ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

Yêu cầu về độ bằng phẳng của mặt đường theo chỉ số IRI Tốc độ thiết kế Vtk Km/h Chỉ số IRI yêu cầu đường xây dựng mới Độ bằng phẳng cũng được đánh giá bằng thước dài 3,0 m theo 22TCN16

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ NỀN MẶT

ĐƯỜNG _

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN BÍCH

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

Mặt đường là bộ phận trực tiếp chịu sự phá hoại thường xuyên của các phương tiện giao thông và các yếu tố của môi trường tự nhiên, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vận hành và khai thác của đường cũng như giá thành xây dựng công trình

Yêu cầu đối với áo đường

Đối với đường cấp IV đồng bằng và đồi, tốc độ thiết kế V=60 Km/h

- Độ nhám: Lớp trên cùng phải có một lớp tạo nhám để đảm bảo chiều sâu rắc cắt trung bình Htb (mm) đạt tiêu chuẩn quy định theo Bảng 28[TCVN4054-05]

Bảng 1-1 Yêu cầu về độ nhám của mặt đường

Tốc độ thiết kế

Vtk (Km/h)

Chiều sâu rắc cát trung bình Htb (mm)

Đặc trưng độ nhám bề mặt

- Độ bằng phẳng: Phải đảm bảo đủ thông qua chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI (m/km) được quy định ở Bảng 29 [TCVN4054-2005]

Bảng 1-2 Yêu cầu về độ bằng phẳng của mặt đường theo chỉ số IRI

Tốc độ thiết kế Vtk

(Km/h)

Chỉ số IRI yêu cầu (đường xây dựng

mới)

Độ bằng phẳng cũng được đánh giá bằng thước dài 3,0 m theo 22TCN16-79 Đối với mặt đường cấp cao A1 70% số khe hở phải dưới 3 mm và 30% số khe hở còn lại phải dưới 5 mm

Tính toán kết cấu áo đường mềm theo TCVN 4054-2005 và 22 TCN 221-06

Sử dụng đơn giá xây dựng cơ bản tỉnh Quảng Ninh 2018

1.1 Xác định các số liệu phục vụ tính toán

1.1.1 Tải trọng

1.1.1.1 Tải trọng tính toán

+ Tải trọng trục tiêu chuẩn 100 kN;

+ Áp lực tính toán lên măt đường P = 0.6 Mpa;

+ Đường kính vệt bánh xe 33 cm

Các số liệu tính toán: lưu lượng xe năm thứ 15 là 1260 xe/ng.đêm

Trong đó :

Xe con : 40% ;

Xe tải nhẹ : 20% (trục trước 18KN, trục sau 56KN, bánh đôi) ;

Xe tải trung : 30% (trục trước 25.8KN, trục sau 69.6KN, bánh đôi) ;

Xe tải nặng :10% (trục trước 48.2KN, trục sau 100KN, bánh đôi)

Hệ số tăng trưởng lưu lượng xe hàng năm q = 0,05 (5%)

Chỉ xét đến các trục có trọng lượng trục từ 25 kN trở lên nên ta chỉ xét

tới các loại xe tải trong thành phần dòng xe

Bảng 1-3 Sự phân bổ tải trọng lên các trục của các loại xe

(kN)

P trục sau(kN)

Số trục sau

Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau

K/c giữa

2 trục(m)

Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo biểu thức (3.1) [22TCN211-06]

4 4 1 2 1

tt i k

P n C C

N 

=

Trong đó:

ni: lưu lượng loại xe thứ i thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy

C1 hệ số trục được xác định theo biểu thức sau :

C1= 1 + 1,2(m-1);

Với m = số trục của cụm trục i

C2 hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với cụm bánh chỉ có 1 bánh: C2 = 6,4;

với cụm bánh có 4 bánh: C2 = 0,38

Các xe tính toán trục trước và trục sau đều 1 trục, trục trước có 1 bánh , trục sau có cụm bánh đôi

Bảng 1-4 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN năm thứ 15

Kết quả tính được N tk(15) = 262 trục xe tiêu chuẩn / ngày đêm

Xác định theo biểu thức :

Ntt = Ntk  fL (trục / làn.ngày đêm)

Với đường cấp IV trên phần xe chạy có 2 làn xe, không có dải phân cách thì lấy fL=0,55

Ntk: tổng số trục xe quy đổi từ loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở cuối năm cuối của thời hạn thiết

kế

 Ntk = 262 (trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm)

Vậy 𝑁𝑡𝑡15 = 262 x 0,55= 144.1 (trục/ làn.ng đ)

1.1.1.4 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong thời hạn tính toán 15 năm

Tỷ lệ tăng xe tải hàng năm là q =0,05 ta tính Ne theo biểu thức (A-3) [22TCN211-06]

 ( ) 

t t

t

q q

q

) 1 (

1 1

1

−

+

− +

=

Ne =(1+0.05)15−1

Ne= 0.57 × 106 (trục tiêu chuẩn/ làn)

+ Cấp thiết kế của đường là cấp IV đồng bằng vàđồi Vtk = 60km/h ;

+ Thời hạn thiết kế là 15 năm ; + Số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trên một làn xe trong thời hạn thiết

kế là 0.57 × 106 (trục xe tiêu chuẩn / làn)

Tham khảo bảng 2-1 [22TCN211-06] lựa chọn tầng mặt đường cấp cao A1 tuy nhiên xét đến :

- Chức năng của tuyến đường là đường trục chính nối các trung tâm kinh tế chính trị của địa phương, 𝑉𝑡𝑘 = 60 𝑘𝑚/ℎ

- Tuyến đường có lưu lượng xe lớn 1260 xe/ng đêm

- Bề rộng nền đường lớn B = 9 m

Do vậy kiến nghị lựa chọn tầng mặt đường cấp cao A1

+ Bê tông nhựa chặt (Đá dăm ≥ 50%) làm lớp mặt trên ; + Bê tông nhựa chặt (Đá dăm ≥ 35%) làm lớp mặt dưới

Dự kiến tầng mặt cấp cao A1 đặt trên lớp móng là cấp phối đá dăm

loại I thì tổng bề dày tầng mặt lấy theo bảng 2-2 22TCN211-06

Do tổng số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong 15 năm trên 1 làn xe

Ne= 0.57.106 > 0.5106 nên bề dày tối thiểu của 2 lớp bê tông nhựa là 8

cm

Đề xuất chọn bề dày 10 cm (tăng chiều dày tầng mặt để giảm chiều dày tầng móng để thuận tiện cho việc lu lèn)

Đất nền

Theo kết quả khảo sát, đất nền có loại hình chế độ thủy nhiệt và điều kiện gây ẩm loại II, có một số lớp đất như sau:

C(Mpa)

1.1.2 Vật liệu

Để phù hợp với cấp đường đã chọn và nguồn nguyên liệu của địa phương cũng như trình độ thi công của nhà thầu ta có thể dùng một số vật liệu làm áo đường có các đặc trưng sau:

Bảng 1-5 Các đặc trưng cơ lí của vật liệu làm đường

E (MPa) R n C  Tính

độ võng

Tính cắt trượt

Tính kéo uốn

MPa MPa độ

5 Cấp phối đá dăm loại II 250

Dùng toán đồ Kogan để tra mô đun đàn hồi Trước khi tra phải quy đổi về hệ 2 lớp

1.2 Thiết kế kết cấu áo đường

1.2.1 Đề xuất phương án kết cấu tầng mặt áo đường

Kết cấu tầng mặt áo đường thường được làm bằng vật liệu đắt tiền nên thường chọn giá trị nhỏ để đảm bảo kinh tế, trên cở sở tổng bề dày 2 lớp mặt đường không được nhỏ hơn 8 cm Để thuận tiện cho thi công kiến nghị chọn:

Lớp 1: Bê tông nhựa chặt (Đá dăm ≥ 50%) E1 = 420 MPa; h1= 4cm Lớp 2: Bê tông nhựa chặt (Đá dăm ≥ 35%) E2 = 350 MPa; h2= 6cm

1.2.2 Chọn loại tầng móng

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu đựơc xác định theo bảng 3-4 và bảng 3-5 ( 22TCN211-06)tuỳ thuộc vào Ntt và tuỳ thuộc vào tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế

𝑁𝑡𝑡15= 144.1 (trục/ làn.ngđ) Tra bảng 3-4  Eyc= 152.59 Mpa Trị số mô đun đàn hồi xác đình theo bảng 3-4 không được nhỏ hơn trị

số tối thiểu quy định ở Bảng 3-5

Với đường cấp IV và loại tầng mặt của kết cầu áo đường thiết kế là cấp cao A1 ta có trị số Eycmin= 130 (MPa)

Vậy Eyc(15)=152.59 (MPa)

1.2.2.1 Modun chung kết cấu áo đường

Điều kiện tính toán

Theo tiêu chuẩn 22 TCN211-06 kết cấu áo đường được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cầu nền áo đường Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng dv

cd

K được xác định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn

Ech dv

cd

Xác định hệ số cường độ và chọn độ tin cậy mong muốn

Dựa theo Bảng 3-3 (22TCN211-06) với đường cấp IV Vtk = 60 Km/h ta lựa chọn độ tin cậy thiết kế là 0,9

Tra Bảng 3-2 (22TCN211-06) ta có : dv

cd

cd

K Eyc = 1.1 152.59 = 167.85 (MPa)

Chọn Ech(15)= K cddvEyc = 167.85 (MPa) và tính theo bài toán truyền

tải trọng để tính ra chiều dày các lớp móng

1.2.2.2 Cấu tạo tầng móng và chọn phương án móng

Xác định môđun yêu cầu của lớp móng

+ Xác định môđun yêu cầu của lớp mặt:

1

2

Từ các số liệu trên, tính được mô đun đàn hồi chung của tầng móng và đất nền Ech1 và Ech2 theo sơ đồ tính dưới đây:

𝐻 1

33 = 0.1212

𝐸𝑐ℎ1

420 = 0.398 } 𝐸 ch2

𝐸1 = 0.385 (Tra toán đồ Kogan)

 E ch2 = 420 × 0.385 = 161.7 (MPa)

𝐻2

33 = 0.1818

𝐸𝑐ℎ2

350 = 0.46 } 𝐸ch3

𝐸 2 = 0.425 (Tra toán đồ Kogan)

 E ch3 =350 × 0.425 = 148.75 (MPa)

Kết luận: Tầng móng có E ch3 = 148.75 (MPa)

Đề xuất 2 phương án móng:

Ech2

E 1 , h 1

E 2 , h 2

E 3 , h 3

E 4 , h 4

Nền đất

E = 46MPa

Ech3

Ech4

Ech1

Phương án I : Chọn móng trên bằng cấp phối đá dăm loại I và móng dưới

bằng cấp phối đá dăm loại II.Tầng mặt bằng 2 lớp bê tông nhựa chặt loại 1 có tổng bề dày là 10cm

Phương án II : Chọn móng trên bằng đá gia cố xi măng và móng dưới

bằng cấp phối đá dăm loại II Tầng mặt bằng 2 lớp bê tông nhựa chặt loại 1 có tổng bề dày là10cm

Bảng 1-6 Phương Án I

Từ các số liệu trên, tính được mô đun đàn hồi chung của tầng móng và đất nền Ech1 theo sơ đồ tính dưới đây:

-Giả thiết h3 =16 cm ta đi tìm chiều dày của lớp h4

Ech3=186.2 Mpa

-Ta có:

{

𝐻3

16

𝐸𝑐ℎ3

148.75

Tra toán đồ cogan ta có:

 𝐸𝑐ℎ4

𝐸3 = 0.347 Ech4=0.34 x 300= 104.1 Mpa

+ Xét hệ 2 lớp:

{

𝐸0

46

𝐸𝑐ℎ4

104.1

-Tra toán đồ cogan:

 H

D= 0.88 H = 0.88×33 = 29.04 cm

Vậy chọn h4 = 30 cm

=>Tính toán tương tự cho các trường hợp sau Ta có bảng dưới đây:

Tra toán đồ Tra toán đồ

h 3 h 3 /D E ch3 /E 3 E ch4 /E 3 E ch4 E ch4 /E 4 E 0 /E 4 h 4 /D h 4 Chọn

15 0,45

0,49

0,362 108.6 0,43

0,18

0,92 30,6 31

16 0,48 0,347 104.1 0,41 0,88 29.04 30

17 0,51 0,322 96.6 0,38 0,86 28.38 29

18 0,54 0,303 90.9 0,36 0,84 27,72 28

Dựa vào đơn giá xây dựng cơ bản của Liên sở Tài chính- Xây dựng tỉnh Quảng Ninh năm 2018 ta tính giá thành xây dựng mỗi giải pháp móng như sau:

Đơn giá xây dựng tỉnh Quảng Ninh quý II năm 2018:

Danh mục

đơn giá Mã hiệu Đơn vị Vật liệu Nhân công Máy Đơn giá Cấp phối đá

dăm loại I AD.11222 100m3 9.230.000 1.082.400 2.352.320 23.962.530 Cấp phối đá

dăm loại II AD.11212 100m3 9.230.000 959.400 2.408.234 23.406.170

Bảng 1-7 Bảng giá thành các giải pháp của phương án móng I

Giải pháp Cấp phối đá dăm loại I Cấp phối đá dăm loại II Tổng giá thành

h 3 (cm) Giá thành h 4 (cm) Giá thành

1 15 3.594.379 26 6085604 9679983

2 16 3.714.004 25 5851542 9565546

3 17 4.193.630 24 5617480 9811110

4 18 4.493.255 23 5383419 9876674

Phương án II:

𝐸0

𝐸 = 46

250 = 0,18

𝐸𝑐ℎ4

𝐸4 =88.2

250 = 0,35 Tra toán đồ kogan:

 H

D= 0,64  H = 0,64.33 = 21.12 cm

Vậy chọn h4= 22 cm

=>Tính toán tương tự cho các trường hợp sau Ta có bảng dưới đây:

h 3 h 3 /D E ch3 /E 3 E ch4 /E 3 E ch4 E ch4 /E 4 E 0 /E 4 h 4 /D h 4 Chọn

12 0,364

0,247

0,172 103,2 0.41

0,18

Dựa vào đơn giá xây dựng cơ bản của Liên sở Tài chính- Xây dựng tỉnh Quảng Ninh quý II năm 2018 ta tính giá thành xây dựng mỗi giải pháp móng như sau:

Đơn giá xây dựng tỉnh Quảng Ninh quý II năm 2018:

Danh mục

Đơn

Đá gia cố xi măng

trạm trộn 30m3/h,

tỷ lệ xi măng 5%

AD.12320 100m3 18.936.157 7.141.380 4.307268 42.858.380

Cấp phối đá dăm

3 9.230.000 1.082.400 2.352.320 23.406.170

Bảng giá thành các giải pháp của phương án móng II

Giải pháp Đá gia cố 6% xi măng Cấp phối đá dăm loại II Tổng giá

thành

h 3 (cm) Giá thành h 4 (cm) Giá thành

Kiến nghị chọn giải pháp có giá thành trên 100m2 là rẻ nhất và tiện cho thi công nhất: giải pháp 3 có h3= 14cm; h4=25cm, có giá thành là 11.617.654 đồng/100m2 là rẻ nhất

=>kết luận: Qua so sánh giá thành 2 phương án móng chọn phương án I: lớp

trên là cấp phối đá dăm loại I có chiều dày h3=16cm; lớp dưới là cấp phối đá dăm loại II có chiều dày h4= 30 cm; giá thành là 9,565,546 đồng/100m2 để đưa vào xây dựng

Kết cấu áo đường phương án đầu tư tập trung được trình bày dưới đây:

Ech = 148.75 Lớp mặt trên H1 = 4 cm; BTN(Đá dăm ≥ 50%) , E 2 = 420 (MPa)

Lớp mặt dưới H 2 = 6 cm; BTN(Đá dăm ≥ 35%) E 2 = 350 (MPa)

Lớp móng trên H 3 = 16 cm; Cấp phối đá dăm loại I, E 3 = 300 (MPa)

Lớp móng dưới H 4 = 30 cm; Cấp phối đá dăm loại II, E 4 = 250 (MPa)

1.3 Tính toán kiểm tra kết cấu áo đường

1.3.1 Kiểm tra tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn

Để kiểm tra tính ổn định của kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn, điều kiện là:

Ech  dv

cd

K Eyc

- Chuyển hệ nhiều lớp thành hệ 2 lớp bằng cách đổi nhiều lớp kết cấu

áo đường lần lượt 2 lớp 1 từ dưới lên theo công thức:

3 3 / 1 1

1

1











 +

+

=

k

t k E

E tb

k =

1

2

h

h

; t =

1

2

E

E

; Htb = h1 + h2

Bảng 1-8 Kết quả tỉnh độ võng đàn hồi

STT Lớp vật liệu (từ trên xuống) Ev

(MPa)

t =

E 2 /E 1

h i

(cm)

k =

h 2 /h 1

H tb

(cm)

E' tb

(MPa)

1 BTN chặt loại I (đá dăm ≥ 50%) 420 1.504 4 0.082 53 288.61

2 BTN chặt loại I (đá dăm ≥ 35%) 350 1.295 6 0.140 49 279.25

4 Cấp phối đá dăm loại II 250 0.000 25 0.000 25 250.00

Với H/D = 53/33 = 1,606 nên trị số Etbtt của kết cấu được nhân thêm hệ

số điều chỉnh  tra bảng được  = 1,186 (3-6:22TCVN211-06)

{

𝐻

𝐷 =53

33 = 1,606

𝐸0

Etb = 46

342.29 = 0,134 𝐸𝑐ℎ1

Etb = 0,519 (Tra toán đồ Kogan)

 Ech1 = 0,519 x 342.29 = 177.65 (MPa)

Với E1 = Etb Mà dv

cd

K Eyc = 1,1 x 152,59=167,84 (MPa)

Ta thấy điều kiện: Ech1 = 177,65 > dv

cd

K Eyc = 167,84

 Kết cấu đảm bảo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi

1.3.2 Kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất

- Để kiểm tra tính ổn định của kết cấu áo đường theo điều kiện cân bằng giới hạn về trượt trong nền đất, điều kiện là:

tr cd

tt av ax

K

C T

Trong đó:

Tax = ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính (MPa)

Tav = ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bản thân các lớp vật liệu nằm trên gây ra tại điểm đang xét (MPa)

K = hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tùy thuộc vào

độ tin cây thiết kế Với đường cấp IV, hai làn xe chọn độ tin cậy bằng 0.9

K = 0,94

Ctt = Lực dính tính toán của nền đường hoặc vật liệu kém dính (MPa) ở trạng thái độ ẩm, độ chặt tính toán

Đổi các lớp kết cấu áo đường về 1 lớp có bảng tính toán

Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng sau:

STT Lớp vật liệu (từ trên xuống) Etr

(MPa)

t =

E 2 /E 1

h i

(cm)

k =

h 2 /h 1

H tb

(cm)

E' tb

(MPa)

1 BTN chặt loại I (đá dăm ≥ 50%) 300 1.121 4 0.082 53 270.01

2 BTN chặt loại I (đá dăm ≥ 35%) 250 0.925 6 0.140 49 267.65

4 Cấp phối đá dăm loại II 250 0.000 25 0.000 25 250.00

Với H/D =53/33 =1,606 nên trị số Etbtt của kết cấu được nhân thêm hệ

số điều chỉnh  tra bảng được  = 1,186

Vậy Etb = 1,186 x 270,1 = 320,24 (MPa)

- Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây

ra trong nền đất Tax: H/D =63/33 = 1,606

𝐸𝑡𝑏

𝐸0 =320,24

46 = 6.962 Với góc  = 270 Tra toán đồ Hình 3-2(22TCN211-06) (toán đồ tìm ứng suất cắt chủ động ax ở lớp dưới của hệ hai lớp khi các lớp cùng làm việc) có:

𝜏ã𝑥

𝑝 = 0,0147(MPa)

- Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tỉnh toán gây ra:

𝜏ã𝑥 = 0,0147 × 0.6 = 0.0088

- Xác định ứng suất cắt hoạt động Tav do trọng lượng bản thân mặt đường

Từ H = 61 cm,  = 270 → Tra toán đồ Hình 3-4(22TCN211-06) (toán

đồ tìm ứng suất cắt chủ động do trọng lượng bản thân mặt đường) có:

av = -0,0016 (MPa)

-Ứng suất cắt hoạt động trong đất:

ax + av = 0,0088 - 0,0016 = 0,0072 (MPa) -Xác định trị số C theo công thức 3-8 (22TCN211-06) ta có:

tr cd

→ tr cd

Ctt = C k1 k2 k3

Trong đó:

k1: Hệ số xết đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng của tải trọng động và gây dao động k1 = 0,6

k2: Hệ số an toàn xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu

K2 được xác định tuỳ thuộc số trục xe quy đổi theo bảng 3-8 [22TCN211-06]

 k2 = 0,8

(Ntt =410,77 trục <1000 trục/ngđ/làn)

Và k3 = 1,5 do đất nền thuộc loại á cát, á sét và sét

C = 0,022

 Ctt =0,038 x 0,6 x 0,8 x 1,5 = 0,027 (MPa)

- Kiểm toán lại điều kiện tính toán cường độ theo tiêu chuẩn chịu cắt

cd

tt av ax

K

C T

T + 

Với đường cấp IV, độ tin cậy yêu cầu ở bảng 3-3 [22TCN211-06] bằng 0,9 do vậy Kcdtr = 0,94

𝐶𝑡𝑡

𝐾𝑐𝑑𝑡𝑟 =0.027

0.94 = 0,029 (MPa)

Điều kiện: ax + av = 0,0092  0,029 = tr

cd

tt K

C

được đảm bảo

 Nền đất đảm bảo điều kiện chống trượt

1.3.3 Kiểm tra cường độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn các lớp bê tông nhựa

Điều kiện:

ku  ku

cd

ku tt

K

R

Trong đó:

- K = hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết

kế giống như với trị số K ;

- R = cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối;

-  ku = ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

ku

cd

tr cd ku

tt