ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KẾT CẦU NỀN MẶT ĐƯỜNG (ĐƯỜNG 2)

I-Một số phương pháp tính toán ổn định mái dốc 1.Ổn định taluy nền đường về mặt cơ học... -Hệ số ổn định toàn khối được xác định theo công thức: o Kpp - hệ số xét đến mức độ tin cậy của

-CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ VÀ TÀI LIỆU SỬ DỤNG:

 22TCN 211-06 - Áo đường mềm các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế [1]

 22TCN 262-2000 - Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu [2]

 Thiết kế đường ô tô tập II [3]

 Thiết kế đường ô tô tập IV [4]

CHƯƠNG I:TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TALUY NỀN ĐƯỜNG

I-Một số phương pháp tính toán ổn định mái dốc

1.Ổn định taluy nền đường về mặt cơ học.

1.1.Phương pháp tính:

Xét điều kiện cân bằng của một mảnh đất i bất kì trên mặt trượt của nó ta có:

 Lực gây trượt (kéo khối đất i trên mặt trượt là): Ti= Qi.sini

 Lực giữ, cản trở mảnh đất i trượt là: Ni=Qi.Cosi.tg i+ osi

i

d c

 Lực tiếp tuyến tại mặt trượt T i P isini (lực gây trượt).

 Lực pháp tuyến N i Pc  i os i (gây lực ma sát N tg i i cùng với lực dính cili là lực giữ)

 Nếu xét đến tác dụng của động đất thì mỗi mảnh còn chịu tác dụng của một lực gâytrượt Wi có cánh tay đòn so với tâm O là Zi

 Tính toán tương đối phức tạp

 Giả thiết chưa chính xác thực tế (các mảnh không tương tác với nhau)

3.Phương pháp Bishop.

3.1.Phương pháp tính.

-Cách tính tương tự như phương pháp phân mảnh cổ điển của Fellenius, chỉ khác là ở mỗimảnh trượt Bishop có xét thêm các lực đẩy ngang Ei+1 và Ei-1 tác dụng từ hai phía của mảnhtrượt

K

Z P

 Phương pháp cho kết quả chính xác nhất trong ba phương pháp

 Giả thiết và tính toán sát với thực tế

-Nhược điểm:

 Phương pháp tìm mò Kmin

 Tính toán khá dài

4.Đánh giá và kết luận.

-Trong các phương pháp đã nêu trên:

o Phương pháp 1: kém chính xác, không ứng dụng tính toán phổ biến trong thực tế

 không áp dụng tính toán trong đồ án

o Phương pháp 2: kết quả tính toán tương đối chính xác, sử dụng phố biến

 có thể áp dụng để tính toán

o Phương pháp 3: kết quả tính toán chính xác hơn phương pháp 2 nhưng quá trình tínhtoán lại dài dòng, phức tạp

 Lựa chọn phương pháp phân mảnh cổ điển Fellenius dùng để tính toán.

II-Chi tiết tính toán theo phương pháp phân mảnh cổ điển Fellennius.

1.Số liệu ban đầu

-Kiểm toán ổn định taluy nền đường (cho mặt cắt ngang tại cọc lý trình Km 0+900 số liệu đồ

1,75 0,41 20 1,70 0,80 13 8,99 m

2.Phương pháp kiểm toán.

2.1-Xác định hệ số ổn định toàn khối K ođ

-Hệ số ổn định toàn khối được xác định theo công thức:

o Kpp - hệ số xét đến mức độ tin cậy của phương pháp tính toán  chọn Kpp=1,04

 Hệ số ổn định toàn khối : Kođ=1,1*1,02*1,05*1,02*1,03*1,04=1.29

2.2- Sử dụng phương pháp phân mảnh cổ điển tìm hệ số K min

-Việc tìm Kmin dựa trên việc tìm vị trí tâm của mặt trượt nguy hiểm nhất dựa vào đường quỹ tích tâm trượt kinh nghiệm

-Chi tiết các bước tính toán:

 Xác định đường quỹ tích tâm trượt kinh nghiệm theo hình vẽ

 Trên đường quỹ tích tâm trượt kinh nghiệm lấy một điểm tại điểm đó vẽ các cung trượt với bán kính khác nhau, mỗi bán kính sẽ cho hệ số ổn định K theo công thức:

i ilat

n i

i igiu

M M

 Từ đó xác định Kmin yêu cầu trong min(các giá trị Kmin vừa tìm của mỗi tâm)

 Giá trị Kmin vừa tìm tương ứng với vị trí mặt trượt nguy hiểm nhất

2.3.Đánh giá và kết luận:

-Từ hệ số Kmin xác định được so sánh với hệ số Kođ nếu:

 Kmin > Kođ  taluy nền đường ổn định

 Kmin < Kođ  taluy nền đường không ổn định cần đề xuất biện pháp gia cố

3.Chi tiết tính toán.

 Việc tính toán được thực hiện với 3 tâm trượt O1, O2, O3 với các bán kính khác nhau.

 Trong quá trình tính toán có kể đến tải trọng xe theo II.4.3 [2] Tải trọng này được xem

là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đườngphân bố trên 1m chiều dài đường Tải trọng này được quy đổi tương đương thành mộtlớp đất đắp có chiều cao là hx xác định theo công thức x ..

n G h

o n-số xe xếp tối đa trên nền đường, n=2

o  - dung trọng của đất đắp nền đường  1,75 T/m3

o l-phạm vi phân bố xe theo hướng dọc m  l = 4,2 m

o B-bề rộng phân bố ngang của các xe, theo hình vẽ  B = 6,9m

Quá trình tính toán với các tâm O1, O2, O3 ta xác định được hệ số Kmin= 2,7933

Vậy Kmin=2,7933 > Kođ=1,29  taluy nền đắp ổn định

CHƯƠNG II:CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG.

I-Tải trọng và thời gian tính toán.

-Công trình đường thiết kế là cấp IV (số liệu đồ án đường I) nên theo [1] tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn Ptt=100Kn (10T), áp lực tính toán lên mặt đường p = 0,6 Mpa, đường kính vệt bánh xe D=33cm

-Thời gian tính toán kết cấu áo đường bằng thời gian đại tu Tđạitu của cấp áo đường Với

áo đường cấp A1 lớp 1 phải là bêtông nhựa hạt trung có Tđạitu = 15 năm, do đó thời gian

tính toán kết cấu áo đường là 15 năm

II-Lưu lượng và thành phần dòng xe.

-Tuyến đường thiết kế qua hai điểm N76-N74 với các số liệu thiết kế:

 Lưu lượng thiết kế năm thứ 15 là :1500 (xe/ng.đ) N15=1500 (xe/ng.đ)

III-Quy đổi ra trục xe tiêu chuẩn.

1.Xác định lưu lượng xe theo thời gian.

2.Số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100kN.

2.1.Dự báo thành phần giao thông ở năm cuối thời kì thiết kế:

Loại xe

Trọng lượng trục

trục sau

Số bánh ở mỗi cụm bánh ở trục sau

Khoảng cách giữa cách trục sau(m)

Trục trước Trục sau

Tải trung 25,80 69,60 1 Bánh đôi < 3m

2.2.Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN.

-Theo [1] mục 3.2.3 theo biểu thức (3.1) và (3.2) cụ thể:

Lưu lượng xe chạy của các loại xe tải trục khác nhau quy đổi về loại xe có tải trọng trụctính

toán tiêu chuẩn thông qua mặt cắt ngang đường ở cuối thời kỳ khai thác theo công thức:

Ntk =

4 4

i

(trục/ng.đ)Trong đó:

 Ntk : Là tổng số trục xe quy đổi từ k loại xe khác nhau về trục xe tính toán

sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trong cả haichiều(trục /ngày đêm)

 ni: Là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục Pi cầnđược quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặngnhất)

o C1: Là hệ số trục được xác định theo biểu thức (3-2):

C1=1 + 1,2(m-1)

o Với m là trục của cụm trục i:

 m=1 nếu khoảng cách các trục L<3m

 m = số trục xe nếu L≥ 3m )

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

2.3.Số trục xe tính toán trên một làn xe.

Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn(hoặc trục xe nặng nhất tính toán sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trongmột ngày đêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kì bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiếtkế:

Ntt= Ntk f1 (trục/ng.làn)

Trong đó :

o Ntk : là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tínhtoán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạnthiết kế.Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (3-1) nhưng ni của mỗi loạitải trọng trục i đều được lấy số liệu của năm cuối của thời hạn thiết kế vàđược lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùamưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm ( nếu ni trung bình cả năm lớnhơn ni trung bình trong mùa mưa)

o f1 =0.55 :Hệ số phân tải của đường hai làn xe (không có giải phân cách).-Vậy  Ntt = 0.55*Ntk = 0.55*477=262.35 (trục/ng.làn)

-Tương tự tính toán cho các năm thứ 0, 5, 10 ta có kết quả tổng hợp trong bảng:

Năm 0 5 10 15

Ntk (trục/ng.làn) 172,977 242,611 340,277 477,249

Ntt (trục/ng.làn) 95,137 133,436 187,152 262,487

2.4.Tính số trục xe tích lũy trong thời hạn thiết kế.

-Dựa vào kết quả dự báo giao thông ở năm cuối thời kì thiết kế số trục xe tích lũy tiêuchuẩn trong thời hạn thiết kế theo công thức :

IV-Lựa chọn cấp hạng áo đường.

-Với lưu lượng tính toán N0 =95,137 ;N5=133,436; Ntt10 =187,152; Ntt15 =262,487(trục/ng.làn)

 Tra theo bảng 3-4 và bảng 3-5 [2] Ta có bảng lựa chọn cấp hạng áo đường và môđunđàn hồi yêu cầu và được thể hiện như sau :

Cấp TK Năm tínhtoán Loại mặt Ntt Eyc (Mpa) Eycmin(Mpa) Echọn (Mpa)

2.Thông số của vật liệu làm kết cấu áo đường.

-Tuyến đường xây dựng là cấp IV (Vtk=60 km/h) có thể dùng một số vật liệu làm áođường với các thông số tính toán tra theo bảng C1-C2 phụ lục C [1]

-Các thông số được lập thành bảng sau:

C (Mpa )

t =

60 o C

Tính kéo uốn

15 o C(10 o )

1 Bê tông nhựa chặt

2 Bê tông nhựa chặt

V-Thiết kế kết cấu áo đường.

 Nguyên tắc thiết kế

-Kết cấu áo đường phải đảm bảo ổn định toàn khối, ổn định về cường độ, đảm bảo cường

độ, chịu được bào mòn tốt dười tác dụng của xe chạy Kết cấu mặt đường phải kín và ổnđịnh nhiệt

-Tận dụng tối đa vật liệu tại địa phương để giảm giá thành xây dựng

-Công tác thi công phải phù hợp, đảm bảo thuận lợi cho việc bảo dưỡng sau này

-Vật liệu thi công phải phù hợp với cường độ giảm dần tránh gây lãng phí

 Các phương án thiết kế:

 Phương án đầu tư tập trung (15 năm)

 Phương án đầu tư phân kỳ

1- Phương án đầu tư tập trung (15 năm).

1.1-Xác định chiều dày của các lớp vật liệu làm kết cấu áo đường.

-Kết cấu áo đường đảm bảo chi phí xây dựng rẻ nhất và vẫn đảm bảo các yêu cầu đặt ra.Yêu cầu sơ bộ đề ra giải pháp kết cấu áo đường, sau đó so sánh mô đun đàn hồi chungcủa cả kết cấu với mô đun đàn hồi yêu cầu Qua đó so sánh, đánh giá chọn phương án tốiưu

-Tầng mặt của kết cấu là hai lớp bê tông nhựa chặt (đắt tiền) do vậy không nên thiết kếdày Do vậy cố định lại chiều dày các lớp của tầng mặt theo bề dày tối thiểu nhưng vẫnđảm bảo yêu cầu về cấu tạo, cường độ, thi công Sau đó thay đổi và tính toán chiều dàytầng móng

-Kết cấu tầng mặt của áo đường chọn dựa theo số trục xe tích lũy kết hợp với bảng

2-2 ,bảng 2-2-4 ,và phù hợp với bề dày đầm nén có hiệu quả điều 2-2.4.3 [1] (phụ lục) Từ đó ta

chọn bề dày lớp mặt kết cấu áo đường gồm 2 lớp :

 Lớp mặt trên : bê tông nhựa chặt hạt mịn (đá dăm ≥20%) có E1=280Mpa, dày 4cm

 Lớp mặt dưới :bê tông nhựa chặt hạt vừa (đá dăm ≥35%) có E1=350Mpa, dày 6cm

-Dự kiến các giải pháp phương án kết cấu áo đường ( tầng mặt và tầng móng ):

 Chọn sơ bộ phương án 1:

-Các đặc tính của kết cấu áo đường và nền đất như sau:

C (Mpa )

t =

60 o C

Tính kéo uốn

C (Mpa )

t =

60 o C

Tính kéo uốn

(đá dăm ≥35%)

3 Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 6% 600 600 600

-Sơ đồ tính :

1.2-Xác định trị số mô đun đàn hồi E ch2

-Theo bảng 3.3 [1] với đường ô tô cấp IV kiến nghị chọn hệ số độ tin cậy thiết kế là 0,9kết hợp với bảng 3.2 [1] ta có = 1,10 (cho cả hai phương án)

-Ta có môdun đàn hồi chung tối thiểu của kết cấu nền áo đường :

E =1,10163,741=180,115 (Mpa)-Như vậy dùng Ntt15= 262,487 (xe/ng.đ) , Ech =180,115 (Mpa) để tính toán

-Sơ đồ tính toán chung của lớp mặt hai phương án :

 Tra toán đồ Kôgan: E

E

ch2 2

=0,455Ech2 =0,455 x 350 = 159,25 Mpa-Giá trị mô đun đàn hồi Ech2 = 159,25 Mpa dùng để tính toán cho tầng móng

3-Cấu tạo tầng móng và giá trị tính toán lớp móng.

-Tầng móng phải đảm bảo đủ cường độ, công nghệ thi công phù hợp, giá thành xây dựng

rẻ và tập trun được nguyên vật liệu tại chỗ của địa phương để giảm công vận chuyển Ởđây đề xuất hai phương án móng

-Giá thành vật liệu được lấy trong bảng báo giá của huyện Bình Giang tỉnh Hải Dương:

Giải

pháp

Cấp phối đá dăm loại I Cấp phối đá dăm loại II

Tổng giá thành(nghìnđồng/100m2)

H3

(cm)

Giá thành(nghìnđồng/100m2)

H4

(cm)

Giá thành(nghìnđồng/100m2)

-Trong 4 giải pháp trên thì giải pháp 1 không phù hợp khi đầm nén (vượt quá chiều dàycủa 2 lớp lu nèn), giải pháp 4 có giá thành rẻ hơn nhưng không thỏa mãn điều kiện kiểmtoán,kiến nghị chọn giải pháp 2 có h3 = 16 cm ; h4 = 36 cm có giá thành 8’220’000 đồng.

Giải

pháp

Cấp phối đá dăm GCXM 6% Cấp phối đá dăm loại II

Tổng giá thành(nghìnđồng/100m3)

h3 (cm)

Giá thành(nghìnđồng/100m3)

h4(cm)

Giá thành(nghìnđồng/100m3)

BTN chặt đá dăm

3 BTN chặt đá dăm ≥20% 6 350

2 Cấp phối đá dăm loại I 16 300

1 Cấp phối đá dăm loại II 36 250

4-Tính toán kiểm tra kết cấu áo đường theo phương án móng đã chọn.

Theo quy trình thiết kế 22TCN 211-06 thực hiện tính toán kiểm tra trên 3 tiêu chuẩn

 Kiểm tra theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi: Ech > Eyc

 Kiểm tra điều kiện trượt của nền đất và vật liệu kém dính:

o Tav :là ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bản thân các lớp vậtliệu nằm trên gây ra tại điểm đang xét (MPa)

o Ktr

cd :là hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tùy thuộc vào

độ tin cây thiết kế.Với đường cấp IV ,hai làn xe chọn độ tin cậybằng 0,9  Ktr

4.1-Kiểm tra điều kiện độ võng đàn hồi.

- Chuyển hệ nhiều lớp thành hệ hai lớp bằng cách quy đổi lần lượt hai lớp kết cấu áođường từ dưới lên theo công thức:

3 3 / 1

1

-Ta có : H/D = 62/33=1,879 tra bảng 3.6 [1] ta được hệ số β = 1,20404

-Kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 1 lớp có = β = 1,20404 279,842 =336,941 Mpa

-Xác định mô đun đàn hồi chung của mặt đường Ech

+Có H/D = 62/33 = 1,879 và Eo / = 0,1247

+Kết hợp tra toán đồ Kôgan ta được:

Ech/ = 0,53924 Ech = 0,5393 336,941 = 181,712 Mpa

-Điều kiện kiểm nghiệm Ech ≥ Eyc = 1,1 163,741 = 180,115

Vậy : Điều kiện độ võng đàn hồi đảm bảo.

4.2- Kiểm tra điều kiện trượt của nền đất và vật liệu kém dính.

-Thực hiện chuyển các lớp vật liệu hai lớp một từ dưới lên như ở 5.1.4.1 ta có = 336,675 Mpa

- Điều kiện kiểm tra: ax av tt tr

-Tra toán đồ 3-2[1] ta được : Tax / p = 0,0114737-Với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩnP=100 kN nên theo bảng 3.1 [1] ta có áp lực tính toán lên mặt đường p = 0,6 Mpa

 Tax = 0,0114737 0,6 = 0,006884 MPa

 Xác định ứng suất cắt do trọng lượng bản thân Tav

-Với H = 62 cm; = 28o tra toán đồ Hình 3-4 [1] ta được: Tav = -0.0023

 = Tax + Tav = 0,006884 - 0,0023 = 0,004584 Mpa

 Xác định lực dính tính toán Ctt = C.K1.K2.K3

Trong đó:

 C : lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính C= 0,014(MPa)

 K1 : Hệ số xét đến sự giảm khả năng chống cắt dưới tác dụng của tảitrọng trùng phục (K1= 0,6)

 K2 : Hệ số xét đến sự làm việc không đồng nhất của kết cấu, với lưulượng tính toán trên một làn >100 xe K2= 0,8

 K3 : Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất , K3=1,5 dođất là á cát

→ Kết cấu đảm bảo điều kiện chống trượt.

4.3-Kiểm tra điều kiện kéo uốn của các lớp vật liệu liền khối (BTN ở nhiệt độ 15 o C)

- Điều kiện kiểm tra:

ku tt

cd

R K

  Trong đó :

 Kcd ku : hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tùy thuộc độ tin cậythiết kế giống như với trị số Ktr cd;

 Rtt ku : cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối;

 ku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liềnkhối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

 Bê tông nhựa lớp dưới

-Đối với các lớp phía trên (kể từ mặt lớp cấp phối đá dăm loại I trở lên) về 1 lớp:

H1=4+6= 10 cm ; E1 = =1440 Mpa

-Tính Echm của các lớp phía dưới lớp đá gia cố xi măng:

-Theo tính toán ở trên ta có giá trị của hai lớp cấp phối đá dăm loại I và loại II là

= 265,68 Mpa

+Với chiều dày hai lớp Htb=16+36 = 52 cm

+Giá trị còn phải kể đến hệ số điều chỉnh f H

D

  

 

 với Htb / D = 52/33 =1,57576 + Tra bảng 11 – 4 ta có hệ số  = 1,18379

 ku : ứng suất kéo uốn đơn vị;

 p : áp lực bánh của tải trọng trục tính toán, p = 0,6 (MPa)

+Tra Bảng 3-6 [1] được  = 1,19817 Vậy =  = 374,709 1,19817=448,965 (Mpa)

+ H/D = 58 / 33 = 1,7576 và Eo / = 42 / 448,965 = 0,0935

+Tra toán đồ Kôgan ch m dc.

tb

E E

 = 0,46136 Vậy Ech.m = 448,965 0,46136= 207,134(Mpa)

 -Theo 3.6.3 [1] với bê tông nhựa chặt k2= 1,0;

 -R ku:Cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán;

 k1: Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tácdụng của tải trọng trùng phục; k1 = 11,11 / Ntl0,22 = 11,11 / (0,9332 x

106)0,22 = 0,5399

 Với bê tông nhựa trên là : R tt ku=k1k2R ku=0.53991.01,6=0,86384(Mpa)

 Với bê tông nhựa dưới là : R tt ku=k1k2R ku=0.53991.02,0=1,0798(Mpa)

-Biểu thức kiểm toán :ku  ku

cd

ku tt K

R

+Đường cấp IV ứng với độ tin cậy 0,9 nên hệ số ku

-Vậy : Các lớp mặt bê tông nhựa đảm bảo về điều kiện kéo uốn.

2-Phương án đầu tư phân kỳ