PHẦN II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT ĐOẠN TUYẾN (15%) CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
CHƯƠN 4 THIẾT KẾ TRẮC DỌC
3.1. Đoạn thiết kế kỹ thuật từ Km0+0.00 đến Km2+000,00 có 15 vị trí đặt cống .
Nhiệm vụ thiết kế cống tại KM0+82.66
3.2. Xác định lưu lượng tính toán .
3.2.1. Xác định lưu lượng cực đại chảy về công trình
Theo phần dự án khả thi ta xác định: Qmax = 0.6 (m3/s)
3.2.2. Luận chứng chọn loại cống, khẩu độ cống
- Cống tròn:
+ Ưu điểm:Khả năng thoát nước tốt chỉ cần bố trí tường đầu, không cần mố trụ nên khối lượng xây ít, dễ thi công và giá thành thấp.
+ Nhược điểm:Khống chế chiều cao từ mặt đường đến đỉnh cống là phải lớn hơn 0,5m để đảm bảo điều kiện áp lực phân bố đều trên cống, nên không sử dụng được ở chỗ nền đường đắp thấp.
- Cống vuông:
+ Ưu điểm: Khả năng chịu lực tốt, có thể đảm bảo cho xe cộ qua lại trực tiếp
trong thi công và trong khai thác có thể chỉ cần đặt trực tiếp lớp áo đường lên trên cống là được,vì thế dùng nhiều tại vị trí chiều cao đất đắp trên cống thấp.
+ Nhược điểm: Thi công phức tạp tốn kém vật liệu,giá thành cao.
Về chế độ chảy:
- Chế độ chảy không áp + Dự trữ được lưu lượng, nền đường không bị ẩp ước,có khoảng hở cho cây trôi.
+ Phải tăng khẩu độ cống.
- Chế độ chảy có áp + Cần phải đắp cao nền (> 0,5m), gia cố tốt thượng hạ lưu, nền đường dễ bị ẩm ướt.
+ Giảm được khẩu độ cống.
Với nhiệm vụ thiết kế cống tại vị trí KM0+80.35 m tại đây chiều cao đắp đất là 2,80m nên có thể khắc phụ được nhược điểm của cống tròn.
Dựa vào phụ lục 16,17 tài liệu [7], với lượng nước cực đại chảy về công trình tương ứng là Qp = 0.6 (m3/s), cao độ tự nhiên là 54,67m, chiều cao đất đắp là 1.63 m, những ưu nhược điểm của từng loại cống như trên, kiến nghị chọn loại cống tròn, làm việc theo chế độ không áp có miệng cống loại thường, tức là H < 0,23hcv.
Với H : chiều cao nước dâng trước cống.
hcv: chiều cao cống ở cửa vào.
Ta chọn được cống 1Φ0.75 có V = 1.12 m/s, H = 1,23 m.
3.3. THIẾT KẾ CẤU TẠO CỐNG
3.3.1. Cửa cống
- Cửa cống có tác dụng nối tiếp nền đường và miệng cống, điều tiết trạng thái dòng chảy, đảm bảo dòng chảy thông suốt, tránh xói mòn lòng sông suối thượng hạ lưu, tránh xói mòn cống, móng của cống, đảm bảo cho cống làm việc an toàn.
- Hình thức cửa cống ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thoát nước của cống và việc lựa chọn hình thức gia cố lòng khe suối.
- Do điều kiện thuỷ lực tốt, để đơn giản thi công ta chọn cửa cống loại thường, tường cách kiểu chữ bát, góc chéo của tường cánh 300 cho cả cửa vào và cửa ra vì kiểu này thi công đơn giản, thoát nước tốt, giá thành thấp, mỹ quan và điều quan trọng hơn nữa là điều chỉnh được dòng chảy.
- Để rút ngắn chiều dài tường cánh và dể thi công, đầu cuối tường cánh ta xây thẳng đứng cao 36 cm.
Sử dụng phương pháp đổ tại chỗ bằng bê tông mác M200 đá dăm 20 40mm.
3.3.2. Thân cống
- Thân cống là ống cống tròn BTCT lắp ghép . - Để thoát nước tốt yêu câu phải đặt sao cho phía thượng lưu không phải đắp đất
làm giảm khả năng thu nước về cống và ở hạ lưu không phải đào khá sâu làm giảm khả năng thoát nước ra khỏi cống .
- Không đặt cống quá sâu làm tăng chiều dài cống, tăng giá thành công trình.
- Đảm bảo cao độ thiết kế lớn hơn mức nước cao nhất là 0,5m từ các quan điểm trên ta chọn độ dốc đặt cống trùng với độ dốc tự nhiên là 3%.
- Chiều cao đất đắp trên cống là 1,3 m, taluy nền đắp là 1:1,5 với bề rộng nền đường là 12,5m ta tính được chiều dài thân cống là:
Hình 3.1: Các kích thước tính toán chiều dài cống.
Dựa vào hình 3.1 ta có chiều dài cống được tính theo công thức :
t d d d
c
0 0
B + m(H - h -t) + a B + m(H - h - t) + a
L = +
1 + m.i 1 - m.i
(2.5.1)
c
6.25+ 1.5(2.8 - 1.8-0.25) + 0.3 6.25+ 1.5(2.8 - 1.8- 0.25) + 0.3
L = + 15(m)
1 + 1.5.0.03 1 - 1.5.0.03 =
Chọn chiều dài cống là 16m.
- Cốt thép trong ống cống: là 2 lớp bố trí sát thành trong và thành ngoài của cống và đặt thêm cốt thép dọc để chống lại lực cắt và giữ vị trí các đai chịu lực cố định
- Bê tông: Dùng bê tông M200, Dmax20 . Ta có biểu đồ momen của cống tròn như hình vẽ:
Hình 3.2. Dạng biểu đồ mômem của cống tròn.
Dựa vào biểu đồ mômem ta thấy, cống tròn là kết cấu vừa chịu kéo vừa chịu uốn . Phía trên và phía dưới chịu mômem dương nên ta bố trí cốt thép chịu lực sát vào phía trong thành ống.Phía bên phải và trái chịu mômem âm nên ta bố trí cốt thép sát phía
ngoài thành ống.Do đó ta dung hai lớp cốt thép ở phía trong và phía ngoài .
Để nối hai đốt cống với nhau ta dùng cách nối ghép thẳng khe nối giữa các ống cống có chiều dài 1cm. Khe nối được nhét chặt bằng đay tẩm nhựa đường, bên trong ống cống quét hai lớp nhựa đường và phủ hai lớp giấy dầu tại mối nối.
3.3.3. Móng cống
Tại vị trí đặt cống có địa chất ổn định, tình hỉnh thủy văn đơn giản ta cho cống đặt trực tiếp lên lớp móng cấp phối đá dăm.
3.4. Thiết kế kết cấu cống.
3.4.1. Nguyên lý thiết kế
Cống không chỉ chịu tác dụng của tải trọng xe chạy mà còn chịu tác dụng của đất đắp trên nó.Cống được tính theo 3 trạng thái sau:
- Trạng thái giới hạn thứ nhất: Bảo đảm công trình không bị phá họai vì mất cường độ và độ ổn định trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn .
- Trạng thái giới hạn thứ hai: Bảo đảm công trình không xuất hiện biến dạng dư quá mức trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn .
- Trạng thái giới hạn thứ ba: Bảo đảm công trình không xuất hiện biến dạng cục bộ không cho phép trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn.
3.4.2. Các giả thiết khi tính toán
- Cống tròn bê tông cốt thép thuộc loại cống tròn cứng, khi tính toán không xét đến biến dạng của bản thân cống.
- Chiều sâu chôn cống có ảnh hưởng nhất định với việc tính toán ngoại lực.Khi tính toán giả thiết rằng đáy sông suối ngang với đáy mặt trong của cống .
- Trong các đốt cống cứng, ảnh hưởng của lực dọc trục ứng với ứng suất tính toán rất nhỏ (< 9,5%), cho nên trong tính toán có thể bỏ qua ứng suất dọc trục .
3.4.3. Số liệu thiết kế
- Tính toán kiểm tra cho trường hợp chưa có các lớp áo đường với tải trọng thiết kế xe H30 và XB80.
- Vật liệu cấu tạo cống:
+ Bê tông tường cánh đá 2x4 M200 có Rn = 90daN/cm2.
+ Cốt thép AI có Ra = Ra' = 1900daN/cm2; Ea=2,1.106kg/cm + Dung trọng đất đắp 𝛾0 = 1,8 (T/m3)
+ Dung trọng BTCT : 𝛾𝑏𝑡= 2,5(T/m3) + Độ dốc dọc cống lấy bằng độ dốc ngang sườn tại mặt cắt ngang cống + Móng cấp phối đá dăm loại II Dmax37,5 đầm chặt K98 dày 30cm.
+ Đất đắp, có 𝜑 = 180.
3.4.4. Xét trường hợp khai thác (sau khi thi công xong kết cấu áo đường) 3.4.4.1. Chọn kích thước sơ bộ
Do chiều cao đất đắp H < 6m nên ta có thể sơ bộ tính chiều dày ống cống theo
công thức sau: D 75
δ = = = 6
12,5 12,5 (2.5.2)
Trong đó : + D: Đường kính trong của cống: D = 75(cm).
Theo sách thiết kế và thi công – cống tròn BTCT lắp ghép ta có với đường kính cống D = 150cm thì 𝛿= 14 ÷ 22 (cm).
Vậy ta chọn 𝛿 = 15cm.
3.4.4.2. Tính ngoại lực
1) Tĩnh tải - Do áp lực thẳng của đất đắp gây ra:
2
d d md
q = γ .(H - h ) = 1,55.0,64 = 0.91 (T/m )
- Áp lực thẳng đứng của kết cấu áo đường: Lấy khối lượng riêng trung bình của tất cả các lớp kết cấu áo đường là 2,2 (T/m2)
2
md md md
q = γ . h = 2,2.0,64 = 1,408 (T/m )
- Trọng lượng bản thân cống:
2
Z bt
g = γ . δ = 2,5.0,15 = 0,375 (T/m )
2) Hoạt tải:
- Đối với xe tải thiết kế ba trục:
chỉ xét một xe qua cống, hai trục sau cách nhau 4,3m (trường hợp bất lợi nhất), mỗi trục có tải trọng là 14,5 T. sơ đồ xếp xe
- hệ số xung kích tính
IM = 33.(1- 4,1.10 .1230) = 16,35 %-4
1800
510
510 510
1230
3724
7.39 T 7.39 T
250 250
1664 1664
2x7.39 T 2x7.39 T
4300
Hình 3.3. sơ đồ xếp một tải thiết kế ba trục
+ xác định a - chiều sâu tương tác của tải trọng bánh xe Httdc tính theo
w t
ttdc
ht
S - W - 0,06.Φ 1800 510 0, 06.750
H = 1082.6
γ 1,15
− −
= = (mm)
ta thấy H < H = 1230 (mm)ttdc nên a tính theo
t ht w
a = W + γ .H+S +0,06Φ = 510+1,15.1230+1800+0,06.750 = 3814,5(mm) = 3,769(m)
+ xác định b
- chiều sâu tương tác của tải trọng trục bánh xe Httdc tính theo
a t ttdc
ht
S -l 4300-250
H = = = 3521,74 (mm)
γ 1,15
ta thấy H > H = 1230 (mm)ttdc nên b tính theo
t ht
b = l + γ .H = 250+1,15.1230 = 1664,5(mm) = 1,665(m)
thay các thông số trên vào ta được
td
LL
m.(1+IM).P
P = A
2 3tr
7,39.2.1,2.1,635
P = = 4,56(T/m )
3,815.1,665 - đối với xe hai trục thiết kế
chỉ xét một xe qua cống, hai trục sau cách nhau 1,2 m mỗi trục có tải trọng là 11,0 T. Sơ đồ xếp xe như hình
+ xác định a - chiều sau tương tác của tải trọng trục bánh xe Httdc tính theo
w t
ttdc
ht
S -W -0,06Φ 1800-510-0,06.750
H = = = 1082.6 (mm)
γ 1,15
ta thấy H < H = 1230 (mm)ttdc nên a tính theo
t ht w
a = W + γ .H+S +0,06Φ = 510+1,15.1230+1800+0,06.750 = 3814,5(mm) = 3769.5(m)
1800
510
510 510
1230
3724
5.61 T 5.61 T
250 250
2x5.61 T 2x5.61 T
1200
2864
Hình 3.4. Sơ đồ xếp một xe hai trục thiết kế
xác định b - chiều sâu tương tác của tải trọng trục bánh xe Httdc tính theo
a t ttdc
ht
S -l 4300-250
H = = = 3521,739 (mm)
γ 1,15
ta thấy H > H = 580 (mm)ttdc nên b tính theo
t ht
b = l + γ .H+S = 250+1,15.1230+1200 = 2864,5(mm) = 2,865(m)a
thay các thông số trên
td
LL
m.(1+IM).P
P = A
2 2tr
4.5,61.1,2.1,635
P = = 4,02(T/m )
3,815.2,865 từ kết quả trên thấy rằng áp lực thẳng đứng do hoạt tải xe tải thiết kế ba trục truyền xuống cống lớn hơn hoạt tải xe tải hai trục thiết kế vậy ta chọn hoạt tải xe tải thiết kế ba trục P3tr để tính toán.
- đối với tải trọng làn áp lực trên cống do tải trọng làn gây ra
lan 3 l
P = P (T/m ) 3
lan 2 l
P 0,948
P = = 0,316(T/m )
3 3 =
Tính nội lực ta có:
( ) 1,5 0,16 2 2 0,83
R= + = + = ; 2 0 35
45 0, 271
tg 2
= − = mô men lớn nhất do trọng lượng bản thân cống theo - xét trạng thái giới hạn cường độ
'' 2 2
3cd Z
M = 0,369.g .R = 0,369.1,25.0,5.0,83 = 0,158 (T.m) - xét trạng thái giới hạn sử dụng
'' 2 2
3cd Z
M = 0,369.g .R = 0,369.1,0.0,5.0,83 = 0,127 (T.m)
Mô men lớn nhất do đất đắp trên cống, kết cấu mặt đường và hoạt tải xe thiết kế
3 trục và tải trọng làn tính theo công thức
- xét trạng thái giới hạn cường độ
2
max qd d mqd md p tdmax p l
M = 0,137.(γ .q + γ .q + γ .P + γ .p ).R .(1-μ)
2
M = 0,137 1,3.1,116 1,5.1,32 1,75.(4, 48 0,316) .0,83 .(1-0,271) = 0,813 (Tm)cd + + +
- xét trạng thái sử dụng sử dụng
2
M = 0,137 1,0.1,116 1,0.1,32 1,0.(4,76 0,316) .0,83 .(1-0,271) = 0,516 (Tm)cd + + + Tổ hợp mô men
vậy mô men uốn lớn nhất ở trạng thái cường độ và trạng thái sử dụng
''
cdmax cd 3cd
M = M +M = 0,813+0,158 = 0,971 (Tm)
''
sdmax sd 3cd
M = M +M = 0,516+0,127 = 0,643 (Tm)