TÍNH TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TĨNH
2.4. CÁC CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
Khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe, các lớp vật liệu mặt đường bị biến dạng. Quá trình biến dạng của lớp mặt đường xảy ra như sau (xem hình 2.5):
- Nền đất dưới lớp mặt đường bị nén ép lại, trong phạm vi chiều sâu vùng tác động, gây võng cho lớp mặt đường. Chiều dày và độ cứng lớp mặt đường càng lớn thì độ võng càng nhỏ và ngược lại. Khi độ võng mặt đường vượt quá giá trị cho phép, sẽ gây phá huỷ kết cấu mặt đường;
- Lớp bê tông nhựa là vật liệu liền khối, sẽ bị uốn trong phạm vi chậu võng. Nửa phía trên của lớp bê tông nhựa xuất hiện ứng suất nén uốn, còn ở nửa dưới lớp vật liệu xuất hiện ứng suất kéo uốn. Khi giá trị ứng suất kéo uốn vượt quá cường độ kéo uốn cho phép của vật liệu, sẽ gây ra nứt trong lớp vật liệu;
2 3 Dcv
3 3
4
1 1
w
Hình 2.5. Sơ đồ hình thành chậu võng và phá huỷ mặt đường mềm do tải trọng Dcv- đường kính chậu võng; 1- vùng đất đùn trồi; 2- vùng mặt đường bị nén;
3- vùng mặt đường bị kéo; 4- vùng đất bị nén; w- độ võng mặt đường.
- Trong lớp nền và trong lớp móng kém dính sẽ xuất hiện ứng suất cắt, khi giá trị ứng suất cắt vượt quá giới hạn lực dính cho phép, sẽ gây ra hiện tượng biến dạng dẻo trong lớp vật liệu kém dính và trong lớp nền.
Từ các phân tích về sự làm việc của kết cấu mặt đường như trên cho thấy, khi tính toán cường độ kết cấu mặt đường, cần xem xét các chỉ tiêu: độ võng cho phép của mặt đường, chỉ tiêu ứng suất cắt trong đất nền và trong lớp vật liệu kém dính và chỉ tiêu ứng suất kéo uốn trong lớp mặt dính kết.
2.2.2. Các chỉ tiêu tính toán
Các chỉ tiêu tính toán kết cấu mặt đường mềm, phụ thuộc quan điểm lựa chọn trạng thái giới hạn khi thiết kế kết cấu.
Theo Quy trình thiết kế của Việt Nam và một số nước, lựa chọn các chỉ tiêu theo trạng thái giới hạn về cường độ và trạng thái giới hạn về biến dạng. Từ các phân tích về sự làm việc của kết cấu mặt đường như trên cho thấy, khi tính toán cường độ của kết cấu mặt đường mềm, cần xem xét các chỉ tiêu sau:
1) Chỉ tiêu độ võng đàn hồi của mặt đường: w≤[ ]w ;
2) Chỉ tiêu ứng suất cắt trong đất nền và lớp vật liệu kém dính: τ ≤[ ]C ; 3) Chỉ tiêu ứng suất kéo uốn trong lớp mặt dính kết: σku ≤[ ]Rku .
Đối với mặt đường cấp cao A1,A2 cần kiểm tra cả ba chỉ tiêu trên, bắt đầu từ chỉ tiêu độ lún đàn hồi, sau đó đến chỉ tiêu trượt và cuối cùng là chỉ tiêu chịu ứng suất kéo uốn. Đối với mặt đường bê tông xi măng thì chỉ cần kiểm tra điều kiện ứng suất kéo uốn và điều kiện ứng suất cắt trong nền. Đối với mặt đường cấp B1,B2 thì chỉ kiểm tra độ lún đàn hồi.
Đối với kết cấu tăng cường, chỉ kiểm tra độ võng đàn hồi.
Mặt đường mềm nhiều lớp có cấu tạo rất đa dạng. Để so sánh các phương án kết cấu khác nhau, người ta đánh giá qua trị số mô đun đàn hồi tương đương (mô đun đàn hồi chung) của kết cấu.
Giữa mô đun đàn hồi chung của kết cấu mặt đường, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe phân bố đều với áp lực q, trên đường tròn đường kính Dqd, với độ võng có quan hệ tỉ lệ nghịch bậc nhất:
w E qDqd(1−à2)
= , (2.7) trong đó: q- áp lực tác dụng xuống mặt đường;
Dqd- đường kính diện tích truyền tải trọng;
w- độ võng mặt đường.
Từ đó cho thấy, việc xác định độ võng kết cấu mặt đường đồng nghĩa với việc xác định mô đun đàn hồi tương đương (mô đun đàn hồi chung) của kết cấu mặt đường. Mô đun đàn hồi chung của kết cấu cần thỏa mãn không nhỏ hơn mô đun đàn hồi yêu cầu của kết cấu được đưa ra theo điều kiện tải trọng tính toán và lưu lượng khai thác.
Các chỉ tiêu nêu trên là các chỉ tiêu cơ bản, dựa theo các chỉ tiêu đó để tính toán lựa chọn loại và chiều dày các lớp vật liệu áo đường. Tuy nhiên, do từng khu vực có điều kiện khí hậu khác nhau, các nước nằm trong vùng nhiệt đới, có nhiệt độ không khí và nhiệt độ bức xạ cao, trong khi chất kết dính là nhựa đường rất nhậy cảm với nhiệt độ, khi ở nhiệt độ cao, sức kháng trượt của vật liệu bê tông asphalt bị giảm, dưới tác dụng của tải trọng xe dễ gây biến dạng dẻo, gây hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường. Do vậy, trong tính toán thiết kế, sau khi xác định được loại và chiều dày các lớp vật liệu áo đường, cần kiểm tra điều kiện biến dạng dẻo và hằn lún vệt bánh xe. Dưới đây trình bày độ lớn chiều sâu hằn lún vệt bánh xe cho phép trên mặt đường.
Bảng 2.6
Vận tốc tính toán,
km/h Chiều sâu cho
phép, hcp cm
>120 0,4
120 0,7
100 1,2
80 2,5
≤60 3,0
Hiện nay, trong 22TCN 211-06, chỉ đưa ra các quy định về tính toán cường độ của kết cấu theo 3 chỉ tiêu đầu, chưa quy định tính toán kết cấu với chỉ tiêu hằn lún vệt bánh xe.
2.2.3. Mô đun đàn hồi yêu cầu
Mô đun đàn hồi chung của mặt đường là đại lượng, đặc trưng cho khả năng chống biến dạng của kết cấu mặt đường, Để tính toán kết cấu mặt đường theo chỉ tiêu trạng thái giới hạn về biến dạng, người ta đưa ra yêu cầu về giá trị mô đun đàn hồi yêu cầu của kết cấu. Do tính đến sự trùng phục của tải trọng tác dụng lên mặt đường, giá trị mô đun đàn hồi yêu cầu cần được xác định có tính đến hiện tượng mỏi của vật liệu, phụ thuộc lưu lượng xe trong ngày đêm, hoặc theo lưu lượng xe trong suốt thời kỳ phục vụ.
Khi xét phụ thuộc lưu lượng xe ngày đêm, có thể tham khảo công thức của Ivanov như sau:
. .(1 ),
2
cp m yc
k E q
λ à
= − (2.8) trong đó:
q- áp lực tác dụng xuống mặt đường, MPa;
à- hệ số poisson của vật liệu mặt đường, khi kết cấu gồm cỏc lớp mặt và múng và nền, cú thể lấy à = 0,30;
λcp – độ võng tương đối cho phép hệ hai lớp, có thể xác định bằng thực nghiệm như sau:
. ( 25 )
0 1
E E D arctg h D a
W
qd qd
cp
cp = =
λ , (2.9)
trong đó: a- hệ số phụ thuộc loại vật liệu và lưu lượng khai thác của mặt đường, được xác định bằng thực nghiệm;
wcp- độ võng cho phép của mặt đường (tĩnh hoặc động), xác định bằng thực nghiệm thực tế, phụ thuộc lượng giao thông và loại mặt đường;
Dqd – đường kính vệt bánh xe quy đổi;
km- hệ số xét đến hiện tượng mỏi của vật liệu.
Khi tính Km phụ thuộc lưu lượng xe trong ngày đêm N, có thể áp dụng công thức thực nghiệm của Ivanov như sau:
km = a + blogN , (2.10) với a,b xác định bằng thực nghiệm (theo Ivanov, có thể lấy a = 1; b = 1);
N- lưu lượng trục xe tiêu chuẩn ngày đêm.
Khi hệ số mỏi xác định theo lưu lượng xe suốt thời kỳ phục vụ, mô đun đàn hồi yêu cầu có thể được xác định theo công thức thực nghiệm.
Theo quy trình thiết kế mặt đường mềm của Nga, quy định tính theo mô đun đàn hồi động, được xác định theo công thức:
Eyc = 98, 65. [ ∑
= n
i
Np 1
)
lg( – C], MPa (2.11) trong đó: ∑ Np - tổng số trục xe tác dụng suốt thời kỳ phục vụ:
∑ Np = 0,7Np Tc Nkn q
k 1) .
( − , Np – lưu lượng trục xe quy đổi của năm tính toán (cuối thời hạn phục vụ).
N- số ngày tính toán trong năm (với điều kiện thời tiết vùng tương tự của Việt Nam có thể lấy N =150).
T – số năm phục vụ; kc – hệ số tính bằng:
1 1
−
= − q k q
T
c , với q là mức tăng trưởng lưu lượng xe hàng năm;
kn – hệ số suất đảm bảo, xác định theo cấp đường:
Cấp I, II lấy kn = 1,49; cấp III lấy kn= 1,38; Cấp IV lấy kn = 1,31;
C- hệ số thực nghiệm, với trục xe 10T, lấy C = 3,55; trục xe 11T, lấy C = 3,25; trục xe 13T, lấy C = 3,05.
Giá trị Eyc tính được, cần thỏa mãn điều kiện không nhỏ hơn giá trị tối thiểu, được xác định bằng kinh nghiệm, phụ thuộc loại cấp hạng và loại mặt đường.
Trên cơ sở phân tích tính toán lý thuyết, kết hợp các kinh nghiệm từ thực tiễn, người ta đưa ra các toán đồ hoặc bảng tra, giá trị Eyc phụ thuộc loại kết cấu, tải trọng và lưu lượng xe tính toán.
Trong 22TCN 211-06, đã đưa ra bảng tra mô đun đàn hồi yêu cầu (mô đun đàn hồi tĩnh, xem bảng 2.5). Khi tính toán chỉ tiêu mô đun đàn hồi chung, quy định giá trị mô đun đàn hồi vật liệu bê tông nhựa lấy ở nhiệt độ 300C.
Bảng 2.7. Trị số mô đun đàn hồi (tĩnh) yêu cầu của mặt đường Loại tải trọng
trục T
Trị số môn đun đàn hồi yêu cầu (Eyc), MPa
tương ứng với lưu lượng xe chạy tính toán (trục/ngày đêm)
10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000
10 Loại A1 133 147 160 178 192 207 224
A2 91 110 122 135 153
B1 64 82 94
12 Loại A1 127 146 161 173 190 204 218 235
A2 90 103 120 133 146 163
B1 79 98 111
Để tiện trong tính toán thiết kế, giá trị mô đun đàn hồi yêu cầu nêu trong bảng 4.5, có thể xác định theo các công thức sau:
Eyc,N = Eyc,1N .km (MPa) (2.12) trong đó Eyc,1N - giá trị mô đun đàn hồi yêu cầu ứng với lưu lượng 1 trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm, có thể lấy gần đúng như sau:
với trục xe 10T, mặt đường loại A1, Eyc,1N = 48,57;
với trục xe 10T, mặt đường loại A2: Eyc,1N = 40,7;
với trục xe 12T, mặt đường loại A1: Eyc,1N = 53,0;
với trục xe 12T, mặt đường loại A2: Eyc,1N = 45,0;
km hệ số mỏi của vật liệu, có thể lấy :
km = (1+logN); (2.13) N- lưu lượng trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm.