Báo cáo khoa học: "các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay" doc

Xác định hệ số điều chỉnh chiều dμy kết cấu Chiều dày của kết cấu mặt đường mềm sân bay được xác định từ các toán đồ lặp sẵn cho các loại máy bay.. Căn cứ vào số liệu dự báo các loại má

các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay

PGS TS phạm huy khang

Bộ môn Đường ôtô - Sân bay Trường Đại học Giao thông Vận tải

ThS Nguyễn Đình Chung

Công ty thiết kế & tư vấn XDCT hμng không (ADCC)

Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay được nhiều

quốc gia áp dụng để thiết kế kết cấu mặt đường mềm cho các sân bay Đồng thời kiến nghị phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay trong giai đoạn Việt Nam chưa ban hμnh quy trình thiết kế mặt đường mềm sân bay

Summary: The article introduces Methods to design the Airport flexible Pavement, Nations use to design flexible Pavements at the Airport This article also proposes the method that is applied to design flexible Pavements at the Airport At time, Viet Nam hasn’t issued the Airport flexible Pavement - Design Criteria

I Đặt vấn đề

Kết cấu mặt đường trong đồ án quy hoạch và thiết kế sân bay là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng lớn đến giá thành xây dựng và chất lượng khai thác sau này của sân bay, chỉ một khu vực diện tích nhỏ kết cấu mặt đường khu bay (đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ máy bay)

bị hư hỏng có thể uy hiếp an toàn các hoạt động của máy bay, dẫn đến phải đóng cửa sân bay Kết cấu mặt đường được thiết kế phải phù hợp với việc cải tạo, nâng cấp trong tương lai khi tần suất hoạt động của máy bay tăng lên Hiện nay có 2 nhóm phương pháp thiết kế mặt đường mềm được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước phát triển như sau

CT 2

II Nội dung

1 Phương pháp thực nghiệm thiết kế mặt đường mềm sân bay

1.1 Phương pháp của FAA (Federal Aviation Administration - Mỹ)

Phương pháp này yêu cầu xác định chính xác điều kiện nền móng của mặt đường, khảo sát

sự phân bố và các đặc trưng vật lý của đất nền, vẽ mặt cắt địa chất và cao độ mực nước ngầm dưới mặt đường

Các số liệu đầu vào thiết kế:

- CBR của nền đất;

- CBR của lớp móng dưới;

- Cấu tạo hệ càng bánh và trọng lượng máy bay thiết kế;

- Số lần cất hạ cánh hàng năm của máy bay thiết kế

Khi số lần cất hạ cánh lớn hơn 25.000 lần/năm thì tổng chiều dày của kết cấu mặt đường

phải tăng lên, giá trị gia tăng chiều dày mặt đường lấy theo bảng 1 và chiều dày lớp mặt bêtông

asphalt phải tăng thêm 1 in (2,5 cm)

Bảng 1 Xác định hệ số điều chỉnh chiều dμy kết cấu

Chiều dày của kết cấu mặt đường mềm sân bay được xác định từ các toán đồ lặp sẵn cho

các loại máy bay Chiều dày xác định theo các toán đồ dùng cho khu vực nguy hiểm và có lớp

bề mặt là bêtông asphalt trộn nóng, dải nóng được ghi trên toán đồ Nếu tính ở khu vực không

nguy hiểm thì chiều dầy lớp móng trên và dưới lấy bằng 0,9 của vùng nguy hiểm Với các vùng

không nguy hiểm ở sát mép mặt đường thì lấy bằng 0,7 vùng nguy hiểm

Các bước thiết kế chiều dμy mặt đường mềm theo FAA

1 Căn cứ vào số liệu dự báo các loại máy bay khai thác trong thời gian phục vụ của mặt

đường, xác định máy bay thiết kế (là loại máy bay có tải trọng lớn nhất được phép cất hạ cánh)

Sử dụng công thức FAA-1 để tính số lần cất hạ cánh hàng năm của một loại máy bay nào quy

đổi về máy bay thiết kế :

CT 2

2 / 1 1

2 2 1

W

W LogR

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ì

trong đó: R1 - số lần cất cánh hạ của máy bay thiết kế;

R2 - số lần cất cánh của máy bay cần quy đổi về máy bay thiết kế;

W1 - tải trọng của máy bay thiết kế (lb; kg);

W2 - tải trọng của máy bay cần quy đổi (lb, kg)

2 Căn cứ vào trọng lượng của máy bay thiết kế, số lần cất hạ cánh đã quy đổi về tải trọng

thiết kế, trị số CBR của nền đất Tra toán đồ được lập sẵn cho loại máy bay thiết kế xác định

được tổng chiều dày của mặt đường với chiều dày lớp bêtông asphalt được ghi ở phía dưới cho

vùng nguy hiểm và không nguy hiểm Khi tính toán chiều dày lớp móng, kiểm tra theo toán đồ

4-45 [ ]5 và bảng 3.3 chiều dày tối thiểu của lớp móng [ ]3 , so sánh chọn giá trị lớn hơn

1.2 Phương pháp của Anh

Phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay của Anh là phương pháp của Cục môi trường Vương quốc Anh Các tham số thiết kế mặt đường mềm gồm có chất lượng của vật liệu mặt đường, cường độ nền đường, ACN thiết kế, tần suất vận chuyển,

- Vật liệu mặt đường:

Do nền đường ở Anh thường có độ ẩm cao nên lớp móng trên của kết cấu mặt đường mềm sân bay phải làm bằng vật liệu gia cố ximăng hoặc bitum, vì lớp móng không gia cố thường không đảm bảo chất lượng trong khai thác cũng như trong thi công

Vật liệu thường dụng làm lớp móng trên là bêtông nghèo hoặc đá dăm trộn nhựa chặt Chiều dày của lớp nhựa bitum, kể cả lớp mặt rải trên lớp bêtông nghèo không được nhỏ hơn 1/3 tổng chiều dày của các lớp mặt đường gia cố chất liên kết

Chiều dày tối thiểu tầng mặt của kết cấu mặt đường mềm có lớp móng trên gia cố là

100 mm (trong đó lớp mặt trên thường là 40 mm)

- Cường độ nền đường: Với kết cấu mặt đường mềm có lớp móng gia cố thiết kế tiêu chuẩn, trị số CBR lớn nhất là CBRMAX = 20%

- ACN(*) thiết kế: là ACN của máy bay thiết kế, thường là máy bay có ACN cao nhất trên nền đất thực tế

CT 2

- Tần suất vận chuyển;

Các nhân tố ảnh hưởng đến tần suất vận chuyển: Tuổi thọ thiết kế (với mặt đường mềm thường lấy 20 năm); Sơ đồ vận chuyển và số lần đi lại; Hệ số trùng phục; Việc phân tích lượng vận chuyển hỗn hợp

Tần suất vận chuyển được phân cấp như sau: Thấp: 10.000 lần trùng phục; Trung bình: 100.000 lần trùng phục; Cao: 250.000 lần trùng phục

Với tần suất vận chuyển cao thì phải tăng chiều dày của lớp móng trên bằng vật liệu gia cố, bảo đảm tổng chiều dày của kết cấu mặt đường chỉ lớn hơn 8% so với chiều dày thiết kế cho tần suất vận chuyển trung bình

- Hệ số trùng phục:

Số lần đi lại của máy bay

Hệ số trùng phục = -

Số lần trùng phục

Trong đó: số lần trùng phục là số lần mà một điểm trên mặt đường chịu tác dụng của ứng

suất lớn nhất ứng với số lần đi qua của máy bay

Hệ số trùng phục phụ thuộc vào: Số bánh và khoảng cách giữa các bánh trên càng chính

của máy bay; Chiều rộng vệt bánh; Sự phân bố ngang của quỹ đạo bánh máy bay so với tim

đường hoặc vạch sơn dẫn đường

Hệ số trùng phục của các loại càng bánh chính được giới thiệu ở bảng 2:

Bảng 2 Xác định hệ số trùng phục của tải trọng

Bánh đơn 4 - 12 (phụ thuộc vào áp suất bơm bánh và số ACN)

- Phân tích lượng vận chuyển hỗn hợp để xác định tổng số lần trùng phục tương đương

theo ACN thiết kế

- Thiết kế mặt đường mềm: xác định CBR của nền đường; xác định ACN thiết kế; xác định

tần suất vận chuyển

Tính chiều dày mặt đường theo toán đồ thiết kế của Cục Môi trường Vương quốc Anh sau

khi đã biết các số liệu trên (hình 3.24 [ ]3 )

CT 2

1.3 Phương pháp dùng công thức kinh nghiệm

P S 450

1 CBR 1 8

1 ) 43 5 R log 71 8 (

⎠

⎞

⎜

⎝

+

=

trong đó: T - tổng chiều dày của kết cấu mặt đường trên nền đất, cm;

R - số lần tác dụng của tải trọng bánh đơn tương đương;

S - áp lực bơm bánh, MPa; P - tải trọng càng bánh đơn tương đương, kg

2 Phương pháp lý thuyết (Tiêu chuẩn SNIP2.05.08.85) của Liên Xô

Kết cấu mặt đường mềm sân bay được tính toán theo tiêu chuẩn độ võng tương đối giới hạn

và điều kiện chịu kéo uốn của lớp mặt bêtông asphalt

2.1 Độ võng tương đối giới hạn

Khi tính mặt đường mềm sân bay theo độ võng tương đối giới hạn, toàn bộ kết cấu phải

thỏa mãn tiêu chuẩn:

λd ≤ γc.λu (1)

trong đó:

λd - độ võng tương đối tính toán của mặt đường do tải trọng gây ra, xác định theo công thức (2);

γc - hệ số điều kiện làm việc lấy theo nhóm của các đoạn trên mặt đường sân bay; A-1; B

và C - 1,05; D - 1,1 (xem hình 2);

λu - độ võng tương đối giới hạn của mặt đường xác định theo mục 2.3

Nếu qua tính toán tìm được tổng chiều dày của kết cấu mặt đường mềm lớn hơn 50 cm, môđun đàn hồi của đất dính bằng và nhỏ hơn 24 MPa (240 kG/cm2) thì phải tăng thêm 5% khi chiều dày kết cấu từ 51 đến 75 cm; tăng thêm 10% khi chiều dày từ 70cm đến 100cm, tăng 15% khi chiều dày từ 101 đến 125 cm, và tăng 20% khi chiều dày trên 125 cm

Sơ đồ 2 Sơ đồ 1

CT 2

Hình 2 Sơ đồ các nhóm khu vực mặt đường)

- Sơ đồ 1 - Các sân bay mμ máy bay lăn bánh trên đường lăn chính;

- Sơ đồ 2 - Các sân bay mμ việc lăn bánh tiến hμnh trên đường cất hạ cánh

A - đường lăn chính; các đoạn cuối của đường cất hạ cánh (đường băng); phần giữa theo chiều rộng của đường cất hạ cánh mμ máy bay tiến hμnh lăn bánh

B - các đoạn đường cất hạ cánh thiết kế theo sơ đồ 1, nối tiếp với các đoạn cuối của nó; các mép theo chiều rộng của các đoạn giữa của đường cất hạ cánh thiết kế theo sơ đồ 2; các

đường lăn phụ vμ đường lăn nối; các sân đỗ; sân ga vμ các quảng trường tương tự khác để đỗ máy bay;

C - phần giữa của đường cất hạ cánh thiết kế theo sơ đồ 1;

D - các mép theo chiều rộng của đoạn giữa đường cất hạ cánh thiết kế theo sơ đồ 1, trừ

các chỗ nối với đường lăn

2.2 Độ võng tương đối tính toán

Độ võng tương đối tính toán của mặt đường do tải trọng gây ra được xác định theo công

thức:

ed

a d

E

0,9.P

=

λ (2)

trong đó: Pa - áp lực không khí trong bánh máy bay, MPa;

Eed - môđun đàn hồi tương đương của kết cấu mặt đường mềm bao gồm cả nền đất, MPa;

Eed = Emt φk

Emt - môđun đàn hồi trung bình, MPa, của kết cấu nhiều lớp (bao gồm lớp mặt, lớp

móng và nền đắp) gồm n lớp trong phạm vi chiều dày chịu nén:

tot

n n 21

2 1 1 mt

t

.t E

.t E t E

=

ψk - hệ số xác định theo toán đồ hình 7, phụ lục 10 [ ]7

CT 2

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

=

e

tot mt k

D

t

; E

E f

ψ

trong đó: E1, E2 , … En - môđun đàn hồi của các lớp riêng rẽ, MPa;

t1, t2, … tn - chiều dày của các lớp kết cấu, cm;

ttot - tổng chiều dày các lớp kết cấu, m;

E - môđun đàn hồi của đất nền thiên nhiên, MPa;

De - đường kính vòng tròn, m, diện tích vệt bánh tương đương của tải trọng bánh đơn

tương đương được xác định theo mục 2.5

2.3 Độ võng giới hạn của mặt đường

Độ võng tương đối giới hạn của mặt đường λu được xác định theo toán đồ hình 8, phụ lục

10 [ ]7 , phụ thuộc vào loại đất, áp lực bơm bánh và số lần tác dụng trùng phục quy đổi Nr của tải

trọng máy bay

2.4 Cường độ của các lớp bêtông asphalt

Cường độ của các lớp bêtông asphalt của mặt đường mềm sân bay phải thỏa mãn tiêu

chuẩn:

σr ≤ γc Rd (3)

trong đó: σr - ứng suất kéo uốn lớn nhất trong lớp tính toán do tải trọng tính toán gây ra, MPa:

σr =σ2.pa

với γc - hệ số điều kiện làm việc của bêtông asphalt lấy theo nhóm của các bộ phận sân bay như sau: A - 1; B và C - 1,1, D - 1,2 (xem hình 2)

Rd - cường độ kéo uốn tính toán của bêtông asphalt, MPa, theo bảng 3;

2

σ - ứng suất kéo uốn đơn vị, xác định theo toán đồ 9, phụ lục 10 [ ]7 ;

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

=

ei

ab ê

ab 2

D

t , E

E f

σ

với: Eab - môđun đàn hồi trung bình của lớp bêtông asphalt, MPa, được tính tương tự như Emt (xem mục 2.2)

Ee - môđun đàn hồi tương đương của nền móng dưới lớp bêtông asphalt, bao gồm cả nền

đất, MPa:

Ee = Em ψk

Em - môđun đàn hồi trung bình của các lớp móng dưới lớp bêtông asphalt (không tính nền

đất), MPa, xác định theo mục 2.2

ψk - hệ số xác định theo toán đồ hình 7, phụ lục 10 [ ]7 , trong đó các đại lượng Emt và Ecd

được thay bằng Em và Ee

CT 2

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

= ψ

e

tot m k

D

t , E

E f

Dei - đường kính vòng tròn vệt bánh tương đương của tải trọng bánh đơn tương đương trên lớp bêtông asphalt, được xác định theo mục 2.5

2.5 Đường kính vòng tròn vệt bánh tương đương của tải trọng bánh đơn tương đương

Đường kính vòng tròn vệt bánh tương đương của tải trọng bánh đơn tương đương được tính theo công thức:

a

e ei

p

F 2 D

π

= (4)

Trong đó: Fe - tải trọng bánh đơn tương đương (kN), thay đổi tải trọng của càng nhiều bánh,

được lấy bằng Fd khi

2

a

ttot ≤ , bằng Fn khi ttot = 2a1, trong các trường hợp còn lại thì tính theo công thức:

⎟

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎜

⎝

⎛

+

d

k

a

t 2 lg a

a lg

n lg log anti F

với: Fd - tải trọng tính toán của bánh máy bay (kN); nk - số bánh trên một càng; pa - áp lực bơm

bánh, MPa (kG/cm2); Fn - tải trọng trên càng chính (kN);

a - khoảng cách nhỏ nhất giữa các bánh gần nhau của càng chính, (m);

a

d r

1,4.

F 2 -a a

Ρ

=

π

ar, ad - khoảng cách tương ứng giữa các trục bánh gần nhau trong càng bánh và khoảng

cách lớn nhất giữa các bánh của càng chính (m), lấy theo hình 10 phụ lục 10, phụ thuộc vào sơ

đồ bố trí xe trong càng bánh;

ttot - tổng chiều dày các lớp của kết, m, được dùng để xác định Fe (ttot lấy bằng tổng chiều

dày kết cấu khi tính cường độ theo độ võng tương đối giới hạn, và lấy bằng tổng chiều dày các

lớp atfan khi tính cường độ kéo uốn của chúng)

2.6 Số lần tác dụng trùng phục quy đổi của tải trọng

Khi tính cường độ của mặt đường chịu tác dụng của tải trọng nhiều loại máy bay khác nhau

thì phải quy đổi về tác dụng tương đương của tải trọng tính toán qua số lần tác dụng trùng phục

quy đổi Nr của tải trọng Đồng thời chỉ tính với các máy bay có tải trọng trên càng chính lớn hơn

hoặc bằng 1/2 trị số tải trọng trên càng chính của máy bay tính toán

CT 2

Giá trị Nr được xác định theo công thức:

n a j n

1 n i

r Nn k

=

= (5)

trong đó: Ni - số lần cất cánh trung bình ngày của máy bay thứ i được lấy ở năm cuối cùng của

thời kỳ phục vụ thiết kế của mặt đường, bằng 10 năm với mặt đường cấp cao và bằng 5 năm với

mặt đường loại nhẹ;

nj - số kiểu máy bay, kể cả máy bay tính toán;

na - số trục của càng bánh tính toán; khi tính toán cường độ theo độ võng tương đối

giới hạn, lấy na = 1;

kn - hệ số quy đổi tải trọng, xác định theo toán đồ, phụ thuộc vào tỉ số:

ed

ei

D

D

và d

ai

p p

Dei, Ded - đường kính vòng tròn vệt bánh tương đương của máy bay thứ i và của máy bay tính toán Trị số của Dei và Ded xác định theo công thức (4), phân biệt khi tính toán cường độ kéo uốn của các lớp bêtông asphalt và khi tính cường độ kết cấu theo độ võng tương đối giới hạn;

pai, pd - áp lực bơm bánh của máy bay thứ i và của máy bay tính toán

Bảng 3 Cường độ bêtông asphalt trong tính toán kết cấu

Cường độ kéo uốn Rd, MPa Môđun đàn hồi Eab, MPa Hỗn hợp

bêtông

oC 20 oC 30 oC 10 oC 20 oC 30 oC

Loại

chặt

Ghi chú:

CT 2 Để đổi thμnh kG/cm 2 , các giá trị của cường độ kéo uốn vμ môđun đμn hồi được nhân với 10

Giá trị ở tử số lμ cường độ kéo uốn của bêtông asphalt ứng với số lần tác dụng của tải trọng bánh xe

vμ của trục bánh tính toán quy đổi trung bình ngμy đêm theo một vệt nhỏ hơn 50; giá trị ghi ở mẫu số lμ lớn hơn 50

Nhiệt độ tính toán của bêtông asphalt lμ nhiệt độ lớn nhất của mặt đường trong thời kỳ năng lực chịu tải của nền đất lμ thấp nhất

3 Ví dụ tính toán kết cấu khu vực nguy hiểm cho 2 loại máy bay B767-300 và B747-400

3.1 Số liệu đầu vμo

- Máy bay tính toán Boeing 767 - 300 ER; số liệu tính toán của máy bay lấy theo tài liệu [ ]8 ; số lần cất hạ cánh 1200 lượt/1 năm;

- Máy bay tính toán Boeing 747 - 400; số liệu tính toán của máy bay lấy theo tài liệu [ ]9 ; số lần cất hạ cánh 1200 lượt/1 năm;

- Số liệu nền đất và vật liệu xây dựng: CBR nền đất 6 %; Enền đất = 400 kG/cm2; CBR đất sỏi

đồi 10%, Eđàn hồi = 800 kG/cm2; CBR cấp phối đá dăm 100%, Eđàn hồi = 3000 kG/cm2

3.2 Kết quả tính toán

* Kết cấu mặt đường mềm cho máy bay Boeing 767 – 300 ER

- Theo phương pháp của FAA: Tổng chiều dày kết cấu tra theo toán đồ 7.5.1 [ ]8 là 91 cm;

CBR thiết kế lớp móng dưới 20 %, tra toán đồ 7.5.1 [ ]8 chiều lớp móng trên và lớp mặt 36cm,

tra toán đồ 4 - 45 [ ]5 và Bảng 3.3 chiều dày tối thiểu của lớp móng [ ]3 xác định chiều dày lớp

móng dưới là 55 cm (lớp cấp phối đá dăm 25 cm; lớp đất sỏi đồi 30 cm), lớp móng trên cấp phối

đá dăm gia cố xi măng là 20 cm

- Theo phương pháp của Anh: Tra toán đồ 7.10.1 [ ]8 xác định ACN thiết kế 52; tính hệ số

trùng phục và tra toán đồ hình 3.24 [ ]3 xác định chiều dày tối thiểu lớp mặt bêtông asphalt

10cm, lớp móng bằng liệu cấp phối đá dăm gia cố xi măng 53 cm Tính đổi chiều dày lớp móng

cấp phối đá dăm gia cố xi mằng thành lớp móng dưới đất sỏi đồi, lớp móng trên cấp phối đá

dăm, lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng, bêtông asphalt 15 m Hệ số quy đổi theo bảng

4-9, bảng 4-10 [ ]5

- Theo công thức kinh nghiệm (CTKN): Tính theo công thức mục 1.3, xác định được tổng

chiều dày kết cấu tương đương với vật liệu là đá dăm 125 cm Tính đổi vật liệu đá dăm theo hệ

số quy đổi theo bảng 3-10 [ ]3 , kết quả ghi ở bảng 4

- Tính theo phương pháp của Liên Xô: phương pháp này được lập trình trên máy tính, kết

quả tính toán được ghi bảng 4

Bảng 4 Tổng hợp kết quả tính toán theo các phương pháp

CT 2

Phương pháp tính STT Các lớp kết cấu

- Kết cấu mặt đường mềm cho máy bay Boeing 747-400:

Tính toán tương tự như trên kết quả tính toán được ghi bảng 5