Bài giảng thiết kế đường 1

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường và cấu tạo kết cấu áo đường 1.1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường Áo đường là công trình được xây dựng trên nền đường bằ

Trang 1

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM

1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường và cấu tạo kết cấu áo đường

1.1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường

Áo đường là công trình được xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau, trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng xe chạy và sự phá hoại thường xuyên của các nhân tố thiên nhiên như mưa, gió, sự thay đổi nhiệt độ,… Do đó khi thiết kế và xây dựng áo đường phải đạt được các yêu cầu sau đây:

- Áo đường phải có đủ cường độ chung biểu thị qua khả năng chống lại biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt, biến dạng co dãn do chịu kéo uốn hoặc do thay đổi nhiệt độ Ngoài ra, cường độ của áo đường phải ít thay đổi theo điều kiện thời tiết, khí hậu, tức là phải ổn định về mặt cường độ.

- Mặt đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cản lăn, giảm sóc khi xe chạy Do đó sẽ nâng cao được tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiện liệu và kéo dài tuổi thọ của xe, giảm giá thành vận tải Để đảm bảo được độ bằng phẳng thì khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp và chú ý đến các biện pháp kỹ thuật khi thi công.

- Bề mặt của áo đường phải có đủ độ nhám nhất định để nâng cao hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường, tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với tốc độ cao và trong trường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng Để đảm bảo được độ nhám thì khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp.

Trang 2

- Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt Vì bụi sẽ làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa và gây ô nhiễm môi trường

1.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường

Cấu tạo của kết cấu áo đường hoàn chỉnh gồm có tầng mặt và tầng móng, mỗi tầng lại có thể gồm nhiều lớp vật liệu (Hình 1.1)

Trang 3

- Tầng mặt ở trên, chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng và lực nằm ngang) và tác dụng của các nhân tố thiên nhiên (mưa, gió, thay đổi nhiệt độ,…)

Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độ nhám, chống thấm nước, chống nứt, có khả năng chịu mài mòn tốt, không bụi và

ít bong bật

- Tầng móng ở dưới, có tác dụng phân bố ứng suất do tải trọng xe truyền xuống nền đường Vật liệu tầng móng có thể dùng loại rời rạc nhưng phải đảm bảo có độ cứng nhất định Có thể bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo

chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống nền đường Như vậy có thể tận dụng được vật liệu tại chỗ

1.2 Phân loại áo đường

1.2.1 Phân loại theo vật liệu và cấu trúc vật liệu

1) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối:

- Theo nguyên lý đá chèn đá: là mặt đường đá dăm nước (hay đá dăm macadam) được cấu trúc bằng đá dăm có kích cỡ đồng đều, hình dạng sần sùi sắc cạnh và có cường độ tương đối cao Thông qua quá trình vừa lu lèn (khi lu có tưới nước để đá dễ chặt và khỏi vỡ) vừa chèn thêm các cỡ đá dăm kích thước nhỏ hơn so với đá cơ bản, cường độ của lớp áo đường này sẽ hình thành trên cơ sở ma sát, chèn móc giữa các hòn đá với nhau

Trang 4

Ưu điểm: công nghệ thi công đơn giản Nhược điểm: đòi hỏi quá cao về hình dạng, kích cỡ và cường độ của đá, tốn công lu lèn, sức chịu bong bật kém nên thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp thấp và làm lớp móng cho đường cấp cao

- Theo nguyên lý cấp phối: là mặt đường cấp phối được cấu trúc bằng hỗn hợp đá, sỏi, cuội, cát, đất từ cỡ lớn đến cỡ nhỏ trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định để đảm bảo sau khi lu lèn hỗn hợp có độ rỗng nhỏ, tức là đạt được độ chặt lớn Cường độ sẽ được hình thành do lực dính và lực ma sát giữa các hạt tăng lên

Yêu cầu chính là khống chế đúng tỷ lệ phối hợp giữa các thành phần hạt và chỉ số dẻo (thông qua hàm lượng hạt nhỏ – đất dính) Nếu hàm lượng sét quá nhiều làm cho mặt đường kém ổn định với nước, nếu quá ít sẽ không đủ dính kết

Ưu điểm: tạo thuận lợi cho việc sử dụng vật liệu địa phương, cường độ hạt không đòi hỏi quá cao, ít tốn công lu lèn Nhược điểm: kém ổn định đối với nước, mùa mưa thì lầy lội, mùa khô thì nhiều bụi

2) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi,…): nhờ có chất kết dính nên cường độ và tính ổn định nước của các loại mặt đường này được tăng lên rõ rệt

Trang 5

Điển hình cho loại mặt đường này là các lớp: đất hoặc đá có gia cố vôi, xi măng,… và thường dùng làm lớp móng cho đường cấp cao Áo đường bê tông xi

măng cũng thuộc loại này nhưng được cấu trúc đặc biệt tốt và thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp cao, chịu được bào mòn bề mặt, khả năng chịu kéo khi uốn lớn

3) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính hữu cơ (bi tum, guđrông): tùy theo phương pháp thi công, ta có:

+ Theo phương pháp tưới:

- Mặt đường thấm nhập nhựa: tưới nhựa vào các lớp đá đã rải sẵn rồi chèn và lu lèn, tùy theo chiều sâu nhựa thấm nhập mà ta có: thấm nhập nhẹ, bán thấm nhập và thấm nhập sâu

- Mặt đường láng nhựa: tưới nhụa lên tầng mặt đã hình thành rồi rải sỏi sạn hoặc đá dăm nhỏ và lu cho đá sỏi chìm vào trong nhựa

+ Thi công theo phương pháp trộn thì có các loại: đất gia cố nhựa; đá dăm đen (đá có kích cỡ đồng đều trộn với nhựa rồi rải và chèn đá con trộn nhựa); hỗn hợp đá trộn nhựa (cấp phối đất đá trộn nhựa rồi lu lèn chặt) và bê tông nhựa (bao gồm đá, cát, bột khoán và 4-12% nhựa đem trộn với nhau theo nguyên lý cấp phối tốt nhất và lu lèn chặt)

1.2.2 Phân loại theo đặc điểm tính toán cường độ áo đường

Có hai loại: áo đường cứng và áo đường mềm

Trang 6

- Áo đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có khả năng chịu kéo khi uốn rất lớn, làm việc theo nguyên lý tấm trên nền đàn hồi, tức là phân bố được áp lực của tải trọng bánh xe xuống nền đất trên một diện tích rộng làm cho nền đất phía dưới ít phải tham gia chịu tải

- Áo đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp không có khả năng chịu uốn hoặc có khả năng chịu uốn nhỏ, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe chúng chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu Do đó nền đất cũng tham gia chịu tải cùng với mặt

đường ở mức độ đáng kể

Thuộc về áo đường mềm là tất cả các loại áo đường làm bằng các vật kiệu khác nhau, trừ mặt đường bê tông xi măng

1.3 Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường

1.3.1 Trình tự thiết kế áo đường:

1) Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường, mỗi phương án bao gồm tầng mặt và tầng móng, mỗi tầng có thể có nhiều lớp vật liệu khác nhau

2) Kiểm toán cường độ chung của cả kết cấu áo đường và cường độ trong mỗi tầng lớp áo đường Tính toán xác định bề dày từng lớp

3) Tính toán luận chứng kinh tế – kỹ thuật, so sánh các phương án để lựa chọn phương án tối ưu

1.3.2 Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường:

Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường là nhằm chọn và bố trí hợp lý các lớp vật liệu phù hợp với chức năng và yêu cầu của các tầng lớp áo đường

Trang 7

Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường mềm:

1) Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền mặt đường, tức là phải sử dụng các biện pháp tổng hợp để nâng cao cường độ của nền đất, tạo điều kiện thuận lợi cho nền đất cùng tham gia chịu tải với áo đường

- Yêu cầu là thiết kế một kết cấu áo đường kín và ổn định nhiệt, có tầng mặt không thấm nước, thoát nước mặt nhanh

- Phải chú ý sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ nhằm giảm giá thành xây dựng của công trình

- Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế, cơ giới hóa và công nghiệp hóa quá trình xây dựng để giảm giá thành

- Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo áo đường, dự tính biện pháp tăng cường bề dày, thay đổi kết cấu để nâng cấp áo đường cho phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian

2) Cấu tạo tầng mặt áo đường:

Tùy theo cấp hạng kỹ thuật mặt đường và phạm vi sử dụng các loại tầng mặt bao gồm:

- Bê tông nhựa chặt dưới hình thức nhựa bitum đun nóng, nhũ tương bitum hoặc nhựa bitum lỏng

- Đá dăm nước không có hoặc có xử lý nhựa (thấm nhập nhựa, láng nhựa,

…) hoặc xử lý bằng chất kết dính vô cơ rồi láng nhựa lên trên

- Cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên có hoặc không có xử lý chất kết dính vô cơ

Trang 8

- Cát, đất cải thiện thành phần hạt hoặc gia cố các chất kết dính vô cơ, trên có lớp bảo vệ

- Lát đá, gạch nung hoặc lát gạch bê tông

Có các loại tầng mặt:

- Cấp cao A1 (bê tông nhựa chặt): dùng trên các tuyến đường cấp cao

- Cấp cao A2 (bê tông nhựa rải nguội và ấm, thấm nhập nhựa, láng nhựa): dùng cho các loại đường ít quan trọng

- Cấp thấp B1 và B2 (đá gia cố chất kết dính vô cơ láng nhựa, đá dăm nước, cấp phối,…): dùng trên các tuyến đường cấp thấp, giao thông nông thôn

3) Cấu tạo tầng móng áo đường:

- Nên bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất của tải trọng xe chạy nhằm sử dụng hợp lý khả năng làm việc của vật liệu mỗi lớp Tỷ số mô đun đàn hồi giữa lớp trên và lớp dưới kề nó bằng vật liệu kém dính không nên vượt quá 5 – 6 lần

- Vật liệu làm tầng móng bao gồm:

+ Đá dăm nước, đá dăm cấp phối có hay không có gia cố chất kết dính (dùng cho lớp móng trên)

+ Đất, cát có gia cố chất kết dính (dùng cho lớp móng trên hoặc lớp móng dưới)

Trang 9

+ Cấp phối thiên nhiên, cấp phối sỏi cuội (dùng cho lớp móng dưới)

4) Bề dày các lớp vật liệu:

- Vì đắt tiền nên các lớp càng ở trên càng nên làm mỏng đến mức tối thiểu, trong khi các lớp dưới rẻ tiền nên tăng bề dày

- Bề dày mỗi lớp không nên vượt quá bề dày có thể lèn ép được (tương ứng với các công cụ đầm nén sẵn có) Nếu vượt quá thì cùng một lớp vật liệu phải thi công hai lần, do đó chỉ hợp lý khi bề dày chọn gần với bội số của bề dày có thể lèn ép được

- Bề dày tối thiểu của mỗi lớp vật liệu không được nhỏ hơn 1,5 lần kích cỡ hạt cốt liệu lớn nhất và không được nhỏ hơn theo quy định của quy trình 22TCN

211-93 tùy theo loại vật liệu

1.4 Nhiệm vụ, nội dung, nguyên tắc và thứ tự tính toán cường độ áo đường mềm

1.4.1 Nhiệm vụ:

Sau khi thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường mềm, nhiệm vụ của việc tính toán là kiểm tra xem kết cấu áo đường đã đề xuất có đủ cường độ không, đồng thời tính toán xác định lại bề dày cần thiết của mỗi lớp cấu tạo

1.4.2 Nội dung:

Việc tính toán cường độ áo đường mềm chính là tính toán kiểm tra ba tiêu chuẩn cường độ dưới đây:

Trang 10

- Tính toán ứng suất cắt trong nền đất và trong các lớp vật liệu kém dính xem nó có vượt quá trị số giới hạn cho phép hay không.

- Tính toán ứng suất kéo khi uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm khống chế không cho phép nứt ở các lớp đó.

- Tính toán độ lún đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng (biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi) của cả kết cấu áo đường và khống chế để trị số mô đun đàn hồi của cả kết cấu phải lớn hơn trị số mô đun đàn hồi yêu cầu.

1.4.3 Nguyên tắc:

Kết cấu áo đường mềm được xem là đủ cường độ nếu như trong suốt thời kỳ khai thác, dưới tác dụng của ô tô nặng nhất và của toàn bộ dòng xe, trong bất kỳ lớp nào (kể cả nền đất) cũng không

phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại và độ lún của kết cấu áo đường không vượt quá trị số cho

phép.

1.4.4 Thứ tự tính toán:

Đầu tiên tính theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi, sau đó kiểm toán theo điều kiện trượt trong nền đất và trong các lớp vật liệu kém dính và cuối cùng là kiểm toán theo điều kiện chịu kéo khi uốn đối với các lớp vật liệu liền khối

Trang 11

1.5 Các thông số tính toán cường độ áo đường mềm

Cần phải xác định được các thông số tính toán tương ứng với thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thủy nhiệt (tức là thời kỳ nền đất và các lớp vật liệu có cường độ là yếu nhất)

1.5.1 Tải trọng tính toán tiêu chuẩn:

Tải trọng tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục xe ô tô (trục đơn) có tải trọng 10T đối với tất cả các loại áo đường mềm thuộc mạng lưới chung; có tải trọng trục 12T đối với áo đường đô thị, đường cao tốc và 9,5T đối với các đường đô thị khác ít quan trọng (Bảng 1.1)

1.5.2 Lưu lượng xe tính toán:

Lưu lượng xe tính toán là số ô tô được quy đổi về loại ô tô có tải trọng tính toán tiêu chuẩn thông qua mặt cắt ngang đường trong một ngày đêm trên làn xe

nặng nhất chịu đựng lớn nhất ở cuối thời kỳ khai thác

Tải trọng tính toán tiêu chuẩn Bảng 1.1

trục, daN

Aùp lực tính toán lên mặt đường, daN/cm 2

Đường kính vệt bánh, cm

Đường ô tô công cộng

Đường trục chính đô thị

Đường ít quan trọng

10.000 12.000 9.500

6,0 6,0 5,5

33

36

33

Trang 12

- Trên đường xe chạy một làn xe, lưu lượng xe tính toán là lưu lượng xe theo hai chiều đi và về.

- Trên đường xe chạy có 2 hoặc 3 làn xe mà không có dải phân cách, chỉ lấy lưu lượng xe tính toán bằng 0,55 lưu lượng xe theo hai hướng.

- Đối với đường 4 làn xe nhưng có dải phân cách ở giữa chia đường thành hai phần

xe chạy, mỗi phần có hai làn xe thì lưu lượng xe tính toán lấy bằng 0,35 lưu lượng xe tổng cộng theo cả hai hướng.

Quy đổi về xe có tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn:

Lưu lượng xe chạy quy đổi về tải trọng tính toán tiêu chuẩn xác định theo công thức: Ntt = N1a1 + N2a2 + N3a3 + …, xe/ngày đêm

Trong đó: N1, N2, N3,… là lưu lượng xe chạy của các loại xe có tải trọng trục lớn nhất khác nhau trên làn xe trong một ngày đêm ở cuối thời kỳ khai thác đường, xe/ngày đêm.

a1, a2, a3,… là các hệ số quy đổi loại xe tương ứng ra trục xe tiêu chuẩn, xác định theo bảng 1.2. Hệ số quy đổi về tải trọng tiêu chuẩn Bảng 1.2

Hệ số quy đổi tương ứng với tải trọng trục của ô tô, Tấn/1 trục

Loại tải trọng

0,10 0,05 0,15

0,36 0,18 0,55

0,42 0,22 0,65

0,68 0,35 1,00

1,00 0,50 0,80 1,00

Trang 13

Để tính toán cường độ áo đường mềm, ngoài ra còn có các thông số: trị số tính toán mô đun đàn hồi E, lực dính C, góc nội ma sát ϕ của các loại vật liệu áo đường và của nền đất (trong điều kiện bất lợi nhất), ứng suất cho phép chịu kéo khi uốn của lớp vật liệu liền khối Ru

1.6 Tính toán cường độ áo đường mềm theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

Theo tiêu chuẩn này, kết cấu áo đường mềm được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung Ech của cả kết cấu áo đường không nhỏ hơn trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc

Ech ≥ Eyc (*)Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc được xác định phụ thuộc vào lưu lượng

xe chạy tính toán (bảng 1.3 – bảng 3.3, Tr.90)

Có 2 trường hợp tính toán:

1) Tính toán để kiểm nghiệm lại các phương án cấu tạo kết cấu áo đường đã đề xuất gồm các lớp vật liệu với bề dày giả thiết có thỏa mãn điều kiện (*)

không Tức là phải tính được Ech của cả kết cấu

2) Biết Eyc, tiến hành tính toán bề dày áo đường để thoả mãn điều kiện (*)

Cách tính E ch của cả kết cấu áo đường:

- Với kết cấu là hệ hai lớp (lớp nền đất có E 0 và lớp vật liệu có E 1 và chiều dày h): được tiến hành với toán đồ hình 1.2 (Toán đồ hình 3.3, Tr.125)

Trang 14

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu của áo đường Bảng 1.2

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu E yc (daN/cm2) tương ứng với lưu

lượng xe chạy tính toán (xe/ngày đêm)

Loại tải trọng

Định dạng
Số trang	28
Dung lượng	471,5 KB