4.4. Đề xuất các kết cấu và kiểm toán kết cấu
4.4.2. Kiểm toán kết cấu mặt đường
Kiểm toán và thiết kế mặt đường mềm căn cứ theo tiêu chuẩn 22TCN 211:2006 Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế.
- Các thông số đầu vào:
+ Tải trọng trục tính toán: căn cứ theo quy định tại [5], tải trọng trục tiêu chuẩn đối với tất cả các loại áo đường mềm cấp trung bình và cấp thấp được quy định bằng 100 kN.
+ Số làn xe thiết kế: theo đề xuất các dạng kết cấu đối với đường huyện là đường cấp VI và đường xã là đường loại A, như vậy số làn xe tính toán là 1 làn xe.
+ Số trục xe phân phối (fL): do thiết kế 1 làn xe nên hệ số này lấy bằng 1.
+ Số trục xe tính quy đổi về trục xe tính toán: đối với đường giao thông nông thôn cấp huyện là đường cấp thấp, lưu lượng xe không lớn, lấy bằng 100 trục/làn.ngày đêm. Tỉ lệ tăng trưởng trung bình theo [5] lấy bằng 5%.
+ Độ tin cậy: căn cứ theo quy định [5] về lựa chọn độ tin cậy thiết kế theo loại và cấp hạng đường, tương ứng với đường ô tô cấp VI, V, trong tính toán kiểm toán mặt đường mềm đối với đường cấp VI tại nghiên cứu này lựa chọn độ tin cậy bằng 0,8.
+ Thời hạn thiết kế: căn cứ theo quy định tại [5], đối với đường láng nhựa cấp thấp thời hạn thiết kế từ 4 năm đến 7 năm, lựa chọn bằng 5 năm để tính toán kiểm toán.
+ Mô đun đàn hồi nền đường E0: nền đường khu vực duyên hải Nam Trung Bộ hay tỉnh Bình Thuận là nền đường đất cát, lựa chọn mô đun đàn hồi bằng 40 MPa
+ Lực dính C đối với nền đất á cát, cát theo quy định tại [5] bằng 0,018 MPa, góc ma sát φ lấy bằng 260.
+ Tải trọng tác dụng là cụm bánh đơn; tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn P căn cứ quy định tại [5] ứng với đường cấp VI lấy bằng 100 kN. Áp lực tính toán lên mặt đường p tương ứng với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn bằng 100kN thì
áp lực p bằng 0,6 MPa và đường kính vệt bánh xe D bằng 33 cm.
- Trình tự kiểm toán:
Căn cứ theo tiêu chuẩn 22TCN 211:2006 Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế, đối với đường láng nhựa, cấp thấp tương đương cấp VI (ứng với đường giao thông nông thôn), trình tự kiểm toán như sau:
+ Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu (Eyc) + Kiểm toán độ võng đàn hồi
+ Kiểm toán tiêu chuẩn cắt trƣợt
- Kết quả kiểm toán tổng hợp trong Bảng 4.5 sau đây:
Bảng 4. 5 Kiểm toán kết cấu mặt đường (áo đường mềm) Chỉ tiêu kiểm toán/
Kết cấu Đường huyện Đường xã
Kết cấu 1.1 Kết cấu 1.2 Kết cấu 2.1 Kết cấu 2.2 Mô đun đàn hồi yêu
cầu (MPa) 94 94 86,8 86,8
Kiểm toán Độ
võng đàn hồi
(MPa)
Yêu cầu nhỏ nhất (Kcdđv*Eyc
95,88 95,88 88,54 88,54
Tính toán
Ech.m 121,8 118,0 111,65 99,12
Kiểm tra tiêu chuẩn cân bằng
trƣợt (MPa)
Cường độ kháng trƣợt
(Ctt/Kcdtr)
0,0298 0,0298 0,0279 0,0279
Tính toán 0,0186 0,0175 0,0211 0,0202
(Chi tiết tiết tính toán kiểm toán trong Phụ lục 1)
Như vậy, tất cả các trường hợp kiểm toán cho các mô hình kết cấu mặt đường đều đáp ứng được yêu cầu về độ võng đàn hồi, cân bằng trượt đáp ứng đƣợc khả năng chịu lực của kết cấu.
b) Kiểm toán mặt đường cứng:
Thiết kế và kiểm toán mặt đường cứng căn cứ theo Quyết định số 3230/QĐ- BGTVT ngày 14/12/2012 của Bộ Giao thông vận tải Ban hành quy định về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường trong xây dựng công trình giao thông.
Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng như Hình 4.2 sau đây:
Hình 4. 2 Sơ đồ cấu tạo mặt đường BTXM thông thường
- Các thông số đầu vào:
+ Thiết kế mặt đường BTXM: căn cứ theo quy định tại [3], kích thước mặt đường BTXM dạng tấm hình chữ nhật có chiều rộng (khoảng cách giữa các khe dọc) trong phạm vi 3,00m ÷ 4,50m và chiều dài (khoảng cách giữa các khe ngang) trong khoảng 4,00m ÷ 5,00m, đối với đường huyện, lựa chọn tấm hình chữ nhật kích thước là 3m x 4m để tính toán kiểm toán.
+ Cấp đường: theo như nghiên cứu đề xuất ở trên, lựa chọn đường cấp VI đối với đường huyện và loại A đối với đường cấp xã.
+ Độ tin cậy thiết kế: theo [3], đối với đường từ cấp IV trở xuống, độ tin cậy bằng (80-70)%, đối với đường cấp VI là đường giao thông nông thôn, lựa chọn độ tin cậy bằng 70%.
+ Tải trọng tiêu chuẩn (Ps): căn cứ theo [3], tải trọng trục tiêu chuẩn để tính
mỏi và cách quy đổi các trục xe khác nhau về trục tính mỏi tiêu chuẩn lấy bằng 100 kN.
+ Trục xe nặng nhất (Pmax): căn cứ theo quy định tại [3], tải trọng trục xe nặng nhất đƣợc xác định là tải trọng trục đơn P (kN), tải trọng trục đơn nặng nhất có thể bằng 150kN, 180kN, 240kN (thường không quá 240kN); đối với đường huyện với cấp kĩ thuật đạt cấp VI, lựa chọn trục xe nặng nhất bằng 180 KN để tính toán kiểm toán kết cấu.
+ Số lần tác dụng quy đổi (Ne): căn cứ quy định tại [3] về cấp quy mô giao thông, cấp kĩ thuật đường huyện đề xuất là đường cấp VI, tương ứng với cấp quy mô giao thông hạng trung bình, số lần trục xe quy đổi về 100kN tác dụng lên vị trí giữa cạnh dọc tấm trên 1 làn xe trong suốt thời hạn phục vụ thiết kế (Ne) trong khoảng 3.104 ÷ 1.106 lần và đối với cấp quy mô giao thông hạn nhẹ Ne nhỏ hơn 3.104 lần. Để tính toán kiểm toán kết cấu, đối với kết cấu đường huyện lựa chọn Ne = 1.106 lần / làn và đối với đường xã lựa chọn Ne = 2,5.104 lần/ làn.
+ Chiều dày tấm (hc): là chiều dày tấm bê tông xi măng, căn cứ theo nghiên cứu đề xuất kết cấu áo đường cứng cho đường huyện, chiều dày tấm đối với đường huyện là 20cm và đối với đường xã là 18 cm.
+ Cường độ kéo uốn (fr): căn cứ theo kết quả thí nghiệm, đối với kết cấu đề xuất kết cấu dành cho đường huyện tương tứng với cấp phối 50% cát đỏ + 50%
cát nghiền thì fr = 7,01 MPa và đối cấp phối 40% cát nghiền + 60% cát đỏ thì fr = 5,18 MPa.
+ Mô đun đàn hồi (Ec): Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, đối với kết cấu đường huyện đề xuất ứng với cấp phối 50% cát đỏ + 50% cát nghiền thì mô đun đàn hồi bằng 24.015 MPa và ứng với cấp phối 40% cát nghiền + 60% cát đỏ thì mô đun đàn hồi bằng 23.007 MPa.
+ Hệ số poisson của bê tông (mc): căn cứ theo quy định tại [3], đối với mặt đường BTXM thiết kế dạng tấm, hệ số poisson bằng 0,15.
+ Hệ số dãn nở nhiệt (ac): theo [3], đối với tấm bê tông xi măng chế tạo từ cốt liệu hạt nhỏ như cát, cát nghiền, hệ số này tương ứng bằng 12.10-6/0C.
+ Mô đun đàn hồi của nền đất: theo quy định tại [3], ứng với lớp đất nền là đất cát (nhƣ loại đất vùng duyên hải Nam Trung Bộ hay khu vực tỉnh Bình
Thuận), giá trị tương ứng bằng 40MPa.
- Trình tự kiểm toán:
Căn cứ theo [3], các bước kiểm toán như sau:
+ Xác định mô đun đàn hồi chung của nền đất và móng dưới.
+ Tính toán độ cứng tương đối chung của cả kết cấu.
+ Tính toán ứng suất do tải trọng trục xe gây ra.
+ Tính ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt độ gây ra.
+ Kiểm toán các điều kiện giới hạn
- Kết quả kiểm toán:
Kết quả kiểm toán các điều kiện giới hạn theo [3] đối với kết cấu đề xuất cho đường huyện và đường xã đều đảm bảo đáp ứng các điều kiện kĩ thuật, cụ thể nhƣ Bảng 4.6 sau đây:
Bảng 4. 6 Tổng hợp kết quả kiểm toán áo đường mềm Trình tự/ chỉ tiêu
kiểm toán
Đường huyện Đường xã
Kết cấu 1.3 Kết cấu 1.4 Kết cấu 2.3 Kết cấu 2.4 Mô đun đàn hồi
chung của nền đất và móng dưới (MPa)
152,65 161,534 123,575 161,534
Độ cứng tương đối
chung của cả kết cấu 0,5809 0,5717 0,5512 0,5075
Ứng suất do tải trọng
trục xe gây ra 1,8731 1,838 2,257 2,097
Kiểm toán điều kiện
gr .(spr + str) ≤ fr 5,19 <7,01 4,89 < 7,01 4,90 < 5,18 4,64 < 5,18 Kiểm toán điều kiện
gr . (spmax + stmax) ≤ fr 5,21 < 7,01 4,84 < 7,01 4,89 < 5,18 4,72 < 5,18 (Chi tiết tính toán kiểm toán trong Phụ lục 2)