LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHÀNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ NGHIÊN CỨU KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CHỊU NGẬP NƯỚC TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN VẬT LIỆU SẴN CÓ TẠI ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Xây dựng điều kiện kiểm toán kết cấu áo đường chịu ngập nước 56 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA VẬT LIỆU Ở ĐBSCL DÙNG VÀO KẾT CẤU... Và “cơ học mặt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số: 60-58-30

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số: 60-58-30

Thầy hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số: 60-58-30

(Tập 2: Phụ lục đính kèm)

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

Lời cảm ơn

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải -

Cơ sở II - được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của quí Thầy Cô; hôm nay em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến quí Thầy Cô đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Mạnh Hùng đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình làm luận văn Bên cạnh đó, cho em chân thành cám ơn quí Thầy phản biện khoa học đóng góp ý kiến khoa học

để luận văn phong phú và thực tiễn hơn

Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và thực hiện viết luận văn, tuy nhiên do thời gian có hạn, kiến thức nhất định nên luận văn không thể thiện rộng hơn nữa Kính mong quí Thầy Cô, các bạn đồng nghiệp hỗ trợ thêm kiến thức để tác giả được chấp nối trí tuệ nhiều hơn và đi xa hơn trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học xây dựng công trình giao thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tiền Giang, tháng 12 năm 2009

Học viên

KS NGUYỄN HỮU TÀI

Phần mở đầu Trang

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỊA CHẤT ĐẤT VÀ KHÍ HẬU ẢNH

HƯỞNG TỚI CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG BỘ Ở ĐBSCL

3

1.3 Tác động của điều kiện khí hậu, địa chất và thủy văn tới công trình giao

thông đường bộ

6

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

VÀ CƠ SỞ CHỌN KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG CHỊU NGẬP NƯỚC

2.1.2 Phương pháp thiết kế của Liên Xô (cũ): SOJUZDORNII 16

2.1.3 Phương pháp thiết kế của Trung Quốc (JTJ 014-97) 25

2.1.7 Phương pháp thiết kế của Tiệp Khắc (cũ) 39

2.1.8 Phương pháp thiết kế của AASHTO 43

2.1.8.1 Thí nghiệm của AASHTO và các phương pháp dựa trên kết quả của

thực nghiệm

43

2.1.9.1 Nội dung công tác thiết kế áo đường mềm chủ yếu như sau 46

2.1.9.2 Tính toán cường độ kết cấu nền đường và kết cấu áo lề có gia cố theo

tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

47

2.1.9.2.3 Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường và kết cấu áo lề có gia cố

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

50

2.1.9.2.4 Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường và kết cấu áo lề có gia cố

theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối

51

2.2 Một số ý kiến nhận xét về quy trình thiết kế mặt đường mềm hiện hành

tại Việt Nam

52

ựn 2.3 Xây dựng điều kiện kiểm toán kết cấu áo đường chịu ngập nước 56

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ

TIÊU KỸ THUẬT CỦA VẬT LIỆU Ở ĐBSCL DÙNG VÀO KẾT CẤU

3.2 Thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật, yêu cầu và phương pháp thực hiện 59

3.3 PHÂN NHÓM VẬT LIỆU ĐỂ THÍ NGHIỆM, KHẢO SÁT CÁC CHỈ

TIÊU KỸ THUẬT YÊU CẦU

60

3.4.1 Nguồn vật liệu và các chỉ tiêu cơ lý của cát [13] 61

3.4.2 Tổng hợp kết quả TN cac mẫu cát mịn ở ĐBSCL gia cố ximăng 63

3.4.3.1.2 Mẫu bảo dưỡng và ngâm liên tục trong nước 65

3.4.3.1.3 Nhận xét và so sánh giá trị E gc của mẫu bảo dưỡng ẩm và ngâm

liên tục trong nước

65

3.4.3.2.1 Mẫu bảo dưỡng ngâm liên tục trong nước 68

3.4.3.2.2 Nhận xét và so sánh giá trị R n của mẫu bảo dưỡng ẩm và ngâm liên

tục trong nước

69

3.4.3.3.2 Mẫu bảo dưỡng ngâm liên tục trong nước 72

3.4.3.3.3 Nhận xét và so sánh giá trị R ec của mẫu bảo dưỡng ẩm và ngâm

liên tục trong nước

73

3.5.4 Nguyên tắc đúc mẫu CPĐD -4 gia cố và hàm lượng XM 76

3.5.5 Kết quả TN mẫu CPĐD 0-4 gia cố và hàm lượng XM 76

3.5.6 Nhận xét kết quả TN cấp phối đá 0 ÷ 4 gia cố XM 78

3.6 KẾT QUẢ TN ĐẤT Ở ĐBSCL GIA CỐ CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ

HOẶC VÔ CƠ KẾT HỢP PHỤ GIA HÓA CHẤT

83

3.6.1 1 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đất 83

3.6.1.2 Kết quả TN đất Tiền Giang gia cố XM 85

3.6.1.2.1 Nhận xét kết quả TN về mô đun đàn hồi E gc 87

3.6.1.2.2 Nhận xét kết quả TN về cường độ chịu nén R n 89

3.6.1.2.3 Nhận xét kết quả TN về cường độ bền ép chẻ R ec 91

3.6.1.3 Kết quả TN đất Tiền Giang gia cố vôi 93

3.6.2 Một số loại đất ở các địa phương khác 96

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CHỊU NGẬP NƯỚC Ở

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

100

4.1 Nguyên lý lựa chọn và bố trí kết cấu áo đường 100

4.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu dùng trong thiết kế nền và các lớp áo đường 101

4.5.1 Kết quả kiểm toán chiều dày áo đường theo 22TCN 211-06 111

PHẦN MỞ ĐẦU:

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hàng năm, những trận bão biển và gió mùa Tây Nam đã gây nên những trận

mưa lớn làm mực nước sông Cửu Long dâng cao Lũ lụt ở Đồng Bằng Sông Cửu

Long (ĐBSCL) bắt nguồn do nước lũ ở thượng lưu sông Cửu Long đổ về và mưa

lớn tại chính khu vực

Ngoài ra, vào giữa thập niên 1980, các kinh dẫn nước đã có được mở rộng

Một số lớn kinh chính và một mạng lưới kinh phụ đã được đào xuyên qua vùng Tứ

Giác Long Xuyên, Đồng Tháp Mười và các vùng khác trên khắp ĐBSCL, mục đích

chính là phục vụ thủy nông nội đồng Hệ thống kinh này là cơ sở tạo thành những

lòng lạch thuận lợi cho nước lũ từ thượng nguồn chảy vào ĐBSCL sớm hơn, nhanh

hơn và nhiều hơn Bên cạnh đó, một hệ thống đê và đập ngăn mặn đã được xây

dựng ở cuối đường thoát lũ ở hạ lưu cùng với một hệ thống đường giao thông được

nâng cao Vì không đủ khả năng thoát lũ, hệ thống đê đập ngăn mặn và đường giao

thông này đã làm cản trở nước lũ trong vùng ĐBSCL thoát ra biển Đông và vịnh

Thái Lan Hậu quả là mực nước ngập trong vùng ĐBSCL ngày càng sâu hơn và thời

gian ngập ngày càng dài hơn (tới 3 tháng)

Hình MĐ1: Lũ lụt là một hiện tượng thiên nhiên xảy ra hàng năm tại vùng ĐBSCL

Hiện nay, biến đổi khí hậu là vấn đề nóng bỏng; Việt Nam thuộc các nước bị

ảnh hưởng nặng nhất do biến đổi khí hậu toàn cầu “Nếu mực nước biển dâng 1 m

thì 61% diện tích ở ĐBSCL sẽ bị ngập” - là nhận định của GS-TS Trần Thục, Viện

trưởng Viện Khoa học Khí tượng và Môi trường tại hội thảo quốc tế về tác động

biến đổi khí hậu và tình hình ngập lụt đô thị, tổ chức tại TPHCM ngày 24-6-2008

Hình MĐ2 Ngập và lụt sẽ gây phá hoại các công trình giao thông đường bộ

Vì vậy, việc sống chung với lũ lụt và khắc phục nó sau lũ lụt là điều tất yếu

của khu vực ĐBSCL Đó chính là lý do nghiên cứu đề tài của tác giả

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xác lập các điều kiện kỹ thuật cho phép tính kết cấu áo đường mềm làm việc

trong điều kiện bất lợi về chế độ ẩm (ngập nước) trên cơ sở sử dụng tối đa nguồn

vật liệu sãn có ở các tỉnh thuộc khu vực ĐBSCL

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

- Tìm hiểu sâu lý thuyết tính toán kết cấu áo đường mềm

- Thí nghiệm trong phòng xác định các thông số kỹ thuật dùng trong tính toán

phục vụ mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Xây dựng hiện trường thử nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỊA CHẤT ĐẤT VÀ KHÍ HẬU ẢNH HƯỞNG

TỚI CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG BỘ Ở ĐBSCL

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT

Địa chất vùng ĐBSCL chủ yếu là các lớp trầm tích sông biển mềm yếu, có cấu

tạo phức tạp, độ ẩm cao và hàm lượng hữu cơ lớn, thường bao gồm á sét và sét ở

trạng thái dẻo cứng, dẻo mềm hay dẻo chảy phân bố từ mặt đất tự nhiên xuống

khoảng 5 đến 15m, thậm chí có nơi lên đến 35 – 40 m tùy từng vùng; góc ma sát

trong của lớp này thay đổi từ 2 đến 10 độ; lực dính từ 2,5*10-3 đến 6*10-3 MPa

Hình 1-1 và hình 1-2 minh họa sự phức tạp của địa chất vùng này

Kiểm tra: KS Nguyễn Thị Cẩm Chi

K - 13: Số hiệu lỗ khoan - Số hiệu mẫu; 26,0 - 26,2:

Chiều sâu lấy mẫu (m)

SỐ HIỆU HỐ KHOAN

CAO TRÌNH (m)

HỒ SƠ KHẢO SÁT ĐCCT MẶT CẮT ĐCCT

Tiền Giang, ngày tháng năm 2009

LIÊN ĐOÀN QH & ĐT TNN MIỀN NAM

TRƯỜNG TIỂU HỌC TÂN HƯƠNG B ĐOÀN QH & ĐT TNN 803 TÂN HƯƠNG, CHÂU THÀNH,

K1 - 1 2,0 - 2,2 K1 - 2 4,0 - 4,2 K1 - 3 6,0 - 6,2 K1 - 4 8,0 - 8,2 K1 - 5 10,0 - K1 - 6 12,0 - K1 - 7 14,0 - K1 - 8 16,0 - K1 - 9 18,0 - K1 - 10 20,0 - 20,2 K1 - 11 22,0 - 22,2 K1 - 12 24,0 - 24,2 K1 - 13 26,0 - 26,2 K1 - 14 28,0 - 28,2 K1 - 15 29,8 - 30,0

Hình 1-1: Địa chất của một công trình tại khu vực huyện Châu Thành - Tiền Giang

(Nguồn: Đoàn Qui hoạch và Điều tra tài nguyên nước 803 – Năm 2009)

0 0

-8 -8 Lớp 4- Sột pha màu nõu, đốm trắng Trạng thỏi dẻo cứng

Người làm: KS Đinh Thế Hiờn

CNNV: KS Huỳnh Văn Toàn

TỶ LỆ 1/100

Bản vẽ số:

09 - 23

KH1

1,05

HK4 - 13: Số hiệu lỗ khoan - Số hiệu mẫu;

24,8 - 25,0: Chiều sõu lấy mẫu (m)

CAO TRèNH (m)

SỐ HIỆU HỐ KHOAN

KHẢO SÁT ĐCCT MẶT CẮT ĐCCT TUYẾN I - I

Tiền Giang, ngày tháng năm 2009

Giám đốc

ĐOÀN QUY HOẠCH VÀ ĐIỀU TRA TÀI NGUYấN NƯỚC 803

CẦU ĐƯỜNG NGUYỄN VĂN

HUYỆN Gề CễNG ĐễNG, TỈNH TIỀN GIANG

4 - 13 24,

30,0 0

HK4 - 2 2,8 - 3,0 HK4 - 3 4,8 - 5,0 HK4 - 4 6,8 - 7,0 HK4 - 5 8,8 - 9,0 HK4 - 6 10,8 - HK4 - 7 12,8 - 13,0 HK4 - 8 14,8 - HK4 - 9 16,8 - 17,0 HK4 - 10 18,8 - HK4 - 11 20,8 - 21,0 HK4 - 12 22,8 - 23,0 HK4 - 13 24,8 - 25,0

HK4 - 14 26,8 - 27,0

HK4 - 1 1,0 - 1,2

HK4 - 15 29,8 - 30,0

HK1 - 2 3,8 - 4,0 HK1 - 3 5,8 - 6,0

HK1 - 4 7,8 - 8,0 HK1 - 5 9,8 - 10,0 HK1 - 6 11,8 - 12,0 HK1 - 7 13,8 - 14,0

HK1 - 8 15,8 - 16,0

HK1 - 9 17,8 - 18,0 HK1 - 10 19,8 - 20,0

HK1 - 11 21,8 - 22,0 HK1 - 12 23,8 - 24,0 HK1 - 13 25,8 - 26,0

HK1 - 14 27,8 - 28,0 HK1 - 15 29,8 - 30,0 -22,15

Hỡnh 1-2: Địa chất cụng trỡnh tại khu vực huyện Gũ Cụng Đụng - Tiền Giang

(Nguồn: Đoàn Qui hoạch và Điều tra tài nguyờn nước 803 – Năm 2009)

1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ KHÍ HẬU, THUỶ VĂN

Khu vực ĐBSCL nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, mỗi

năm có hai mùa mưa và nắng nóng, hướng gió chính thay đổi theo mùa Số liệu về

khí hậu và thủy văn như sau:

- Nhiệt độ không khí:

+ Nhiệt độ trung bình: 27oC;

+ Nhiệt độ cao nhất trung bình: 31,2oC;

+ Nhiệt độ thấp nhất trung bình: 23,8oC;

+ Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối : 37,6oC;

+ Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối: 17,8oC

+ Lượng mưa trung bình hàng năm: 1.629 mm;

+ Lượng mưa năm lớn nhất: 2304 mm;

+ Lượng mưa năm nhỏ nhất: 1.115 mm;

+ Lượng mưa trung bình hàng tháng: 276 mm;

+ Lượng mưa ngày lớn nhất: 179,9 mm;

+ Lượng mưa liên tục 1 đợt lớn nhất: 90,5 mm

- Nắng:

+ Số giờ nắng trung bình một ngày: 7,1 giờ;

+ Số giờ nắng nhiều nhất 1 ngày: 11,8 giờ

- Bốc hơi: Lượng bốc hơi trung bình năm: 1.148 mm

- Gió: Hướng gió chủ đạo

+ Tây - Tây Nam vào mùa Hè;

+ Đông - Đông Nam vào mùa Đông;

+ Tốc độ gió trung bình: 1,8 m/s;

+ Tốc độ gió mạnh nhất: 31m/s

Nhìn chung, khí hậu khu vực ĐBSCL chịu ảnh hưởng khí hậu nhiệt đới - gió

mùa - nóng ẩm, hình thành 2 mùa rõ rệt trong năm:

+ Mùa mưa bắt từ tháng 5 đến tháng 10;

+ Mùa nắng bắt đầu tư tháng 11 đến tháng 4 năm sau

1.3 TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU, ĐỊA CHẤT VÀ THUỶ VĂN

TỚI CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ

ĐBSCL là vùng đất thấp ven biển của Việt Nam, sẽ là khu vực bị tác hại nặng

nề nhất do biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu gây ra

Theo báo cáo của Ngân hàng thế giới, Việt Nam là một trong những quốc gia

bị ảnh hưởng nhiều khi mực nước biển dâng cao do tác động của BĐKH Trên 12%

bờ biển của Việt Nam sẽ bị ngập sâu dưới mực nước biển 1 mét ĐBSCL là những

vùng trũng nên bị ảnh hưởng nhiều nhất khi xảy ra ngập lụt, xâm nhập mặn và các

hiện tượng thời tiết xấu

Theo dự đoán của Chương trình phát triển Liên Hiệp Quốc (UNDP), các tác

động trên sẽ gây thiệt hại khoảng 17 tỉ đồng mỗi năm và khiến khoảng 17 triệu

người không có nhà Còn Văn phòng quản lý điều tra tài nguyên biển và môi trường

(thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường) dự báo: Mực nước biển ở Việt Nam sẽ dâng

cao từ 3 - 15 cm vào năm 2010, dâng từ 15 - 90 cm vào năm 2070

Ngành Khí tượng Thuỷ văn các tỉnh ĐBSCL cho biết: Trong các đợt triều

cường từ cuối năm 2008 đến đầu năm 2009 đã làm cho vùng ngoài đê bao 8 tỉnh,

thành vùng lũ gồm: An Giang, Kiên Giang, Hậu Giang, Đồng Tháp, Long An, Tiền

Giang, Vĩnh Long, Cần Thơ bị ngập

Lũ lụt đã làm ngập 25 km đường tỉnh lộ, hơn 16 km đường liên huyện và hơn

4 km bờ bao, 66 ha đất bị sạt lở xuống sông (Đồng Tháp 11,49 ha, An Giang 45,04

ha, Hậu Giang 9,96 ha)…

Hình 1-3: Khu vực bị ngập theo kịch bản nước biển dâng (Nguồn: Viện Khoa học

Khí tượng Thủy văn và Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môitrường – Năm 2009)

Đợt triều cường kết hợp mưa nhiều thời điểm giữa tháng 12/2008 làm 100.000

ha nằm ngoài các đê bao tại ĐBSCL bị ngập từ 10-:- 40 cm Tình trạng sạt lở sâu

vào đất liền tại nhiều nơi ở hai bờ sông Tiền, sông Hậu đã làm cho việc đi lại, cuộc

sống của hàng ngàn người dân quen lấy bờ sông làm nơi ở trở nên hết sức khó khăn

Hình 1-4: Sạt lở đất nền một đoạn đường liên xã ở huyện Thanh Bình, Đồng Tháp

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM VÀ

CƠ SỞ CHỌN KIỂM TOÁN ÁO ĐƯỜNG CHỊU NGẬP NƯỚC

2.1 TÓM TẮT NỘI DUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG

MỀM ĐANG HIỆN HÀNH TRÊN THẾ GIỚI

2.1.1 Tóm tắt quá trình phát triển

Ngày nay, khi khoa học và công nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu và xây dựng

đường bộ đã đạt đến đỉnh cao, lẽ tất nhiên, các phương pháp thiết kế cũng phản ảnh

đúng hơn trạng thái làm việc của mặt đường khi xe lưu thông Và “cơ học mặt

đường” đã được hiểu theo khái niệm rộng hơn, không chỉ ngừng ở việc tính toán

trạng thái ứng suất và biến dạng trong nội tại kết cấu áo đường đặt trên nền bán

không gian đàn hồi vô tận mà đề cập sâu hơn tới các nội dung liên quan như [1]:

- Ảnh hưởng của tải trọng vận chuyển;

- Tính chất của các vật liệu làm đường và đất nền khi chịu tải;

- Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu trong năm đến kết cấu áo đường và nền

đường đang khai thác

Nhìn lại quá trình phát triển xây dựng phương pháp tính toán kết cấu áo đường

mềm ta thấy:

Đầu tiên, dưới bánh xe, tải trọng phân bố xuống nền đường được giả thiết là

góc 450 Như vậy, ứng suất thẳng đứng σz tác dụng xuống nền đường phải không

vượt quá ứng suất cho phép σz,chf (Hình 2-1):

P σ

xuống nền đường đã được chứng minh và ứng suất thẳng đứng lớn nhất có giá trị

Hình 2-2: Phân bố không đều ứng suất thẳng đứng nén xuống nền đường

Chiều dày kết cấu áo đường được xác định theo công thức:

h: Chiều dày áo đường, (mm);

δ: Hệ số phân bố không đều ứng suất thẳng đứng tác dụng xuống nền đường, thông

thường lấy δ = 2;

P: Tải trọng truyền qua đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe, (N);

σz,chf: Ứng suất thẳng đứng cho phép của nền đường, (MPa);

σz, σmax: Ứng suất trung bình và lớn nhất (theo phương thẳng đứng) tác dụng

xuống nền đường, (MPa);

a: Bán kính diện tích đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe, (mm)

Năm 1941, công thức thực nghiệm xác định chiều dày kết cấu áo đường đã

được đưa vào sử dụng cho vùng Bắc Mỹ và gọi là phương pháp CBR (California

Bearing Raito) Vào thời điểm đó, PELTIER đã đưa ra công thức xác định [1]:

100+150 P H=

CBR (2.4) Trong đó:

H: Tổng chiều dày kết cấu áo đường, (cm);

P: Tải trọng phân bố lên bánh xe, (tấn);

CBR: Giá trị sức chịu tải của đất nền xác định cho điều kiện thiết kế, (%)

Cách tính kết cấu áo đường theo phương pháp CBR được minh họa ở hình 2-3

Các lớp vật liệu đưa vào kết cấu có chỉ số CBR tăng dần Mỗi trị số đều tính được

chiều dày áo đường còn lại Hiệu hai chiều dày liên tiếp nhau (trước và sau) chính là

chiều dày của lớp vật liệu lựa chọn mới Lớp trên cùng là chiều dày bố trí cho

Để hoàn thiện phương pháp CBR, KERKHOVEN và DORMON đã đưa ra

công thức xác định chiều dày H phụ thuộc vào bán kính đường tròn tương đương

vệt tiếp xúc bánh xe (r) và tổng trục xe thiết kế (tải trọng lặp):

H: Tổng chiều dày kết cấu áo đường, (cm);

CBR: Giá trị sức chịu tải của đất nền xác định cho điều kiện thiết kế, (%)

r: Bán kính đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe, (cm);

p: Áp lực vệt tiếp xúc bánh xe, (MPa);

Nc: Tổng tải trọng lặp của xe tải nặng, (tấn)

Năm 1943, IVANOV đã xây dựng phương pháp tính toán kết cấu áo đường

mềm và được sử dụng chính thức tại Liên Xô (cũ) dưới tên gọi phương pháp

DORNII Phương pháp này đã tạo một tiếng vang rất lớn ở các nước trong khối Xã

hội Chủ nghĩa lúc bấy giờ

Nền tảng chính của DORNII là giá trị môđun biến dạng tương đương yêu cầu

Eekv,potr: Mô đun biến dạng yêu cầu của kết cấu áo đường, (MPa);

p:Áp lực tiếp xúc của bánh xe, (MPa);

λkr: Biến dạng tương đối giới hạn và có giá trị:

ΔZkr :Độ võng giới hạn của mặt đường, (mm);

D :Đường kính đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe, (cm);

K:Hệ số xét tới ảnh hưởng của tải trọng lặp, có giá trị:

K = 0,5 + 0,65 log(γ.Nn) (2.8) γ: Hệ số xét tới phân bố tải trọng theo làn xe, có giá trị:

γ = 2,0 đối với mặt đường một làn xe;

γ = 1,0 đối với mặt đường hai làn xe;

γ = 0,75 đối với mặt đường bốn làn xe

Nn: Tổng trục xe thiết kế chạy cả hai chiều trong 24 giờ

Qui đổi các loại xe thứ i khác nhau về xe tiêu chuẩn:

i i

P D logN = (logN +0,77)-0,77

P D (2.9)

Pi, Pn: Áp lực tiếp xúc của bánh xe qui đổi (thứ i) và bánh xe tiêu chuẩn;

Di, Dn: Đường kính đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe qui đổi (thứ i) và

xe tiêu chuẩn;

μ: Hệ số an toàn về cấp đường, có giá trị:

μ = 1,0 đối với đường quá độ;

μ = 1,1 đối với đường tải trọng trung bình;

μ = 1,2 đối với đường tải trọng nặng

Tổng trục xe thiết kế Nn trong ngày (24 giờ) giúp xác định hệ số ảnh hưởng

của tải trọng lặp được tính căn cứ vào thành phần dòng xe:

k

i=1

N =∑N =N +N +N + N (2.10) Hình 2-4 giới thiệu cách thay thế xác định môđun biến dạng tương đương của

hai lớp một cho hệ nhiều lớp theo DORNII

Môđun biến dạng tương đương của hệ hai lớp xác định từ công thức:

E1,ekv: Môđun biến dạng tương đương của hai lớp kề sát nhau; nền đường có

E0 (MPa), lớp trên nền đường có E1 (MPa) và h1, (mm),

n: Đặc trưng biến dạng của hệ, có giá trị:

Để giảm thời gian tính môđun biến dạng tương đương của toàn bộ kết cấu áo

đường, Ei,ekv thường được tính theo toán đồ

Xác định trạng thái ứng suất và biến dạng của bán không gian đàn hồi khi chịu

tải trên diện tích tròn (thường là tải trọng đều) có ý nghĩa rất lớn về phương diện cơ

học mặt đường Ứng suất tại một điểm cụ thể trong bán không gian được xác định

về mặt lý thuyết từ các phương trình tích phân của Boussinesq Biểu thức tính ứng

M

z

z y

x

Hình 2-5: Bán không gian chịu tải trọng nén trên diện tích tấm tròn

Nhằm đơn giản cho việc giải tích phân, biểu thức trên đã tính cho trường hợp

tấm tròn cứng Ứng suất ở các điểm nằm tại trục đứng dưới tâm tấm tròn có dạng

σ P

Hình 2-6: Ứng suất ở bán không gian khi chịu tải trọng tấm tròn

Thực tế, kết cấu áo đường thường hình thành từ nhiều lớp nên các phương

pháp thiết kế sẽ phụ thuộc vào yêu cầu và lời giải cho hệ nhiều lớp này Các lớp áo

đường làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau đã được thay thế bằng hệ nhiều lớp đặt

trên bán không gian đàn hồi để tính ứng suất và biến dạng Các giá trị tính được

phải đáp ứng điều kiện cho phép Bài toán cụ thể được minh họa trong Hình 2-7:

Hình 2-7: Trạng thái ứng suất trong các lớp kết cấu áo đường (sơ đồ)

Như vậy, để tính chiều dày kết cấu áo đường mềm, các phương pháp đều quan

tâm đến đại lượng σz - ứng suất thẳng đứng nén xuống nền đường (CBR cũng là chỉ

số phản ánh khả năng chịu nén của đất nền) Ứng suất σz cần đảm bảo sao cho trong

suốt thời gian khai thác (tuổi thọ thiết kế hay vòng đời sản phẩm), tải trọng vận

chuyển tác động xuống đất không làm phát sinh biến dạng dẻo, dẫn tới gây hư hỏng

mặt đường

Ngoài ra, các lớp kết cấu áo đường cần được xem xét giá trị σr – điều kiện đảm

bảo chống nứt vật liệu áo đường ngay khi nền đường chịu tác động bất lợi về chế độ

thủy nhiệt trong năm

Lúc xe chạy trên mặt đường nhiều lớp, tác động biểu thị ảnh hưởng của tải

trọng xe chỉ lưu lại trong lòng kết cấu khoảng 3% giây Vì vậy, phần biến dạng đàn

hồi của các lớp vật liệu xảy ra là chủ yếu Các biến dạng này lặp đi, lặp lại nhiều lần

nên được ràng buộc với điều kiện mỏi của vật liệu và tổng trục xe khai thác trong

suốt thời gian thiết kế đường Môđun đàn hồi chung tính toán trở thành đại lượng

đặc trưng cho độ bền, độ cứng và độ ổn định để đảm bảo kết cấu không phát sinh

biến dạng đàn hồi vượt quá giới hạn cho phép Điều kiện cho phép của kết cấu

thường được khảo sát, đo đạc trên đường vòng thực nghiệm Thông số kỹ thuật của

mỗi lớp vật liệu được biểu thị qua chiều dày h, môđun đàn hồi E, hệ số poatxông μ

và hình thức liên kết lớp

Dưới đây, chúng ta cùng tìm hiểu một số phương pháp thiết kế kết cấu áo

đường mềm (gọi tắt là phương pháp thiết kế) phổ biến trên thế giới:

2.1.2 Phương pháp thiết kế của liên xô (cũ): SOJUZDORNII

SOJUZDORNII là phương pháp thiết kế được hoàn chỉnh trên nền tảng của

DORNII do giáo sư N.N IVANOV đề xuất Để giải kết cấu áo đường nhiều lớp đặt

trên bán không gian đàn hồi, ta bắt đầu đi từ nền đường bằng cách đổi hệ hai lớp

đơn giản thành hệ một lớp tương đương, hình thành bán không gian tương đương có

môđun đàn hồi đặc trưng là E0 (thay thế môđun biến dạng) Kết quả đổi hệ hai lớp

thành hệ một lớp được xác định theo toán đồ ở Hình 2-8 Áo đường (được thay thế

bằng bán không gian một lớp) đáp ứng điều kiện độ võng đàn hồi cho phép khi có:

Ec ≥ Epotr (2.16)

2 potr

P.D.(1-μ )

l (2.17)

Trong đó:

Ec: Tổng giá trị môđun đàn hồi trên mặt bán không gian lớp thay thế áo đường Sau

này gọi tắt là môđun đàn hồi chung, (MPa);

Epotr: Môđun đàn hồi yêu cầu của kết cấu áo đường tương ứng với cấp tải trọng thiết

kế, (MPa);

D: Đường kính đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe, (cm);

μ: Hệ số poat-xông (μ = 0,3);

l: Độ võng tiêu chuẩn cho phép, (cm)

Các giá trị môđun đàn hồi yêu cầu được xác định từ toán đồ, những trị số tối

thiểu được tra từ bảng

Tải trọng vận chuyển chính là tổng tải trọng lặp qui về xe tiêu chuẩn Khi thiết

kế sẽ căn vứ vào lượng xe tính toán trong 24 giờ, xác định từ mật độ, thành phần

dòng xe và các thông số liên quan khác Tuổi thọ (hoặc niên hạn) thiết kế đường

cho:

+ Tải trọng nặng được tính là: 15 năm;

+ Tải trọng nhẹ được tính là: 10 năm

Tiếp theo độ võng đàn hồi cho phép là hai điều kiện kiểm toán biểu thị sự

chuẩn xác về mặt cơ học mặt đường Đó là:

+ Kiểm toán ứng suất cho phép chống cắt trượt của nền đường và vật liệu

kém dính;

+ Kiểm toán ứng suất chịu kéo uốn cho phép của các lớp vật liệu liền khối

Khi kiểm toán nền đường, cần qui nhiều lớp áo đường thành một lớp với

môđun đàn hồi trung bình:

Trong đó:

Estr: Giá trị trung bình môđun đàn hồi của các lớp liên tục, (MPa);

E1, E2, E3,…: Môđun đàn hồi của các lớp vật liệu áo đường, (MPa);

h1, h2, h3,…: Chiều dày các lớp vật liệu áo đường, (cm)

Các lớp áo đường Hệ hai lớp

p

ϕp c

E p.

str 1-4 E

p E

E

E

1

Hình 2-9: Đổi các lớp áo và nền đường

thành hệ hai lớp để kiểm toán

trượt nền đất

Các lớp áo đường Hệ hai lớp

c.4-p.

E ϕ4.c 4

str 1-3 E

E 1

2 E

3 E

4 E

E p

Hình 2-10: Đổi các lớp áo đường thành hệ

hai lớp mà lớp dưới là nền

chung với vật liệu móng dưới

cần kiểm toán trượt Điều kiện đảm bảo chống cắt trượt tại nền đất và lớp cần kiểm toán là:

K’: Hệ số phức hợp phản ánh đặc điểm riêng của kết cấu và các điều kiện tin cậy

của áo đường;

C: Lực dính kết của vật liệu lớp kiểm tra phía dưới (đổi về hệ hai lớp) ở điều kiện

thiết kế, (MPa)

Các giá trị:

a

τ và τv: Được tra từ toán đồ;

C và φ: Lấy từ kết quả thí nghiệm trực tiếp;

K’: Tra bảng

Tương tự, đối với lớp vật liệu móng kém dính cần kiểm toán cắt trượt, ta đổi

thành hệ hai lớp như hình 2-10

Để kiểm toán ứng suất chịu kéo uốn sinh ra ở mặt đáy lớp vật liệu liền khối,

kết cấu áo đường được thay thế bằng hệ hai hoặc ba lớp Khi đó, lớp cần kiểm tra

phải là một lớp độc lập (hình 2.11 và 2.12) Kết cấu áo đường thỏa mãn nếu:

σr ≤Ri (2.20) Trong đó:

σr: Ứng suất kéo uốn lớn nhất tại lớp kiểm tra, (MPa);

Ri: Ứng suất chịu kéo uốn cho phép của vật liệu lớp kiểm tra, (MPa)

Ứng suất sinh ra trong hệ lớp thay thế được xác định bằng toán đồ Ứng suất chịu

kéo uốn cho phép được xác định qua thí nghiệm có xét tới ảnh hưởng của lão hóa và

3 E

E p

r1

σ

1 ,R 1

1 E

p E

E 3

E 2

1 E

,2-p

E c , σr2

Hình 2-12: Kiểm tra σr ở đáy lớp h2 Thay thế bằng hệ ba lớp

Quy trình thiết kế áo đường mềm của Liên Bang Nga (ODN 218.064.01) được

giới thiệu trong tạp chí Cầu đường [3] thực chất là tiếp tục hoàn thiện trên nền tảng

của SOJUZDORNII bằng cách:

- Qui định chi tiết hơn hệ số phản ánh điều kiện làm việc của mặt đường và

kết cấu áo đường Cụ thể:

+ Đưa ra các trị số độ tin cậy KH xác định theo cấp đường và loại mặt

đường;

+ Xác định hệ số phá hoại giới hạn Kpnp căn cứ vào độ tin cậy KH;

+ Xác định hệ số cường độ tiêu chuẩn yêu cầu Knp căn cứ vào độ tin cậy

1,6 1,3 1,38 1,2 1,29 1,17 1,1

Trượt và kéo uốn 1,1 1,0 1,1 1,0 1,1 1 0,94

- Chỉ rõ các trường hợp tính toán chiều dày kết cấu áo đường khi nào theo

điều kiện động, khi nào theo điều kiện tĩnh Và tất nhiên, chỉ tiêu kỹ thuật phản ánh

đặc trưng đàn hồi và biến dạng của vật liệu cũng được thí nghiệm xác định theo

điều kiện tương ứng

- Xét ảnh hưởng của tổng trục xe thiết kế ∑N

ptrong suốt thời kỳ khai thác

sử dụng đường biểu thị qua các hệ số phản ánh chế độ mỏi của vật liệu, chế độ lão

hóa dẫn tới suy giảm cường độ

Như vậy, khi thiết kế kết cấu áo đường mềm theo ODN218.046.01, cần thực

hiện kiểm toán theo [4]:

a Tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

yc

E >E K (2.21) Trong đó:

Ech: Môđun đàn hồi chung tính toán hệ nhiều lớp, (MPa);

Emin: Môđun đàn hồi yêu cầu tối thiểu, (MPa), có giá trị:

K là hệ số cường độ yêu cầu (tra bảng);

Môđun đàn hồi yêu cầu tối thiểu được xác định tra bảng phụ thuộc vào:

+ Số trục xe tính toán ở làn xe có nhiều xe nhất (ngày đêm);

+ Cấp đường;

+ Loại áo đường

b Tiêu chuẩn chống cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính:

np yc np

T T K

≤ (2.23) Trong đó (ngoài các ký hiệu đã biết ở trên):

T:Ứng suất cắt chủ do tải trọng bánh xe tính toán gây ra tức thời trong nền đất hoặc

lớp vật liệu kém dính, (MPa);

Tnp: Ứng suất cắt chủ giới hạn (MPa), có giá trị:

Tnp = CN.kd + 0,1.γtb.Zop.tgφct (2.24)

CN: Lực dính kết của đất nền hay lớp cát có xét tới tải trọng trùng phục;

kd: Hệ số xét đến điều kiện làm việc tại mặt tiếp xúc giữa lớp cát và lớp móng chịu

lực phía dưới Trường hợp móng dưới là vật liệu gia cố hay phủ vải địa kỹ thuật

γtb: Dung trọng trung bình của tất cả các lớp kết cấu áo đường, (kG/cm3);

Zop: Chiều sâu từ mặt đường tới điểm kiểm tra cắt, (cm);

φct: Góc nội ma sát tính toán của lớp vật liệu kiểm tra cắt xác định ở điều kiện tĩnh

p: Áp lực tiếp xúc vệt bánh xe, (MPa)

Ta cần lưu ý: Khi tra τH từ toán đồ, trị số φ được xác định theo tải trọng động

c Ứng suất chịu kéo uốn σ r sinh ra ở mặt đáy vật liệu liền khối

N

np

R σ K

R0: Độ bền chịu kéo uốn giới hạn tiêu chuẩn (tra bảng);

k1: Hệ số suy giảm cường độ dưới tác dụng của tải trọng lặp và có giá trị bằng:

1

m P

m: Chỉ số phụ thuộc vào tính chất vật liệu;

k2: Hệ số giảm cường độ theo thời gian;

υR: Hệ số biến phân của độ bền chịu kéo (tra bảng);

t: Độ lệch chuẩn và phụ thuộc vào độ tin cậy

Ứng suất kéo uốn sinh ra ở mặt đáy lớp vật liệu liền khối xác định theo công

thức:

σ = σ p.kR r p (2.29)

Trong đó (ngoài các ký hiệu đã biết):

r

σ : Ứng suất kéo uốn đơn vị (tra toán đồ);

kp: Hệ số xét đến đặc điểm trạng thái ứng suất của mặt đường dưới bánh xe kép,

kp = 0,85

2.1.3 Phương pháp thiết kế của Trung Quốc (JTJ 014-97):

Tiêu chuẩn của Trung Quốc trong [5] giới thiệu chi tiết các nội dung về:

- Thiết kế nền đường ôtô (JTJ 013-95);

- Thiết kế mặt đường nhựa (JTJ 014-97)

Trục xe tiêu chuẩn theo JTJ 014-97 cũng là trục xe 10 tấn (100kN)

Các bước thiết kế cơ bản gồm:

- Căn cứ nhiệm vụ thiết kế xác định cấp đường, loại mặt đường, số trục xe

tương đương tích lũy cho một làn xe trong niên hạn thiết kế và độ võng đàn hồi cho

phép thiết kế

- Xác định môđun đàn hồi chung của đất nền đường; phân theo đoạn không

nên dưới 500m (cho qui mô nhỏ) và < 1 km (cho qui mô lớn thi công bằng cơ giới)

- Tham khảo phụ lục, chọn sơ bộ vài phương án kết cấu mặt đường, chiều

dày vật liệu các lớp áo đường Xác định chỉ tiêu kỹ thuật dùng trong tính toán thông

qua thí nghiệm đo môđun đàn hồi và độ bền chịu kéo uốn của vật liệu liền khối

- Chiều dày kết cấu áo đường được xác định căn cứ độ võng thiết kế yêu cầu

Bên cạnh đó, sẽ kiểm toán ứng suất chịu kéo uốn đối với lớp mặt bêtông nhựa,

móng trên và móng dưới nửa cứng của đường cao tốc, đường cấp I và đường cấp II

Lý thuyết dùng trong tính toán: Hệ bán không gian đàn hồi nhiều lớp

- So sánh chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để chọn loại kết cấu áo đường tối ưu

Qua các bước thiết kế cơ bản được khái quát hóa bằng sơ đồ khối (Hình 2-13),

phương pháp thiết kế áo đường mềm của Trung Quốc cho thấy: Bỏ điều kiện kiểm

toán chiều dày chống đóng băng (chỉ áp dụng ở các nước có khí hậu mùa đông hạ

dưới 0oc) thì tiêu chuẩn tính chiều dày kết cấu áo đường được đánh giá chỉ qua hai

chỉ tiêu Đó là độ võng thiết kế cho phép và ứng suất chịu kéo uốn sinh ra ở mặt đáy

các lớp vật liệu liền khối

Độ võng thiết kế cho phép của mặt đường xác định theo công thức:

Ld: Giá trị độ võng thiết kế của mặt đường, (0,01mm);

Nc: Số trục bánh xe tương đương tích lũy trên một làn xe trong niên hạn thiết kế;

Ac: Hệ số cấp mặt đường, có giá trị tính theo Bảng 2-4;

As: Hệ số biểu thị loại mặt đường sử dụng, có giá trị tính theo Bảng 2-5

Bảng 2-4: Giá trị Ac

Đường cấp I Đường cấp II Đường cấp III

- Giá trị của Ac tương thích với cấp đường So với qui trình của nước ta, qui

trình của Trung Quốc chưa phân cấp Ac theo các cấp đường ở cấp thấp hơn

Đá dăm trộn nhựa nóng

Đá dăm trộn nhũ tương nhựa đường Mặt đường trên trộn dưới thấm

Mặt đường láng nhựa

Mặt đường quá độ, cấp thấp

Sơ đồ khối tính kết cấu mặt đường mềm của JTJ014-97 (xem Hình 2-13) giới

thiệu các bước thiết kế

Hình 2-13

Xác định ứng suất kéo uốn cho phép σ R

Không

Kiểm toán Tính chiều dày kết cấu theo độ võng cho phép

số độ võng thiết

kế l d (cho phép)

Điều tra số liệu khí tượng, vật liệu và thí nghiệm hỗn hợp vật liệu (có tính liền khối)

Phân chia lại nền đường để xác định mô đun đàn hồi chung của nền đất

Xác định mô đun đàn hồi vật liệu

Kiểm toán tiêu chuẩn ứng suất chịu kéo uốn?

Kiểm toán chiều dày chống đóng băng ?

Sơ bộ quy định phương án kết cấu mặt đường

dụng

Không

Có phương án kết cấu nữa không?

Sửa đổi kết cấu mặt đường

Có điều chỉnh tỷ

lệ phối hợp vật liệu tăng σ sp ?

Có tăng chiều dày không?

σ m <σ R ?

Tính ứng suất kéo uốn

ở đáy lớp σ m

Thí nghiệm ép chẻ xác định độ bền chịu kéo uốn σ sp

Khi tính chiều dày kết cấu mặt đường, nghĩa là tính độ võng sinh ra ở vị trí A

giữa bánh xe kép có tải trọng phân bố đều trên diện tích hai đường tròn tương

đương vệt bánh xe (hình 2-14)

AP

1, 63( ) 2000

F

p δ

αc: Hệ số độ võng lý thuyết;

Eo (hoặc En): Môđun đàn hồi của đất nền, (MPa);

E1, E2,…, En-1: Môđun đàn hồi của vật liệu các lớp, (MPa);

h1, h2, …, hn-1: Chiều dày của các lớp kết cấu, (cm);

Nhận xét: ls chính là đại lượng đặc trưng về biến dạng đàn hồi Do đó, cũng cho

phép xác định được đại lượng liên quan là môđun đàn hồi chung tính toán Như

vậy, ý nghĩa của ls cũng không nằm ngoài tiêu chuẩn đánh giá độ võng đàn hồi

cho phép

Phải kiểm tra điều kiện ứng suất chịu kéo uốn sinh ra ở mặt đáy lớp mặt

bêtông nhựa, đáy lớp móng trên và móng dưới là vật liệu liền khối (nửa cứng)

Thông thường, chỉ cần xét tại tâm vệt tiếp xúc của bánh xe kép Nhưng, trong sơ đồ

tính toán cơ học Hình 2-15, ứng suất chịu kéo uốn ở mặt đáy lớp bêtông nhựa được

tính tại các điểm B, D, E và C, rồi chọn trị số lớn nhất để kiểm toán