Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 6 pps

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ TRẮC DỌC VÀ TRẮC NGANG 4.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ DỐC DỌC CỦA ĐƯỜNG 4.1.1 Xác định độ dốc dọc của đường – Bài toán kinh tế-kỹ thuật Trong thiết kế đường ô tô, việc định tiêu chu

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3

1 Bình đồ tuyến, những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ

2 Những nguyên tắc cơ bản khi vạch tuyến, định tuyến

3 Thiết kế các đoạn tuyến nằm trên đường thẳng

4 Phân tích đặc điểm của sự chuyển động của ô tô trong đường cong tròn

5 Lực ngang và lựa chọn hệ số lực ngang tính toán trong thiết kế đường ô tô

6 Siêu cao, tác dụng và các phương pháp nâng siêu cao Trình tự tính toán đoạn nối siêu cao

7 Mở rộng phần xe chạy trong đường cong tròn, bố trí đoạn nối mở rộng

8 Nguyên tắc lựa chọn bán kính đường cong tròn

9 Sự nối tiếp giữa các đường cong tròn

10 Đường cong chuyển tiếp: Tác dụng, dạng hình học, các dạng nối tiếp, tính toán và bố trí

11 Đảm bảo tầm nhìn trên đường cong nằm, các phương pháp xác định phạm vi cần phá bỏ trong đường cong nằm

12 Đánh giá mức độ an toàn khi thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ TRẮC DỌC VÀ TRẮC NGANG

4.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ DỐC DỌC CỦA ĐƯỜNG

4.1.1 Xác định độ dốc dọc của đường – Bài toán kinh tế-kỹ thuật

Trong thiết kế đường ô tô, việc định tiêu chuẩn độ dốc dọc phải được tính toán dựa trên nguyên tắc tổng chi phí xây dựng và vận doanh là nhỏ nhất, phải xét một cách tổng hợp những ảnh hưởng của độ dốc tới giá thành xây dựng đường và tới các chỉ tiêu khai thác vận tải như tốc độ xe chạy, mức tiêu hao nhiên liệu, tận dụng sức chở của ô tô, …

Độ dốc dọc của đường có ảnh hưởng tới giá thành xây dựng và chủ yếu là đối với khối lượng công tác nền đường Độ dốc dọc càng lớn, chiều dài tuyến đường ở vùng đồi và núi càng rút ngắn, khối lượng đào đắp càng giảm, giá thành xây dựng do đó cũng hạ thấp

Ngược lại, khi độ dốc dọc càng lớn thì xe chạy càng lâu, tốc độ xe chạy càng thấp, tiêu hao nhiên liệu càng lớn, hao mòn săm lốp càng nhiều tức là giá thành vận tải càng cao Mặt khác, khi độ dốc dọc lớn thì mặt đường càng nhanh hao mòn (do lốp xe và nước mưa bào mòn), rãnh dọc mau hư hỏng, công tác duy tu bảo dưỡng càng nhiều Tức là khi độ dốc càng lớn thì chi phí vận doanh càng tốn kém, lưu lượng xe chạy càng nhiều thì chi phí này càng tăng

Độ dốc dọc tối ưu là độ dốc ứng với tổng chi phí xây dựng và khai thác là nhỏ nhất

Đường quan hệ độ dốc dọc – chi phí

C : Chi phí xây dựng

E : Chi phí vận doanh

Σ : Tổng chi phí xây dựng và vận

doanh

Độ dốc dọc iopt được xác định căn cứ

vào địa hình, dòng xe, khả năng xây

dựng, khả năng duy tu bảo dưỡng, tổng

4.1.2 Quy định khi xác định độ dốc và chiều dài đoạn dốc:

Tiêu chuẩn thiết kế đường hiện hành TCVN 4054-05 [1], quy định về độ dốc và

chiều dài đoạn dốc như sau:

- Độ dốc dọc lớn nhất i max : Tuỳ theo cấp hạng đường, độ dốc dọc tối đa được

quy định trong bảng 1.14 và bảng 4.1 Khi gặp khó khăn có thể đề nghị tăng lên

1% nhưng độ dốc dọc lớn nhất không vượt quá 11% Đường nằm trên cao độ

2000m so với mực nước biển không được làm dốc quá 8%

Bảng 4.1 Độ dốc dọc lớn nhất các cấp đường [1]

Địa hình Đồng bằng Đồng bằng

Đồng bằng, đồi

Núi

Đồng bằng, đồi

Núi

Đồng bằng, đồi Núi

Đồng bằng, đồi Núi

Độ dốc dọc lớn

- Đường đi qua khu dân cư, đường có nhiều xe thô sơ chạy : không nên làm dốc

dọc quá 4%

- Dốc dọc trong hầm : không dốc quá 4% và không nhỏ quá 0,3% (thoát nước)

- Trong đường đào : để đảm bảo thoát nước và rãnh dọc không phải đào quá sâu

thì độ dốc dọc tối thiểu là 0,5% (Khi khó khăn là 0,3% và đoạn dốc này không

kéo dài quá 50m)

- Độ dốc nên dùng : không nên lớn hơn 3% để nâng cao chất lượng vận tải, khi

trên đường có nhiều xe nặng, xe kéo moóc chạy thì phải căn cứ vào tính toán đặc

tính động lực theo lực kéo để xác định imax

Bảng 4.2 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m)[1]

- Chiều dài đoạn dốc lớn nhất l max : Chiều dài đoạn có dốc dọc không được quá

dài, khi vượt quá quy định trong bảng 4.2 phải có các đoạn chêm dốc 2,5% và có

chiều dài đủ bố trí đường cong đứng (tối thiểu 50m) Các đoạn chêm còn làm chỗ tránh xe cho đường có 1 làn xe

Đối với đường vùng núi, dốc lớn quanh co hiểm trở có thể bố trí đường cứu nạn theo 22TCN 218-94

Bảng 4.3 Chiều dài dốc tối đa với các độ dốc khác nhau trên đường cao tốc[2]

Chiều dài dốc tối đa (m)

- Chiều dài đoạn dốc nhỏ nhất l min : Chiều dài tối thiểu đoạn đổi dốc phải đủ để

bố trí đường cong đứng và không nhỏ hơn các quy định ở bảng 4.3

Bảng 4.4 Chiều dài tối thiểu đoạn đổi dốc [1]

Chiều dài tối thiểu đổi

200 (150)

150 (100)

120 (70)

100 (60)

60 (50)

Ghi chú : Trị số trong ngoặc được dùng cho các đường cải tạo nâng cấp khi khối lượng bù vênh

mặt đường lớn

Đối với đường cao tốc chiều dài dốc tối thiểu là 300m, 250m, 200m, 150m tương ứng với các cấp 120, 100, 80, 60 và phải đủ bố trí chiều dài đường cong đứng

4.1.3 Chiết giảm độ dốc dọc trong đường cong bằng có bán kính nhỏ:

Trong đường cong bằng có bán kính nhỏ, độ dốc dọc thực tế sẽ tăng lên, bởi vì:

- Trong đường cong có bố trí siêu cao, tổng hình học của độ dốc siêu cao và độ dốc dọc sẽ lớn hơn độ dốc dự định áp dụng

- Cùng khắc phục độ chênh cao độ nhưng chiều dài ở bụng

đường cong ngắn hơn ở tim đường nên độ dốc dọc ở mép

trong sẽ lớn hơn độ dốc dọc tim đường

Bảng 4.5 quy định chiết giảm độ dốc dọc trong các đường

4.2 ĐƯỜNG CONG ĐỨNG

Để đảm bảo tầm nhìn tính toán,

trắc dọc lượn đều không gãy khúc,

xe chạy an toàn êm thuận, ở những

chỗ đổi dốc trên trắc dọc phải thiết

kế đường cong đứng lồi hoặc lõm

dạng đường cong tròn hoặc parabol

bậc 2

Điều kiện bố trí đường cong đứng:

Khi hiệu đại số tuyệt đối giữa 2 độ

Chú ý : dấu của i là dấu đại số, lên dốc mang dấu “+” xuống dốc mang dấu “-“

4.2.1 Xác định bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi

Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi được xác định từ điều kiện đảm tầm nhìn của người lái xe trên trắc dọc (Hình 4.2)

Theo hình vẽ ta có tam giác vuông

ABD có AC là đường cao thuộc

Với d1 và d2 là chiều cao tầm mắt

của người lái xe đến mặt đường, m

D R

l2 = 2R.d2

Do đó:

ll

S

2d

4.2.2 Xác định bán kính tối thiểu của đường cong đứng lõm:

Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lõm được xác định từ điều kiện đảm bảo không gây khó chịu đối với hành khách và vượt tải chịu được của lò xo ô tô bởi lực ly tâm (Hình 4.3)

Gọi b là gia tốc ly tâm cho phép, theo [1,2] thì b = 0,5–0,7m/s2, ta có:

b

vR

R

v

b

2 min

V R

2

* Xác định bán kính đường cong đứng lõm theo điều kiện tầm nhìn ban đêm

Về ban đêm pha đèn của ô tô chiếu được trong đường cong đứng lõm một chiều dài nhỏ hơn so với trong đường thẳng

Gọi hp là chiều cao của pha đèn ( hp =0,75 m đối với xe con)

α là góc mở rộng của pha đèn ( thường α=10)

Thì S12 ≈ 2.R.(hp+S1.sinα)

SR

2.(h S sin )

với S1 là tầm nhìn một chiều yêu cầu

4.2.3 Lựa chọn bán kính đường cong đứng

Trong thiết kế trắc dọc việc lựa chọn bán kính đường cong đứng nhằm tạo điều kiện tốt cho xe chạy đảm bảo an toàn êm thuận, mặt khác đường cong đứng phải bám sát địa hình để đảm bảo cho khối lượng công trình ít và công trình ổn định lâu dài, vì vậy công việc lựa chọn bán kính đường cong đứng phải thoả mãn hai điều kiện trên, trong trường hợp không tránh được mới vận dụng các giới hạn tính toán theo công thức trên

Bán kính đường cong đứng chọn cho bao tốt với địa hình, tạo thuận lợi cho xe chạy và mỹ quan cho đường nhưng không nhỏ hơn các trị ghi trong bảng 4.6, 4.7

Bảng 4.6 Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi và lõm [1]

Bán kính đường cong đứng lồi, m

Tối thiểu giới hạn 11000 6000 4000 2500 700 400 200 Tối thiểu thông thường 17000 10000 5000 4000 1000 600 200 Bán kính đường cong đứng lõm, m

Tối thiểu giới hạn 4000 3000 2000 1000 450 250 100 Tối thiểu thông thường 6000 5000 3000 1500 700 400 200 Chiều dài đường cong đứng tối

Bảng 4.7 Bán kính và chiều dài tối thiểu của đường cong đứng trên đường cao tốc [2]

Các chỉ tiêu Cấp 120 Cấp 100 Cấp 80 Cấp 60

Tối thiểu, (m) 12000 6000 3000 1500 Bán kính đường

cong đứng lồi Tối thiểu thông

thường, (m)

17000 (20000)

10000 (16000)

4500 (12000)

2000 (9000) Tối thiểu, (m) 5000 3000 2000 1000 Bán kính đường

cong lõm Tối thiểu thông

thường, (m) (12000) 6000 (10000) 4500 (8000) 3000 (6000) 1500 Chiều dài đường cong đứng tối

thiểu, (m)

100 85 70 50

Ghi chú : Các trị số trong ngoặc ở bảng 4.7 là các trị số bán kính đường cong đứng đạt yêu cầu

về thu nhận thị giác và khi có điều kiện thì nên thiết kế đường cong đứng với bán kính đó

4.3 TÍNH TOÁN VÀ CẮM ĐƯỜNG CONG ĐỨNG

4.3.1 Các công thức tính toán cơ bản

i R K

T = = Δ

(4.8) Xác định toạ độ các điểm trên đường cong đứng: Vì các góc φ và ω rất nhỏ nên:

R

Oω

x x x

x BC

BE

y

2

.2

1tan.2

1sin.2

12

T d

82

2 2

=

Phương trình

R

x y

2

2

±

= là cơ sở để tính toán đường cong đứng, dấu “+” với

đường cong đứng lõm, dấu “-“ với đường cong đứng lồi

4.3.2 Trình tự tính toán và cắm đường cong đứng

Các công thức từ (4.6) đến (4.10) và hình 4.5 là cơ sở tính toán và cắm đường cong đứng

1 Xác định vị trí cọc (đỉnh) của đường cong đứng : Thường đỉnh đường cong đứng rơi vào các vị trí cọc, nếu không thì phải chêm cọc và cũng dễ dàng xác định được đỉnh giao của 2 đường thẳng có độ dốc i1 và i2

2 Từ (4.6), (4.7) và (4.8) xác định được chiều dài K và tiếp tuyến T của đường cong đứng Từ các giá trị T, đo sang 2 bên đỉnh theo phương ngang sẽ xác định được điểm bắt đầu (TD) và điểm kết thúc (TC) của đường cong đứng

x

yx

ωK

Hình 4.5 Sơ đồ tính toán đường cong đứng

3 Xác định phân cự d theo (4.10) , xác định điểm giữa P của đường cong đứng

4 Tính toán nhánh 1 đường cong đứng :

- Dùng TD làm gốc toạ độ, trục x nằm ngang, trục y thẳng đứng

- Xác định các cọc rơi vào phạm vi nhánh 1 và khoảng cách x của chúng

- Tính toán tung độ y của các cọc theo công thức

R

x y

2

2

±

=

- Tính toán cao độ thiết kế các cọc HTK = HT + y

Trong đó HT là cao độ theo đường tang

- Tính toán cao độ đào đắp : h=HTK-HTN

5 Tính toán nhánh 2 đường cong đứng : Tương tự, với TC là gốc toạ độ, trục x hướng sang trái, trục y thẳng đứng

6 Ghi các cao độ thiết kế lên trắc dọc: Trong phạm vi đường cong đứng bao giờ cũng phải ghi 2 cao độ: Cao độ HT và cao độ HTK

Các quan hệ và trình tự tính toán trên được lập với giả thiết chiều dài tiếp tuyến, chiều dài cung, chiều dây cung là hầu như bằng nhau Giả thiết này hoàn toàn có thể chấp nhận được khi tính toán các yếu tố đường cong đứng vì góc ngoặt tại đỉnh đường cong đứng Δi rất nhỏ

4.4 NHỮNG YÊU CẦU VÀ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI THIẾT KẾ TRẮC DỌC

4.4.1 Các yêu cầu và nguyên tắc cơ bản khi thiết kế trắc dọc

Thiết kế đường đỏ hay thiết kế trắc dọc là xác định vị trí của mặt đường trên trắc dọc so với mặt đất tự nhiên

Khi thiết kế đường đỏ cần tuân theo các yêu cầu và nguyên tắc sau đây:

- Trắc dọc có ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu khai thác của đường như tốc độ

xe chạy, khả năng thông xe, tiêu hao nhiên liệu và an toàn giao thông,… có ảnh hưởng lớn đến khối lượng công tác và giá thành xây dựng, do đó khi thiết kế đường đỏ phải đảm bảo tuyến lượn đều, ít thay đổi dốc, nên dùng độ dốc bé Chỉ

ở những nơi địa hình khó khăn mới sử dụng các tiêu chuẩn giới hạn như imax, imin,

Lmax, Lmin, Rmin, Kmin, Khi thiết kế trắc dọc cần phối hợp chặt trẽ thiết kế bình

đồ, trắc ngang, phối hợp giữa đường cong nằm và đường cong đứng, phối hợp tuyến với cảnh quan đảm bảo đường không bị gẫy khúc, rõ ràng và hài hoà về mặt thị giác, chất lượng khai thác của đường như tốc độ xe chạy, năng lực thông

xe, an toàn xe chạy cao, chi phí nhiên liệu giảm

- Đảm bảo cao độ các điểm khống chế theo suốt dọc tuyến đường

- Đảm bảo thoát nước tốt từ nền đường và khu vực hai bên đường Cần tìm cách nâng cao tim đường so với mặt đất tự nhiên vì nền đường đắp có chế độ thủy nhiệt tốt hơn so với nền đường đào Chỉ sử dụng nền đường đào ở những đoạn tuyến khó khăn như qua vùng đồi núi, sườn dốc lớn,…

- Độ dốc dọc tại các đoạn nền đường đào hoặc đắp thấp (cần phải làm rãnh dọc) không được thiết kế nhỏ hơn 0,5% (cá biệt là 0,3%) để đảm bảo thoát nước tốt từ rãnh dọc và lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát

- Khi thiết kế đường đỏ cần chú ý đến điều kiện thi công Hiện nay chủ yếu thi công bằng cơ giới nên trắc dọc đổi dốc lắt nhắt sẽ không thuận lợi cho thi công, cho duy tu bảo dưỡng và khai thác đường

- Trắc dọc trên những công trình vượt qua dòng nước cần thiết kế sao cho đảm bảo cao độ, độ dốc, chiều dài đoạn dốc, các đường cong nối dốc hợp lý đảm bảo thoát nước tốt và ổn định chung của toàn công trình

4.4.2 Xác định các điểm khống chế khi thiết kế đường đỏ - ảnh hưởng của điều kiện địa hình khi thiết kế trắc dọc

4.4.2.1 Xác định các điểm khống chế khi thiết kế đường đỏ:

Các điểm khống chế là các điểm ở đó cao độ của nền đường đã được xác định

Có hai loại điểm khống chế: loại đã được xác định chính xác như cao độ của nền đường ở những chỗ giao nhau cùng mức với đường sắt, với các đường ô tô khác Các điểm khống chế khác được xác định theo trị số chiều cao đắp tối thiểu so với mặt đất tự nhiên như cao độ mặt cầu, cao độ nền đắp tại khu vực ngập nước, cao

độ nền đắp trên cống,…

Cao độ đường đỏ tại những điểm khống chế được quy định như sau:

- Cao độ thiết kế mép nền đường ở những đoạn ven sông, đầu cầu nhỏ, cống, các đoạn qua các cánh đồng ngập nước phải cao hơn mức nước ngập theo tần suất tính toán (có xét đến mức nước dềnh và chiều cao sóng vỗ) ít nhất là 0,5

Tần suất thiết kế nền đường được quy định :

- Cao độ đáy áo đường phải cao hơn mực nước ngầm tính toán (hay mực nước đọng thường xuyên) một trị số cao độ ghi trong bảng 4.8

- Cao độ đường đỏ tại vị trí cầu được quy định như sau (Hình 4.6):

t – tĩnh không dưới cầu;

+ nếu sông có thông thuyền thì lấy bằng khổ thông thuyền;

+ nếu sông có cây trôi thì lấy bằng khoảng cách cây trôi;

k – chiều cao cấu tạo của cầu (gồm chiều cao dầm cầu, bản mặt cầu, chiều

dày mặt đường)

Bảng 4.8 Chiều cao tối thiểu tính từ mực nước ngầm tính toán (hoặc mức nước

đọng thường xuyên) tới đáy áo đường

Số ngày liên tục duy trì mức nước trong 1 năm Loại đất đắp nền đường

Trên 20 ngày Dưới 20 ngày

Sét pha cát bột, sét pha cát nặng, sét béo, sét nặng 100 – 120 40

4.4.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện địa hình khi thiết kế trắc dọc

Có 2 phương pháp thiết kế là thiết kế theo phương pháp đường bao và thiết kế

theo phương pháp đường cắt, việc áp dụng phương pháp nào sẽ tuỳ thuộc vào

từng loại địa hình

- Vùng đồi và vùng núi : ở những vùng này thông thường độ dốc địa hình thường

lớn hơn độ dốc lớn nhất cho phép đối với đường, vì vậy nối chung là thiết kế theo

phương pháp hình cắt, tức là đường đỏ đi cắt đường mặt đất tự nhiên và tạo thành

những đoạn đào đắp xen kẽ Trong trường hợp này cần cân bằng giữa đào và đắp

để tận dụng vận chuyển dọc, lấy đất từ nền đào chuyển sang nền đắp Khi thiết kế

cũng cần tránh để tạo thành những đoạn đường đào luôn bị ẩm ướt (nền đào cắt

ngang mực nước ngầm), dễ bị sụt lở và do đó phải sử dụng các công trình chặn

nước ngầm hoặc gia cố mái ta luy đắt tiền

Để đảm bảo nền đường ổn định, hạn chế sử dụng tường chắn đất, tốt nhất dùng dạng đường đào có mặt cắt ngang chữ L

Phương pháp này thường dùng cho đường cấp cao

- Địa hình tương đối thoải của vùng đồi và vùng núi, đường đỏ được thiết kế theo phương pháp hình bao Ngoài ra phương pháp này còn dùng thiết kế đường cải tạo nâng cấp, đường cấp thấp

4.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TRẮC DỌC ĐƯỜNG ÔTÔ

Thiết kế trắc dọc đường ô tô tức là vạch đường đỏ (đường nối các cao độ thi công) trên mặt cắt dọc địa hình tự nhiên vẽ theo trục đường Đường đỏ thiết kế vạch khác nhau thì độ cao thi công ở các điểm (các cọc) cũng khác nhau, dẫn đến khối lượng đào đắp khác nhau và giải pháp kỹ thuật thiết kế các công trình chống đỡ và các công trình cầu cống cũng có thể khác nhau Vì thế khi thiết kế đường đỏ, ngoài việc cần bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật đối với các yếu tố trắc dọc quy định trong quy phạm thiết kế (nhằm bảo đảm xe chạy an toàn, êm thuận) còn cần phải chú ý cải thiện hơn nữa điều kiện chạy xe và chất lượng vận doanh, cũng như phải cố gắng đạt tới phương án rẻ nhất về tổng chi phí xây dựng và vận doanh, khai thác Để đạt được tối ưu về kinh tế-kỹ thuật như vậy trong quá trình thiết kế cần chú ý cân nhắc kỹ khi bố trí từng mỗi đoạn dốc, mỗi đường cong đứng ở chỗ đổi dốc Chú ý phối hợp các yếu tố bình đồ, trắc ngang với các rặng cây trông dọc theo tuyến… để tạo được sự phối hợp không gian đều đặn, chú ý thiết kế tạo thuận lợi cho các công trình nền mặt đường Công trình chống đỡ và thoát nước (bảo đảm thoát nước nhanh và thoát hết nước mặt, bảo đảm chiều cao đắp trên mực nước ngập và chế độ thuỷ nhiệt thuận lợi, bảo đảm chiều cao đắp trên nền cống), Chú ý tạo thuận lợi cho quá trình thi công (thuận lợi cho máy làm việc đạt năng suất cao…)

Tương tự như đối với bình đồ tuyến, việc thiết kế trắc dọc liên quan và có ảnh hưởng đến hầu hết các yếu tố và các công trình khác trên đường vì thế không thể

dễ dàng biết và đánh giá một phương án đường đỏ vạch thế nào là hợp lý, là đạt yêu cầu Điều này gây lúng túng cho những người mới bắt tay vào công việc thiết

kế và còn thiếu kinh nghiệm Do đó để giảm bớt số phương án phải đưa ra so sánh, ngay từ đầu cần có phương án trắc dọc đảm bảo gạt bỏ được các phương án không hợp lý cũng như bảo đảm chủ động vạch được đường đỏ có cơ sở kinh tế-

kỹ thuật nhất định Một phương pháp thiết kế như vậy có thể tiến hành theo trình

tự sau:

1 Trước hết cần nghiên cứu xác định độ cao khống chế và độ cao mong muốn (cũng gọi là các điểm khống chế và các điểm mong muốn) ở mỗi điểm (hay mỗi cọc chi tiết) trên mặt cắt dọc địa hình tự nhiên