho phộp);
ứng suất tiếp (không phát sinh biến dạng dẻo kể cả trong nền đất);
ứng suất kéo uốn (tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại).
a. Kiểm tra độ vừng đàn hồi
Điều kiện: Ech ≥ Eyc = 1778 (daN/cm2)
Quy đổi các lớp vật liệu áo đờng về 1 lớp, từ dới lên theo các bớc nh ở 7.2.1. Kết quả tính toán:
Bảng 7-8
Líp Ei t hi k Htbi Etbi H/D β Etttb = E1
Bê tông nhựa hạt trung 3000 1,10 5 0,09 63 2756,39 1,909 1,20 3318,37 Bê tông nhựa hạt thô 3500 1,33 7 0,14 58 2736,03
Cấp phối đá dăm loại I 3000 1,20 15 0,42 51 2640,78 Cấp phối đá dăm loại II 2500 36
Đất nền á cát 400
=
=
=
=
121 , 37 0 , 3318
400 909 33 ,1
63
0
Etb
E D H
⇒ =0,536
tb ch
E
E (Toán đồ 3.3 22 TCN 211-93)
⇒ Ech = 0,536ì3318,37 = 1779 (daN/cm2) > Eyc = 1778 (daN/cm2) Kết luận: kết cấu đạt yờu cầu về độ vừng đàn hồi.
b. Kiểm tra điều kiện trợt tại vị trí tiếp xúc với nền đất
Điều kiện: τax + τav ≤ [τ] = C0.K’
τax: ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe chạy gây ra trong nền đất;
τav: ứng suất cắt hoạt động do trọng lợng bản thân các lớp vật liệu nằm trên gây ra tại
điểm xét;
C0: lực dính của đất C0 = 0,18 (daN/cm2);
K’: hệ số tổng hợp xét đến đặc điểm làm việc của kết cấu và đk làm việc của áo đờng
0,642
0 ,1 . 1 65 , 0 15 ,1
8 , 0 6 , 0 . 1
.
'= 1. 2 = =
x x K
m n
K K K
tr
n: hệ số vợt tải do xe chạy n = 1,15
m: hệ số xét đến điều kiện tiếp xúc của lớp kết cấu trên thực tế không đúng nh giả
thiết (làm việc đồng thời), với nền là đất dính lấy m = 0,65
K1: hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dới tác dụng của tải trọng trùng phôc, lÊy K1 = 0,6
K2: hệ số an toàn xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, phụ thuộc vào cờng độ xe chạy tính toán trên một làn xe, với Ntt < 1000 (xcqđ/ngđ) ⇒ K2 = 0,8
Kkt: hệ số cờng độ để xét đến độ bền vững và dự trữ cờng độ, với áo đờng cấp AI
⇒ Kkt = 1,0.
Đổi các lớp kết cấu áo đờng về 1 lớp: Etb = 3080 (daN/cm2) (xem 7.2.2.a)
=
=
=
=
=
22
296 , 400 8
37 , 33318
909 33 ,1
63
0
ϕ E E D H
tb ⇒ =0,0134
p
τax (Tra toán đồ 3.7 22 TCN 211-93)
⇒ τax = 0,0134ì6 = 0,0804 (daN/cm2)
=
= 22
) ( 63 ϕ
cm
H ⇒ τav = - 0,009 (daN/cm2) (Tra toán đồ 3.9 22 TCN 211-93)
ứng suất cắt hoạt động trong đất là: τ = τax + τav = 0,0134 - 0,0090 = 0,0714 (daN/cm2).
ứng suất cắt cho phép của nền đất là: [τ] = K'.Co = 0,642ì0,18 = 0,11556 (daN/cm2).
Kết luận: τ < [τ] nên không xảy ra trợt tại vị trí tiếp xúc với nền đất c. Kiểm tra điều kiện trợt của lớp bê tông nhựa ở nhiệt độ cao (600C)
Điều kiện: τax +τav ≤ [τ] = C.K’
τ : ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng xe chạy gây ra trong lớp BTN;
τav: ứng suất cắt hoạt động do trọng lợng bản thân các lớp vật liệu nằm trên gây ra tại
điểm xét (do không còn lớp nào bên trên ⇒ τav = 0);
C: lực dính của BTN hạt thô C = 3,0 (daN/cm2);
K’: hệ số tổng hợp BTN hạt thô K’ = 1,6.
Quy đổi 2 lớp BTN về 1 lớp tơng đơng:
Trình tự tính toán nh 7.2.1. Kết quả tính toán:
Bảng 7-9
Líp Ei t hi k Htb Etb H/D β Etttb
Bê tông nhựa hạt trung 2500 1,000 5 0,714 12 2500 0,36 1,000 2500
Bê tông nhựa hạt thô 2500 7
Quy đổi các lớp móng và nền:
Trình tự tính toán nh 7.2.1. Kết quả tính toán:
Bảng 7-10
Líp Ei t hi k htb Etb H/D β Etttb
Cấp phối đá dăm loại I 3000 1,20 15 0,42 51 2640,78 1,545 1,17 3099,59 Cấp phối đá dăm loại II 2500 36
Đất nền á cát 400
=
=
=
=
129 , 59 0 , 3099
400 545 33 ,1
51
0
Etb
E D H
⇒ =0,492
tb chm
E
E (Toán đồ 3.3 22 TCN 211-93)
⇒ Echm = 0,492ì3099,59 = 1525 (daN/cm2) Tra bảng tìm ứng suất cắt:
=
=
=
=
639 1525 ,1
2500 364 , 33 0 12
) 60 ( chm
C BTN tb
E E
D h
o ⇒
p
τax = 0,25 (Toán đồ 3.13 22TCN 211-93)
⇒ τax= p τax
p = 0,25ì6 = 1,5 (daN/cm2).
Dựa vào bảng 3-8 (Quy trinh 22TCN 211-93), ta có K’ = 1,6; c = 3,0 ⇒ [τ] = C.K’ = 3,0ì1,6
= 4,8 (daN/cm2).
Kết luận: τax< [τ] nên lớp BTN đảm bảo điều kiện chống trợt.
d. Kiểm tra ứng suất kéo uốn của lớp bê tông nhựa ở nhiệt độ thấp (15°C)
Công việc này chỉ tiến hành với các lớp vật liệu có tính toàn khối vì chỉ có chúng mới chịu uốn dới tỏc dụng tải trọng. ứng suất sinh ra khi ỏo đờng bị vừng dới tỏc dụng của tải trọng khụng
đợc phá hoại cấu trúc vật liệu và dẫn đến phát sinh vết nứt
Điều kiện: Kkuσku ≤ Rku
Kku: hệ số cờng độ khi kéo uốn, theo quy trình 22TCN-211-93 thì có thể lấy bằng 1;
Rku: cờng độ kéo uốn giới hạn cho phép của BTN tại nhiệt độ bất lợi nhất là 15°C;
σku: ứng suất tại mặt dới của lớp BTN dới cùng (các lớp BTN do có nhựa dính kết với nhau nên làm việc cùng nhau) (daN/cm2): σku = 1,15pσku (daN/cm2)
1,15: hệ số xét đến ảnh hởng của tác dụng động;
p: áp lực bánh xe lên mặt đờng p = 6 (daN/cm2);
σku : ứng suất kéo uốn đơn vị (Toán đồ 3.11 22 TCN 211-93);
Quy đổi 2 lớp BTN:
Bảng 7-11
Líp Ei t hi k Htb Etb
Bê tông nhựa hạt trung 10000 1,111 5 0,714 12 9408
Bê tông nhựa hạt thô 9000 7
Quy đổi các lớp móng và nền: Echm = 1525 (daN/cm2) (xem 7.2.2.c) Tra bảng tìm ứng suất kéo uốn:
=
=
=
=
169 , 1525 6 9408
364 , 33 0 12
chm tb tb
E E D H
⇒σku = 1,42 (Toán đồ 3.11-22TCN 211-93)
⇒ σku= 1,15ì6ì1,42 = 9,80 (daN/cm2) < Rku = 10 (daN/cm2)
Kết luận: các lớp bê tông nhựa đảm bảo điều kiện chịu kéo uốn.