bài giảng môn học công trình giao thông

- Kết cấu áo đường gồm nhiều tầng nhiều lớp nền xét về mặt cơ học, đây là bài toán cường độ của hệ nhiều lớp bán không gian và muốn giải quyết rõ ràng ta phải biết: Tính chất của tải trọ

BÀI GIẢNG MễN HỌC CễNG TRèNH GIAO THễNG

PHẦN I – PHẦN ĐƯỜNG

CHƯƠNG I THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

1 Cỏc nguyờn tắc thiết kế và tớnh toỏn kết cấu ỏo đường mềm

1.1 Cỏc nguyờn tắc thiết kế ỏo đường

Thiết kế ỏo đường bao gồm một số nội dung sau đõy:

- Đề xuất cỏc phương ỏn kết cấu ỏo đường : mỗi phương ỏn cú tầng mặt, tầng múng, số lớp bằng cỏc vật liệu khỏc nhau, cấu trỳc và cụng nghệ thi cụng khỏc nhau; đụng thời phải cú thể cú phương ỏn đầu tư 1 lần, ngay từ đầu đó cú thể đỏp ứng được yờu cầu về cường độ chạy

xe ở thời điểm tớnh toỏn, nhưng cũng cú thể cú phương ỏn cấu tạo theo nguyờn tắc phõn kỳ đầu

tư

- Tớnh toỏn cường độ chung của cả kết cấu và tại mỗi vị trớ bất lợi trong mỗi tầng, lớp kết cấu, lớp kết cấu; xỏc định bề dày mỗi tầng, lớp để bảo đảm đạt được yờu cầu cường độ cần thiết Bề dày tớnh toỏn phải phự hợp với bề dầy theo yờu cầu cấu tạo, cấu trỳc vật liệu và theo yờu cầu của cụng nghệ thi cụng, cụng nghệ duy tu, bảo dưỡng Ngược lại, bề dày phải đảm bảo được yờu cầu về cường độ cần thiết

- Tớnh toỏn luận chứng kinh tế - kĩ thuật, so sỏnh phương ỏn, chọn kết cấu ỏo đường tối

ưu trong điều kiện cụ thể của từng đoạn sao cho thỏa món được cỏc yờu cầu núi chung đối với

ỏo đường một cỏch thớch đỏng

Yờu cầu của việc thiết kế cấu tạo ỏo đường là chọn đỳng và bố trớ đủ cỏc tầng, lớp vật liệu trong kết cấu ỏo đường sao cho phự hợp với nhiệm vụ chức năng của mỗi tầng, lớp bảo đảm cả kết cấu thỏa món những đũi hỏi đảm bảo yờu cầu chung đối với ỏo đường đồng thời đảm bảo kết cấu thỏa món được cỏc điều kiện về khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi cụng và khả năng khai thỏc, duy tu, sửa chữa sau này

Cấu tạo của kết cấu ỏo đường mềm đường ụ tụ bao gồm tầng mặt và tầng múng, trong mỗi tầng cú thể cú một hoặc nhiều lớp Tầng mặt thường được làm từ cỏc lớp bờ tụng nhựa hạt mịn, hạt trung, hạt thụ hoặc đỏ dăm thấm nhập nhựa, đõy là cỏc lớp vật liệu cú chất kết dớnh Tầng múng cú thể bao gồm lớp múng trờn và lớp dưới Vật liệu cỏc lớp múng cú thể được làm từ vật liệu cú chất kết dớnh ( đỏ dăm thấm nhập, cỏt gia cố xi măng…) hoặc từ cỏc lớp vật liệu rời như cấp phối đỏ dăm, đỏ thải, cấp phối sỏi đồi Cấu tạo ỏo đường mềm được thể hiện hỡnh 1.1

Lớp mặt trên (lớp hao mòn)

Lớp mặt duới (lớp cơ bản)

Lớp móng trên

Lớp móng duới

Lớp đáy áo đuờng

Hỡnh 1.1 Cấu tạo điển hỡnh ỏo đường mềm

Một số quan điểm chung cần chú trọng khi thiết kế cấu tạo áo đường:

1- Chọn loại tầng mặt áo đường căn cứ vào ý nghĩa, cấp hạng kỹ thuật của đường, lưu lượng và tốc độ xe chạy thiết kế, đồng thời xem xét đến điều kiện khí hậu, khả năng cung cấp vật liệu, khả năng thi công và điều kiện duy tu bảo dưỡng sửa chữa

Vật liệu làm mặt cần dùng loại ít hoặc không thấm nước, có cường độ và tính ổn định về cường độ đối với nước, nhiệt cao và đặc biệt có khả năng chống tác dụng phá hoại bề mặt cũng như bào mòn tốt Vì thế mặt đường dùng các vật liệu có cấu trúc liên kết tốt, có độ chặt lớn, có cốt liệu được chọn lọc về hình dạng và tình trạng bề mặt đảm bảo cường độ (c và φ ) cần thiết

và kích cỡ hạt nhỏ để đảm bảo chống bong bật tốt

Trường hợp vật liệu làm lớp mặt trên không đủ các phẩm chất nói trên, đặc biệt là không đủ sức chịu phá hoại mặt đường, thì phải cấu tạo thêm lớp hao mòn và bảo vệ Lúc này cần bố trí lớp dính bám tốt giữa lớp hao mòn và lớp mặt trên Nếu lớp mặt trên là bê tông nhựa chặt và tạo nhám tốt thì không cần làm lớp hao mòn

Đối với đường cao tốc và các đường hiện đại có yêu cầu cao về chất lượng bề mặt, sử dụng lớp hao mòn đặc biệt dưới dạng:

- Vữa nhựa hoặc lớp hỗn hợp nhựa cực mỏng (dày dưới 2cm), mực đích là tạo nhám và tạo phẳng

- Lớp hỗn hợp thoát nước dày 3-4 cm, lớp này được làm bằng cấp phối hở, hạt cứng (độ rỗng 15-20%) trộn với nhựa bitum cải tiến Tác dụng của lớp hao mòn loại này là tạo điều kiện cho nước mưa tụt nhanh vào lỗ rỗng của hỗn hợp rồi thoát ra hai bên lề, nhờ đó giảm được bề dày màng nước tiếp xúc giữa lốp xe với bề mặt đường dẫn đến tăng sức bám, đồng thời giảm bụi nước gây cản trở tầm nhìn và giảm cả khả năng phát tiếng ồn Tuổi thọ tối đa 5-8 năm Đối với các trường hợp tầng mặt cấp cao A2 nên phổ cập sử dụng lớp láng nhựa chất lượng cao được bảo đảm bằng cac vật liệu đúng quy cách với công nghệ và trang thiết bị thi công hiện đại

2 – Tầng móng gồm nhiều lớp được chọn tùy theo điều kiện nền đường, địa chất, thủy văn, thổ chất và tình hình vật liệu tại chỗ sẵn có, do đó kết cấu móng có thể thay đổi trên từng đoạn ngắn

Vật liệu tầng móng có thể dùng cả các loại cấu trúc rời rạc, kích cỡ lớn ít chịu được bào mòn như các lớp đá dăm, cấp phối, đất và đá gia cố chất liên kết vô cơ, sỏi cuội, đá ba, phế liệu công nghiệp, gạch vỡ … Cường độ lớp móng càng xuống dưới càng có thể dùng loại yếu hơn phù hợp với quy luật truyền ứng suất do hoạt tải

3- Trừ trường hợp bố trí kết cấu ngược đối với mặt đường mềm, về mô đun và cường độ các lớp vật liệu trong kết cấu thì từ trên tầng phủ xuống dưới nền đất nên bố trí giảm dần để phù hợp với trạng thái phân bố ứng suất, như vậy sẽ giảm giá thành xây dựng Tuy nhiên, cường độ các lớp trên không nên cao hơn lớp dưới liền nó quá 3 lần về mô đun đàn hồi và tỉ số mô đun đàn hồi của nền đất và tầng móng nên nằm trong khoảng 0,08 – 0,04;

Thông thường mô đun của các lớp nên đạt các yêu cầu dưới đây:

- Nền đường nên có mô đun đàn hồi Eo ≥ 200 daN/cm2 hoặc chỉ tiêu CBR ≥ 6-7%

- Lớp đáy áo đường nên có E ≥ 500 daN hoặc CBR = 10-15

- Lớp móng dưới nền có CBR ≥ 30

- Lớp móng trên nên có CBR ≥ 80 (chỉ số sức kháng nền đất)

4- Để đảm bảo cường độ và tính ổn định cường độ cao, khi thiết kế cấu tạo áo đường phải luôn nắm vững quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường và nguyên tắc cấu tạo một kết cấu kín, tức là luôn đề ra các biện pháp thích đáng để nâng cao cường độ và tính ổn định cường độ của nền đất phía dưới áo đường, tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực với áo đường đến mức tối đa, từ đó giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng áo đường Khi chọn phương án kết cấu áo đường thì đồng thời phải xét tới việc áp dụng các biện pháp cải thiện chế

độ thủy nhiệt nền đường: tăng cường đầm nén đất nền đường, nâng cao đáy áo đường so với mức nước ngầm, tăng bề rộng lề đường để mép áo đường cách đủ xa nước ngập hai bên, làm các lớp cách nước, cách hơi… tùy theo điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn Hiệu quả của các

các biện pháp ấy là giảm được độ ẩm tính toán nền đất tạo điều kiện cho nền đất biến cứng dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, do đó cường độ tính toán của nền đất biến cứng dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, do đó cường độ tính toán của nó sẽ tăng lên, dẫn đến giảm bề dày áo đường và phương án kết cấu tổng thể nền mặt đường được chọn sẽ là phương án có tổng giá thành xây dựng áo đường và nền đường ít nhất trong khi vẫn bảo đảm cường độ yêu cầu chung của cả kết cấu

Ngoài ra khi thiết kế còn chú ý đến các đặc trưng nhiệt lí của các lớp vật liệu và quy luật phân

bố biến đổi nhiệt độ trong các lớp áo đường hàng ngày, hàng mùa và hàng năm Để tránh cho

áo đường khỏi bị nứt thì cần bố trí các lớp vật liệu kề nhau không quá chênh lệch về độ cứng và các đặc trưng nhiệt lí (hệ số dẫn nhiệt, hệ số truyền nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt) Mặt khác, tổng

bề dày áo đường nên lớn hơn bề sâu tắt biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi dưới đáy áo đường làm ẩm ướt mặt nền đất dẫn đến giảm cường độ nền đất 5- Thông qua phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng thông qua lời giải của hệ nhiều lớp đàn hồi người ta đã rút ra được một số nhận xét liên quan đến việc bố trí các lớp kết cấu áo đường:

- Nếu mô đun đàn hồi của nền đất tăng 20% thì hiệu quả giảm độ võng chung của cả kết cấu sẽ tương đương với việc mô đun đàn hồi của tầng móng tăng thêm 100%

- Tăng mô đun của tầng móng là cần thiết nếu giảm ứng suất kéo – uốn ở đáy tầng mặt; nên

bố trí bề dày tầng móng không dưới 2d và bề dày tầng mặt không nên nằm trong khoảng 1,0d (d là bán kính của một vệt bánh trong cụm bánh đôi trục sau; với xe trục tiêu chuẩn 10 tấn thì d = 10,5 – 11 cm)

0,5 Không nên bố trí bề dày tầng mặt chỉ bằng 1 lớp bê tông nhựa dày 4 – 6 cm mà tổng bề dày các lớp mặt rải nhựa phải ít nhất là 15 cm với đường cao tốc và 10cm với các đường cấp 60 trở lên

- Việc tăng bề dày áo đường sẽ không làm giảm được ứng suất cắt lớn nhất τmax xuất hiện ở lớp mặt trên cùng; để tránh lớp mặt trên bị phá hoại do ứng suất loại này thì biện pháp chủ yếu dùng vật liệu lớp mặt đường có cường độ chống cắt trượt cao

6- Bề dày các tầng, lớp trong kết cấu áo đường được quyết định thông qua tính toán, tuy nhiên về mặt cấu tạo cũng có những yêu cầu nhất định

- 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 Nếu vượt quá thì cùng một lớp vật liệu lại phải thi công 2 lần

- Bề dày tối thiểu mỗi lớp vật liệu phải đảm bảo lớn hơn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất được sử dụng trong nó 1,25 – 1, 4 lần

Tóm lại để đảm bảo kết cấu áo đường đủ cường độ, đạt yêu cầu về tính ổn định nước và ổn định nhiệt cũng như các phẩm chất sử dụng khác, khi thiết kế cấu tạo cần nắm vững nhiệm vụ, chức năng của mỗi tầng, lớp kết cấu, đồng thời phải nắm vững các điều kiện thực tế cụ thể về khí hậu, địa chất thủy văn, vật liệu xây dưng, thời gian bất lợi và trạng thái bất lợi về ẩm nhiệt đối với nền, mặt đường Khi thiết kế áo đường cũng phải chú trọng các quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường, quan điểm phân kì đầu tư để nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, quan điểm tận dụng vật liệu tại chỗ để giảm chi phí vận chuyển và giảm mức sử dụng ngoại tệ, quan điểm tạo thuận lợi cho thi công và duy tu, sử chữa, cải tạo tăng cường áo đường trong quá trình khai thác sau này

1.2 Tính toán kết cấu áo đường mềm

dưới tác dụng của tải trọng xe chạy chỉ chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu

1.2.2 Tính toán kết cấu áo đường mềm

- Kết cấu áo đường gồm nhiều tầng nhiều lớp nền xét về mặt cơ học, đây là bài toán cường độ của hệ nhiều lớp bán không gian và muốn giải quyết rõ ràng ta phải biết: Tính chất của tải trọng

xe chạy tác dụng, đặc tính chịu tải của nền đất và vật liệu làm các lớp áo đường cũng như phải biết được mối quan hệ giữa cường độ và các trạng thái, các hình thức phá hoại của kết cấu áo đường, để định ra yêu cầu về cường độ

1.2.2.1 Tính chất của tải trọng xe chạy tác dụng và đặc tính chịu tải của nền đất và vật liệu làm các lớp áo đường

1.2.2.1.1 Tải trọng tác dụng lên mặt đường lớn hay nhỏ phụ thuộc vào trọng lượng của trục sau

ô tô Trục sau thường có trọng lượng chiếm 3/4 trọng lượng của toàn bộ xe

- Tải trọng một bánh xe phải chịu sẽ thông qua khối hơi ép ở trong săm truyền ra khỏi lốp rồi mới truyền đến mặt đường Do đó, kích thước và độ cứng của lốp cũng là nhân tố quan trọng quyết định vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường Vệt tiếp xúc này trên thực tế đo là hình elip Để tiện tính toán áp lực bánh xe lên mặt đường, người ta xem tiếp xúc đó gần đúng là một hình tròn có diện tích bằng diện tích thực tế của hình elip tiếp xúc Đường kính của đường tròn gần đúng này thường kí hiệu là D đối với trường hợp một bánh đôi có 2 vệt tiếp xúc đổi về một vòng tròn, hoặc kí hiệu là d đối với trường hợp mỗi vệt tiếp xúc quy đổi về một vòng tròn nhỏ được thể hiện trong hình 2-1

Hình 1-2 Vệt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

a – Bánh đôi có vệt tiếp xúc đổi về hai vòng tròn nhỏ đường kính d

b – Bánh đôi có vệt tiếp xúc đổi về một vòng tròn có đường kính D

Vì lốp xe có độ cứng nên áp lực truyền xuống mặt đường p (kG/cm2) thực tế sẽ khác áp lực hơi ở trong săm p 0 do đó:

0

p

p=α

Trong đó:α là hệ số kể đến độ cứng của lốp xe

Vì p có thể xác định được bằng cách chia tải trọng bánh sau P (kG) của ô tô cho diện tích tiếp xúc thực tế đã đo được, còn p0 cũng đo trực tiếp, do đó xác định được α; thông thường

P

D= 4 ≈ 1 , 08π

Trong đó: P được tính bằng

2

1 tải trọng trục sau Ta thấy D càng lớn thì áp lực bánh xe truyền xuống nền đường càng sâu, do đó các tầng phía dưới cũng như nền đường sẽ phải tham gia chịu lực nhiều

Tải trọng xe chạy trên mặt đường sinh ra lực thẳng đứng và ngang

Trong đó lực ngang chỉ ảnh hưởng và ảnh hưởng nghiêm trọng đến cường độ của tầng mặt, do tính toán cường độ chung của kết cấu áo đường chỉ tính với tác dụng của lực thẳng đứng truyền sau; còn chỉ xét đến tác dụng của lực ngang khi tính toán cường độ và độ ổn định của tầng mặt

1.2.2.2.2 Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải trọng động, đột ngột tức thời và trùng phục nhiều lần Khi xe chạy thì thời gian tác dụng của tải trọng trên vệt bánh xe rất ngắn Do tác dụng phân bố của mặt đường nên thời gian tác dụng trên nền đất nền mỗi lần xe chạy qua có thời gian tác dụng trên nền đất mỗi lần xe chạy qua có dài hơn; trong thời gian tác dụng đó trị

số này được đặc trưng bằng tốc độ thay đổi: tăng từ 0 đến p rồi lại giảm từ p đến 0 Sự thay đổi này đặc trưng bằng tốc độ thay đổi tác dụng

Như vậy, quá trình tác dụng trên mặt đường cứ lặp đi lặp lại nhiều lần với các xe nặng nhẹ khác nhau và với tầng xuất tác dụng không đều Tải trọng xe chạy tác dụng với các đặc điểm kể trên

có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của đất nền và các lớp áo đường, cụ thể là ảnh hưởng đến trị

số biến dạng và khả năng chống biến dạng của chúng Hiện tượng lưu biến là đặc trưng biến dạng của vật liệu có tính dính nhớt và hỗn hợp có chất liên kết hữu cơ, do đó khi thời gian tác dụng của tải trọng khác nhau thì biến dạng do nó gây ra trong đất và các loại vật liệu đó sẽ khác nhau như được mô tả ở hình 2-2

Hình 1-3 Hiện tượng lưu biến l = f(t) khi trị số tải trọng tác dụng thay đổi P1<P2<P3

Qua các kết quả thực nghiệm thể hiện ở hình 1-3 có thể thấy cùng trị số tải trọng tác dụng nhưn

g thời gian tác dụng lâu thì biến dạng càng lớn, hơn nữa nếu trị số tải trọng lớn nhỏ khác nhau thì quy luật biến dạng khác nhau: Khi tải trọng nhỏ (P1) thì tốc độ biến dạng càng giảm đi, các

lỗ rỗng trong đất ngày càng giảm đi, lúc đó đất sẽ ở trạng thái biến cứng (ảnh hưởng của quá trình lu lèn tác dụng với tốc độ chậm để tăng cường độ chặt của đất); ngược lại khi P lớn (P3) thì sau khi tích lũy biến dạng đến một trị số nhất định tốc độ biến dạng đột ngột tăng lên và đất

sẽ ở trạng thái phá hoại Như vậy cường độ của đất là phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải trọng Tải trọng tác dụng càng lâu thì cường độ của đất càng nhỏ đi tương đối

Tính chất động và trùng phục của tải trọng xe chạy trên mặt đường cũng có ảnh hưởng quan trọng đến cơ chế làm việc của vật liệu và đất nền Dưới tác dụng của tải trọng động và trùng phục đất và vật liệu sẽ phát sinh hiện tượng mỏi và hiện tượng tích lũy biến dạng dư

Hiện tượng mỏi thể hiện ở các chỉ tiêu cường độ của vật liệu như sức chống cắt, sức kéo uốn… của chúng khi tải trọng động và trùng phục sẽ giảm đi so với khi chịu tác dụng tải trọng tĩnh 1 lần

Hiện tượng tích lũy biến dạng dư thể hiện ở chỗ: Bộ phận biến dạng không phục hồi được của đất hoặc vật liệu sẽ càng tăng thêm theo số lần tác dụng của tải trọng trùng phục có tính chu kì hình 1-4

Hỡnh 2-3 Quy luật biến dạng của vật liệu hoặc đất nền khi chịu tải trọng trựng phục Trờn hỡnh 1-4 cho thấy : trạng thỏi cuối cựng của vật liệu hay nền đất khi chịu tải trọng trựng phục cú thể xảy ra khỏc nhau Nếu dưới tỏc dụng của mỗi lần trựng phục, trong đất hoặc vật liệu phỏt sinh ứng suất cắt trượt quỏ cường độ chống trượt thỡ biến dạng dẻo sẽ khụng ngừng phỏt sinh và tớch lũy lại cho đến khi biến dạng dẻo đú phỏt triển ra cả trong một phạm vi lớn thỡ vật liệu đi vào trạng thỏi phỏ hoại như trong trường hợp đường 3 ở hỡnh 1- 4 Đường 2 là ứng với trạng thỏi phỏt sinh trượt dẻo nhưng chỉ giới hạn trong một phạm vi nhất định và sau đú do cỏc điều kiện thuận lợi lại trở lại nờn biến cứng (biến dạng khụng tớch lũy thờm nữa dự số lần tỏc dụng tải trọng tiếp tục tăng lờn) Khi biến cứng, biến dạng cũng đó tớch lũy đến một trị số lớn nhất định vượt quỏ biến dạng dẻo do vật liệu bị ộp chặt thờm ở trường hợp 1

Như vậy, dưới ảnh hưởng của tải trọng trựng phục trong đất và vật liệu (tức là trong kết cấu ỏo đường ) luụn luụn tớch lũy biến dạng dẻo

Về trạng thỏi làm việc của kết cấu mặt đường (gồm vật liệu và nền đất đều cú tớnh đàn hồi – dẻo - nhớt) vẫn cú thể ở vào một trong hai trạng thỏi : đàn hồi – dẻo và đàn hồi Như vậy khi tớnh toỏn cường độ, nếu kết cấu ỏo đường làm việc ở giai đoạn đàn hồi dẻo thỡ phải kể đến hiện tượng tớch lũy biến dạng Cũn nếu làm việc ở giai đoạn đàn hồi thỡ phải tớnh toỏn theo cỏc sơ đồ trờn cơ sở lớ thuyết đàn hồi nhằm bảo đảm khụng phỏt sinh ứng suất trượt tạo nờn biến dạng dẻo tại bất ki điểm nào trong kết cấu ỏo đường

1.2.3 Cỏc hiện tượng phỏ hoại kết cấu ỏo đường mềm và nguyờn lớ tớnh toỏn cường độ ỏo đường mềm

1.2.3.1 Dưới tỏc dụng của tải trọng xe chạy, khi đạt đến cường độ giới hạn, trong kết cấu ỏo đường mềm sẽ xảy ra cỏc hiện tượng phỏ hoại trong Hỡnh 1-14

Truyền áp lực lên đất (đất bị nén)

Trồi

Kẽ nứt Cắt

Lún

Nén

Kéo Kéo

Kéo

Hỡnh 1-5 Cỏc hiện tượng phỏ hoại ỏo đường mềm ở trạng thỏi giới hạn dưới tỏc dụng của tải

trọng xe chạy

Lúc này, ngay dưới mặt tiếp xúc của bánh xe mặt đường và đất sẽ bị nén, xung quanh chỗ tiếp xúc sẽ phát sinh trượt dẻo (do ứng suất cắt) và trên mặt đường sẽ phát sinh ra các đường nứt hướng tâm bao tròn, xa hơn một chút vật liệu thường bị đẩy trồi lên, mặt đường có thể bị gẫy

vỡ và phần đáy của mặt đường sẽ bị nứt do kéo Ở trạng thái giới hạn như vậy về cường độ thì mặt đường sẽ biến dạng và trở nên kém phẳng Để kết cấu áo đường đạt được các yêu cầu về mặt tính toán cường độ phải đảm bảo các hiện tượng phá hoại nói trên không được phép xảy ra trong suốt thời kỳ tính toán quy định, đồng thời phải đảm bảo không xảy ra tích lũy biến dạng

dư (không phát sinh biến dạng dẻo) dưới tác dụng xe chạy trong quá trình khai thác đường; cụ thể là khi tính toán phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ứng suất cắt ở mọi trong nền đất dưới áo đường và trong các lớp áo đường do tải trọng

xe chạy tính toán gây ra tại các vị trí đó không vượt quá trị số ứng suất cắt giới hạn của đất và vật liệu Điều kiện này đối với nền đất dưới áo đường có thể biểu diễn bằng quan

hệ sau:

τ

τcp tr

K ≤ (1-1) Trong đó: τcp là sức chống trượt cho phép của nền đất (kG/cm2);

τ là ứng suất cắt do tác dụng của tải trọng tính toán gây ra (kG/cm2); Ktr là hệ số cường độ về trượt trong kết cấu của nền đất Hệ số này càng lớn thì độ bền vững và tin cậy về cường độ của

áo đường càng cao

- Ứng suất kéo – uốn lớn nhất phát sinh ở đáy áo đường hoặc ở đáy các lớp vật liệu tầng mặt do tải trọng xe chạy tính toán gây ra σkukhông vượt quá trị số ứng suất kéo – uốn giới hạn cho phép R ku của vật liệu tại vị trí đó:

ku

ku ku

R K

σ

= (1-2) Trong đó: K ku là hệ số cường độ về trạng thái giới hạn chịu kéo khi uốn

- Độ võng đàn hồi của cả kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán l dh không vượt quá độ võng đàn hồi giới hạn cho phép l gh

đh

gh đv

1.2.3.2 Dựa theo 3 trạng thái nói trên, để xây dựng phương pháp tính toán cường độ áo đường mềm, người ta còn phải tìm cách tính được các ứng suất τ , σku và độ võng l dh do tải trọng và cường độ xe chạy tính toán gây ra ở mọi điểm trong kết cấu áo đường, đồng thời phải xác định được các tiêu chuẩn giới hạn τcp, R ku và E yc;

Khi xây dựng phương pháp tính ứng suất và biến dạng, hiện nay thường xem kết cấu áo đường (các vật liệu và nền đất) là làm việc trong giai đoạn có quan hệ bậc nhất giữa ứng suất và biến dạng Việc xem xét kết cấu áo đường là hệ biến dạng tuyến tính đã cho phép sử dụng các lời giải của lí thuyết đàn hồi để tính ứng suất và biến dạng ở mọi điểm trong kết cấu bán không gian nhiều lớp chịu tải trọng đối xứng trục (là tải trọng bánh xe tính toán p phân bố đều trên vệt

bánh xe có đường kính D hoặc có vệt đổi về hai vòng tròn nhỏ đường kính d theo sơ đồ như hình 1- 6 Hiện nay thế giới đã có kết quả lời giải lập thành toán đồ tiện dùng cho hệ 2 lóp (1 lớp áo đường và nền đất), hệ 3 lớp (2 lớp áo đường và nền đất) Về nguyên tắc, hiện người ta có thể giải ứng suất và biến dạng của hệ vô số lớp nhưng phải sử dụng máy tính có bộ nhớ lớn Do

đó với các kết cấu áo đường nhiều lớp hơn 3 hiện nay áp dụng các biện pháp đơn giản hơn khi tính toán cường độ chung, đó là biện pháp đổi hệ nhiều lớp về hệ 3 lớp trên cơ sở biến dạng tính được là không sai lệch nhau nhiều

Như vậy, các tiêu chuẩn trạng thái giới hạn đều được xác định bằng thực nghiệp, quan trắc thực

tế hay kinh nghiệm nhưng đều phải xét đến cơ chế làm việc của vật liệu áo đường và nền đất dưới ảnh hưởng của tải trọng động, trùng phục do xe chạy gây ra, đồng thời có xét đến cả yêu cầu dự trữ cường độ khác nhau đối với các loại áo đường

1.2.3.3 Như vậy, một phương pháp tính toán cường độ áo đường mềm sẽ hình thành trên cơ sở nghiên cứu giải quyết được 3 vấn đề sau:

- Trạng thái giới hạn và tiêu chuẩn giới hạn

- Lí thuyết tính toán và phương pháp đánh giá cường độ thực tế

- Thông số tính toán và phương pháp thử nghiệp xác thông số tính toán

1.2.4.1 Nguyên lí tính toán ở đây là việc tính toán trị số Eyc và trị số Ech có thể dựa vào kết quả tính toán biến dạng đàn hồi của cả kết cấu (tại điểm giữa của vệt bánh xe ngay trên bề mặt

áo đường) theo lời giải chính xác của lí thuyết đàn hồi đối với hệ bán không gian đàn hồi 2 lớp

và 3 lớp với giả thiết không xảy ra sự dịch chuyển tương hỗ giữa các lớp tại mặt tiếp xúc của các lớp đó Đối với hệ 2 lớp kết quả lời giải chính xác có thể lập thành toán đồ hình 1-7 (toán

,

E

E D

h f E

(1-4) Trong đó : h là bề dày lớp áo đường có môđun đàn hồi E1;

D là đường kính tương đương của vệt bánh xe;

E0là môđun đàn hồi của nền đất

Hình 1-7 Toán đồ để tính Ech của hệ 2 lớp

Đối với hệ 3 lớp như hình 1-6 thì theo kết quả lời giải chính xác có thể tính được độ võng đàn hồi l đh của cả kết cấu theo công thức:

Biết l đh thì ta có thể tính được E chcủa hệ 3 lớp

Trên thực tế để đơn giản tính toán người ta thường tìm cách đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp để khi tính

Hình 1-8 Toán đồ xác định độ võng đàn hồi trên mặt của kết cấu 3 lớp dưới tác dụng của tải

trọng bánh xe

Để đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp có bề dày áo đường giữ nguyên H = h1 + h2 nhưng cả lớp áo đường dày H đó xem như có trị số môđun đàn hồi trung bình E tb xác định theo công thức sau:

3 3 / 1 2

+

=

K

Kt E

Đối với hệ nhiều lớp thì hiện chưa có cách giải chính xác tiện dụng nên bắt buộc phải đổi tầng

về hệ 2 lớp hoặc hệ 3 lớp để tính toán cường độ áo đường mềm

- Có thể đổi 2 lớp một từ dưới lên theo trình tự sau: đổi 2 lớp một từ dưới lên thành một lớp có trị số Etb; cụ thể : hai lớp dưới cùng đổi thành 1 lớp có 1

tb

E ; với 1

tb

E và lớp trên lại tính được 2

K đv – hệ số cường độ về độ võng; E ch là trị số mô đun đàn hồi yêu cầu, phụ thuộc vào độ võng đàn hồi giới hạn cho phép l gh có thể được xác định theo quan hệ sau:

gh yc

l

pD

E = ( 1 −µ2 ) (1-9)

Trong đó: p và D là áp lực và đường kính vệt bánh xe tính toán truyền xuống mặt đường; µ là

hệ số poisson, đối với kết cấu áo đường thường dùng µ =0.3; lgh là độ võng đàn hồi giới hạn cho phép xác định tùy thuộc vào khả năng biến dạng cho phép của tầng mặt áo đường và tùy thuộc vào lưu lượng xe tính toán trong một ngày đêm (xe/ngày đêm)

Như vậy, trị số Eyc phụ thuộc vào tầng mặt áo đường và tải trọng xe tính toán và lưu lượng xe chạy, trên thực tế nó được xác định thông qua điều tra, quan trắc thực nghiệm và tích lũy kinh nghiệm sử dụng, khai thác đường

Việc quyết định chọn tải trọng tính toán thật ra cũng là một vấn đề kinh tế kĩ thuật và tải trọng tính toán ảnh hưởng nhiều đến trị số E yc Do đó, tuy về mặt lý thuyết, khi tính kết cấu áo đường theo trạng thái đàn hồi thì cần tính với tải trọng bánh xe nặng nhất nhưng thực tế người ta thường chọn loại xe nặng chiếm tỉ lệ lớn hơn 5% trong dòng xe chạy trên đường làm xe tính toán

Lưu lượng trục xe tính toán là số trục xe trong tương lai sẽ chạy trên một làn xe nặng nhất, chịu đựng lớn nhất trong một ngày đêm vào thời kì bất lợi Tương lai nói ở đây là lưu lượng xe dự đoán sẽ xuất hiện ở cuối thời hạn sử dụng cho đến khi phải đại tu áo đường

Việc quy đổi các trục xe khác có trong dòng xe thực tế chạy trên đường được tính toán bằng cách: nhân số lượng ô tô hai cầu có tải trọng trục sau khác nhau với những hệ số tương ứng Với loại xe 3 cầu thì xem như là 2 ô tô có tải trọng tương ứng trên mỗi trục sau để quy đổi Các loại xe con không cần xét đến khi tính toán

Hệ số quy đổi được xác định chủ yếu là theo thực nghiệm – kinh nghiệm về ảnh hưởng trùng phục của các loại tải trọng xe chạy khác nhau Hệ số quy đổi a i có thể xác định theo quan hệ thực nghiệm – kinh nghiệm như sau:

4 4

Q

Q

Với Q i và Q tt là tải trọng trục của các loại xe i cần quy đổi và của xe tiêu chuẩn

Như vậy lưu lượng xe tính toán N tttrên 1 làn sẽ được xác định theo công thức:

i n i

γ là hệ số xét đến sự phân bố xe chạy trên các làn xe

1.2.4.2 Để tính toán được cường độ áo đường mềm theo tiêu chuẩn độ võng giới hạn, ta còn cần xác định được trị số mô đun đàn hồi tính toán của đất nền đường và vật liệu làm các lớp áo đường

1.2.4.3 Trình tự tính toán thiết kế áo đường mềm theo tiêu chuẩn độ võng giới hạn có thể được tóm tắt như sau:

Bước 1: Xác định lưu lượng tính toán tương ứng với năm tính toán phụ thuộc vào loại mặt đường

Bước 2: Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu

Bước 3: Dự kiến cấu tạo các lớp áo đường theo những nguyên tắc thiết kế cấu tạo áo đường

Áp dụng cách quy đổi tầng đưa hệ nhiều lớp về 2 lớp từ đó áp dụng toán đồ hình 1-8 để tính

Ech của cả kết cấu

Bước 4: So sánh Ech và Eyc nếu xấp xỉ là được

1.2.5 Tính toán cường độ áo đường mềm theo điều kiện cân bằng giới hạn về trượt trong đất nền và các lớp kém dính kết

Nguyên lí tính toán ở đây chính là không cho phép xuất hiện biến dạng dẻo trong đất dưới áo đường hoặc trong bất cứ các lớp kém dính kết nào của áo đường

Theo điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong nền đất dưới áo đường hoặc trong các lớp kết cấu áo đường được biểu thị bằng quan hệ suy từ vòng tròn ứng suất Mohrn là:

cos 2

1

3 1 3

1

2 1 1

1 (1-12a) hoặc

cos 2

1

2 1 1

1 (1-12b)

Trong đó : σ1,σ2,σ3 là ứng suất chính tại điểm đang xét ; C và ϕ là dính và góc ma sát trong của đất hoặc vật liệu Giáo sư A.M Krivitski gọi vế trái của của phương trình (1-14) là ứng suất cắt hoạt động τa Trị số τa ở mỗi điểm trong nền đất hoặc vật liệu lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất tại điểm đó và có thể có trị số ứng suất cắt hoạt động lớn nhất max

τ trong chúng Trạng thái cân bằng giới hạn sẽ không xảy ra và biến dạng dẻo sẽ không xuất hiện nếu có điều kiện sau:

C

≤ max

τ (1-13) Trị số ứng suất cắt hoạt động lớn nhất của nền đất và các lớp dưới τamax sẽ gồm hai thành phần : một do tải trọng của bánh xe tính toán tác dụng gây ra và một do khối lượng bản thân của các lớp trên nó gây ra, nghĩa là:

b m

τ = + (1-14) Trong đó: τa.m là ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra

τ .blà ứng suất cắt hoạt động do khối lượng bản thân của các lớp trên gây ra

Lợi dụng kết quả giải chính xác đối với hệ 2 lớp của Kogan và A.G bulavko dưới tác dụng của tải trọng bánh xe đối xứng trục, tức là từ trạng thái ứng suất ở mỗi điểm trong nền đất đã cho kết quả giải chính xác, giáo sư A.M.Krivitski đã tính ra được các trị số ứng suất chính σ1 và σ3 tương ứng và tiến hành khảo sát quy luật thay đổi trị số τa trong đất nền dưới áo đường, kết quả cho thấy: trị số τam do tải trọng bánh xe gây ra trong móng của hệ 2 lớp thường đạt cực đại tại gần sát mặt tiếp xúc giữa 2 lớp và nằm trên trục của diện tích phân bố tải trọng Do trị số

thì kết quả khảo sát cũng cho thấy trị

số τam theo vế trái (1-12) xuất hiện ở vùng mép diện tích tải trọng, nhưng trường hợp h mỏng như vậy ít gặp

Xác định trước được vị trí điểm xuất hiện τam và do đó sẽ có:

E

E d

h f p

p am T

Trị số

p

am

τ ở (1-15) tính được theo kết quả giải chính xác 2 lớp được lập thành toán đồ như hình

1-9a và 1-9b và 1-10 Riêng toán đồ 1-10 chỉ áp dụng cho việc tính

p

am

τ phát sinh trong lớp mặt

bê tông nhựa

Trị số τabtại mặt nền đất trên trục tác dụng của tải trọng cũng được tính theo vế trái của (1-12) trong đó σ1=γh và

2

2

3 1 µ

µσ

µϕ

γ

1

1 1

1 cos

2 2

0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001

Hình 1-11 Toán đồ để xác định ứng suất cắt hoạt động do khối lượng bản thân của lớp trên gây

ra đối với lớp dưới

Trình tự tính toán cường độ áo đường mềm theo điều kiện cân bằng giới hạn về trượt (1- 14) như sau:

- Dự kiến cấu tạo các lớp áo đường

- Đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp sao cho sau khi đổi, bề dày lớp trên là bề dày toàn bộ áo đường hoặc là tổng bề dày các lớp trên Trị số mô đun đàn hồi tính toán của các lớp trên được quy đổi thành trị số mô đun đàn hồi trung bình với bề dày của các lớp :

3 2 1

3 3 2 2 1

h h h

h E h E h E

E tb

+ +

+ +

Nếu kiểm tra ở lớp móng áo đường thì lớp móng và nền được quy đổi thành một lớp bán không gian ở phía dưới theo toán đồ Kogan ở hình 1- 7

Sau khi đưa về hệ 2 lớp, sẽ tính toán được τam và τab theo toán đồ 1-9a (hoặc 1-9b) và hình 1-10 Khi kiểm tra điều kiện ổn định trượt của lớp mặt bê tông nhựa thì không tính τab vì lớp nằm ở trên cùng của áo đường Nếu τam + τab thỏa mãn điều kiện 1-14 là được Nếu cường độ chống trượt không đủ thì tăng bề dày áo đường và tính lại cho thảo mãn 1-14

1.2.6 Tính toán cường độ áo đường mềm theo điều kiện chịu kéo khi uốn

Công việc tính toán này chỉ tiến hành đối với các vật liệu có tính toàn khối như lớp bê tông atsphan và các lớp vật liệu đất đá gia cố chất vô cơ

Nguyên li tính toán kiểm tra cường độ các lớp áo đường bằng vật liệu có tính toàn khối theo điều kiện chịu kéo khi uốn là để đảm bảo ứng suất sinh ra khi áo đường bị võng dưới tác dụng của tải trọng không được phá hoại cấu trúc vật liệu và dẫn đến phát sinh vết nứt được thể hiện qua điều kiện 1-18:

ku ku

K Ru là hệ số cường độ khi chịu kéo uốn có thể tham khảo bảng 1-1:

Quy định hệ số cường độ và độ tin cậy

- Áo đường cấp quá độ (cấp thấp B1) IV, V 0,80 0,87

Trị số cường độ chịu kéo – uốn giới hạn của vật liệu RKu (kG/cm2) phải được xác định bằng thí nghiệm có xét đến hiện tượng mỏi do tác dụng trùng phục của tải trọng gay ra và có xét đến các nhân tố ảnh hưởng khác như nhiệt độ đối với lớp đá nhựa hoặc độ ẩm đối với các lớp đất, đá gia cố với các chất liên kết vô cơ

Trị số ứng suất kéo lớn nhất đơn vị trong lớp đang xét σkuđược xác định nhờ kết quả chính xác

hệ hai lớp và ba lớp theo lí thuyết đàn hồi; các kết quả đó được lập thành toán đồ ở hình 1-12

Trên các toán đồ này cho ta tìm được ứng suất kéo uốn đơn vị σku tùy thuộc bề dày và trị số

mô đun đàn hồi của các lóp vật liệu trong kết cấu áo đường, từ đó có thể tìm được σku theo công thức sau:

Hình 1-12 Toán đồ xác định ứng suất kéo – uốn đơn vị σkucủa lớp trên bằng vật liệu toàn khối (Ech.m : mô đun đàn hồi chung của các lớp dưới, E đ là mô đun đàn hồi đất nền)

Hình 1-13 Toán đồ xác định ứng suất kéo – uốn đơn vị σkucủa lớp giữa (nằm giữa nền đất và lớp mặt) của vật liệu toàn khối

Trình tự tính toán kiểm tra điều kiện kéo uốn của các lớp như sau:

- Đối với các lớp phía dưới lớp mặt cần kiểm tra phải đổi về một bán không gian vô hạn bằng cách đổi hai lớp một từ dưới lên theo toán đồ Kogan và tính toán ta được trị số Ech.m

- Tra toán đồ, tính σku theo (1-19) và kiểm tra điều kiện (1-18), nếu không thỏa mãn thì cần thay đổi kết cấu để tăng độ cứng của các lớp phía dưới

Khi kiểm tra các lớp nằm giữa thì cần đổi hai lớp một từ dưới lên và từ trên xuống để đưa hệ nhiều lớp về hệ 3 láp Các trình tự khác tiếp tục như trên

1.3 Tính toán kết cấu áo đường mềm theo Quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN-211-06

1.3.1 Các nguyên tắc tính toán

1.3.1.1 Các tiêu chuẩn cường độ

Nội dung tính toán chính là tính toán kiểm tra 3 tiêu chuẩn cường độ dưới đây:

1 Kiểm toán ứng suất cắt ở trong nền đất và các lớp vật liệu chịu cắt trượt kém so

với trị số giới hạn cho phép để đảm bảo trong chúng không xảy ra biến dạng dẻo (hoặc hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo);

2 Kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm hạn

chế sự phát sinh nứt dẫn đến phá hoại các lớp đó;

3 Kiểm toán độ võng đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị

số mô đun đàn hồi Ech của cả kết cấu nền áo đường so với trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc Tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo hạn chế được sự phát triển của hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, do đó bảo đảm duy trì được khả năng phục vụ của cả kết cấu đến hết thời hạn thiết kế 1.3.1.2 Cơ sở của phương pháp tính toán:

Cơ sở của phương pháp tính toán theo 3 tiêu chuẩn giới hạn nêu trên là lời giải của bài toán hệ bán không gian đàn hồi nhiều lớp có điều kiện tiếp xúc giữa các lớp là hoàn toàn liên tục dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (được mô hình hoá là tải trọng phân bố đều hình tròn tương đương với diện tích tiếp xúc của bánh xe trên mặt đường), đồng thời kết hợp với kinh nghiệm sử dụng và khai thác đường trong nhiều năm để đưa ra các quy định về các tiêu chuẩn giới hạn cho phép

1.3.1.3 Về yêu cầu tính toán theo 3 điều kiện giới hạn

1 Đối với kết cấu áo đường cấp cao A1 và A2 đều phải tính toán kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cường độ nêu ở 1.3.1

2 Về thứ tự tính toán, nên bắt đầu tính theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi, sau đó kiểm toán theo điều kiện cân bằng trượt và khả năng chịu kéo uốn

3 Đối với áo đường cấp thấp B1 và B2 không yêu cầu kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn và điều kiện trượt

4 Khi tính toán kết cấu áo đường chịu tải trọng rất nặng (tải trọng trục trên 120 kN

ở đường công nghiệp hoặc đường chuyên dụng) thì cần tính trước theo điều kiện chịu cắt trượt và điều kiện chịu kéo uốn, sau đó quy đổi tất cả các trục xe chạy trên đường về xe tiêu chuẩn 120 kN để tính theo độ võng đàn hồi

5 Khi tính toán kết cấu áo lề có gia cố thì phải tính theo các tiêu chuẩn như đối với kết cấu áo đường của phần xe chạy liền kề

1.3.1.4 Các thông số tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm

Cần phải xác định được các thông số tính toán dưới đây tương ứng với thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thuỷ nhiệt (tức là thời kỳ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất):

- Tải trọng trục tính toán và số trục xe tính toán;

- Trị số tính toán của mô đun đàn hồi Eo, lực dính C và góc nội ma sát ϕ tương đương với độ ẩm tính toán bất lợi nhất của nền đất Độ ẩm tính toán bất lợi nhất được xác định tuỳ theo loại hình gây ẩm của kết cấu nền áo đường như chỉ dẫn ở;

- Trị số tính toán của mô đun đàn hồi E, lực dính C và góc nội ma sát ϕ của các loại vật liệu làm áo đường; cường độ chịu kéo uốn của lớp vật liệu

Xét đến các điều kiện nhiệt ẩm, mùa hè là thời kỳ bất lợi vì mưa nhiều và nhiệt độ tầng mặt cao Do vậy khi tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi, chỉ tiêu của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa được lấy tương ứng với nhiệt độ tính toán là

300C Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn thì tình trạng bất lợi nhất đối với bê tông nhựa và hỗn hợp đá dăm nhựa lại là mùa lạnh (lúc đó các vật liệu này có độ cứng lớn), do vậy lúc này lại phải lấy trị số mô đun đàn hồi tính toán của chúng tương đương với nhiệt độ 10 – 150C Khi tính toán theo điều kiện cân bằng trượt thì nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa nằm phía dưới vẫn lấy bằng

300C, riêng với lớp nằm trên cùng lấy bằng 600C

1.3.2 Tải trọng trục tính toán và cách quy đổi số trục xe khác về số tải trọng trục tính toán

1.3.2.1 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn:

Khi tính toán cường độ của kết cấu nền áo đường theo 3 tiêu chuẩn nêu ở mục 1.3.1, tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, trên đường ô tô các cấp thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở xuống Riêng đối với kết cấu áo đường trên các đường trục chính đô thị và một số đường cao tốc hoặc đường ô tô thuộc mạng lưới chung có điều kiện xe chạy đề cập ở đây thì tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn trọng lượng 120 kN Các tải trọng tính toán này được tiêu chuẩn hoá như ở Bảng 1-2

Bảng 1-2: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán

tiêu chuẩn, P (kN) Áp lực tính toán lên mặt đường, p (Mpa) Đường kính vệt bánh xe, D (cm)

1.3.2.2 Tải trọng trục tính toán trên đường có nhiều xe nặng lưu thông

1 Trên những đường có lưu thông các loại trục xe nặng khác biệt nhiều so với loại trục tiêu chuẩn ở Bảng 1-2 (như các đường vùng mỏ, đường công nghiệp chuyên dụng…) thì kết cấu áo đường phải được tính với tải trọng trục đơn nặng nhất có thể có trong dòng xe Trong trường hợp này tư vấn thiết kế phải tự điều tra thông qua chứng chỉ xuất xưởng của xe hoặc cân đo để xác định được các đặc trưng p và

D tương ứng với trục đơn nặng nhất đó để dùng làm thông số tính toán Cách cân

đo xác định p và D có thể tham khảo thực hiện theo mục 2.1.5 Quy trình 22 TCN 251- 98 Đối với các xe có nhiều trục thì việc xác định ra tải trọng trục nặng nhất tính toán

2 Nếu tải trọng trục đơn của xe nặng nhất không vượt quá 20% trị số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn ở Bảng 1-2 và số lượng các trục này chiếm dưới 5% tổng số trục

xe tải và xe buýt các loại chạy trên đường thì vẫn cho phép tính toán theo tải trọng trục tiêu chuẩn tức là cho phép quy đổi các trục đơn nặng đó về trục xe tiêu chuẩn để tính toán; ngược lại thì phải tính với tải trọng trục đơn nặng nhất theo chỉ dẫn ở điểm

4 mục 1.3.3

3 Trên các đường cao tốc hoặc đường ô tô các cấp có lưu thông các trục đơn của xe nặng vượt quá 120 kN thoả mãn các điều kiện để cập ở điểm 2 nêu trên thì được dùng tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là 120 kN (tức là nếu trên đường có các trục đơn nặng trên 120 kN và dưới 144 kN với số lượng chiếm dưới 5% tổng số trục xe tải và xe buýt chạy trên đường thì lúc đó được chọn tải trọng trục tính toán là 120 kN)

1.3.2.3 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (hoặc quy đổi về tải trọng tính toán của xe nặng nhất) Mục tiêu quy đổi ở đây là quy đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i về số lần thông qua của tải trọng trục tính toán trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại đối với kết cấu áo đường:

1.Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau:

- Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 );

- Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25 kN trở lên;

- Bất kể loại xe gì khi khoảng cách giữa các trục ≥ 3,0m thì việc quy đổi được thực hiện riêng rẽ đối với từng trục;

- Khi khoảng cách giữa các trục < 3,0m (giữa các trục của cụm trục) thì quy đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như một trục với việc xét đến hệ số trục C1

như ở biểu thức (1-20) và (1.21)

2 Theo các quy định trên, việc quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau:

2 1

1 ( )

tt

I i k

P n C C

∑

=

; (1-20) trong đó:

N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ngày đêm);

ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất) Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy;

C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức (1-21):

C1=1+1,2 (m-1); (1-21) Với m là số trục của cụm trục i ;

C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2=6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2=1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2=0,38

1.3.3 Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên kết cấu áo lề có gia cố

Ntk: là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (1-20) nhưng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều được lấy số liệu ở năm cuối của thời hạn thiết kế và được lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùa mưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm (nếu ni trung bình cả năm lớn hơn ni trung bình trong mùa mưa) ;

fl: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe

1.3.3.2 Hệ số fl của các làn xe trên phần xe chạy:

1 Trên phần xe chạy chỉ có 1 làn xe thì lấy fl = 1,0;

2 Trên phần xe chạy có 2 làn xe hoặc 3 làn nhưng không có dải phân cách thì lấy fl

=0,55;

3 Trên phần xe chạy có 4 làn xe và có dải phân cách giữa thì lấy fl =0,35;

4.Trên phần xe chạy có 6 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy fl=0,3;

5 Ở các chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn phải được tính với hệ số fl = 0,5 của tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút

1.3.3.3 Số trục xe tính toán trên kết cấu lề có gia cố:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xe chạy chính và lề không có dải phân cách bên được lấy bằng 35 ÷ 50% số trục xe tính toán của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trí phần xe chạy chính

Trường hợp phần xe chạy chỉ có 2 làn xe trở xuống thì nên lấy trị số lớn trong phạm vi quy định nêu trên; còn trường hợp phần xe chạy có 4 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy trị số nhỏ

1.3.4 Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường và kết cấu áo lề có gia cố theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

1.3.4.1 Điều kiện tính toán

Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường (hoặc của kết cấu áo lề có gia cố) Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng

Kdv

cd được xác định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn

Ech ≥ Kdv

cd Eyc ; (1-23) 1.3.4.2 Xác định hệ số cường độ và chọn độ tin cậy mong muốn

Bảng 1-4 : Lựa chọn độ tin cậy thiết kế tuỳ theo loại và cấp hạng đường

(áp dụng cho cả kết cấu áo đường và kết cấu áo có lề gia cố)

1 Đường cao tốc 0,90 , 0,95 , 0,98

3 Đường đô thị

- Cao tốc và trục chính đô thị

- Các đường đô thị khác

0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95

4 Đường chuyên dụng 0,80 , 0,85 , 0,90

3 Các đoạn đường có bố trí siêu cao ≥6%, trạm thu phí, điểm dừng đỗ xe, khi thiết kế kết cấu áo đường cần chọn độ tin cậy cao hơn so với các đoạn thông thường ít nhất là 1 cấp

1.3.4.3 Xác định trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc

1 Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu được xác định theo Bảng 1-5 tuỳ thuộc số trục xe tính toán Ntt xác định theo biểu thức (1-22) và tuỳ thuộc loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế Số trục xe tính toán đối với áo lề có gia cố

Bảng 1-5: Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc (MPa), tương ứng với số trục xe

tính toán (xe/ngày đêm/làn)

10

Cấp thấp B1 64 82 94

Cấp cao A1 127 146 161 173 190 204 218 235 253 Cấp cao A2 90 103 120 133 146 163

12

Cấp thấp B1 79 98 111

2 Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu xác định được theo Bảng 1-5 không được nhỏ hơn trị

số tối thiểu quy định ở Bảng 1-6

như một căn cứ đề xuất nhiệm vụ thiết kế kết cấu áo đường (kể cả trong giai đoạn thiết

kế cơ sở phục vụ cho việc lập dự án khả thi) để trốn việc điều tra dự báo năng lượng giao thông Trong mọi trường hợp trước hết đều phải tiến hành điều tra dự báo lượng giao thông để từ đó xác định ra trị số mô đun đàn hồi yêu cầu tuỳ theo số trục xe tính toán như ở Bảng 1-5 rồi sau đó mới so sánh với trị số ở Bảng 1-6 và chọn trị số lớn hơn làm trị số Eyc thiết kế