ĐỒ án môn học THIẾT kế nền mặt ĐƯỜNG các GIẢI PHÁP THIẾT kế ổn ĐỊNH nền ĐƯỜNG

Định nghĩa  Áo đường là công trình trên nền đường gồm nhiều tầng lớp vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn so với nền đường để phục vụ cho xe chạy, chịu tác dụng trực tiếpcủa tải trọn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BỘ MÔN ĐƯỜNG Ô TÔ-ĐƯỜNG ĐÔ THỊ

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

63CDE GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN VĂN BÍCH

Hà Nội, 04/05/2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.1 CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VỚI ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.1.1 Định nghĩa

2.1.2 Yêu cầu cơ bản

2.2 SỐ LIỆU THIẾT KẾ

2.2.1 Số liệu đất nền

2.2.2 Yêu cầu độ nhám và độ bằng phẳng của kết cấu áo đường

2.2.3 Số liệu tải trọng trục xe

2.2.3.1 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

2.2.3.2 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

2.2.3.3 Số trục xe tính toán trên một làn xe

2.2.3.4 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (15 năm) (trục xe tiêu chuẩn/làn) 9 2.3 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

2.3.1 Chọn loại tầng mặt

2.3.2 Các đặc trưng củavật liệu kết cấu áo đường

2.3.3 Xác định modun đàn hổi yêu cầu Eyc

2.3.4 Xác định hệ số cường độ về độ võng

2.4 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ TẬP TRUNG

2.4.1 Dự kiến kết cấu áo đường

2.4.1.1 Chọn kết cấu tầng mặt

2.4.1.2 Chọn kết cấu tầng móng

2.4.2 Chọn phương án móng

2.4.2.1 Phương án 1

2.4.2.2 Phương án 2

2.4.2.3 Kết luận : so sánh hai phương án

2.5 KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG

2.5.1 Kiểm toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

2.5.2 Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính kết

2.5.2.1 Kiểm tra đất nền

2.5.2.2 Kiểm tra lớp 4 : cấp phối thiên nhiên loại A

2.5.3 Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các vật liệu liền khối

2.5.3.1 Kiểm tra lớp 1 : BTNC 12,5

i

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

2.5.3.2 Kiểm tra lớp 2 : BTNC 19

2.5.4 Kết luận

2.6 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KÌ

2.6.1 Phương án đầu tư phân kỳ:

2.6.1.1 Kết cấu 5 năm đầu (với = )

2.6.1.2 Kết cấu 10 năm sau (với = )

2.6.2 Kiểm toán phương án đầu tư phân kỳ 5 năm đầu

2.6.2.1 Kiểm tra cường độ trung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép 26 2.6.2.2 Kiểm tra tiêu chuẩn cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu đính kèm dính kết 27 2.6.3 Kiểm toán phương án đầu tư phân kỳ 10 năm tiếp theo (với E 2.6.3.1 Kiểm toán theo độ võng đàn hồi cho phép .

MỤC LỤC HÌNH VẼ

iii

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Đặc trưng tính toán của đất nền

Bảng 2-2 Yêu cầu về độ nhám mặt đường (theo 22TCN 278)

Bảng 2-3 Yêu cầu về độ bằng phẳng của mặt đường theo chỉ số IRI 277)

Bảng 2-4 Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Bảng 2-5 Thành phần dòng xe

Bảng 2-6 Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng

Bảng 2-7 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN

Bảng 2-8 Các đặc trưng của vật liệu kết cấu áo đường

Bảng 2-9 Các thông số vật liệu của phương án 1

Bảng 2-10 Tính toán chiều dày các lớp vật liệu của phương án 1

Bảng 2-11 Giá thành vật liệu của phương án 1

Bảng 2-12 Các thông số vật liệu của phương án 2

Bảng 2-13 Tính toán chiều dày các lớp vật liệu của phương án 2

Bảng 2-14 Giá thành vật liệu của phương án 2

Bảng 2-15 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán võng)

Bảng 2-16 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)

Bảng 2-17 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán cắt trượt cho đất nền)

Bảng 2-18 Thành phần dòng xe

Bảng 2-19 Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng

Bảng 2-20 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN

Bảng 2-21 Lớp áo đường mặt đường cấp cao A2 cho đầu tư phân kỳ giai đoạn 1 (5 năm đầu)

Bảng 2-22 Quy đổi 2 lớp KCAD cấp cao A2 về 1 lớp

Bảng 2-23 Các đặc trưng của vật liệu kết cấu áo đường

CHƯƠNG 1 CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.1 CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VỚI ÁO ĐƯỜNG MỀM

Các tài liệu, tiêu chuẩn thiết kế:

 Đường ô tô-yêu cầu thiết kế: TCVN 4054-05 [1]

 Thiết kế đường ô tô tập 2 [2]

 Áo đường mềm-các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế: 22TCN 211-06 [3]

 Mặt đường bê tông nhựa nóng-yêu cầu thi công và nghiệm thu:TCVN 8819-2011 [4]

 Lớp kếu cấu áo đường ô tô bằng cấp phối thiên nhiên-vật liệu, thi công và nghiêm thu: TCVN 8857:2011 [5]

 Lớp móng cấp phối đá dăm trong kết cấu áo đường ô tô-vật liệu thi công và nghiệm thu: TCVN 8859:2011 [6]

2.1.1 Định nghĩa

 Áo đường là công trình trên nền đường gồm nhiều tầng lớp vật liệu có cường độ và

độ cứng lớn hơn so với nền đường để phục vụ cho xe chạy, chịu tác dụng trực tiếpcủa tải trọng bánh xe chạy và sự phá hoại thường xuyên của các yếu tố thiên nhiên(mưa, gió, biến đổi nhiệt độ )

 Là bộ phận quyết định hiệu quả xe chạy (an toàn, êm thuận, kinh tế, vận doanh khai thác )

 Tác nhân gây phá hoại:

- Tải trọng động, trùng phục

- Tác động của môi trường (tác động nhiệt, nguồn ẩm )

2.1.2 Yêu cầu cơ bản

 Áo đường phải có đủ cường độ tối thiểu và ổn định cường độ:

- Chống biến dạng thẳng đứng

- Chống biến dạng trượt (không sinh biến dạng dẻo)

- Chống biến dạng co, dãn do chịu kéo uốn hoặc do nhiệt độ

- Chịu bào mòn

 Áo đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng nhất định: để giảm sức cản lăn,

giảm xóc khi xe chạy, do đó nâng cao được tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiên liệu

và hạ giá thành vận tải

 Bề mặt áo đường phải có đủ độ nhám cần thiết để nâng cao hệ số bám giữa bánh xe

và mặt đường để tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn, êm thuận với tốc độ cao

5

Giả thiết đất nền là loại á sét có lẫn sỏi sạn, có loại hình chế độ thủy nhiệt

và điều kiện gây ẩm loại Ⅱ (ẩm theo mùa, không đảm bảo thoát nước trên

mặt đất nhưng mực nước ngầm ở sâu) Các tính chất cơ lý và chế độ thủy nhiệt

của loại đất này sau khi được đầm lèn với độ ẩm tốt nhất và đạt được độ

chăt yêu cầu với nền đường Modun đàn hồi của loại đất này phụ thuộc vào sự

thay đổi vào sự thay đổi độ ẩm tương đối, các đặc trưng của nền đất được

chọn như Bảng B-3 [3]:

Bảng 2-1 Đặc trưng tính toán của đất nền

Loại đất

Á sét

2.2.2 Yêu cầu độ nhám và độ bằng phẳng của kết cấu áo đường

Với đường cấp Ⅳ miền núi, vận tốc thiết kế= 40 /ℎ :

− Độ nhám: Lớp trên cùng phải có một lớp tạo nhám có cấu trúc vĩ mô thích hợp

để đảm bào chiều sâu rắc cát trung bình Htb (mm) đạt tiêu chuẩn quy

định tùy theo tốc độ tính toán thiết kế và mức độ nguy hiểm của đoạn đường

thiết kế được quy định trong Bảng 28[1]

Bảng 2-2 Yêu cầu về độ nhám mặt đường (theo 22TCN 278)

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

30% số khe hở còn lại phải dưới 5mm Đói với mặt đường cấp cao A2 (xem Bảng 26[1]) tất

cả các khe hở phải dưới 5mm và đối với các mặt đường cấp thấp B1, B2 tất cả các khe hở

phải dưới 10mm

2.2.3 Số liệu tải trọng trục xe

2.2.3.1 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Khi tính toán cường độ của kết cấu nền áo đường theo 3 tiêu chuẩn (Kiểm toán ứng

suất cắt trong nền đất ; kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu ; kiểm

toán độ võng đàn hồi), tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô

có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, trên đường ô

tô các cấp thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở xuống

Các tải trọng tính toán này được tiêu chuẩn hóa ở Bảng 3.1[3]

Bảng 2-4 Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán tiêu

2.2.3.2 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Mục tiêu quy đổi ở đây là quy đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i về số

lần thông qua của tải trọng trục tính toán trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại với

kết cấu áo đường

Dựa vào kết quả điều tra giao thông đã dự báo được thành phần xe ở năm thứ nhất

sau khi được đưa và khai thác sử dụng Để phục vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu áo

đường cần quy đổi số trục khai thác về trục xe tính toán tiêu chuẩn loại 100 kN (10 tấn)

Bảng 2-6 Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào

khai thác sử dụng

Tải trung

Tải nặng

Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN :

Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo công thức 3.1[3] :

Trong đó :

- N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽthông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ngày đêm) ;

- ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần đượcquy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất).Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần mỗi loại xe i sẽ thông quamặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả

- C2=6,4 cho các trục trước và trục sau cho mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C2=1 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)Các xe tính toán có trục trước có 1 bánh, trục sau là cụm bánh đôi

Bảng 2-7 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN

Loại xe

Tải nhẹ

Tải trung

Tải nặng

8

Kết quả tính được N=410 (trục xe tiêu chuẩn/ ngày đêm)

Ghi chú : * Vì tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy đổi

(xem mục 3.2.3 [3])

2.2.3.3 Số trục xe tính toán trên một làn xe

Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tínhtoán tiêu chuẩn sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trong một ngàyđêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kỳ bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết

kế quy định tại mục 1.2.3 [3] tùy thuộc loại tầng mặt dự kiến lựa chọn cho kết cấu

= 15 = 410 (trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm)

Vậy = , = (trục/làn/ngày đêm)

2.2.3.4 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (15 năm) (trục xe tiêu chuẩn/làn)

Tỷ lệ tăng xe hàng năm là q=6% ta tính Ne theo biểu thức (A-3)[3] :

 Cấp thiết kế của đường là cấp Ⅳ miền núi, Vtk=40 km/h

 Thời hạn thiết kế là 15 năm

 Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế là 0,85.106 (trục xe tiêu chuẩn/làn/ngđ)

Dựa vào Bảng 2-1[3] và ý nghĩa quan trọng của tuyến đường ta kiến nghịchọn mặt đường cấp cao loại A1

- BTNC 12,5 làm lớp mặt trên

- BTNC 19 làm lớp mặt dưới

9

2.3.2 Các đặc trưng củavật liệu kết cấu áo đường

Để phù hợp với cấp đường đã chọn và nguồn nguyên liệu của địa phươngcũng như trình độ thi công của nhà thầu, có thể dùng một số vật liệu làm kết cấu

áo đường có các đặc trưng tính toán sau dựa vào phụ lục C, Bảng C-2[3]

Bảng 2-8 Các đặc trưng của vật liệu kết cấu áo đường

STT

12456

7

2.3.3 Xác định modun đàn hổi yêu cầu Eyc

Trị số modun đàn hồi yêu cầu được xác định theo Bảng 4[3] và Bảng 5[3], tùy thuộc vào Ntt và phụ thuộc vào loại tầng mặt của kết cấu áo đường

3-= max{ , } (Mpa)

Trong đó:

- : mô đun đàn hồi tối thiểu (theo Bảng 3-5[3])

- : mô đun đàn hồi yêu cầu theo lưu lượng xe tính toán (theo Bảng 4[3])

3-Với lưu lượng tính toán 15 = 226 (trục/ngày đêm/làn) Theo yêu cầu trên, ta nội suy ra được = 162 (Mpa)

2.3.4 Xác định hệ số cường độ về độ võng

Hệ số ổn định cường độ về độ võng phụ thuộc vào độ tin cậy thiết kế tùy theo loại và cấp hạng đường

Đối với đường cấp Ⅳ, theo Bảng 3-3[3] ta chọn độ tin cậy thiết kế là 0,85

Từ độ tin cậy trên, theo Bảng 3-2[3], ta xác định được Hệ số cường độ về võng là:

= 1,06

Do đó, [ ℎ ] = = 162 × 1,06 = 171 Mpa

2.4 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ TẬP TRUNG

2.4.1 Dự kiến kết cấu áo đường

10

Nguyên tắc bố trí cấu tạo tầng móng (xem mục 2.3[3]):

- Nên gồm nhiều lớp, lớp trên bằng các vật liệu có cường độ vàkhả năng chống biến dạng cao hơn các lớp dưới để phù hợpvới trạng thái phân bố ứng suất và hạ giá thành xây dựng

- Cỡ hạt lớn nhất của vật liệu làm các lớp móng phía trên nên chọn loại nhỏ hơn so với cỡ hạt lớn nhất của lớp dưới

- Trong mọi trường hợp đều nên tận dụng vật liệu tại chỗ (gồm

cả các phế thải công nghiệp) để làm lớp móng dưới

Do đó, đề xuất 2 phương án như sau:

dưới là vật liệu cấp phối đá dăm loại II

dưới bằng cấp phối thiên nhiên loại A

Đối với bê tông nhựa không quá 8cm; đối với các loại vật liệu có gia cố chất liên kết là không quá 15cm và đối với các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết là không quá 18cm.

 Đề ra các giải pháp thiết kế kết cấu áo đường rồi so sánh mô đun đàn hồichung của cả kết cấu áo đường với mô đun đàn hồi yêu cầu và so sánh chi phíxây dựng ban đầu giữa các giải pháp Từ đó chọn ra giải pháp hợp lý nhất về kinh

tế để tiến hành kiểm toán theo 3 trạng thái về cường độ đã quy định ở Chương3[3]

11

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

Hình 2-1 Mặt cắt kết cấu áo đường phương án 1

Hình 2-2 Mặt cắt kết cấu áo đường phương án

2 2.4.2 Chọn phương án móng

Với hai phương án móng được đề xuất, điều tra giá thành các loại vật liệu móng tại Công ty TNHH Quỳnh Trang (Mỏ đá Tẳng Đán, bản Mường, xã Thân Thuộc, huyện Tân Uyên), Lai Châu nơi tuyến đường đi qua là:

- Cấp phối đá dăm loại Ⅰ: 320.000 (đ/m3)

- Cấp phối đá dăm loại Ⅱ: 228.181 (đ/m3)

Bảng 2-9 Các thông số vật liệu của phương án 1

Lớp1234

Nền đất (Á Sét)Đối với các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết thì chiều dày đầm nén có

hiệu quả nhất là không quá 18cm mục 2.4.3[3]

Từ các số liệu trên ta tính được mô đun chung của tầng móng và đất

nền Ech3 theo sơ đồ tính dưới đây :

Tính toán bề dày tầng móng (h3,h4) , kết quả chọn chiều dày lớp móng dưới

Để tiện so sánh và tính toán một cách đơn giản nhất, kiến nghị xác định

giá vật liệu cho một lớp móng dày bằng bề dày xác định, dài 1000m (1km) rộng 1m

2.4.2.2 Phương án 2

Bảng 2-12 Các thông số vật liệu của phương án 2

Lớp1

34

Nền đất (Á Sét)

Thực hiện tương tự như phương án 1 :

Ta có kết quả được thống kê dưới các bảng sau :

Bảng 2-13 Tính toán chiều dày các lớp vật liệu của phương án 2

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

Kiến nghị chọn giải pháp là rẻ nhất và tiện cho thi công nhất, là giải pháph3=15cm và h4=41cm Lớp móng dưới có thể thi công 3 lớp với chiều dày 14cm, 14cm và13cm Với chiều dày thi công như vậy, máy đầm nén sẽ đạt hiệu quả lớn nhất

2.4.2.3 Kết luận : so sánh hai phương án

Phương án 1 : lớp móng trên cấp phối đá dăm loại I, có chiều dày h3=18cm ; lớp

móng dưới là cấp phối đá dăm loại II có chiều dày h4=38cm, giá thành là 121,490,680đ cho1km móng đường rộng 1m

Phương án 2 : lớp móng trên là cấp phối đá dăm loại I có chiều dày h3=15cm, lớp

móng dưới là cấp phối thiên nhiên loại A có chiều dày h4=41cm, giá thành là 85,820,000đ cho 1km móng đường rộng 1m

Do đó chọn phương án 2 là phương án kết cấu áo đường tập trung để tiến hành kiểm

toán theo 3 TTGH

2.5 KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG

2.5.1 Kiểm toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ NỀN MẶT ĐƯỜNG

Bảng 2-15 Bảng thông số tính toán Etb (kiểm toán võng)

Lớp KCCấp phốithiên nhiênloại ACPĐDL ⅠBTNC 19BTNC 12,5Với H/D = 65/33 = 1,970 nên trị số

Vậy KCAD đảm bảo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi.

2.5.2 Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém

dính kết

Để kiểm tra ta tính ổn định của kết cấu áo đường theo điều kiện cân bằng

giới hạn về trượt trong nền đất, điều kiện là:

+

Trong đó:

- Tax là ứng suất cắt hoạt động lớn do tải trọng bánh xe tính

toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính