Các phương pháp lý thuyết Cơ sở của nhóm phương pháp này là dựa trên việc nghiên cứu ứng suất do xe chạy gây ra trong các lớp mặt đường và so sánh các ứng suất này với cường độ cho phép
Trang 1NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HỢP LÝ CHO TỈNH TIỀN GIANG
TS LÊ VĂN BÁCH
Liên Bộ môn Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải, Cơ sở 2
Tóm tắt: Tiền Giang có mạng lưới sông ngòi chằng chịt Để phát triển giao thông đường
bộ thì phải xây dựng các công trình cầu, đường gần sông rạch có địa chất yếu Điều này làm cho nền đường đắp bị lún nhiều, kéo dài, kết cấu mặt đường thường xuyên bị hư hỏng, đòi hỏi
xử lý phức tạp và tốn kém Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất kết cấu áo đường hợp lý là mục tiêu thiết thực, làm giảm chi phí duy tu, sửa chữa cũng như phục vụ cho việc đầu tư hợp lý cho các dự án đường về sau cho tỉnh Tiền Giang
Summary: Tiền Giang province has a complex system of rivers and streams In order to
develop road traffic, bridges and roads have to be built on riversides with soft and weak soil
As a result, the road beds are heavily and continuously sunken and the road-pavements are usually damaged, requiring complicated and costly solutions Thus, the research and proposals of reasonable road-pavements are aimed to reduce the cost of repairs and maintenance and also serve as the guide for reasonable investment in later road projects in Tiền Giang province
I GIỚI THIỆU CHUNG
CT 1
Tỉnh Tiền Giang thuộc miền Tây nam bộ có tám huyện, một thị xã và một thị trấn Phía Đông giáp biển Đông, phía Tây giáp Đồng Tháp, phía Nam giáp Bến Tre, Vĩnh Long, phía Bắc
và Đông Bắc giáp Long An và huyện Cần Giờ của Thành phố Hồ Chí Minh
Mạng lưới giao thông đường bộ tuy có phát triển nhưng không đồng bộ, đầu tư nâng cấp
mở rộng không đúng mức nên đã xuống cấp nhanh chóng Tỉnh đang từng bước xây dựng hoàn chỉnh hệ thống giao thông theo quy hoạch lâu dài, các trục đường chính được mở rộng theo quy hoạch liên kết các huyện trong tỉnh và lưu thông với các tỉnh bạn
Bảng 1 Hiện trạng đường giao thông của tỉnh Tiền Giang
1 Đường quốc lộ 4 tuyến/98,2 km 4 tuyến/139,3 km 4 tuyến/150 km
2 Đường tỉnh 19 tuyến/312,2 km 27 tuyến/380,09 km 28 tuyến/388,78 km
3 Đường nội ô thành phố Mỹ Tho 17 tuyến/18,36 km 12 tuyến/13,45km 13 tuyến/13,62 km
4 Đường nội ô Tp Mỹ Tho, TX Gò Công
-TP Mỹ Tho
-TX Gò Công
38 tuyến/18,74 km
24 tuyến/13,79 km
38 tuyến/18,18 km
24 tuyến/10,39 km
38 tuyến/18,18 km
24 tuyến/10,39 km
5 Đường nội ô TPMT, TXGC+7 Thị trấn 118 tuyến/75,06 km 111 tuyến/50,71km 115 tuyến/62,1 km
6 Đường huyện, đường liên xã 72 tuyến/385,86 km 115 tuyến/639,54 km 154 tuyến/82,89 km
8 Đường giao thông nông thôn 3517,24/km 1988tuyến/3229,4km 2015tuyến/3623km
Trang 2T CT1
Bảng 2 Mật độ đường bình quân trên diện tích lãnh thổ tỉnh Tiền Giang
Không tính đường nông thôn
-Năm 1996 là 0,458 km/km2
-Năm 2000 là 0,565 km/km2
-Năm 2005 là 0,661 km/km2
Kể cả đường nông thôn
-Năm 1996 là 1,945 km/km2
-Năm 2000 là 1,93 km/km2
-Năm 2005 là 2,194 km/km2
Bảng 3 Thống kê kết cấu áo đường tỉnh Tiền Giang
Chiều dài (km) Tổng số BTN, láng nhựa Cấp phối đá dăm Đất
Năm 1996 1085,83 252,07 583,94 249,82
Năm 2000 1338,56 244,66 899,44 194,46
Năm 2005 1564,8 487,94 837,99 196,39
II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ XUẤT KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG HỢP LÝ
CHO TỈNH TIỀN GIANG
2.1 Cơ sở lý thuyết đề xuất kết cấu mặt đường hợp lý
2.1.1 Các phương pháp lý thuyết
Cơ sở của nhóm phương pháp này là dựa trên việc nghiên cứu ứng suất do xe chạy gây ra
trong các lớp mặt đường và so sánh các ứng suất này với cường độ cho phép của vật liệu làm
đường
2.1.1.1 Phương pháp theo quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06
- Thiết kế cấu tạo kết cấu nền áo đường: nội dung chính ở đây là chọn và bố trí hợp lý các
lớp vật liệu phù hợp với chức năng và yêu cầu của các tầng, lớp áo đường, chọn các giải pháp
tăng cường độ và sự ổn định cường độ trong khu vực tác dụng (bao gồm cả các giải pháp thoát
nước nếu cần, cho các lớp kết cấu nền áo đường)
- Tính toán kiểm tra cường độ chung và cường độ trong mỗi lớp kết cấu áo đường, xác định
bề dày mỗi lớp kết cấu áo đường theo các tiêu chuẩn kết cấu cho phép
- Tính toán, thiết kế tỉ lệ các thành phần hạt và tỉ lệ phối hợp giữa vật liệu hạt khoáng với
chất liên kết cho mỗi loại vật liệu sử dụng rồi kiểm nghiệm các đặc trưng cơ học của các vật liệu
đó để đưa ra yêu cầu cụ thể đối với vật liệu sử dụng cho mỗi lớp kết cấu
2.1.1.2 Phương pháp tính toán theo JTJ014-86 (Trung Quốc)
Trên cơ sở nghiên cứu và thực tiễn nhiều năm, quy phạm thiết kế áo đường mềm hiện hành
của Trung Quốc đã sử dụng lý thuyết hệ nhiều lớp đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng phân bố
đều trên 2 vòng tròn làm cơ sở để tiến hành tính toán và thiết kế kết cấu áo đường Riêng trong
thiết kế cải tạo mặt đường thì cũng có thể sử dụng phương pháp kinh nghiệm
Tóm tắt phương pháp thiết kế áo đường mềm hiện hành của Trung Quốc:
- Dựa vào yêu cầu của văn bản về nhiệm vụ thiết kế, xác định cấp hạn mặt đường và loại
Trang 3lớp mặt, tính toán số lần tích lũy trục xe tương đương trên một làn xe trong thời hạn thiết kế và tính toán trị số độ võng cho phép trên bề mặt mặt đường Nếu là loại mặt đường cần tiến hành nghiệm toán ứng suất kéo uốn thì cần tính toán trị số ứng suất kéo uốn cho phép
- Dựa vào loại đất và loại hình khô ẩm của nền đường, chia đường thiết kế ra thành một số đoạn (thông thường mỗi đoạn không nên dưới 500m; nếu thi công cơ giới với quy mô lớn thì mỗi đoạn không nên dưới 1.000m) để xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đất cho từng đoạn
- Dự kiến một số phương án bố trí kết cấu và bê tông áo đường có khả năng thực hiện, xác định trị số mô đun đàn hồi của vật liệu các lớp
- Xác định bề dày áo đường dựa theo độ võng cho phép
- Đối với mặt bê tông nhựa của đường cao tốc, đường cấp I, đường đô thị và lớp móng bằng vật liệu có tính toàn khối thì còn cần nghiệm toán theo ứng suất kéo uốn của chúng có thỏa mãn yêu cầu ứng suất kéo uốn cho phép hay không Nếu không đáp ứng yêu cầu thì phải điều chỉnh bề dày các lớp kết cấu áo đường hoặc thay đổi bố trí kết cấu áo đường, hoặc điều chỉnh tỉ
lệ phối hợp vật liệu để tăng thêm cường độ kéo uốn giới hạn,… sau đó lặp lại các tính toán
- Đối với lớp mặt rải nhựa của đường đó thì còn nghiệm toán xem ứng suất cắt trong lớp đó
có thỏa mãn yêu cầu về ứng suất cắt cho phép hay không; nếu không thỏa mãn thì phải điều chỉnh thành phần vật liệu để tăng cường độ chống cắt
- Đối với mặt đường cấp cao và cấp cao thứ yếu của vùng đóng băng theo mùa thì còn cần nghiệm toán bề dày lớp móng chống đóng băng xem có phù hợp với yêu cầu không
2.1.1.3 Phương pháp thiết kế mặt đường của Pháp – chương trình Alizé 3 Việc thiết kế và tính toán mặt đường của Pháp được tiến hành theo phương pháp hợp lý của chương trình Alizé 3 (là phương pháp giải chính xác bài toán bán không gian nhiều lớp đàn hồi của Burmister bằng máy tính) - sử dụng chương trình Alizé 3 thì có thể tính ứng suất và biến dạng trong mọi điểm của kết cấu các lớp mặt đường nhiều lớp (cho đến 6 lớp) rồi so sánh với kết quả tính toán cường độ và độ lún cho phép của vật liệu xác định bằng thí nghiệm ở trong phòng và kiểm tra ở hiện trường
CT 1
Phương pháp này phù hợp với tình hình cụ thể của nước Pháp với các đặc điểm sau đây:
- Có nhiều xe vượt tải chạy trên đường so với quy định
- Độ ẩm của đất ở dưới mặt đường rất cao
- Điều kiện khí hậu của nước Pháp tương đối khắc nghiệt
- Công nghệ sản xuất và chế tạo bán thành phẩm của Pháp tiên tiến
2.1.2 Các phương pháp thực nghiệm
Dựa trên các kinh nghiệm thu được trên các đoạn đường thực nghiệm hoặc trên mạng lưới đường khai thác Có thể liệt kê các phương pháp thực nghiệm chính sau đây:
- Phương pháp CBR
- Phương pháp của viện nghiên cứu đường bộ Anh (TRRL)
- Các phương pháp thực nghiệm của Mỹ (phương pháp Shook và Finn, phương pháp Liddle, phương pháp Shell, phương pháp AASHTO)
- Phương pháp của Nhật Bản
Trang 4- Phương pháp của trung tâm thiết kế nhà và công trình Pháp (CEBTP)
2.2 Các kết cấu mặt đường định hình đã được xây dựng ở Việt Nam và các nước trên
thế giới
2.2.1 Một số kết cấu định hình đã nghiên cứu xây dựng ở Việt Nam
2.2.1.1 Các kết cấu truyền thống đã được sử dụng
Phổ biến trong xây dựng kết cấu áo đường ở nước ta hiện nay đó là:
- Lớp mặt: phổ biến nhất là các loại bê tông nhựa (đặc biệt là bê tông nhựa nóng), bê tông
xi măng, các lớp láng nhựa, thấm nhập nhựa, đối với đường cấp thấp có sử dụng các loại cấp
phối thiên nhiên, cấp phối đá dăm làm lớp mặt, gần đây loại vật liệu bê tông nhựa polime (sử
dụng nhựa đường polime) cũng đã bắt đầu được sử dụng,…
- Lớp móng trên: thấm nhập nhựa, cấp phối đá dăm các loại I, loại II tùy theo cấp đường,
cấp phối đá dăm gia cố xi măng, đất gia cố vôi hoặc xi măng, đá macadam, các loại đá kẹp đất
dính (đối với đường cấp thấp),…
- Lớp móng dưới: cấp phối đá dăm (chủ yếu là loại II), cấp phối thiên nhiên (cấp phối sỏi
đồi, cấp phối sỏi sạn, cấp phối sỏi cuội, cấp phối sỏi đỏ,…), đất gia cố xi măng, các loại đá
dăm,…
2.2.1.2 Đề tài NCKH 10.05 catalog kết cấu mặt đường mềm
Đề tài cấp nhà nước KC10.05 của GS Nguyễn Xuân Đào đã được nghiệm thu, kết quả của
đề tài đã đưa ra được catalog kết cấu mặt đường mềm cho đường ô tô cấp cao
Theo đó, đề tài đã phân cấp lưu lượng xe: lưu lượng xe được phân thành 9 cấp từ T1 - T9
như bảng 4
T CT1
Bảng 4 Phân cấp lưu lượng xe
Cấp lưu
lượng xe
Số lượng trục xe tương đương trục
tiêu chuẩn tích lũy sau 15 năm khi
hệ số tăng trưởng i = 10%
(106 lần)
Lưu lượng xe tính toán tương đương trục xe tiêu chuẩn sau 15 năm phục vụ T15 (xe/ngày đêm)
Mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc
(daN/cm2)
Cũng theo đề tài, phân loại cấp hạng nền đường: nền đường được chia theo các cấp hạng
như bảng 5
Bảng 5 Phân cấp hạng nền đường
N1
Cấp hạng đất nền N0
N1-1 N1-2
Modul đàn hồi E0 (daN/cm2) 320 420 500 600
Chỉ số CBR(%) 5 8 10 15
Trang 5Dùng các trị số mơ đun hồi E0 bằng 320, 420, 500, ≥ 600 tương ứng với các cấp nền đường
N1-1, N1-2, N2, N3, riêng đối với nền đất cĩ mơ đun đàn hồi cao (E0 = 800, 1.000,… daN/cm2) thì
cĩ các nghiên cứu riêng
Vật liệu và thơng số tính tốn của vật liệu: dựa vào bảng tham khảo vật liệu và trị số tính tốn trong quy trình tính tốn kết cấu áo đường mềm 22 TCN 211-93 (nay là 22 TCN 211-06) (lấy giá trị cận trên)
III TÍNH TỐN VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HỢP LÝ CHO TỈNH TIỀN GIANG
3.1 Tính chất của mẫu đất chưa gia cố
Loại đất phổ biến ở tỉnh Tiền Giang là đất sét pha Từ điều kiện được gắn liền với kênh rạch, loại đất này thường được đào kênh, đưa lên để đắp thân đường Tùy thuộc vào địa tầng từng khu vực từng huyện, đất sét pha cĩ dung trọng tự nhiên thay đổi trong khoảng 1,5 - 1,7 g/cm3 Nếu so sánh với điều kiện phân hạng loại tốt của đất nền đường 1,8 g/cm3 < γkmax < 1,9 g/cm3 thì thân nền đường đắp bằng đất sét pha cịn chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Dưới đây là một số chỉ tiêu cơ lý của mẫu đất sét pha sử dụng vào mục đích thử nghiệm gia cố tại đường tỉnh 877B
- Thành phần hạt: xem hình vẽ 3.1
0%
20%
40%
60%
80%
100%
C ở hạt được tính bằng m ilim ét theo logarit
CT 1
Hình 3.1 Đường cong thành phần hạt mẫu đất sét pha
- Giới hạn chảy: WL = 46,66%
ẻo: WP = 27,51%
- Giới hạn d
ẻo: IP = 19,15%
- Chỉ số d
- Đầm nén tiêu chuẩn (AASHTO T180-90.PPA) + Dung trọng khơ lớn nhất: γkmax = 1,68 g/cm3
+ Độ ẩm tốt nhất: Wopt = 18%
Hàm lượng hữu cơ: 5%
Phối hợp tốt giữa các nguồn vật liệu địa phương như đất sét pha hoặc cát san nền sẽ cĩ được nền đường hợp lý, làm việc trong điều kiện bất lợi về độ ẩm cao Để đạt được điều kiện kinh tế kỹ thuật, yêu cầu tối thiểu cho đất nền đường: mơ đun đàn hồi chung E0 = 30 MPa
Trang 63.2 Đất gia cố xi măng
Đất sử dụng gia cố xi măng Hà Tiên PC 40
Bảng 6 giới thiệu kết quả thử nghiệm đánh giá hàm lượng xi măng sử dụng trong gia cố
cường độ chịu nén của mẫu tăng dần theo hàm lượng xi măng là 4, 6, 8 và 10% Tuy nhiên giá
trị cường độ lớn nhất mới đạt cận dưới của phân hạng đất gia cố cấp II, trong đó yêu cầu cường
độ chịu nén ở 7 ngày tuổi đạt Rn,7 = 18 ÷ 25 kG/cm2
Bảng 6 Cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi
Hàm lượng gia cố xi măng Rn,7 (kG/cm2) γk,tn (g/cm3)
4%
7,00 8,28 7,39
1,81 1,81 1,80 6%
12,73 11,76 11,21
1,82 1,82 1,83 8%
19,49 18,47 17,83
1,83 1,83 1,82
22,54
1,83 1,82
Ghi chú: γk,tn : Dung trọng khô của mẫu thí nghiệm
Rn,7 : Cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi
T CT1 Như vậy, hàm lượng xi măng được sử dụng trong gia cố được chọn theo tỉ lệ 8% và 10%
Quan hệ giữa Rn,7 và hàm lượng xi măng gia cố 10% sẽ cho cường độ nén ở 7 ngày tuổi đạt
khoảng 22 kg/cm2 ÷ 25 kg/cm2
Trị số mođun đàn hồi vật liệu đo được trên các mẫu:
- Đất gia cố 8% xi măng: biến đổi từ 2.400 kG/cm2 - 13.000 kG/cm2
- Đất gia cố 10% xi măng: biến đổi từ 3.400 kG/cm2 - 18.000 kG/cm2
3.3 Đề xuất kết cấu áo đường hợp lý
Dựa vào tình trạng lưu lượng xe trên một số tuyến đường đang khai thác và quy trình thiết
kế áo đường mềm 22 TCN 211-06, tác giả tính ra số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn
thiết kế là 10 năm, kiến nghị tính với hệ số tăng trưởng q = 5% (bảng 7)
Ngoài ra, cần phân loại cấp hạng nền đường phục vụ thiết kế kết cấu áo đường dựa vào
việc xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đường, cường độ lực dính C và góc nội ma sát φ
(bảng 8) Vì việc đánh giá không đúng giá trị thực mô đun đàn hồi của nền đất Enền sẽ gây lãng
phí đầu tư hoặc phải xử lý kéo dài
Đối với nền đường có mô đun đàn hồi Enền < 25 MPa thì phải xử lý nền như: phải bốc bỏ
đất nền hiện hữu và thay bằng đất chọn lọc hay thiết kế thêm lớp gia cố phía trên đất nền
Dựa vào tình hình phát triển kinh tế tỉnh Tiền Giang, thực tế đầu tư trong những năm vừa
qua cũng như khả năng đầu tư của ngành giao thông vận tải trong tỉnh những năm tới Trên cơ
sở điều kiện về vật liệu địa phương và các thí nghiệm, có thể đề xuất kết cấu mặt đường mềm
Trang 7đại trà áp dụng cho khu vực tỉnh Tiền Giang là loại mặt đường cấp cao A2 và cấp thấp B1 (đối với đường nông thôn)
Bảng 7 Phân cấp lưu lượng xe và mô đun đàn hồi yêu cầu
Loại đường
ôtô lượng xe Cấp lưu
Số lượng trục xe tương đương (×106)
Lưu lượng xe tính toán tương đương trục xe tiêu chuẩn sau 10 năm (xe/ngày đêm/làn)
Mô đun đàn hồi yêu cầu
Eyc, MPa
Đường ôtô
cấp III, cấp
IV và cấp V
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
< 0,06 0,06 - 0,10 0,10 – 0,15 0,15 – 0,19 0,19 – 0,38 0,38 – 0,60 0,60 – 0,89
< 20 20-35 35-50 50-65 65-130 130-200 200-300
91
101
110
115
125
135
141
Bảng 8 Phân loại cấp hạng nền đường
Cấp hạng nền đường N1 N2 N3 N4
Mô đun đàn hồi Enền (MPa) 25 30 32 35 Chỉ số CBR(%) 3,86 4,78 5 5,74
Dựa vào cấp hạng đường, tải trọng trục tiêu chuẩn, cấp hạng lưu lượng tính toán, sự phân
kỳ đầu tư để chọn lựa tính kinh tế của từng loại kết cấu áo đường Sau đây, tác giả đề xuất kết cấu áo đường hợp lý cho tỉnh Tiền Giang trong các bảng 8, 9, 10, 11 và 12
CT 1
Bảng 9 Kết cấu áo đường loại A 2-1
Trang 8IV KẾT LUẬN
Thực tế cho thấy, áo đường gia cố đất địa phương tại chỗ đã đảm nhiệm vai trò làm móng
chịu lực thay cho cấp phối sỏi đỏ và cấp phối đá dăm rất đắt tiền ở tỉnh Tiền Giang Kết quả
nghiên cứu qua các số liệu nêu trên đã đạt được mục đích đề ra, khả năng áp dụng vào thực tiễn
là rất lớn, không những áp dụng cho đường tỉnh đường huyện mà còn có thể áp dụng cho hàng
ngàn km đường giao thông nông thôn hầu hết nằm dọc sông rạch Hàng trăm km đường đê bao
phòng thủ ven biển, đường đê bao dọc hai bên của những cù lao dọc sông Tiền và sông Vàm Cỏ
của tỉnh Tiền Giang
Bảng 10 Kết cấu áo đường loại A 2-2
T CT1
Bảng 11 Kết cấu áo đường loại A 2-3
Trang 9Bảng 12 Kết cấu áo đường loại B 1-1
Bảng 13 Kết cấu áo đường loại B 1-2
CT 1
Tài liệu tham khảo
Áo đường mềm - yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế - 22TCN 211-06, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội
[1] Bộ GTVT,
[2] Bộ GTVT (2006), Đường ô tô – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4054 – 2005, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [3] Bộ GTVT, Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm - 22TCN 274-01, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội
[4] Tài liệu: Báo cáo kết quả dự án nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu địa phương tại chỗ, gia cố với chất dính kết
vô cơ để xây dựng đường ôtô ở đồng bằng sông Cửu Long - Phân viện khoa học GTVT phía Nam
N
[5] Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước KC.10-05, ghiên cứu xây dựng Catalog kết cấu áo đường mềm cho đường ôtô
cấp cao, hoàn thiện qui trình kết cấu áo đường mềm hiện hành 22 TCN 211-93, Viện KHCN GTVT 7/1999
[6] Công Ty TVTKCN & XDGT (2007), Báo cáo đầu kỳ, nghiên cứu thiết kế catalog định hình kết cấu áo đường cho khu vực Tp Hồ Chí Minh, Khu QLGTĐT Số 1, TP Hồ Chí Minh♦
