Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả kinh tế vật liệu cát gia cố xi măng của dự án thi công đường nối quốc lộ 51 vào cảng cái mép thị vải,luận văn thạc sỹ xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Phải cố gắng chọn vật liệu có chất lượng tốt tại chổ để đắp nền đường các loại đất đá có cường độ cao, ổn định với nước, tính co nhỏ, tiện thi công đầm nén, cự ly vận chuyển ngắn, khi c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA VẬT LIỆU CÁT GIA CỐ XI MĂNG CỦA DỰ ÁN ĐƯỜNG NỐI TỪ QL 51

VÀO CẢNG CÁI MÉP THỊ VẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số : 60.58.02.05.01

Học viên : Nguyễn Thanh Tùng

Lớp : Cao học - Xây dựng đường ôtô và đường thành phố K19 GVHD : TS Vũ Thế Sơn

TP HỒ CHÍ MINH 2014

1

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1 Họ và tên học viên: Nguyễn Thanh Tùng

Tel: 0903.07.73.76 Mail: tung25121985@yahoo.com.vn

2 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

3 Lớp: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố K19

4 Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Giao thông Vận tải – Cơ sở II

5 Người hướng dẫn: TS Vũ Thế Sơn

Tel: 0949.757.248 Mail: sonthevu@gmail.com

Tên đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả kinh tế của vật liệu cát gia cố

xi măng của dự án thi công đường nối QL51 vào cảng Cái mép- Thị vải”

Học viên thực hiện

2

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HIỆN NAY 7

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 7

1.1.1 CẤU TẠO NỀN ĐƯỜNG VÀ MẶT ĐƯỜNG 7

1.1.2 YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG 8

1.1.3 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG 9

1.1.4 YÊU CẦU VỀ ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG, SAN NỀN CÁC CÔNG TRÌNH 10

1.2 CƠ SỞ YÊU CẦU CƠ BẢN VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM KHI XÂY DỰNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 12

1.2.1 Cơ sở xây dựng kết cấu áo đường 12

1.2.2 Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế xây dụng kết cấu áo đường 13

1.2.3 Một số vân đề khác cần quan tâm khi thiết kế kết cấu áo đường 14

1.3 LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HIỆN NAY 14

1.3.2 Phương pháp hiện hành cuả bộ GTVT 22TCN 211-06 15

1.3.3 Phương pháp tính toán của Trung Quốc trong quy trình JTJ014-86 19

1.4 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HIỆN HÀNH CỦA BỘ GTVT 22TCN 211-06 22

1.4.1 Căn cứ lựa chọn 22

1.4.2 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 25

1.4.3 Độ tin cậy 26

1.4.4 Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu: 27

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 29

CHƯƠNG 2: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LİỆU CÁT GİA CỐ Xİ MĂNG 31

2.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LİỆU CÁT GİA CỐ Xİ MĂNG 31

2.1.1 Khái niệm cát gia cố xi măng 31

2.1.2 Thành phần của vật liệu cát gia cố xi măng 31

2.1.3 Tính chất kỹ thuật của cát gia cố xi măng 33

2.1.4 Phân loại cát gia cố xi măng 33

2.1.5 Phạm vi áp dụng của vật liệu 33

2.1.1 Yêu cầu về khả năng chịu lực của vật liệu 34

2.2 NGHİÊN CỨU CÔNG NGHỆ THI CÔNG SỬ DỤNG VẬT LİỆU CÁT GİA CỐ Xİ MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 35

2.2.1 Công nghệ thi công vật liệu cát gia cố xi măng 35

2.2.2 Công nghệ thi công trộn tại chỗ 35

2.2.3 Công nghệ thi công trộn tại trạm trộn 38

2.2.4 Các loại máy sử dụng và tính năng kỹ thuật yêu cầu 39

2.2.5 Kiểm tra và nghiệm thu lớp cát gia cố xi măng 40

2.3 CHỈ DẪN KỸ THUẬT KHI THI CÔNG LỚP CÁT GIA CỐ XI MĂNG 43

2.3.1 Mô tả 43

2.3.2 Các yêu cầu về vật liệu 43

2.3.3 Vật liệu 43

2.3.4 Các yêu cầu thi công 44

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 49

3

CHƯƠNG 3: SO SÁNH ĐÁNH GİÁ HİỆU QUẢ KHİ SỬ DỤNG VẬT LİỆU CÁT GİA CỐ Xİ MĂNG CỦA DỰ ÁN XÂY DỰNG ĐƯỜNG NỐİ TỪ QL51 VÀO CẢNG

QUỐC TẾ CÁİ MÉP THỊ VẢİ 51

3.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN CỦA KHU VỰC DỰ ÁN: 51

3.1.1 Địa lý 51

3.1.2 Khí hậu 51

3.1.3 Địa hình 51

3.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH 52

3.2.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật 53

3.2.3 Quy mô công trình 54

3.2.4 Điều kiện địa hình tự nhiên của tuyến đường Liên Cảng Cái Mép – Thị Vải, đoạn III (lý trình km7+199.25 ÷ km9+612.64) 54

3.3 THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO LỚP CÁT GIA CỐ XI MĂNG 59

3.3.1 Vật liêu cát 59

3.3.2 Xi măng: 62

3.3.3 Nước trộn 64

3.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA VẬT LIỆU CÁT GIA CỐ XI MĂNG 64

3.4.1 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Edh của cát gia cố 4% xi măng 64

3.4.2 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Edh của cát gia cố 6% xi măng 66

3.4.3 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Edh của cát gia cố 8% xi măng 67

3.4.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm Eđh 68

3.5 GİẢ THUYẾT SỬ DỤNG VẬT LİỆU TRUYỀN THỐNG THAY THẾ VẬT LİỆU CÁT GİA CỐ Xİ MĂNG LÀM LỚP MÓNG DƯỚİ 69

3.5.2 Một số nguyên tắc khi đề xuất kết cấu áo đường hợp lý 70

3.5.3 Đề xuất phương án kết cáu áo đường thay thế 71

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 79

3.7 KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 80

4

Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1: Độ chặt quy định của nền đường 10

Bảng 1.2: Trị số tối thiểu của môđun đàn hồi yêu cầu (MPa) [8] 23

Bảng 1.3: Trị số Môđun đàn hồi yêu cầu [8] 24

Bảng 1-4: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn [8] 25

Bảng 1-5: Chọn độ tin cậy thiết kế tùy theo loại và cấp hạng đường [8] 27

Bảng 1-6: Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa 22TCN 211-06 [8] 27

Bảng 1-7: Các đặc trưng tính toán của các vật liệu làm móng đường 22TCN 211-06 [8] 28

Bảng 2-1: Cường độ giới hạn yêu cầu 34

Bảng 2-2: Sai số cho phép đối với lớp móng dưới ổn địng bằng xi măng-cát 49

Bảng 3-1: Bảng mực nước cao nhất tại sông Thị Vải và vịnh Gành Rái 57

Bảng 3-2: Chỉ tiêu cơ lý trung bình của đất yếu (lớp 1) 58

Bảng 3-3: Chỉ tiêu cơ lý trung bình của lớp cát (lớp 2) 58

Bảng 3-4: thành phần hạt của cát 59

Bảng 3-5: khối lượng thể tích khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất 60

Bảng 3-6: kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Edh của cát 61

Bảng 3-7: kết quả thí nghiệm CBR của cát 62

Bảng 3-8: Các chỉ tiêu chất lượng cùa xi măng Poóc lăng hỗn hợp theo TCVN 6290:2009 63

Bảng 3-9: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 4% 3 ngày 65

Bảng 3-10: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 4% 7 ngày 65

Bảng 3-11: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 6% 3 ngày 66

Bảng 3-12: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 6% 7 ngày 66

Bảng 3-13: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 8% 3 ngày 67

Bảng 3-14: kết quả thí nghiệm Edh của cát gia cố 8% 7 ngày 67

Bảng 3-15: tổng hợp kết quả thí nghiệm 68

Bảng 3-16: yêu cầu của 1 kết cấu áo đường 70

Bảng 3-17: Tổng hợp các loại kết cấu mặt đường đã dùng ở Việt Nam 72

Bảng 3-18: Kết quả kiểm toán các phương án kết cấu áo đường 74

Bảng 3-19: So sánh chiều dày các kết cấu áo đường của các phương án 76

Bảng 3-20: giá thành 1 m2 kết cấu áo đường 77

Danh mục hình ảnh Hình 3-1: bình đồ vị trí tuyến đường 53

Hình 3-2: bình đồ khu vực đoạn III-đường Liên cảng CM-TV 55

Hình 3-3:Biểu đồ biểu thị thành phần hạt 59

Hình 3-4: Biểu đồ biểu thị độ ẩm tốt nhất 60

Hình 3-5:Quan hệ áp lực – độ xuyên sâu 62

Hình 3-6: Biểu đồ quan hệ Edh 3 ngày 69

Hình 3-7: Biểu đồ quan hệ Edh 7 ngày 69

5

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Dự án đường nối từ QL51 và cảng cái mép là một phần của dự án quy hoạch phát triển cảng biển quốc tế Cái mép-Thị Vải thuộc huyện Tân Thành tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Tuyến đường dài 8,3km nối từ QL51 vào cảng Cái Mép

Dựa trên công tác khảo sát địa chất đã được thực hiện, dự án được xác định nằm trên khu vực có địa chất phức tạp Tuyến đường được sử dụng cho các loại xe có tải trọng nặng.Vì vậy việc thiết kế kết cấu cũng như vật liệu được sử dụng cần phải đảm bảo khả năng vận hành

Vật liệu cát gia cố xi măng được sử dụng để làm lớp móng dưới Đây là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trên thế giới và đã được đánh giá cao

Vật liệu cát gia cố xi măng tuy đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhưng việc đánh giá hiệu quả của nó ở nước ta vẫn chưa thật sự đầy đủ

Do vậy đề tài “Nghiên cư ́ u, đánh giá hiệu quả của vật liệu cát gia cố

xi măng của dự án thi công đường nối QL51 vào cảng Cái Mép- Thị Vải ”

là vấn đề có ý nghĩa cấp bách và thiết thực

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đưa ra các nhận xét, đánh giá về hiệu quả đạt được của lớp vật liệu cát gia cố xi măng làm lớp móng dưới Qua đây có thể xem xét áp dụng và o điều kiện của tỉnh Bà Rịa –Vũng Tàu

III Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố của vật liệu cát gia cố xi măng trong việc áp dụng vào làm lớp móng dưới móng của dự án đường nối từ QL51 vào cảng Cái Mép Thị Vải

IV Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu về tính chất cơ học, biện pháp thi công vật liệu cát gia cố xi măng, điều kiện địa chất của dự án đường

6

nối từ QL51 vào cảng Cái Mép Thị Vải

V Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết và thực nghiệm: + Nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu vật liệu cát gia cố xi măng về khả năng chịu lực, về cường

độ, về tính chất cơ lý và công nghệ thi công

+ Nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu, phân tích khả năng chịu lực thực tế, cường độ thực tế tại hiện trường, những vấn đề cần giải quyết trong quá trình thi công.Từ đó đánh giá hiệu quả của vật liệu cát gia cố xi măng

7

CHƯƠNG 1: KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH

TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HIỆN NAY

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

Tầng móng: thường gồm lớp móng trên và móng dưới có tác dụng: góp

phần tạo thêm cường độ đáng kể cho kết cấu áo đường, tạo tầng móng vững chắc và ổn định để đặt lớp mặt lên trên cho kết cấu áo đường đủ bền vững, còn là nơi có thể kiêm luôn chức năng thoát nước cho kết cấu áo đường

Tuy nhiên, việc thiết kế một kế cấu áo đường không thể tách rời kết cấu áo đường đó ra khỏi nền đường Hay nói chính xác đó là phần thân nền đường (Subgrade) nó nằm trong phạm vi bằng 80-100cm kể từ đáy kết cấu áo đường trở xuống Đó là phạm vị nền đường cùng với kết cấu áo đường chịu tác dụng của tải trọng bánh xe truyền xuống Trong một số trường hợp phần thân nền đường này còn cần phải bố trí lớp gọi là lớp đáy móng Lớp đáy móng hay lớp đáy áo đường thay thế cho 30cm đất trên cùng của phần thân nền đường

Nền đường: là bộ phận của đường chịu tác động của tải trọng phương

tiện truyền xuống áo đường, có cấu tạo bao gồm nền thượng, nền thông thường và đấp bao ta tuy nén đường

Nền thượng: phần phía trên cùng của nền đường tiếp giáp với đáy áo

đường;

Nền thông thường: phần nền đường tiếp dưới nền thượng;

Đắp bao ta luy nền đường: là lớp vật liệu đắp bề mặt ta tuy nền đường

nhằm hạn chế xối lở

Khái niệm cấu tạo và chức năng của kết cấu áo đường ở trên chỉ mang tính chất tương đối để ta hình dung sơ bộ và gọi tên và kết cấu áo đường theo quan điểm thiết kế của Việt Nam Kết cấu áo đường theo quan điểm chung nhất đó là các lớp vật liệu có bề dày và tính chất khác nhau đặt chồng lên nhau để tạo ra một mặt đường đảm bảo cho xe hay các phương tiện giao thông có thể đi được ở một mức độ nào đó Dưới tải trọng xe chạy và các tác nhân gây hại khác, kết cấu các lớp vật liệu chồng lên nhau này phải đáp ứng được những yêu cầu đề ra nhất định, tuy thuộc mỗi nơi, mỗi nước

1.1.2 YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG

Trên cơ sở cấu tạo nền đường, vai trò của nền đường trong hệ thống mặt đường, trong tiêu chuẩn “Đường ôtô I Yêu cầu thiết kế - TCVN 4054 - 2005” do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành theo quyết định số 151/QĐ-BKHCN ký ngày 7/2/2006 đâ thể hiển rõ các yêu cầu cơ bản với nền đường như sau:

nền-Phải đảm bảo nền đường ổn định, duy trì được các kích thước hình học,

9

có đủ cường độ để chịu được tác động của tải trọng xe và của các yếu tố thiên nhiên trong suốt thời gian sử dụng Nền đường yếu, áo đường sẽ biến dạng, rạn nứt và hư hỏng mau, cho nên trong bất kỳ tình huống nào, nền đường

cũng phải có đủ cường độ tức là đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không bị biến

dạng quá nhiều (không bị tích lũy biến dạng) dưới tác dụng của áp lực bánh

xe chạy qua, đủ khả năng chống được các tác dụng phá hoại của các nhân tố bên ngoài

Nền đường phải đảm bảo ổn định vể cường độ, nghĩa là cường độ nền đường không được thay đổi theo thời gian, theo khí hậu, thời tiết một cách bất

thường, nếu để nước thấm vào nền đường càng nhiều thì độ ẩm của đất càng

cao, cường độ của nó càng giảm đi

Yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới cường độ và độ ổn định của nền đường là tính chất đất của nền đường, phương pháp đắp, chất lượng đầm nén, biện pháp thoát nước và biện pháp bảo vệ nền đường

- Không bị quá ẩm và không chịu ảnh hưởng các nguồn ẩm bên ngoài (nước mưa, nước ngầm, nước bên cạnh đường);

- 30 cm trên cùng phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 8 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 6 đối với đường cấp khác;

- + 50 cm tiếp theo phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 5 đối với đường cấp 1 cấp II và bằng 4 đối với đường cấp khác

10

1.1.3.2 Về độ chặt (K):

Nền đường phải đảm bảo độ chặt theo quy định của bảng [1.1] Ngoài ra phần thân của nền đắp chịu tác động của nước ngầm hoặc nước ngập đều phải đạt độ chạt tối thiểu là K>= 0,95 bất kể nền đắp thuộc cấp hạng nào

Trong phạm vi khu vực tác dụng, đất sau khi đầm nén phải có sức chịu tải xác định theo chỉ tiêu CBR đạt yêu cầu như nêu ở mục 1.1.3.1 Nếu đất khó đầm nén đạt yêu cầu ở bảng [1.1] hoặc đầm nén rồi vẫn không đạt chỉ số sức chịu tải CBR yêu cầu thì phải thiết kế cải thiện đất, gia cố hay thay đất để đạt được đồng thời các yêu cầu

Bảng 1.1: Độ chặt quy định của nền đường

Loại công trình

Độ sâu tính

từ đáy áo đường xuống, cm

Độ chặt K Đường ôtô

từ cấp I đến cấp IV

Đường ôtô cấp V, VI

Bên dưới chiều sâu kể trên

Đất mới đắp >0,95 >0,93 Đất nền tự nhiên

(*) Cho đến 80 >0,93 >0,90

Nền tư nhiên (**); không đào,

không đắp

30 >0,98 >0,95 30-80 >0,93 >0,90

* Trường hợp này là nền đắp thấp, phần nền đất tự nhiên nằm trong khu vực tác dụng phải có độ chặt tối thiểu là 0,90

** Nếu nền tự nhiên không đạt độ chặt yêu cầu ở bảng này thì phải đào

bỏ phần không đạt rồi đầm nén lại để đạt yêu cầu

1.1.4 YÊU CẦU VỀ ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG, SAN NỀN CÁC CÔNG TRÌNH

11

1.1.4.1 Yêu cầu và tính chất đất đắp nền đường

Trong công tác xây dựng nền đường ô tô vật liệu đắp nền đường đóng vai trò rất lớn đến sự ổn định và bền vững của công trình Phải cố gắng chọn vật liệu có chất lượng tốt tại chổ để đắp nền đường ( các loại đất đá có cường

độ cao, ổn định với nước, tính co nhỏ, tiện thi công đầm nén, cự ly vận chuyển ngắn, khi chọn đất đắp một mặt phải xét tới nguồn vật liệu và tính kinh tế, mặt khác phải xét tới tính chất của nó có phù hợp hay không) và tiến hành đầm chặt theo yêu cầu quy định để đảm bảo nền đường ổn định và ít biến dạng

Đất đắp nền đường có thể lấy từ nền đào, thùng đấu, từ mỏ đất;

Không dùng các loại đất lẫn muối và lẫn thạch cao (quá 5%) đất bùn, đất than bùn, đất phù sa và đất mùn (quá 10% thành phần hữu cơ)

Không dùng đất bụi và đá phong hóa để đắp các phần thân nền đường trong phạm vi ngập nước

Đất có cỡ hạt càng lớn thì đất có cường độ càng cao, tính mao dẫn càng thấp, tính thấm, thoát nước càng tốt, ít hoặc không nở khí gập nước, cũng như

ít hoặc không có khi khô Những tính chất đó khiến cho loại đất chứa nhiều hạt lớn có tính ổn định với nước tốt tuy nhiên nó lại có nhược điểm là tính dính, tính dẻo kém Cỡ hạt đất càng nhỏ thí các tính chất nói trên sẽ hoàn toàn ngược lại

Nếu dùng cát làm nền đường thì nền đường có cường độ cao ổn định nước tốt (hệ số ma sát trong của cát tương đối lớn, tính thấm thoát nước tốt, mao dẫn kém), nhưng cát rời rạc, không dính nên khi nền đường đắp bằng cát, nền đường phải được đắp bao cả hai bên mái dốc và cả phần đỉnh nền phía trên để chống xói lở bề mặt và để tạo thuận tiện cho việc đi lại của xe, máy thi công áo đường Đất đắp bao phía trên đỉnh nền nên sử dụng cấp phối đồi Đất đắp bao phần trên đỉnh nền đường không được dùng vật liệu rời rạc đế hạn chế nước mưa, nước mặt xâm nhập vào phân cát đắp Chiều dày đắp bao hai

Đất bụi (cỡ hạt 0,005 - 0,05 mm) vừa kém dính (không dính như hạt sét) lại vừa ổn định nước kém (hạt nhỏ khó thoát nước, mao dần lớn từ 0,8-1,5m), nên là loại đất bất lợi nhất đối với xây dụng nền đắp (bao gồm cả đắp nền đường vào san nền công trình) Đất có hàm lượng bụi lớn nên khi mưa thì nhão, dẻ xói chảy, khi khô lại quá rời rạc và sinh bụi, chiều cao mao dẫn lớn (0,8-l,5m) ngay cả khi đã đấm chặt cường độ cũng thấp Vì thế các loại đất chứa càng nhiếu hạt bụi thì càng không thích hợp

Như vậy, loại đất á cát là vật liệu xây dựng nền đắp là tốt nhất Sau đó là đất á sét, sét Đất á cát có một số hạt lớn nhất định nên đạt yêu cầu về cường

độ và độ ổn định nước tốt, đồng thời lại gồm một số hạt nhỏ nhất định (có chỉ

số dẻo nhất định) nên khổng bị rời rạc quá

1.2 CƠ SỞ YÊU CẦU CƠ BẢN VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM KHI XÂY DỰNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1.2.1 Cơ sở xây dựng kết cấu áo đường

Để xây dựng kết cấu áo đường họp lý hiện nay, hầu hết các nước các tác giả điều đi theo xu hướng: Dựa vào lý thuyết cấu tạo áo đường, mô hình hóa

sự làm việc của kết cấu áo đường dưới sự tác dung của tải trọng xe chạy và

13

các tác nhân khác, dựa vào kinh nghiệm sử dụng đưa ra các công thức thực nghiệm và các chỉ tiêu để đánh gía chọn lựa xây dựng các kết cấu áo đường, đưa ra một bảng kết cấu mẫu

Dựa vào các đặc điểm về địa chất, vật liệu xây dựng, trình độ công nghệ khả năng khai thác duy tu bảo dưỡng của từng nơi, từng địa phương để lựa chọn kết cấu áo đường phù họp; Dùng các phương pháp tính toán để xác định chiều dày của các lớp

Phân tích các kết cấu về kỹ thuật, công nghê và kinh tế để đưa ra phương

án lựa chọn cuối cùng về kết cấu áo đường

Sử dụng và theo dõi kết cấu mẫu trong thực tế để tổng kết nhằm hoàn thiện và phát triển

1.2.2 Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế xây dụng kết cấu áo đường

Khi thiết kế xây dựng kết cấu áo đường dù dựa trên cơ sở hay phương pháp nào thì cũng cần đạt được các yêu cầu cơ bản sau:

Trong suốt thời gian thiết kế quy định, áo đường phải đủ cường độ và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe

cộ và các yếu tố môi trường tự nhiên, cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích lũy biến dạng dẫn đế tạo vệt hằn bánh xe trên đường, hạn chế phát sinh hiện tượng nứt nẻ hạn chế bào mòn và bòn tróc bề mặt , hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vị khu vực tác dụng hoặc phải đảm bảo lương nước xâm nhập và đường thoát ra một cách nhanh nhất

Bề mặt kết cấu áo đường phải đảm bảo bằng phẳng đủ nhám dễ thoát nước mặt và ít gây bụi để đaps ứng yêu cầu giao thông an toàn êm thuận, kinh

kế giảm thiểu tác dụng xấu đến môi trường hai bên đường

Mức độ và yêu cầu vè cường độ và chất lượng bề mặt kết cầu áo đường tuy theo quy mô giao thông tốc độ xe chạy, ý nghĩ và cấp hạng kỹ thuật của

14

đường cường độ và chất lượng bề mặt đường càng cao thì khả năng đảm bảo kết cấu áo đường làm việc ở trạng thái đàn hồi khiến cho chất lượng sử dụng trong khai thác vận doanh sẽ càng cao, thời hạn sử dụng càng lâu bền thời hạn định kỳ sửa chữa tăng lên, chi phí duy tu sửa chữa định kỳ sẽ càng giảm

1.2.3 Một số vân đề khác cần quan tâm khi thiết kế kết cấu áo đường

Ngoài những yêu cầu cơ bản ở trên, khi thiết kế kết cấu áo đường ta còn phải quan tâm đến một số yếu tố khác cũng không kém phần quan trọng quyết định xem kết cấu áo đường đã thiết kế và lựa chọn có phải là hợp lý hay không

Khi thiết kế kết cấu áo đường phải luôn nắm vững quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường

Loại kết cấu áo đường lựa chọn phải phù hợp với trình độ công nghệ thi công, và điều kiện cung ứng vật tư Cần quan tâm đến vấn đề cơ giới hóa trong thi công để rút ngắn thời gian thi công Sớm đưa đường vào khai thác sử dụng Cần lưu ý để có thể tận dụng nguồn vật liệu địa phương nhất là dưới với tầng móng để giảm thiểu chi phí tối đa có thể

Trong điều kiện giao thông chưa phát triển mạnh như nước ta (lượng xe chưa nhiều tiết kiệm được từ chi phí vận doanh còn chưa lớn) thì việc tính toán kinh tế mặt đường còn hạn chế ở nội dung: các kết cấu áo đường đề xuất

có kỹ thuật tiên tiến phải có giá thành xây dựng chấp nhận được, không vượt quá giá thành của các kết cấu truyền thống quá nhiều, phù hợp với mực độ vốn đầu tư và giá thành duy tu bảo dưỡng nhỏ

1.3 LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HIỆN NAY

Hiện nay có hơn 50 phương pháp thiết kế kết cấu áo đường và được chia làm 2 nhóm chính:

- Nhóm các phương pháp lý thuyết-thực nghiệm

15

- Nhóm các phương pháp kinh nghiệm-thực nghiệm

Nhóm các phương pháp lý thuyết-thực nghiệm

Lập các mô hình làm việc của kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy có xem xét đến tác động cuả các tác nhân khác, đưa ra các phương trình tính toán rồi qua thực nhiệm để kiểm tra nhằm xác định điều kiện bền

Cách tính toán thông thường là xác định ứng suất do xe chạy gây ra trong các lớp kết cấu áo đường bằng lý thuyết và so sánh các ứng suất này với các cường độ cho phép của vật liệu làm đường lấy theo kinh nghiệm

Dưới đây xin giới thiệu một số phương pháp phổ biến thường dùng:

1.3.2 Phương pháp hiện hành cuả bộ GTVT 22TCN 211-06

1.3.2.1 Nội dụng phương pháp

Dựa trên lý thuyết: vật liệu kết cấu áo đường và nền đất là đàn hồi,

đồng nhất, đẳng hướng

Nền đất phía dưới là bán không gian vô hạn đàn hồi

Coi sự phân đố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dung của tải trọng xe chạy là tắc dần theo chiều sâu tải trọng của bánh xe được mô hình hóa là tải trọng phân bố đều trên diện tròn tương đương với diện tích tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

Từ đó đưa ra các phương án kết cầu và nhiệm vụ của việc tính toán là kiểm tra kết cấu áo đường đã đề xuất đó cùng với điều kiện thực tế nền đường

đã biết có đủ cường độ và chịu được tải trọng xe thiết kế không, đồng thời tính toán xác định lại bề dày cần thiết của mỗi lớp cấu tạo

Điều kiện cần đạt được khi tính toán theo phương pháp này là: Kết cấu

áo đường mềm được xen là đủ cường độ nếu như trong suốt thời kỳ khai thác dưới tác dụng của xe nặng nhất và của toàn bộ dòng xe trong bất kỳ tầng lớp nào kể cả nền đất cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính tiên tục cuả các

- Một là tính toán ứng suất cắt ở trong nền đất và trong các lớp vật liệu kém dính xem nó có vượt qua trị số giới hạn cho phép không

- Hai là tính toán ứng suất uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu khối nhắm khống chế không cho phép nứt ở các lớp đó

- Ba là tính toán độ lún đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số modum đàn hồi (MĐĐH) của cả kết cấu áo đường và khống chế đến trị số MĐĐH của cả kết cấu phải lớn hơn trị số MĐĐH yêu cầu, Nếu điều kiện này đảm bảo thì sẽ hạn chế được hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của tải trọng dòng xe do đó mới đảm bảo duy trì được chất lượng của kết cấu ở cuối thời ký khai thác

Cơ sở của phương pháp tính toán theo ba tiêu chuẩn nói trên là lời giải của bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, còn điều kiện phá hoại được xác định theo kinh nghiệm sử dụng và khai thác

1.3.2.1 Các thông số tính toán bề dày và cường độ kết cấu áo đường mềm

1.3.2.1.a Tải trọng và lưu lượng xe chạy

Tải tọng xe chạy được quy về loại xe tiêu chuẩn 12t, 10t với các xe khác tiêu chuẩn thì việc quy đổi dựa trên cơ sở gây hiệu ứng tương đương Sơ đồ tải trọng tính toán là sơ đồ một vòng tròn có đường kính D(cm) và tác dụng xuống mặt đường một áp lực p(daN/cm2)

Lưu lượng xe chạy ở cuối kỳ khai thác có thể tính theo công thức sau: Ni=N1(1+r)t

1.3.2.1.b Các thông số tính toán của đất nền đường

- Như MĐĐH, E0, C, φ được xác định ở các điều kiện bất lợi nhất về chế

độ thủy nhiệt Để xác định được các thông số này cần tiến hành thông qua các thí nghiệm tại phòng và tại hiện trường

- Trên quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường, các thông số nền đất

là các chi tiêu quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tính toán, vì vậy cần phải nghiên cứu và xác định đúng các thông số này Các thông số này càng chính xác thì kết quả đưa ra càng gần với thực tế

18

Hiện nay khi thiết kế để xác định các thông số này thường dựa vào các bảng tham khảo từ các nghiên cứu của nước ngoài mà chưa có các nghiên cứu quy mô trong điều kiện cụ thể của Việt Nam

1.3.2.2 Một số nhận xét về phương pháp hiện hành của bộ GTVT

22TCN 211-06

Đây là phương pháp hiện nay đang được sử dụng có hiệu quả để thiết kế

áo kết cấu áo đường và chiều dày các lớp kết cấu áo đường Phương pháp này

có cơ sở ký thuyết vững chắc, được mọi người thừa nhận và nhất là quen sử dụng Các kết cấu áo đường đã được xây dựng trên mạng lưới đường ô tô nước ta thiết kế theo phương pháp này chưa bộc lộ những nhược điểm nào lớn tuy nhiên theo tác giả để nâng cao hiệu quả sử dụng của phương pháp này hơn nữa ta cần quan tâm đến một số hạn chế dưới đây: Phương pháp tính toán cường độ và chiều dày các lớp kết cấu áo đường mềm trên cơ sở của 3 tiêu chuẩn trạng thái giới hạn, trên cơ sở lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết đàn hồi và trên cơ sở các thông số thực nghiệm và kinh nghiệm, kết quả tìm được phụ thuộc vào các tham số đầu vào như lưu lượng và tải trọng

xe, các đặt trưng tính toán của vật liệu và đất nền nên việc xác định các thống

số phù hợp là vấn đề rất quan trọng cần nghiên cứu kỹ và thống nhất để có được số liệu chính xác nhất

Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chế độ thủy nhiệt trong tính toán luôn được lấy ở trạng tháy bất lợi nhất Việc xét và đánh giá như vậy chưa cụ thể, và xét

ở phương diện nào đó thì kết quả đưa ra chưa phản ảnh đúng thực tế, đôi khi

có thể thừa hoặc có thể thiếu, thừa thì lãng phí, thiếu thì ảnh hưởng đế chất lượng và tuổi thọ kết cấu

Cơ sở lý thuyết của bài toàn là giả thiết kết cấu là hệ đàn hồi đặt trên bán không gian vô hạn đàn hồi nhưng thực tế vật liệu kết cấu áo đường và nền đường không hẳn là vật liệu đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng mà thực tế là vật liệu đàn hồi-dẻo nhớt Do vậy kết quả tính toán thu được chỉ là gần đúng so với sự làm việc thực tế của kết cấu áo đường

19

Các toán đồ được lập với hệ hai lớp, nếu hệ nhiều lớp thì phải dùng công thức tính đổi lớp trên nguyên tắc độ cứng tương đương để đưa về hệ 2 lớp Việc tính đổi này và hệ số ß thêm vào chỉ là gần đúng

Hiện nay mộ số quy trình Trung quốc Liên Xô và các sách đã có kết quả giải hệ đàn hồi ba lớp, việc tính đổi sẽ chính xác hơn Mặt khác, với sự phát triển của máy tính điện tử thì việc giải chính xác bài toàn hệ đàn hồi nhiều lớp không còn là vấn đề quá khó khăn nữa Nên chăng chúng ta nên có các nghiên cứu theo hướng này

Quy trình này chưa có cách tính toán trực tiếp cường độ và độ ổn đinh của tầng mặt áo đường dưới tác dụng của lực ngang, cũng như chưa có cách tính bề dày các lớp áo đường dưới tác dụng của nhiệt độ và chế đọ thay đổi nhiệt độ Đây là một hạn chế nữa tuy sẽ không ảnh hưởng nhiều đến cấu tạo hay chiều dày kết cấu vì với cách tính tóan hiên nay thì chưa cho thấy các yêu

tố này tác động rõ rệt đến kết cấu áo đường, nhưng việc tính toán cụ thể đến tất cả các tác nhân gây hại sẽ cho chúng ta những dự báo chính xác sự làm việc của kết cấu để từ đó nâng cao chất lượng, tuổi thọ, hiệu quả khai thác cũng như tiết kiệm đáng kể những chi phí không cần thiết khác

Tiêu chuẩn trạng thái giới hạn thứ 2, kiểm toán theo tiêu chuẩn trước trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính, nêú kết cấu áo đường được đặt trên nền cát hoặc tương tự cát có lực dính đơn vị c=0 hoặc c=~0 thì tiêu chuẩn này không kiểm toán được vì vế phải K.0=0

1.3.3 Phương pháp tính toán của Trung Quốc trong quy trình JTJ014-86

1.3.3.1 Nội dung phương pháp

Phương pháp tính của trung quốc cũng dựa trên lời giải lý thuyết hệ nhiều lớp đặt trên nền bán không gian vô hạn đàn hồi với các giả thiết

Mỗi lớp đều do một loại vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi và xem như là không có trọng lượng tạo ra Các thông số của lớp là MĐĐH, Ei, và hệ

20

số poisson

Tầng dưới cũng là tầng bán không gian vô hạn và kéo dài vô hạn theo phương ngang; các lớp phía trên có chiều dày hữu hạn hi theo phương thẳng đứng, kéo dài vô hạn theo phương dọc, phương ngang

Tại mặt phân giới giữa các lớp, ứng suất và chuyển vị hoàn toàn liên tục; hoặc chỉ có ứng suất và chuyển vị theo phương thẳng đứng là liên tục, còn lực cản trở do ma sát giữa các lớp bằng 0 (hệ chuyển dịch tự do)

Tại độ sâu vô hạn ở lớp dưới cùng, ứng suất và chuyển vị đều bằng 0

Từ các giả thiết trên người ta đã giải và lập ra các toán đồ xác định độ võng đàn hồi và các hệ số ứng suất của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe đơn hoặc kép (được quy về 1 hay 2 vòng tròn có diện tích tương đương có bán kính) cho hệ hai lớp và ba lớp Trường hợp có nhiều hơn ba lớp thì phải quy đổi về hệ ba lớp theo hiệu ứng tương đương

1.3.3.2 Trình tự của phương pháp này tiến hành theo các bước sau:

1 Dựa vào yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế, xác định cấp hạng mặt đường

và loại lớp mặt, tính toán số lần tích lũy trục xe tương đương trên mỗi làn xe trong thời hạn thiết kế và tính toán trị số độ võng cho phép trên bề mặt kết cấu Nếu là mặt đường cần tiến hành nghiệm toán ứng suất kéo-uốn thì cần tính toán trị số ứng suất kéo – uốn thì cần tính toán trị số ứng suất kéo- uốn cho phép

2 Dựa vào loai đất và chế độ thủy nhiệt của nền đường, chia đường thiết

kế ra làm một số đoạn (từ 500-1000m trở lên) để xác định trị số MĐĐH của nền đường cho từng đoạn

3 Dự kiến một số phương án bố trí kết cấu và chiều dày mặt đường khả thi, xác định trị số MĐĐH của vật liệu các lớp

4 Xác định bề dày mặt đường theo độ võng cho phép

21

5 Nghiệm toán ứng suất kéo – uốn trong các lớp bê tông nhựa, các lớp móng bằng vật liệu có tính toàn khối đảm bảo nhỏ hơn ứng suất kéo – uốn cho phép của vật liệu đó

6 Nghiệm toán ứng suất cắt trong lớp kết cấu áo đường để không vượt quá ứng suất cắt cho phép của vật liệu

7 Đối với mặt đường ở những vùng đóng băng theo mua cần nghiệm toán bề dày lớp phòng chốn đóng băng xem có phù hợp yêu cầu không

1.3.3.3 Các thông số tính toàn cường độ và bề dày áo đường mềm

1.3.3.3.a Tải trọng xe tính toán

Quy phạm dùng tải trọng tính toán tiêu chuẩn là tải trọng trục đơn hai bánh của ô tô BZZ.100 (tải trọng trục 100kN) và ô tô BZZ.60 (tải trọng trục 60kN), trong đó xe BZZ.60 chỉ dùng thiết kế mặt đường cấp thấp

Bánh xe kép truyền tải trọng xuống mặt đường thông qua hai vệt tiếp xúc của hai bánh xe, đường kính một vệt tiếp xúc là d, khoảng cách giữa tim hai vệt bằng 2d

1.3.3.3.b Số trục tương đương tích lũy tính toán (số lần/ngày)

Số trục tương đương tích lũy Ne là số lần tác dụng của tải trọng trục tương đương trong thời hạn thiết kế (số lần/ngày)

Theo quy trình, thời hạn thiết kế (năm) là năm tương lai (5-15 năm) tùy thuộc cấp đường, cấp hạng mặt đường, các loại lớp mặt và số trục xe tương đương tích lũy

1.3.3.3.c Đặt trưng tính toán của đất nền:

Khi thiết kế kết cấu áo đường, MĐĐH của nền đường được lấy vào mùa bất lợi nhất Trong trường hợp chưa xây dựng thì thông qua phương pháp kinh nghiệm để tính

Xác định Ntt theo biểu thức sau:

Ntt = Ntk fl (trục/làn.ngày đêm); (1-1)

Trong đó:

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

fl: Là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe, được xác định

cụ thể như sau:

Xe chạy chỉ có 01 làn xe thì lấy fl = 1,0;

+ Xe chạy có 02 làn xe hoặc 03 làn, không có dải phân cách thì lấy fl

= 0,55;

+ Xe chạy có 4 làn xe và có dải phân cách giữa thì lấy fl = 0,35;

+ Xe chạy có 6 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy fl = 0,3;

+ Ở các chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn phải được tính với hệ số fl = 0,5 của tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút

23

Về nguyên tắc phải dựa vào kết quả dự báo hàng năm để tính ra số trục

xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế Ne tức là tính theo biểu thức sau:

N et N i

1

; (1-2) Trong đó:

Ni: Là số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn ở năm i và t là thời hạn thiết

t e

q

) 1 (

] 1 ) 1 [(

120(95) 100(80) 80(65)

75 Không quy định

Bảng 1.3: Trị số Môđun đàn hồi yêu cầu [8]

Trị số Môđun đàn hồi yêu cầu Eyc(MPa), tương ứng với số

trục xe tính toán (xe/ngày đêm/làn)

10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 7000

10

tấn

Cấp cao A1 133 147 160 178 192 207 224 235 Cấp cao A2 91 110 122 135 153

Cấp thấp B1 64 82 94

12

tấn

Cấp cao A1 127 146 161 173 190 204 218 235 253 Cấp cao A2 90 103 120 133 146 163

Cấp thấp B1 79 98 111

Trị số Môđun đàn hồi yêu cầu xác định được theo Bảng 2.2 không được nhỏ hơn trị số tối thiểu quy định Bảng 2.1

25

1.4.2 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ôtô

có trọng lượng 100kN(10T) đối với tất cả các loại áo đường mềm trong phạm

vi nghiên cứu Đối với áo đường cứng lấy trục có trọng lượng 120kN (12T)

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 đối với kết cấu mặt đường

Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau:

Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 );

P n C C





; (1-5) Trong đó:

N: Là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông 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 được quy 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 của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy;

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

C1=1+1,2 (m - 1); (1-6)

Với m là số trục của cụm trục i

C2: Là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 01 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2 = 6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2 =1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2 = 0,38

1.4.3 Độ tin cậy

Đối với kết cấu áo đường mềm, độ tin cậy đặc trưng cho mức độ dự trữ cường độ Chọn độ tin cậy thiết kế đối với các loại đường và cấp hạng đường theo nguyên tắc đường có tốc độ thiết kế càng cao, thời hạn thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao nhưng không được nhỏ hơn trị số nhỏ nhất ở bảng sau:

27

Bảng 1-5: Chọn độ tin cậy thiết kế tùy theo loại và cấp hạng đường [8]

1 Đường ô tô

- Cấp III, cấp IV

- Cấp V

0,85 , 0,90 , 0,95 0,80 , 0,85 , 0,90

2 Đường ôtô chuyên dụng 0,80 , 0,85 , 0,90

1.4.4 Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu:

Thông số vật liệu là rất quan trọng trong bài toán thiết kế kết cấu mặt đường Tuy nhiên, tác giả có một số nhận xét như sau:

- Điều kiện để thiết kế vật liệu nói chung là rất khó khăn, trong thực tế rất ít trường hợp thiết kế vật liệu Bên cạnh đó, vì hạn chế về thời gian cũng như năng lực.Trong phạm vi luận văn tác giả không đưa ra giải pháp thiết kế vật liệu

- Trên cơ sở thực nghiệm việc sử dụng vật liệu cũng như kết quả đánh giá chất lượng vật liệu trong quá trình thi công, các kinh nghiệm, các số liệu thí nghiệm được trong phòng thí nghiệm, thực tế thiết kế và xây dựng ở một

số công trình trên địa bàn tỉnh Bình Định, tác giả đưa ra các trị số vật liệu cho tính toán thiết kế

- Mặt khác, các đặc trưng vật liệu sử dụng trong thiết kế cũng được tham khảo theo tiêu chuẩn hiện hành như 22TCN211-06 (áo đường mềm), 22TCN223-95 (áo đường cứng)

Khi thiết kế kết cấu áo đường nên tham khảo các đặc trưng tính toán của vật liệu theo các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường hiện hành như ở các bảng sau :

Bảng 1-6: Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa 22TCN 211-06 [8]

28

Loại vật liệu Mô đun đàn hồi E (MPa) ở

nhiệt độ

Cường độ chịu kéo uốn Rku (Mpa)

4 Bê tông nhựa rỗng

5 Bê tông nhựa cát

Bảng 1-7: Các đặc trưng tính toán của các vật liệu làm móng đường

Góc

ma sát o

Lực dính C (Mpa)

Đất có thành phần tốt

nhất gia cố xi măng

300-400 0,25-0,35 - Cường độ

chịu nén

- Cường độ chịu nén của cát gia cố theo 22 TCN

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên đây là những nghiên cứu về các tiêu chuẩn tính toán kết cấu tính toán kết cấu áo đường mềm đang được áp dụng hiện nay Như ta thấy lớp cát gia cố xi măng được đưa vào trong tiêu chuẩn tính toán, có đầy đủ các đặt trưng vật liệu để sử dụng loại vật liệu cát gia cố xi măng để tính toán kết cấu

áo đường Ngoài ra cũng đã có tiêu chuẩn hướng dẫn thi công và nghiệm thu lớp vật liệu các gia cố xi măng Tuy nhiên cho đến nay loại vật liệu này vẫn chưa được dùng phổ biến, mà vẫn sử dụng vật liệu truyền thống như cấp phối

đá dăm loại 1, loại 2 làm móng kết cấu áo đường Trước tình hình vật liệu cấp phối đá dăm đá cạn kiệt, cấp thiết phải tìm loại liệu khác để thay thế, và gần đây đã có 1 vài công trình sử dụng lớp vật liệu cát gia cố xi măng để làm đáy

30

kết cấu áo đường đã đem lại hiệu quả cao, điển hình là dự án đường nối từ quốc lộ 51 vào cảng Cái Mép Thị Vải Chúng ta cần phân tích để thấy được hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của loại vật liệu này, để đề xuất áp dụng rông rãi vào các công trình khác trong tương lai

2.1.1 Khái niệm cát gia cố xi măng

Cát gia cố xi măng là một hỗn hợp gồm cát tự nhiên hoặc cát nghiền đem trộn với xi măng theo một tỷ lệ nhất định rồi lu lèn ở độ ẩm tốt nhất trước khi

xi măng ninh kết trong đó cát là các hạt khoáng rời có kích cỡ chủ yếu từ 2 đến 0,05mm (nhưng cho phép có thể lẫn sỏi sạn có kích cỡ lớn nhất đến 50mm)

2.1.2 Thành phần của vật liệu cát gia cố xi măng

2.1.2.1 Yêu cầu đối với cát:

Cát dùng để gia cố xi măng có thể là các loại khác nhau theo phân loại

về cỡ hạt và có thể là các loại có nguồn gốc hình thành khác nhau

- Cát được phân loại theo cỡ hạt như các quy định hiện hành cụ thể như sau:

+ Cát lẫn sỏi sạn: các hạt lớn hơn 2mm chiếm trên 25% khối lượng cát; + Cát to: cỡ hạt lớn hơn 0,5mm chiếm trên 50%;

+ Cát vừa: cỡ hạt lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%;

+ Cát nhỏ: cỡ hạt lớn hơn 0,1mm chiếm trên 75%;

+ Cát bụi: cỡ hạt lớn hơn 0,1mm chiếm dưới 75% nhưng không chứa các hạt sẽ bằng hoặc nhỏ hơn 0,05mm

- Các loại cát nói trên có thể có nguồn gốc hình thành khác nhau như cát tàn tích, cát sườn tích, cát bồi tích (cát sông), cát biển, cát gió (hình thành do tác dụng của gió) và tất cả các loại cát nghiền nhân tạo (sản phẩm của công nghệ gia công đá, sỏi cuội)

xi măng càng nhiều, do vậy khi quyết định loại và thành phần hạt của cát, người thiết kế phải cân nhắc kỹ lưỡng trong điều kiện kinh tế - kỹ thuật cụ thể của từng địa phương xây dựng đường

- Hàm lượng mùn hữu cơ trong cát phải dưới 2%; độ pH không được dưới 6, tổng lượng muối trong cát không được vượt qúa 4% khối lượng cát (trong đó thành phần sunphát không được vượt qúa 2%) và hàm lượng thạch cao không được qúa 10% khối lượng cát Các thành phần nói trên được xác định theo quy định ở tiêu chuẩn nghành “Quy trình thí nghiệm phân tích hóa học của đất” của Bộ GTVT ban hành ngày 6/3/1981 (số 451/QĐKT)

2.1.2.2 Yêu cầu đối với xi măng:

- Xi măng dùng để gia cố cát phải là loại xi măng Poóclăng thông thường có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 2682 - 92) Không nên dùng xi măng mác cao có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuối lớn hơn 400daN/cm Có thể dùng các loại

xi măng địa phương mác thấp để gia cố cát làm lớp móng dưới trong kết cấu

áo đường (trường hợp này ngoài việc thử nghiệm trước ở trong phòng thí nghiệm còn phải cân nhắc về hiệu qủa kinh tế vì chắc chắn cần nhiều xi măng hơn)

- Xi măng phải có thời gian bắt đầu ninh kết tối thiểu là 120phút và càng chậm càng tốt

2.1.2.3 Yêu cầu đối với nước:

- Không có váng dầu hoặc váng mỡ

33

- Không có màu

- Lượng hợp chất hữu cơ không vượt qúa 15mg/l

- Có độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5

- Lượng ion sulfat không lớn hơn 600mg/l

- Lượng muối hòa tan không lớn hơn 2000mg/l

- Lượng ion clo không lớn hơn 350mg/l

- Lượng cặn không tan không lớn hơn 200mg/l

Cho phép sử dụng chất phụ gia làm chậm ninh kết để tạo thuận lợi cho việc thi công cát gia cố xi măng nhưng việc lựa chọn loại chất phụ gia cụ thể phải thông qua thí nghiệm, làm thử và phải được cấp xét duyệt thiết kế chấp nhận

2.1.3 Tính chất kỹ thuật của cát gia cố xi măng

Cát gia cố xi măng làm lớp kết cấu áo đường sẽ nâng cao được cường độ chịu tải của lớp vật liệu giảm được chiều dày của lớp kết cấu áo đường Làm cho lớp cát trở thành lớp vật liệu dính kết, chịu nước tốt Sau khi thi công xong, các xe thi công có thể lưu thông được ngay

Tuy nhiên lớp cát gia cố chịu mài mòn kém và thường bị nứt ngang mặt đường

2.1.4 Phân loại cát gia cố xi măng

Lớp cát gia cố được phân loại dựa vào hàm lượng xi măng pha trộn Cát gia cố 2% xi măng, Cát gia cố 4% xi măng, Cát gia cố 8% xi măng

Lượng xi măng dùng trong cát gia cố tùy thuộc vào yêu câu cường độ chịu tải của lớp vật liệu

2.1.5 Phạm vi áp dụng của vật liệu

34

2.1.5.1 Sử dụng trong xõy dựng nền đường:

Để đảm bảo cho nền đường và mặt đường cũng như cỏc cụng trỡnh xõy dựng trờn nền đường được bền vững lõu dài dưới tỏc động của cỏc nhõn tố mụi trường ngoài và tỏc động của xe cộ đi lại đất làm nền đường phải thoả món những yờu cầu nhất định, vớ dụ: khả năng chịu lực, thành phần hạt, độ chặt, độ ẩm, chỉ số dẻo, độ trương nở…khi một trong những yờu cầu ấy khụng thoả món thỡ sử dụng biện phỏp gia cố đất để làm nền đường

2.1.5.2 Sử dụng trong xõy dựng ỏo đường:

Làm lớp đỏy ỏo đường cho ỏo đường cấp cao cú thể sử dụng đất chọn lọc (cấp phối đồi) cú CBR>10 (12), mụ đun đàn hồi > 50Mpa hoặc cỏt gia cố vụi, xi măng, nhựa đường, xỉ lũ cao…

− Làm lớp múng : Mặt đường cấp cao sử dụng cấp phối đỏ dăm loại 1, loại 2, cỏt gia cố làm lớp múng dưới Lớp múng trờn mặt đường cấp cao phải sử dụng vật liệu rời gia cố để đảm bảo tuổi thọ cao của mặt đường Cú thể là cấp phối đỏ dăm gia cố nhựa, cấp phối đỏ dăm gia cố xi măng, đỏ dăm đồng kớch cỡ gia cố nhựa, gia cố xi măng, cỏt gia cố xi măng Mặt đường cấp thấp, cỏt gia cố cú thể sử dụng làm lớp múng trờn hoặc lớp mặt

2.1.1 Yờu cầu về khả năng chịu lực của vật liệu

Yờu cầu này phải do phớa thiết kế quy định nhưng tối thiểu phải đạt được cỏc đặc trưng nờu ở bảng

Bảng 2-1: Cường độ giới hạn yờu cầu

Vị trí các lớp kết cấu cát

gia cố xi măng

Cường độ giới hạn yêu cầu (daN/cm2)

Chịu nén ở 28 ngày tuổi Chịu ép chẻ ở 28 ngày

tuổi Lớp móng trên của kết

cấu áo đường cấp cao và

lớp mặt có láng nhựa

2.2.1 Công nghệ thi công vật liệu cát gia cố xi măng

Trước khi rải hỗn hợp cát gia cố xi măng hoặc trộn cát với xi măng tại đường, phải tu sửa lòng đường hoặc bề mặt lớp móng phía dưới đạt độ dốc ngang quy định rồi dùng lu nặng lu 2 - 3 lần/điểm để đảm bảo mặt móng phía dưới hoặc mặt lòng đường bằng phẳng, vững chắc, đồng đều Ở các đoạn nền đó hoặc các đoạn có đắp lề tạo lòng đường hoặc lớp móng có thể thấm hút nước thi phải tưới đẫm nước trước khi rải hoặc trộn hỗn hợp cát - xi măng Ngoài ra phải bố trí lối ra vào hiện trường để xe chở hỗn hợp cát - xi măng phục vụ san, rải được thuận lợi (nếu thực hiện khâu trộn ở trạm trộn) hoặc phải bố trí chỗ quay đầu cho máy phay được thuận lợi (nếu trộn tại đường)

2.2.2 Công nghệ thi công trộn tại chỗ

2.2.2.1 Rải cát:

Sau khi lòng đường đã được chuẩn bị đạt được yêu cầu nói ở ở trên cát

do ô tô chở tới phải được đổ thành đống với cự lý tính toán trước để tiếp đó máy san có thể san gạt dễ dàng thành một lớp cát đủ dày trong phạm vi thi công (đủ dày có nghĩa là với lớp cát đó sau khi trộn với xi măng và lu lèn chặt

sẽ được một lớp cát gia cố xi măng có bề dày vừa bằng bề dày thiết kế); cụ thể là bề dày lớp cát rải Hrải cát (cm) để trộn với xi măng theo phương pháp trộn tại đường được xác định theo công thức:

roi cat

tk xi

cat

raicát

H P H

P: tỷ lệ xi măng đem vào trộn với cát (%)

Htk: là bề dày thiết kế của lớp cát gia cố xi măng (cm)

2.2.2.2 Rải xi măng:

Xi măng phải được phân bố đều trên bề mặt lớp cát đã rải bằng máy rải

xi măng rời (nếu có) hoặc bằng phương pháp thủ công với xi măng đóng bao Việc rải xi măng thủ công được thực hiện bằng cách xếp các bao xi măng với khối lượng đã biết đặt cách nhau với một cự ly tính trước (đảm bảo

đủ lượng xi măng theo tỷ lệ P%), sau đó đồng loạt rạch miệng túi xi măng ngay tại chỗ (với máy phay, không cần rải đều xi măng phủ kín bề mặt lớp cát) Để tránh bụi và bảo đảm an toan lao động, công nhân phải có khẩu trang

và đi ủng, khi trút xi măng không được rê, rũ bao, không được nhấc miệng bao quá cao trên bề mặt lớp cát

Tỷ lệ xi măng khi trộn tại đường được tăng thêm 1% so với tỷ lệ thí nghiệm trong phòng và phải được tư vấn thiết kế quy định ngay trong đồ án thiết kế, nhà thầu không được tự ý tăng để tính thêm khối lượng

Hỗn hợp trộn phải đồng màu sắc từ trên xuống dưới trong toàn đoạn thi công, không được thấy có vệt xi măng, lốm đốm xi măng

37

2.2.2.4 San rải hỗn hợp cát - xi măng đã trộn:

- Trường hợp trộn ở trạm trộn thì xe chở hỗn hợp ra hiện trường phải đổ thành đống với cự ly đã định trước, sau đó dùng máy san gạt thành lớp trong phạm vi thi công Nếu dùng máy rải thì xe chở hỗn hợp đổ trực tiếp vào máy rải

- Trường hợp mặt đường rộng hoặc dùng máy rải thì phân vệt rải và việc rải bằng máy rải hoặc san gạt bằng máy san hỗn hợp cát - xi măng phải được thực hiện trong phạm vi có ván khuôn thép cố định chắc chắn xuống lòng đường hoặc xuống lớp móng dưới để tạo thành bờ vách vệt rải (trừ trường hợp dùng máy rải có ván khuôn trượt) Chiều cao của ván khuôn phải bằng chiều dày lớp đá gia cố xi măng thiết kế nhân với hệ số bề dày rải

- Hệ số bề dày rải của lớp cát gia cố xi măng được xác định bằng tỷ số giữa trị số dung trọng khô yêu cầu của cát gia cố xi măng sau khi đã lèn chặt δcátxi với trị số dung trọng khô của hỗn hợp sau khi trộn

Trên thực tế cho phép dùng hệ số này bằng 1,30 - 1,35 và thông qua tiến hành rải thử để xác định chính xác hệ số đó

Trường hợp trộn tại đường thì khi trộn xong cũng phải kiểm tra bề dày lớp hỗn hợp cát - xi măng với hệ số bề dày rải nói trên

2.2.2.5 Đầm nén hỗn hợp cát - xi măng:

- Bề dày đầm nén lớp cát gia cố xi măng tối thiêu là 10 cm (bề dày sau khi lu lèn chặt) Nếu đảm bảo có phương tiện đầm nén đạt yêu cầu thì bề dày đầm nén một lớp cát gia cố xi măng lớn nhất cũng chỉ là 20cm (bề dày sau khi

cm, thêm vật liệu mới, san sửa rồi lu

+ Lu lèn chặt: dùng lu lốp hay lu nặng qui định ở trên để đầm nén tới độ chặt yêu cầu Với lu lốp 12 - 15 l/đ, lu rung 6 - 10 l/đ

+ Lu hoàn thiện: dùng lu nặng bánh sắt lu là phẳng 2 - 3 l/đ

- Các số lần lu nói trên phải được chính xác hoá thông qua kết quả thi công rải thử Ngay trong khi lu lèn phải kiểm tra độ chặt cho đến lúc đạt độ chặt yêu cầu mới được ngừng lu Nếu phát hiện có chỗ hỗn hợp còn khô, có thể tưới ẩm cục bộ rồi lu tiếp

- Sát mép của ván khuôn lu không vào được, phải dùng đầm rung loại nhỏ để đầm nén

- Trường hợp lớp cát gia cố dùng làm lớp mặt trên có láng nhựa thì sau khi lu lèn gần chặt (còn 2 - 3 lượt chưa lu) phải rải đá dăm kích cỡ 15 - 20

mm (không được dùng cuội sỏi mà phải dùng đá nghiền) với số lượng 10 - 15 dm3/m2, lu cho đá chìm một phần vào trong lớp cát

2.2.3 Công nghệ thi công trộn tại trạm trộn

Công nghệ trộn phải được tiến hành theo hai giai đoạn:

+ Trộn khô cát với xi măng

+ Trộn ướt với nước

Thời gian trộn mỗi giai đoạn phải được xác định thông qua trộn thử (với