BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐƯƠNG Ô TÔ, ĐẠI HỌC LIEN THÔNG

gọi là các đỉnh đường cong; - Các góc chuyển hướng1,2,3, … tại các đỉnh; - Chiều dài các đoạn thẳng; - Các yếu tố của đường cong đường cong tròn và đường cong có bán kính thay đổi;

Chương 1NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ1.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1.1.1 Xe trên đường ô tô

1.1.1.1 Các kích thước của xe thiết kế

Trên đường cao tốc chỉ cho phép xe ô tô lưu hành, còn trên đường ô tô theo tiêu chuẩnTCVN 4054: 2005 tất cả các loại xe, trừ xe bánh xích, được phép lưu hành do đó ngoài xe ô

tô còn có các loại xe như xe máy, xe đạp, bộ hành Kích thước xe thiết được quy định nhưsau:

Bảng 1.1 Các kích thước của xe thiết kế (Kích thước tính bằng mét)

Loại xe Chiều dài

toàn xe Chiều rộngphủ bì Chiềucao Nhô về phíatrước Nhô về phíasau Khoảng cách giữacác trục xe

1.1.1.2 Lưu lượng xe thiết kế (xcqđ/nđ)

Lưu lượng xe thiết kế là số xe con được quy đổi từ các loại xe khác, thông qua một mặtcắt trong một đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai Năm tương lai là năm thứ 20 sau khiđưa đường vào sử dụng đối với các cấp I và II; năm thứ 15 đối với các cấp III và IV; nămthứ 10 đối với các cấp V, cấp VI và các đường thiết kế nâng cấp, cải tạo Hệ số quy đổi từ

xe các loại về xe con lấy theo Bảng 1.2 (Bảng 2 TCVN 4054 - 2005)

Bảng 1.2 Hệ số quy đổi từ xe các loại ra xe con

Xe tải có

3 trục trở lên

và xe buýt lớn

Xe kéo moóc, xe buýt kéo moóc

Chú thích: Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi, sườn

núi như sau: Đồng bằng và đồi  30 %; núi > 30 %.

Đường tách riêng xe thô sơ thì không quy đổi xe đạp.

Các loại lưu lượng xe thiết kế

Lưu lượng xe thiết kế bình quân ngày đêm trong năm tương lai (viết tắt là Ntbnđ) có thứnguyên xcqđ/nđ (xe con quy đổi/ngày đêm)

Lưu lượng này được tham khảo khi chọn cấp thiết kế của đường và tính toán nhiều yếu

tố khác

Lưu lượng xe thiết kế giờ cao điểm trong năm tương lai viết tắt là Ngcđ có thứ nguyênxcqđ/h (xe con quy đổi/giờ) Lưu lượng này để chọn và bố trí số làn xe, dự báo chất lượngdòng xe, tổ chức giao thông…

Ngcđ có thể tính bằng cách: khi có thống kê, suy từ Ntbnđ bằng các hệ số không đều theothời gian; khi có đủ thống kê lượng xe giờ trong 1 năm, lấy lưu lượng giờ cao điểm thứ 30của năm thống kê; khi không có nghiên cứu đặc biệt dùng Ngcđ = (0,10  0,12) Ntbnđ.

Khi lựa chọn cấp hạng đường điều trước tiên mà ta nên quan tâm là chức năng haytầm quan trọng của con đường đồng thời có xét tới yếu tố địa hình, mỗi cấp có các tiêuchuẩn theo địa hình để có giá thành xây dựng hợp lý Chỉ tiêu về lưu lượng xe thiết kếchỉ để tham khảo (chỉ tiêu này được mở rộng, không có cận trên) vì có nhiều trường hợpnhững tuyến đường có chức năng quan trọng nhưng lượng xe không nhiều hoặc tạm thờikhông nhiều

1.1.2 Đường ô tô – Mạng lưới đường

Đường ô tô cao tốc cũng được c hia thành:

+ Đường ô tô cao tốc ngoài đô thị

+ Đường ô tô cao tốc đô thị

1 Mật độ đường trên 1000 km2 diện tích lãnh thổ

Các nước phát triển : 250 -:- 1000 km/1000km2

Các nước đang phát triển : 100 -:- 250 km/1000km2

Các nước chậm phát tr iển : < 100 km/1000km2

2 Chiều dài đường trên 1000 dân

Được xem là ở mức độ trung bình khi đạt từ 3 -:-5 km đường có lớp mặt cấp cao trên 1000dân

3 Chiều dài đường trên 1 phương tiện giao thông (ôtô)

Lưới đường được xem như đủ nếu đạt : > 50 m đường / 1 ôtô

Cần bổ sung : 20-:-30 m đường / 1 ôtô

Thiếu : < 20 m đường / 1 ôtô

1.1.2.3 Các bộ phận cơ bản của đường bộ

1 Tuyến đường

Tuyến đường là đường nối giữa các điểm tim đường (các điểm nằm giữa nền đường hoặcgiữa phần xe chạy) Tuyến đường là một đường không gian, nó luôn luôn chuyển hướng đểphù hợp với địa hình và thay đổi cao độ theo địa hình Tuyến đường được thể hiện bằng 3bản vẽ:

- Bình đồ tuyến đường: Hình chiếu bằng của tuyến đường

- Trắc dọc tuyến: Hình chiếu đứng của tuyến đường khi ta đem duỗi thẳng

- Trắc ngang tuyến: Hình chiếu các yếu tố của đường lên mặt phẳng vuông góc với timtuyến đường

a Bình đồ

Bình đồ tuyến là hình chiếu bằng của tuyến đường và địa hình dọc theo tuyến đường Bình

đồ tuyến gồm 3 yếu tố tuyến chính là : đoạn thẳng, đoạn đường cong tròn và đoạn đườngcong có bán kính thay đổi (gọi là đường cong chuyển tiếp) Do bị hạn chế bởi điều kiện địahình nên tuyến đường ô tô trên hình chiếu bằng thường phải uốn lượn, vì vậy bình đồ gồmcác đo ạn thẳng và đoạn cong nối tiếp nhau Trên bình đồ cao độ của mặt đất thiên nhiênbiểu diễn bằng các đường đồng mức, vị trí tuyến đường xác định trên bình đồ nhờ các yếu

tố sau (Hình 1):

- Điểm xuất phát và góc định hướn g đầu tiên0;

- Các điểm chuyển hướng Đ1, Đ2, Đ3, (gọi là các đỉnh đường cong);

- Các góc chuyển hướng1,2,3, … tại các đỉnh;

- Chiều dài các đoạn thẳng;

- Các yếu tố của đường cong (đường cong tròn và đường cong có bán kính thay đổi); Khicắm tuyến trên thực địa tất cả các yếu tố trên được đánh dấu bằng các cọc cùng với các cọcđánh dấu lý trình (cọc Km, cọc 100m ký hiệu là cọc H), các cọc đặt ở những chỗ địa hìnhthay đổi (cọc địa hình), các cọc tại vị trí bố trí công trình và các cọc chi tiết Bình đồ đường

là bản vẽ thể hiện hình chiếu bằng toàn bộ công trình đường

b) Trắc dọc: là hình chiếu mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường đã duỗi thẳng.

Trên mặt cắt dọc thể hiện các yếu tố chủ yếu sau:

- Cao độ thiên nhiên theo tim tuyến, đường nối các cao độ này được gọi là đường đen,

- Cao độ thiết kế đường nối các cao độ này được gọi là đường thiết kế (đường đỏ).Đường đỏ xác định bằng:

Độ dốc dọc thiết kế (tính phần trăm hay phần nghìn),

Chiều dài các đoạn dốc

Đường cong nối dốc tại các vị trí đổi dốc và các yếu tố của đường cong đó Để xác địnhchiều cao thi công, dựa vào cao độ thiên nhiên và cao độ thiết kế tại một vị trí

- Các công trình trên đường: vị trí cầu, cống, đường giao cắt…

c) Trắc ngang: hình chiếu các yếu tố của đường trên mặt chiếu thẳng góc với tim

đường Trên mặt cắt ngang mặt đất tự nhiên thể hiện bằng đường đen, các yếu tố thiết kếmặt cắt ngang chủ yếu là:

- Tim đường: là trục đối xứng của nền đường và mặt đường (trừ trường hợp trongđường cong và có mở rộng một phía)

- Phần xe chạy (mặt đường): Là phần kết cấu gồm nhiều tang lớp vật liệu trực tiếp chịutác dụng của tải trọng xe cộ và các yếu tố thời tiết, là phần quan trọng nhất của đường Phần

xe chạy có thể có 1 hoặc nhiều làn xe và mỗi làn có bề rộng được xác định tùy theo cấpđường

- Nền đường: là nền tảng của phần xe chạy, lớp phía trên của nền đường cùng với áođường chịu tác dụng của tải trọng xe Nền đường bao gồm chiều rộng phần mặt đường và lềđường (hay bề rộng giữa hai vai đường)

- Lề đường: là phần nằm 2 bên của mặt đường có chức năng: giao thông bộ hành, nơi

để vật liệu khi duy tu và sửa chữa đường, nơi đỗ xe tạm thời, làn xe thô sơ, đi bộ… Lềđường có thể bao gồm lề đất và có thể có cả lề gia cố

- Mép mặt đường: là phần tiếp giáp giữa lề đường và mặt đường

- Mái đường dốc nền đường: có 2 dạng mái đường dốc nền đường đắp và mái đườngdốc nền đường đào

Hình 1.1 Các bộ phận cơ bản của đường

1- Phần xe chạy, 2- Lề đường, 3- Mái đường, 4- Hành lang an toàn đường bộ, 5- Nền đường, 6- Tim đường, 7- Vai đường, 8- Mép phần xe chạy, 9- Đỉnh mui luyện, 10- Dải phân cách, 11- Dải đất hai bên đường bộ, dành cho quản lý, bảo vệ công trình đường bộ, 12- Dấu hiệu phân làn, 13- Lề gia cố, 14- Rãnh dọc.

d) Các công trình trên đường:

- Các công trình thoát nước trên đường

- Công trình vượt qua dòng nước

- Các công trình khác trên đường: Hệ thống an toàn và tổ chức giao thông, cây xanh,chiếu sáng, trạm nghỉ, trạm thu phí, nhà phục vụ bảo trì đường bộ

2 CÊp h¹ng kü thuËt đường ô tô

a Phân cấp theo cơ quan quản lý đường: Mạng lưới đường ô tô quốc gia được phân

+ Đường cao tốc: đường chuyên cho ô tô chạy, có 2 phần xe chạy riêng biệt (mỗi chiều

có ít nhất 2 làn xe), trong đó lại chia ra :

- Đường cao tốc loại A: tất cả các nút giao thông trên đường đều là khác mức;

- Đường cao tốc loại B: một số nút giao thông trên tuyến được phép giao bằng

+ Đường ô tô: được dùng chung cho các loại phương tiện giao thông, trừ xe xích

c Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng và lưu lượng xe thiết kế:

Đường ô tô và đường cao tốc được phân ra các cấp tùy theo chức năng của con đường,theo địa hình như chỉ dẫn trong bảng 1.3:

Bảng 1.3 Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng và lưu lượng xe thiết kế

Cấp thiết

kế của

đường

Lưu lượng xe thiết kế *) (xcqđ/nđ)

Chức năng của đường

Cao tốc > 25 000 Đường trục chính, thiết kế theo TCVN 5729 : 1997.

Cấp I > 15 000 Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn của đất nước Quốc lộ.

Cấp II > 6 000 Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá

lớn của đất nước Quốc lộ.

Cấp III > 3 000 Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn của đất nước, của địa phương.Quốc lộ hay đường tỉnh.

Cấp IV > 500 Đường nối các trung tâm của địa phương, các điểm lập hàng,

các khu dân cư Quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện.

Cấp V > 200 Đường phục vụ giao thông địa phương Đường tỉnh, đường

huyện, đường xã.

Cấp VI < 200 Đường huyện, đường xã.

*) Trị số lưu lượng này chỉ để tham khảo Chọn cấp hạng đường nên căn cứ vào chức năng của đường và theo địa hình.

d Các chỉ tiêu chủ yếu của từng cấp đường

- Vận tốc thiết kế (Vtk): Tốc độ thiết kế là tốc độ được dùng để tính toán các chỉ tiêu kỹthuật chủ yếu của đường trong trường hợp khó khăn Tốc độ này khác với tốc độ cho phép lưuhành trên đường của cơ quan quản lý đường Tốc độ lưu hành cho phép, phụ thuộc tình trạngthực tế của đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thông, )

Tốc độ thiết kế các cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, xem Bảng 1.4 (Bảng 4 củaTCVN 4054 - 2005).

B ng 1.4 T c ảng 1.4 Tốc độ thiết kế của đường ốc độ thiết kế của đường độ thiết kế của đường thi t k c a ết kế của đường ết kế của đường ủa đường đường ng

Địa hình Đồngbằng Đồngbằng Đồngbằng Núi Đồngbằng Núi Đồngbằng Núi Đồngbằng Núi Tốc độ thiết kế,

CHÚ THÍCH: Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi,

sườn núi như sau: Đồng bằng và đồi  30 %; núi > 30 %.

- Chiều dài tối thiểu của tuyến đường ứng với cấp đường: Các đoạn tuyến phải có mộtchiều dài tối thiểu thống nhất theo một cấp Chiều dài tối thiểu này đối với đường từ cấp IVtrở xuống là 5 km, với các cấp khác là 10 km

- Mặt cắt ngang: Chiều rộng tối thiểu của các yếu tố trên mặt cắt ngang đường đượcquy định tuỳ thuộc cấp thiết kế của đường như quy định ở Bảng 1.5 (Bảng 6 TCVN4054-2005) áp dụng cho địa hình đồng bằng và đồi, Bảng 1.6 (Bảng 7 TCVN4054-2005) áp dụngcho địa hình vùng núi

Bảng 1.5 Chiều rộng tối thiểu các yếu tố trên mặt cắt ngang

cho địa hình đồng bằng và đồi

Số làn xe tối thiểu dành cho xe cơ

Chiều rộng 1 làn xe, m 3,75 3,75 3,50 3,50 2,75 3,50 Chiều rộng phần xe chạy dành

cho cơ giới, m

2 x 11,25 2 x 7,50 7,00 7,00 5,50 3,5Chiều rộng dải phân cách giữa 1) ,

Chiều rộng lề và lề gia cố 2) , m 3,50

(3,00)

3,00 (2,50)

2,50 (2,00)

1,00 (0,50)

1,00 (0,50) 1,50Chiều rộng nền đường, m 32,5 22,5 12,00 9,00 7,50 6,50 1) Chiều rộng dải phân cách giữa có cấu tạo nói ở điều 4.4 và Hình 1 áp dụng trị số tối thiểu khi dải phân cách được cấu tạo bằng dải phân cách bê tông đúc sẵn hoặc xây đá vỉa, có lớp phủ và không bố trí trụ (cột) công trình Các trường hợp khác phải bảo đảm chiều rộng dải phân cách

theo quy định ở điều 4.4.

2) Số trong ngoặc ở hàng này là chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu Khi có thể, nên gia cố toàn

bộ chiều rộng lề đường, đặc biệt là khi đường không có đường bên dành cho xe thô sơ.

Bảng 1.6 Chiều rộng tối thiểu các bộ phận trên mặt cắt ngang cho địa hình vùng

núi

Số làn xe dành cho xe cơ giới, làn 2 2 1 1

1,0 (0,5m)

1,5 (1,0m) 1,25

*) Số trong ngoặc ở hàng này là chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu Khi có thể, nên gia cố toàn

bộ chiều rộng lề đường, đặc biệt là khi đường không có đường bên dành cho xe thô sơ.

1.2 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG

1.2.1 Đặc điểm xe chạy trên đường

1.2.1.1 Lực cản của xe trên đường

Chuyển động của ô tô trên đường là một chuyển động phức tạp: tịnh tiến trên đườngthẳng, quay trên đường cong đứng, lượn trên đường cong nằm và dao động khi chuyểnđộng trên mặt đường không bằng phẳng Tất cả những đặc điểm chuyển động đó hiện naychưa vận dụng hết vào việc xác định các yếu tố tuyến đường Ngoài ra, trình độ nghềnghiệp, tâm sinh lí của lái xe chưa xét ở đây Chúng ta chỉ xét một hệ đơn giản: Xe -Đường Trong đó, xe được coi là một chất điểm, có lực kéo của động cơ để thắng các lựccản trên đường, còn mặt đường được giả thiết bằng phẳng, cứng và không biến dạng

Khi xe chạy trên đường, động cơ phải tiêu hao năng lượng để khắc phục các lực cảntrên đường Các lực cản khi xe chạy bao gồm: lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản quántính và lực cản leo dốc

Hình 2.1 Các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động

P k - Lực kéo; P f - Lực cản lăn; P w - Lực cản không khí;

P j - Lực cản quán tính; P i - Lực cản leo dốc.

a Lực cản lăn P f

Khi xe chạy, tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện lực cản lăn.Lực này ngược chiều chuyển động của xe, cản trở sự chuyển động của ô tô Lực cản lănsinh ra là do ma sát giữa bánh xe với mặt đường, sinh ra do biến dạng của lốp xe và biếndạng của mặt đường, do xe bị xung kích và chấn động trên mặt đường không bằng phẳng

và do ma sát trong các ổ trục của xe khi xe chạy

Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn trên tất cả các bánh xe Pf tỉ lệ thuận với trọnglượng G (kG) của ô tô:

Trong đó: G - tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô (kN);

f - hệ số cản lăn không thứ nguyên;

Pf - lực cản lăn (kN)

Hệ số sức cản lăn f phụ thuộc vào độ cứng của lốp xe, tốc độ xe chạy và chủ yếu phụthuộc vào loại mặt đường (Bảng 1) Thường lấy f = 0,02 khi tính toán thiết kế các yếu tốhình học đường

Bảng 2.1 Hệ số lực cản lăn f phụ thuộc loại mặt đường

+ Bê tông xi măng

và bê tông nhựa

+ Đá dăm đen

+ Đá dăm

0,01 - 0,02

0,02 - 0,025 0,03 - 0,05

+ Lát đá + Đất khô và bằngphẳng + Đất ẩm và không bằng phẳng + Đất cát rời rạc

0,04 - 0,05 0,04 - 0,05 0,07 - 0,15 0,15 - 0,30

b Lực cản không khí P w

Khi xe chạy, lực cản không khí gây ra do phản lực của khối không khí phía trước, do

ma sát của thành xe với không khí hai bên và do khoảng chân không phía sau ô tô hút lại.Lực cản không khí khi được xác định theo công thức:

Trong đó:

Pw - Lực cản không khí (kN);

k - hệ số sức cản không khí phụ thuộc vào mật độ không khí và hình dạng xe

(ô tô tải k = 0,06-0,07; ô tô bus k = 0,04 - 0,06; xe con k = 0,025 - 0,035);

F - diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của ô tô) (m2);

F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ô tô m)

v - vận tốc tương đối của xe kể cả tốc độ gió, (m/s);

V - vận tốc xe chạy, (km/h)

c Lực cản leo dốc P i

Lực cản leo dốc sinh ra khi xe phải khắc phục một đoạn dốc (h 2.1) Giả thiết xe phảileo một độ cao h trên một đoạn có chiều dài l (m), với trọng lượng của xe G (kN), xe phảisinh ra một công phụ leo dốc là G.h Vậy lực cản leo dốc được tính theo công thức:

Trong đó:

G - là tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô (kN);

Pi - Lực cản leo dốc (kN)

i - là độ dốc dọc của đường (%), có dấu dương khi xe lên dốc, âm khi xe xuống dốc.

d Lực cản quán tính P j

Phát sinh khi xe tăng hoặc giảm tốc Bao gồm sức cản quán tính do chuyển động tịnhtiến của ô tô có khối lượng m và sức cản quán tính do các bộ phận quay của ô tô Khi xetăng tốc thì lực quán tính ngược chuyển động của ô tô, cản trở chuyển động; khi xe giảmtốc, lực quán tính cùng chiều chuyển động Do đó ta có:

Trong đó:

m - khối lượng của ô tô (G/g);

g - là gia tốc trọng trường (9,81 m/s 2);

j - là gia tốc của ô tô (dv/dt)

Vì ngoài chuyển động tịnh tiến xe còn có các chuyển động quay của các bánh xe, trục

xe nên phải nhân thêm hệ số kể đến quán tính quay δ = 1,03-1,07

dt

dv g

G

P j    

(2.5)Dấu dương ứng với trường hợp tăng tốc và dấu âm ứng với trường hợp giảm tốc

e Lực cản trên đường

Lực cản leo dốc và lực cản quán tính không phải luôn luôn có (trừ khi leo dốc hoặc trừkhi thay đổi tốc độ) Còn lực cản lăn và lực cản không khí luôn có khi xe chạy Do đó tổng

hai lực cản này còn có tên gọi là lực cản trên đường Lực cản này có thể tính theo:

Đối với xe con và xe buýt : Pđ = 0,00453 G + 0, 000073 GV + 0, 000625 CFV²

Đối với xe tải: Pđ = 0,00345 G + 0, 0000653 GV + 0, 0004656 CFV²

Công thức trên theo giáo trình TKĐ tập 1/2006 của GS Đỗ Bá Chương với:

Pđ - lực cản trên đường là tổng của lực cản không khí và lực cản lăn, (kN);

G - tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô, (kN);

V- tốc độ xe chạy, km/h;

F - diện tích cản trở, có thể tính F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ô

tô m);

C- thông số lực cản không khí, xe con 0,40 - 0,50, xe tải 0,65- 0,70, xe buýt 0,60 - 0,70

1.2.1.2 Lực kéo của xe - nhân tố động lực của xe

a Lực kéo của xe

Nhiên liệu trong động cơ được chuyển hóa thành công năng có công suất hiệu dụng N,công suất này tạo nên một mômen M tại trục khuỷu của động cơ Giữa N và M có quan hệnhư sau:

Do đó, ta thiết lập được quan hệ như sau:

n- Số vòng quay của trục khuỷu trong một phút

Mô men tại trục khuỷu còn nhỏ và tốc độ quay còn lớn, muốn sử dụng cần phải quahộp số để tạo một mômen kéo đủ lớn Mk ở trục chủ động, mômen này sẽ sinh một ngoại lực(lực kéo Pk ở điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường) bằng về trị số và trái chiều vớiphản lực của đường T

Hình 2.6 Quá trình sinh ra sức kéo của ô tô

1: Động cơ 2: Ly hợp 3: Hộp số

4: Trục các đăng 5: Cầu xe 6: Bánh xe

Lực kéo:

o k k

M.i iM

ik - Tỉ số truyền của hộp số, thay đổi theo số cài của xe;

io - Tỉ số truyền của cầu số, phụ thuộc loại xe;

rk - Bán kính bánh xe phụ thuộc vào áp lực hơi trong lốp xe, loại lốp, tải trọng tác dụnglên lốp, thưởng rk = (0,93÷0,96) r bánh xe khi chưa biến dạng

η- Hiệu suất truyền động

 Ô tô tải: η = 0,80 ÷ 0,85;

 Ô tô bus: η = 0,80 ÷ 0,85;

 Xe con: η= 0,85 ÷ 0,90

b Nhân tố động lực và biểu đồ nhân tố động lực

Sức kéo sinh ra là để khắc phục các sức cản như đã phân tích ở phần 2.1.1

G gọi là nhân tố động lực của ô tô, chính là tỷ số của hiệu số giữa lực kéo

và lực cản không khí với trọng lượng của ô tô:

δ dvf±i±

- Xác định được vận tốc xe chạy đều thực tế lớn nhất khi biết tình trạng của đường Khi

xe chuyển động đều, ta có dv/dt = 0 biểu thức (2.10) sẽ là D = f  i

Khi từ D gióng sang ngang cắt biểu đồ tại hai điểm thì chỉ có điểm ở bên phải có giá trị

ổn định và dùng được để xác định Vmax thực tế Trường hợp này thường được áp dụng cho

các đường cải tạo nâng cấp và khi tính toán khai thác đường.

1.2.1.3 Lực bám của bánh xe với mặt đường

Tại bánh xe chủ động mô men Mk tác dụng lên mặt đường lực kéo Pk và theo định luậtIII Newton mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một lực T theo phương ngang cùng phương,ngược chiều và cùng độ lớn với Pk Nhờ có T mà điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đườngtrở thành tâm quay tức thời của bánh xe, giúp cho xe chuyển động được, ta gọi T là lực bámcủa bánh xe và mặt đường Trong quá trình vận chuyển nếu gặp phải chỗ mặt đường ẩmướt; trơn trượt thì bánh xe có thể bị trượt hay quay tại chỗ vì lực bám giữa bánh xe với mặtđường không đủ

Khi ô tô đang chuyển động thì có các lực tác dụng lên bánh xe chủ động và bị động

Về bản chất: T là lực ma sát trượt giữa bánh xe và mặt đường, nó phụ thuộc vào:

+ Áp suất hơi của bánh xe, tính chất bề mặt tiếp xúc của bánh xe;

+ Tính chất bề mặt tiếp xúc của mặt đường (ráp hay nhẵn, trơn);

+ Tình trạng mặt đường (khô, sạch hay ẩm, bẩn)

Điều kiện chuyển động của xe trên đường là lực kéo của xe phải thắng được lực cản vàlực bám giữa bánh xe và mặt đường phải đủ

0,70,50,3Điều kiện để xe chuyển động là: Pk ≥ ΣPPcản

Và xe lăn không trượt thì: Pa < Tmax = φ.Gk

dV g i f G

R G

G

R T

* Sự hãm xe

Khi hãm xe người lái ấn chân lên bàn đạp phanh, qua truyền chuyển động áp lực làm

mở các vành hãm tác dụng vào bánh xe Bánh xe lúc đó bị gắn chặt vào trục, không quayđược và trượt ở trên mặt đường Lực hãm lớn nhất cũng phụ thuộc vào hệ số ma sát giữalốp xe và mặt đường có trị số:

P h = T max = G φ

Trong đó: φ - hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường, thường lấy φ = 0,3;

G- trọng lượng toàn bộ xe

Lúc này tất cả các lực cản đều tham gia vào quá trình hãm xe Lực cản không khí nhỏkhông đáng kể xe chạy chậm, lực cản lăn nhỏ so với lực hãm về bản chất cũng là lực masát, đãng kể là độ dốc dọc, khi trị số dốc dọc lớn hơn 4%, chiều dài hãm phanh cũng tănglên đáng kể

Ta có: Ph = Tmax + Pi = G φ + G.i = G.(φ ± i),

Dấu cộng khi xe lên dốc, dấu trừ khi xe xuống dốc

Khi xe chuyển động với vận tốc v1 (m/s) sau hãm chạy với vận tốc v2 (m/s), theonguyên lý bảo toàn động năng trên đoạn chiều dài hãm xe Sh ta có:

Sh (Tmax + Pi) = (v1² + v2² ) m/2G.(φ + i).Sh = (v1² + v2² ) G/2.g

- Chiều dài hãm phanh được xác định theo nguyên lý động năng:

)

2

2 1

i

V V K

K - hệ số hãm phanh, xác định tùy vào loại xe; (xe con: K = 1,2; xe tải: K = 1,3 ÷ 1,4)

V1 - vận tốc xe chạy trước khi hãm (km/h) V2 - vận tốc xe chạy sau khi hãm (km/h)

φ - hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường, thường lấy φ = 0,3

i - độ dốc dọc của đường (%), lấy dấu cộng khi xe lên dốc, dấu trừ khi xe xuống dốc.Trong trường hợp hãm xe dừng hẳn V1 = V, V2 = 0, khi đó ta có:

2 h

ngại vật (nếu có) hay là tránh được nó Chiều dài này được gọi là tầm nhìn.

Tầm nhìn này phải được đảm bảo trên mặt cắt dọc cũng như trong đường cong nằm sao

cho không bị vách đá, nhà cửa, cây cối che khuất Trên đường cấp cao, đường du lịch tầmnhìn không chỉ đảm bảo an toàn mà còn phải nâng cao để xét đến yếu tố tâm lý nhằm tạođiều kiện cho người lái xe an tâm chạy với tốc độ cao.

Hình 2.10 Sơ đồ tầm nhìn trước chướng ngại vật cố định S1

Tình huống: ô tô gặp chướng ngại vật tĩnh trên làn xe đang chạy, người lái xe cần phảinhìn thấy chướng ngại vật và kịp dừng xe trước nó

Công thức tính:

Trong đó:

lpu - chiều dài xe chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý;

lpu = v.tpu Với v: tốc độ ô tô trước khi hãm phanh (m/s);

tpu: thời gian người lái xe phản ứng tâm lý (khi tính toán với một mức độ an toàn nhấtđịnh, lấy bằng 1s);

Sh:chiều dài xe chạy được trong quá trình hãm phanh;

lo: đoạn dự trữ an toàn (thường lấy từ 5-10m)

Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì:

2

o 1

Hình 2.11 Sơ đồ tầm nhìn thấy xe ngược chiều S2

Tình huống: Hai xe chạy trên cùng 1 làn kịp dừng lại trước nhau một khoảng cách an

Công thức tính:

S2 = lpư1 + Sh1 + lo + lpư2 + Sh2 , (m) (2.39)Trong đó:

lpu1, lpu2 : chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lí;

Sh1, Sh2: chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong suốt quá trình hãm phanh;

3,6 254( +i) 254( -i) , (m) (2.40)Trong tính toán V1 = V2 nên:

xe chạy sai làn đường của mình

- Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3 : Tầm nhìn vượt xe S vx :

Tình huống: Xe 1 chạy nhanh bám theo xe 2 chạy chậm với khoảng cách an toàn Sh1

-Sh2, khi quan sát thấy làn xe trái chiều không có xe, xe 1 lợi dụng làn trái chiều để vượt xe 2

và quay trở về làn của mình an toàn

- Ở điều kiện bình thường: Svx = 6.V (m)

- Ở điều kiện cưỡng bức khi đông xe: Svx = 4.V (m)

Với V (km/h): Tốc độ thiết kế của tuyến đường

Vận dụng: là trường hợp nguy hiểm phổ biến trên đường có 2 làn xe Khi đường có dảiphân cách trung tâm, trường hợp này không thể xảy ra Tuy vậy, trên đường cấp cao, tầmnhìn này vẫn phải kiểm tra nhưng với ý nghĩa là bảo đảm 1 chiều dài nhìn được cho lái xe

an tâm chạy với tốc độ cao

1.2.4.3 Quy định về tầm nhìn tối thiểu khi xe chạy trên đường (TCVN 4054 : 2005)

Phải đảm bảo tầm nhìn trên đường để nâng cao độ an toàn xe chạy và độ tin cậy về tâm

lý để chạy xe với tốc độ thiết kế Giá trị tầm nhìn tối thiểu (tầm nhìn hãm xe S1, tầm nhìntrước xe ngược chiều S2, tầm nhìn vượt xe Svx) được quy định trong bảng 2.8 (Bảng 10TCVN4054 : 2005)

Các giá trị tầm nhìn được tính từ mắt người lái xe có chiều cao 1,00m bên trên phần xechạy, khi xe ngược chiều có chiều cao 1,20m, chướng ngại vật có chiều cao 0,10m

Bảng 2.8 Tầm nhìn tối thiểu khi chạy xe trên đường

Tốc độ thiết kế, V tk , km/h 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 Tầm nhìn hãm xe (S 1 ), m 210 150 100 75 75 40 40 30 30 20 Tầm nhìn trước xe ngược chiều (S 2 ), m   200 150 150 80 80 60 60 40 Tầm nhìn vượt xe S vx , m   550 350 350 200 200 150 150 100

1.3 THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ

1.3.1 Bán kính đường cong nằm

1.3.1.1 Đặc điểm sự chuyển động của ô tô trong đường cong nằm

Khi chuyển động trong đường cong ngoài việc khắc phục các điều kiện như trên đườngthẳng, xe còn phải chịu thêm những điều kiện bất lợi:

- Xe phải chịu thêm lực ly tâm, đặt ở trọng tâm của xe, theo phương bán kính, chiềuhướng ra ngoài đường cong Lực có xu hướng đẩy xe về phía lưng đường cong và được xácđịnh theo công thức:

F = mv R Gv gR

2 2

Trong đó:

G - Trọng lực của xe ô tô, kN;

V - Tốc độ xe chạy, m/s;

R- Bán kính đường cong trên bình đồ, m;

g - Gia tốc trọng trường được lấy bằng 9,81m/s2

Lực ly tâm có thể gây lật đổ xe, trượt ngang, làm cho việc điều khiển xe khó khăn, gâykhó chịu cho hành khách, làm hư hỏng hàng hóa Làm tiêu hao nhiên liệu, mòn săm lốp

- Khi xe chạy trong đường cong, chiếm đường nhiều hơn ở ngoài đường thẳng Vì vậy,

để cho xe chạy đảm bảo các điều kiện về khổ động học bề rộng mặt đường trong đườngcong phải lớn hơn bề rộng mặt đường ngoài đường thẳng

- Xe chạy trong đường cong dễ bị cản trở tầm nhìn, nhất là khi bán kính đường congnhỏ, ở đoạn đường đào Tầm nhìn ban đêm của xe trong đường cong bị hạn chế vì đèn phachiếu thẳng trên 1 đoạn ngắn hơn

1.3.1.2 Lựa chọn bán kính đường cong nằm

Theo TCVN 4054 2005 bán kính đường cong nằm được phân ra các loại như sau:

+ Bán kính tối thiểu giới hạn R : Là bán kính nhỏ nhất, không có trường hợp nào nhỏmingh

hơn, áp dụng trong trường hợp khó khăn, khi đó mặt đường phải bố trí nghiêng thấp về phíabụng đường cong có trị số lớn nhất iscmax (E siêu cao)

Từ công thức (2.23) xảy ra dấu cộng (+), ta có:

2 min

iscmax- Độ dốc siêu cao lớn nhất của mặt đường,%;

μ - Hệ số lực ngang, tính toán lấy μ = 0,15

+ Bán kính tối thiểu thông thường R Là trị số bán kính nhỏ nhất khuyên dùng trở lên,mintt

khi đó mặt đường được bố trí siêu cao, ta có:

2 min

osc

n

V R

V- Tốc độ tính toán, km/h; in - Độ dốc ngang của mặt đường ,

μ - Hệ số lực ngang, tính toán lấy μ = 0,08

1.3.1.3 Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô Việt Nam 4054 : 05 quy định R min

Bảng 2.3 Bán kính đường cong nằm tối thiểu

Bán kính đường cong nằm (m)

- Tối thiểu giới hạn 650 400 250 125 125 60 60 30 30 15

- Tối thiểu thông thường 1000 700 400 250 250 125 125 60 60 50

- Tối thiểu không siêu cao 5500 4000 2500 1500 1500 600 600 350 350 250

Khi thiết kế bình đồ chọn bán kính cho phù hợp với địa hình và cố gắng cải thiện điều kiện xe chạy trên đường:

Nếu điều kiện địa hình thuận lợi chọn R càng lớn càng tốt;

Nếu điều kiện địa hình tương đối thuận lợi chọn R từ tối thiểu thông thường trở lên;Nếu điều kiện địa hình đặc biệt khó khăn chọn R từ tối thiểu giới hạn trở lên

1.3.2 Các yếu tố kỹ thuật trên đường cong nằm

1.3.2.1 Siêu cao - đoạn nối siêu cao

Muốn có hệ số µ nhỏ có thể có nhiều biện pháp: Tăng bán kính R biện pháp này khôngphải lúc nào cũng thực hiện được vì phụ thuộc vào điều kiện địa hình Giảm vận tốc xechạy đậy là biện pháp không thích hợp vì giảm điều kiện tiện nghi trên đường Biện pháp

hữu hiệu là chọn số hạng i n mang dấu trừ có nghĩa là phần xe chạy có độ dốc nghiêng về

phía tâm đường cong, với trị số hợp lý lớn i n trên mặt đường hai mái, độ nghiêng bất

thường phần xe chạy một mái về phía tâm đường cong (bụng đường cong) gọi là siêu cao

i sc (E) Vậy siêu cao có tác dụng về cơ hoặc là giảm lực ngang, làm cho xe chạy an toàn.

Hình 2.7 Bố trí siêu cao trong đường cong nằm

Siêu cao làm giảm hiệu quả xấu của lực ly tâm, nhưng phải có giới hạn nhất định để

xe không bị trượt ngang khi mặt đường trơn hoặc các xe chuyển động trên đường congkhông đạt được vận tốc an toàn theo bán kính Theo TCVN 4054 : 2005 độ dốc tối đa siêucao là 8%

Is c

Isc

L c

μ- hệ số lực đẩy ngang.

c Quy định trị số siêu cao i sc

- Độ dốc siêu cao lấy theo bán kính đường cong nằm và tốc độ thiết kế theo Bảng 2.5(Bảng 13 TCVN4054 : 2005) Độ dốc siêu cao lớn nhất không quá 8 % và nhỏ nhất khôngdưới 2 %

- Lề đường phần gia cố làm cùng độ dốc và cùng hướng với dốc siêu cao, phần lề đấtkhông gia cố phía lưng đường cong dốc ra phía lưng đường cong;

- Các phần xe chạy riêng biệt nên làm siêu cao riêng biệt

Bảng 2.5 Độ dốc siêu cao ứng với theo bán kính đường cong nằm và tốc độ thiết kế

800

100 0

1000

150 0

1500

200 0

2000

250 0

d Đoạn nối siêu cao (L SC )

Khái niệm: Đoạn nối siêu cao là đoạn trong đó mặt cắt ngang đường được biến đổi một

cách điều hòa từ dốc ngang thông thường 2 mái về dốc ngang một mái nghiêng thấp về phíabụng đường cong (có độ dốc là (E) isc %) Sự chuyển hóa sẽ tạo ra một độ dốc dọc phụ thêm

i f

Công thức tính: Đoạn nối siêu cao được tính theo công thức:

s

(i + i )2

sc

f

B L

i



Trong đó:

Bm: chiều rộng mặt đường (tra bảng 6 & 7 TCVN4054 - 2005)

isc: độ dốc siêu cao (%); in: độ dốc ngang mặt đường

if: độ dốc nâng siêu cao với: V < 60 km/h => if = 1%; V ≥ 60 km/h => if = 0,5%

Với đường có tốc độ thiết kế V ≥ 60 km/h ta phải bố trí từ đường cong chuyển tiếp:

23 (m) Khi tính toán với đường có tốc độ thiết kế V ≥ 60 km/h thì ta tính 2 giá trị Lsc và

LCT, giá trị nào lớn hơn sẽ được sử dụng làm đoạn nối siêu cao Độ dốc siêu cao (isc) vàchiều dài đoạn nối siêu cao (Lsc) phụ thuộc vào bán kính đường cong nằm (R) và tốc độthiết kế (Vtk), không được nhỏ hơn các giá trị quy định trong Bảng 2.6 (Bảng 14TCVN4054 : 2005)

Bảng 2.6 Độ dốc siêu cao (i sc ) và chiều dài đoạn nối siêu cao (L)

33

0,06 0,05

20 15

với đường có trên 6 làn xe.

Nếu 2 giá trị tính được có trị số nhỏ hơn trị số quy định trong bảng 2.6 thì lấy giá trịtrong bảng 2.6 tính lại if Nếu 2 giá trị tính được có trị số lớn hơn trị số quy định trong bảng2.6 thì lấy giá trị lớn

e Bố trí đoạn nối siêu cao:

Đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trí trùng với đường cong chuyểntiếp Khi không có đường cong chuyển tiếp, các đoạn nối này bố trí một nửa trên đườngcong và một nửa trên đường thẳng

Như vậy đối với đường có Vtk ≤ 40 km/h, không bố trí đường cong chuyển tiếp thì đoạn

nối siêu cao được bố trí trùng với đoạn nối mở rộng và được bố trí 1 nửa ngoài đường thẳng

và 1 nửa trong đường cong

Với đường có Vtk ≥ 60 km/h đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trí trùngvới đường cong chuyển tiếp Lsc ≡ Lw ≡ Lct

f Sự biến đổi mặt đường trong đoạn nối siêu cao

- Trong đoạn nối siêu cao, siêu cao được thực hiện bằng cách quay phần xe chạy và lềgia cố (nếu có) ở phía lưng đường cong quanh tim đường nghiêng thấp dần về phía bụngđường cong đến khi đạt độ dốc ngang mặt đường (đoạn L1), sau đó vẫn tiếp tục quay toàn

bộ mặt đường và lề gia cố quanh tim đường đến khi đạt độ dốc siêu cao isc (đoạn L2)

- Trường hợp đường có dải phân cách giữa siêu cao được thực hiện có thể bằng cáchquay xung quanh mép trong hoặc mép ngoài mặt đường

Diến biến nâng siêu cao và sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp quay quanh timđường:

Hình 2.8 Diễn biến nâng siêu cao theo phương pháp quanh tim đường

Như vậy diễn biến của đoạn nối siêu cao gồm hai đoạn cơ bản: đoạn L1, L2

Đoạn L1: đoạn để mặt đường biến đổi từ độ dốc 2 mái in sang độ dốc 1 mái in, bằng cáchlấy tim làm trục quay 1/2 phần xe và lề phía bụng đường cong, chiều dài L1 được tính theocông thức:

f

B i L

Đoạn L2: là đoạn mà mặt đường và lề gia cố chuyển biến từ độ dốc một mái im về độdốc siêu cao isc nghiêng về phía bụng đường cong, bằng cách lấy tim làm trục quay toàn bộphần xe và lề phía bụng đường cong.

f b

m

x i i

B



Trong đó ib là độ dốc ngang siêu cao của mặt đường tại vị trí tính toán (%)

Tính độ mở rộng của mặt đường tại một cọc bất kỳ trong đoạn thuộc L1 và L2:

Độ mở rộng tại cọc đó: x w'

sc

x w L

Trong đó:

w’ = w/2 nếu mở rộng cả 2 bên bụng và lưng đường cong

w’ = w nếu mở rộng cả 1 bên bụng hoặc lưng đường cong

1.3.2.2 Mở rộng phÇn xe ch¹y - đoạn nối mở rộng

a Khái niệm: Khi xe chạy trên đường thẳng, quỹ đạo chuyển động của bánh xe ở 2

trục trước và sau của xe là như nhau, nhưng khi xe chạy vào đường cong thì quỹ đạochuyển động của các bánh xe là các đường cong khác nhau, bánh ngoài của trục trướcchuyển động với quỹ đạo có bán kính lớn nhất, bánh xe trong của trục sau chuyển động vớiquỹ đạo có bán kính nhỏ nhất, vì vậy xe chạy trong đường cong sẽ chiếm một phần mặtđường nhiều hơn so với khi xe chạy trong đường thẳng

Để đảm bảo điều kiện xe chạy trên đường cong cũng như trên đường thẳng và để đảm

bảo an toàn khi xe tránh nhau, ở những đường cong có bán kính nhỏ cần phải mở rộng phần xe chạy.

b Công thức tính

Để xác định độ mở rộng ta đặt xe trong điều kiện bất lợi như hình vẽ

e1 e2

C

A D

O

A' D' C'

Hình 2.5 Sơ đồ xác định độ mở rộng mặt đường trong đường cong nằm

2

e R R  L

Trong đó:

DC = L là chiều dài từ trục sau xe tới đầu xe (m);

AD = e2 là chiều rộng cần mở rộng thêm của 1 làn xe (m);

OA = OC = R bán kính đường cong nằm

2 1

2 2

D'C' = L là chiều dài từ trục sau xe tới đầu xe (m);

A'D' = e1 là chiều rộng cần mở rộng thêm của 1 làn xe (m);

Ta có nhận xét e1 < e2 vì khi xe chạy trong đường cong có bán kính lớn hơn sẽ có độ

mở rộng nhỏ hơn Do đó để an toàn người ta tính: w = 2.e2;

Công thức trên được xác định theo sơ đồ hình học mà chưa xét đến khả năng thực tếkhi xe chạy, khi xe chạy với tốc độ cao, xe không giữ được quỹ đạo chuyển động như hình

vẽ nó có thể dao động sang hai bên, do vậy ta cần phải bổ sung thêm số hạng hiệu chỉnh e3:

R

V ,

- Độ mở rộng bố trí ở cả hai bên, phía lưng và bụng đường cong Khi gặp khókhăn, có thể bố trí một bên, phía bụng hay phía lưng đường cong

- Độ mở rộng được đặt trên diện tích phần lề gia cố Dải dẫn hướng (và các cấu tạo

khác như làn phụ cho xe thô sơ ), phải bố trí phía tay phải của độ mở rộng Nềnđường khi cần mở rộng, đảm bảo phần lề đất còn ít nhất là 0,5 m

Bảng 2.4 Độ mở rộng phần xe chạy hai làn xe trong đường cong nằm

(Kích thước tính bằng mét)

Ð P TÐ

0

<20015 0

<15010 0

<1007 0

d Đoạn nối mở rộng mặt đường (L w )

Khái niệm: Là đoạn để độ mở rộng mặt đường biến đổi từ 0 đến trị số mở rộng quy

định w

Bố trí đoạn nối mở rộng: Đoạn nối mở rộng làm trùng với đoạn nối siêu cao hoặc

đường cong chuyển tiếp Khi không có hai yếu tố này, đoạn nối mở rộng được cấu tạo

(1/10);

+ Trường hợp V < 60 km/h: Đoạn nối mở rộng được bố trí trùng với đoạn nối siêu cao:

Lw ≡ Lsc , một nửa nằm trên đường thẳng và một nửa nằm trên đường cong;

Độ mở rộng được thực hiện theo quy luật bậc nhất

+ Trường hợp Vtk ≥ 60 km/h: Lw được bố trí trùng với đoạn nối siêu cao và trùng hoàntoàn với đoạn nối chuyển tiếp:

- Đoạn nối chuyển tiếp  đường cong tròn  đoạn nối chuyển tiếp;

- Độ mở rộng được thực hiện theo quy luật bậc nhất

CT sc

Trong đó đoạn nối chuyển tiếp được xác định bằng:

Hình 2.6 Bố trí đoạn nối mở rộng trong đường cong chuyển tiếp

+ Khi không có hai yếu tố trên (LCT; Lsc), đoạn nối mở rộng được cấu tạo (1/10) W, chiềudài đoạn vuốt nối mở rộng không nhỏ hơn 10m

e Ví dụ

Xác định độ mở rộng và chiều rộng của mặt đường tại phân giác khi xe chạy trongđường cong có: R = 150m; đường cấp III miền núi, loại xe tải

Tra quy trình, ta có L = 6,5+1,5 = 8,0 (m);

Đường cấp III miền núi có tốc độ thiết kế V = 60 (km/h),

Do đó độ mở rộng sẽ được tính như sau:

Theo quy trình đối với đường cong nằm có bán kính từ 100 ÷ 150 độ mở rộng được lấy

là 0,9 (m) đối với xe tải

Vậy độ mở rộng cần mở là 0,9 (m)

Đối với đường cấp III miền núi chiều rộng mặt đường là 3,0 (m), mở rộng hai bên nên

ta có chiều rộng mặt đường mỗi bên sẽ là 3,0 + 0,45 =3,45 (m)

1.3.2.3 Đường cong chuyển tiếp

tương ứng với bán kính thay đổi

từ  => R Lực ly tâm gây cảm giác cảm giác khó chịu cho hành khách và người lái

Góc chuyển hướng  của bánh xe trước hợp với trục xe từ chỗ bằng 0 đường thẳngchuyển sang đường cong tròn có trị số 

Để giảm các ảnh hưởng trên, tránh cho đối tượng chịu sự thay đổi đột ngột, người talàm một đường cong nối giữa đường thẳng và đường cong tròn Với ý nghĩa này, đường

cong đó gọi là đường cong chuyển tiếp.

b Cấu tạo đường cong chuyển tiếp

Để tính chiều dài đường cong chuyển tiếp ta có giả thiết sau:

- Tốc độ xe chạy trên đường cong chuyển tiếp không đổi và bằng tốc độ thiết kế;

- Trên chiều dài đường cong chuyển tiếp, gia tốc ly tâm thay đổi từ 0 tới v²/ R, đồngthời bán kính thay đổi từ +∞ tới R, tỷ lệ bậc nhất với chiều dài đường cong chuyển tiếp từ s

J- độ tăng gia tốc ly tâm;

t- thời gian xe chạy từ đầu đường cong tới cuối đường cong chuyển tiếp, t = Lct/vv- vận tốc xe chạy thiết kế m/s; V: vận tốc xe chạy thiết kế km/h

Ta có: J =

2

ct

v L R v

=

3

ct

v RL

Vậy chiều dài đường cong chuyển tiếp sẽ là: Lct = v³/ R J => Lct = V³/ 47.R J

J: độ tăng gia tốc ly tâm theo TC Mỹ J: 0,3  0,9 m/s³; theo Pháp J : 0,65  1.0 m/s³; theo Việt Nam J : 0,50 m/s³ chiều dài đường cong chuyển tiếp sẽ là :

Công thức tính chiều dài đường cong chuyển tiếp:

3

Các dạng của đường cong chuyển tiếp:

- Đường cong xuắn ốc (Clothoide):  =

S C

- Đường cong hoa thị Becluni:  = 3C.sin 2

- Phương trình Parabol bậc 3:

R

x y

6

3



Bố trí đường cong chuyển tiếp:

Đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trí trùng với đường cong chuyểntiếp Khi không có đường cong chuyển tiếp, các đoạn nối này bố trí một nửa trênđường cong và một nửa trên đường thẳng

Với đường có Vtk ≥ 60 km/h đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trítrùng với đường cong chuyển tiếp Lsc ≡ Lw ≡ Lct

Phương trình đường cong chuyển tiếp là đường xoắn ốc Euler hay còn gọi là đườngcong clothoide, xét tại điểm bất kỳ trên đường cong chuyển tiếp có khoảng cách theo đườngcong tới gốc là s, tại điểm đó bán kính là ρ bán kính này giảm dần từ +∞ (s= 0) tới R (s =

C : thông số không đổi;

 : bán kính của đương cong tại điểm tính toán có chiều dài đường là s tính từ NĐ đếnđiểm tính toán;

A : là thông số của đường cong clothoide C = A2 = RL ct;

s : Khoảng cách đến điểm xét theo đường cong

Phương trình đường cong Clothoide dới dạng tọa độ vuông góc :

X = S - 54 9 8

1 Tính toán sơ bộ (để sơ bộ bố trí và kiểm tra) các yếu tố cơ bản của đường cong tròn

theo góc ngoặt  và bán kính đường cong R

T=

2 tg

2 cos

2 sin

.

0

0 0

o

R y p

L R

x t

180

);

2tan(

 R

K  (hoặc K0 = R.α0 với α0 tính bằng rad)

7 Xác định điểm bắt đầu, kết thúc của ĐCCT và độ rút ngắn của đường cong

NĐ=Đ-(T+t)NC=NĐ+K0+2Lct

Δ=2(T+t) – (K0+2Lct)Trong đó : NĐ, NC, Đ là lý trình của điểm bắt đầu, kết thúc và đỉnh của đường congtổng hợp

Hình 2.9 Tính toán đường cong chuyển tiếp trong trường hợp L 1 =L 2

8 Xác định toạ độ của các điểm ĐCCT cách nhau 5-10m/cọc sau đó dựa vào toạ độnày cắm nhánh 1 của ĐCCT

9 Tính và cắm nhánh thứ 2 của ĐCCT tương tự

10 Tính và cắm phần đường cong tròn còn lại K0

Một điểm A bất kỳ trên phần đường cong tròn có chiều dài cung đến TĐ là St với gócchắn cung β sẽ có tọa độ xt, yt theo hệ trục NĐ được tính theo công thức sau:

* Ví dụ: tính toạ độ TD, (Xo , Yo) của đường cong có đường cong chuyển tiếp với

chiều dài L = 80m, bán kính đường cong tròn R = 125m; thông số:

§ N§

điểm đó dựa vào bảng tính Clothoide đơn vị.

CÁC YẾU TỐ ĐƯỜNG CONG CLOTHOIDE ĐƠN VỊ

1.3.2.4 Đảm bảo tầm nhìn trên những đường cong cã b¸n kÝnh nhá

- Đường ở đồng bằng thường khuất tầm nhìn do nhà cửa, cây cối, các công trình kỹthuật khác;

- Đối với đường miền núi thường khuất tầm nhìn do taluy nền đào…

Khi thiết kế đường cong, sau khi tính toán các thông số kỹ thuật đường cong cần kiểmtra xem đường cong đó có bị khuất tầm nhìn không từ đó xác định khoảng phát quang cầnthiết để đảm bảo tầm nhìn

- Quỹ đạo mắt người lái xe cách mép trong phần xe chạy (chưa mở rộng): 1,5m Chiềucao tầm mắt so với mặt đường: 1,0m Khi thiết kế phải kiểm tra tầm nhìn

Các chỗ không đảm bảo tầm nhìn phải dỡ bỏ các chướng ngại vật (chặt cây, đàomái taluy ) Chướng ngại vật sau khi dỡ bỏ phải thấp hơn tia nhìn 0,30 m Trường hợpthật khó khăn, có thể dùng gương cầu, biển báo, biển hạn chế tốc độ hoặc biển cấmvượt xe

a) Các trường hợp kiểm tra tầm nhìn theo phương pháp giải tích:

- Trường hợp S ≤ K

S - chiều dài tầm nhìn để tính toán kiểm tra (m);

K - chiều dài quỹ đạo xe chạy chắn bởi góc chuyển hướng α

Khoảng cách dỡ bỏ Z được tính:

)

2 cos 1

R s Z

O

B A

K

   

S-K 2

S-K 2

Hình 2.14 Xác định đường giới hạn nhìn theo phương pháp giải tích

R - bán kính đường cong (m); Rs - bán kính quỹ đạo xe chạy (m);

γ - góc ở tâm chắn bởi tia nhìn S (o);

Bm - bề rộng của mặt đường (m)

- Trường hợp S > K

2

sin 2

) 2 cos 1

R

b) Kiểm tra tầm nhỡn theo phương phỏp đồ giải:

1,5m

1

1

2 3 4 5 6

1.0m

1.5m

Zo Z

1.0m Câyưphảiưđốn

1.5m

Hình 2.6 Sơ đồ xác định đảm bảo tầm nhìn theo phương pháp đồ giải

Muốn vẽ đường giới hạn nhìn trong đường cong từ A đến B cách thực hiện như sau:

Vẽ đường quỹ đạo xe chạy; Xác định chiều dài tầm nhìn tính toán S (theo quy địnhtrong TCVN); Trên đường quỹ đạo xe chạy kẻ các tia nhìn 11’ = 22’ = 33’ = … có giới hạn

là S chiều dài tầm nhìn; Nối trung điểm của các tia nhìn ta được đường bao các tia nhìn(đường giới hạn nhìn)

Vậy trong phạm vi giới hạn giữa quỹ đạo xe chạy và đường giới hạn nhìn mặt đườngcần phải phát quang

Phạm vi áp dụng của phương pháp: độ chính xác không cao nên thường kiểm tra tầmnhìn của các phương án sơ bộ

1.3.3 Nguyên tắc thiết kế bình đồ

1.3.3.1 Những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ

1 Đảm bảo các yếu tố của tuyến như bán kính tối thiểu đường cong nằm, chiều dài đườngcong chuyển tiếp, độ dốc dọc lớn nhất khi triển tuyến, không vi phạm những quy định vềtrị số giới hạn đối với cấp đường thiết kế

2 Đảm bảo tuyến đường ôm theo hình dạng địa hình để khối lượng đào đắp nhỏ nhất, bảo

vệ cảnh quan thiên nhiên

3 Xét yếu tố tâm lý người lái xe và hành khách đi trên đường, không nên thiết kế đường

có những đoạn đường thẳng quá dài (lớn hơn 4km) gây tâm lý mất cảnh giác và gây buồnngủ đối với lái xe, ban đêm đèn p ha ô tô làm chói mắt xe ngược chiều

4 Cố gắng sử dụng các tiêu chuẩn hình học cao như bán kính đường cong, đoạn chêmgiữa các đường cong, chiều dài đường cong chuyển tiếp trong điều kiện địa hình cho phép

5 Đảm bảo tuyến là một đường không gian đều đặn, êm th uận, trên hình phối cảnh tuyếnkhông bị bóp méo hay gãy khúc Muốn vậy phải phối hợp hài hoà giữa các yếu tố tuyếntrên bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, giữa tuyến và công trình và giữa các yếu tố đó với địahình, cảnh quan môi trường xung quanh

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

1 Định tuyến phải bám sát đường chim bay giữa 2 điểm khống chế

2 Thiết kế nền đường phải đảm bảo cho giao thông thuận lợi, đồng thời phải tuân theomọi quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật của tuyến

3 Khi định tuyến nên tránh đi qua những vị trí bất lợi về thổ nhưỡng, thuỷ văn, địa chất(như đầm lầy, khe xói, sụt lở, đá lăn, kast, ) để đảm bảo cho nền đường được vững chắc

4 Không nên định tuyến qua khu đất đai đặc biệt quí, đất đai của vùng kinh tế đặc biệt,

cố gắng ít làm ảnh hưởng đến quyền lợi của những người sử dụng đất

5 Khi tuyến giao nhau với đường sắt hoặc đi song song với đường sắt cần phải tuân theo

quy trình của Bộ GTVT về quan hệ giữa đường ôtô và đường sắt (vị trí giao phải ở ngoàiphạm vi ga, đường dồn tàu, cửa hầm đường sắt, ghi cổ họng, các cột tín hiệu vào ga, gócgiao 450 )

6 Khi chọn tuyến qua thành phố, thị trấn thì cần chú ý đến quy mô và đặc tính của giaothông trên đường, lưu lượng xe khu vực hay xe quá cảnh chiếm ưu thế, số dân và ý nghĩa

về chính trị, kinh tế, văn hoá, xã hội của đường để quyết định hướng tuyến hợp lý nhất

7 Khi qua vùng đồng bằng cần vạch tuyến thẳng, ngắn nhất, tuy nhiên tránh những đoạnthẳng quá dài (≥3 -4km) có thể thay bằng các đường cong có bán kính R≥1000m, tránhdùng góc chuyển hướng nhỏ

8 Khi đường qua vùng đồi nên dùng các đường cong có bán kính lớn uốn theo địa hình tựnhiên Bỏ qua những uốn lượn nhỏ và tránh tuyến bị gãy khúc về bình đồ và trắc dọc

9 Qua vùng địa hình đồi nhấp nhô nối tiếp nhau, tốt nhất nên chọn tuy ến là những đườngcong nối tiếp hài hoà với nhau, không nên có những đoạn thẳng chêm ngắn giữa nhữngđường cong cùng chiều, các bán kính của các đường cong tiếp giáp nhau không được vượtquá các giá trị cho phép

10 Khi tuyến đi theo đường phân thuỷ, điều cần chú ý trước tiên là quan sát hướng củađường phân thuỷ chính và tìm cách nắn thẳng tuyến trên từng đoạn, chọn những sườn đồi

ổn định và thuận lợi cho việc đặt tuyến, tránh những mỏm cao và tìm những đèo thấp đểvượt

11 Khi tuyến đi trên sườn núi, mà độ dốc v à mức độ ổn định của sườn núi có ảnh hưởngđến vị trí đặt tuyến thì cần nghiên cứu tổng hợp các điều kiện địa hình, địa chất và thuỷ văn

để chọn tuyến thích hợp Nếu tồn tại những đoạn sườn dốc bất lợi về địa chất, thuỷ văn nhưsụt lở, trượt, nước ngầm, cần cho tuyến đi tránh hoặc cắt qua phía trên

12 Khi triển tuyến qua đèo thông thường chọn vị trí đèo thấp nhất, đồng thời phải dựa vàohướng chung của tuyến và đặc điểm của sườn núi để triển tuyến từ đỉnh đèo xuống hai phía.Đối với những đường cấp cao nếu triển tuyến qua đèo gặp bất lợi như sườn núi không ổnđịnh hoặc các tiêu chuẩn kỹ thuật về bình đồ, trắc dọc quá hạn chế không thoả mãn thì cóthể xem xét phương án hầm Tuyến hầm phải chọn sao cho có chiều dài ngắn nhất và nằmtrong vùng ổn định về địa c hất, thuỷ văn

13 Khi tuyến đi vào thung lũng các sông suối, nên :

14 Vị trí tuyến cắt qua sông suối cần chọn những đoạn suối thẳng có bờ và dòng ổn định,điều kiện địa chất thuận lợi

15 Trường hợp làm đường cấp cao đi qua đầm hồ hoặc vịnh cần nghiên cứu phương áncắt thẳng bằng cách làm cầu hay kết hợp giữa cầu và nền đắp nhằm rút ngắn chiều dài

1.4 THIẾT KẾ MẶT CẮT DỌC

1.4.1 Nguyên tắc thiết kế trắc dọc

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

Thiết kế đường đỏ hay thiết kế trắc dọc là xác định vị trí của mặt đường trên trắc dọc

so với mặt đất tự nhiên

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

- Trắc dọc có ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu khai thác của đường như tốc độ xe chạy,khả năng thông xe, tiêu hao nhiên liệu và an toàn giao thông,… có ảnh hưởng lớn đến khốilượng công tác và giá thành xây dựng, do đó khi thiết kế đường đỏ phải đảm bảo tuyếnlượn đều, ít thay đổi dốc, nên dùng độ dốc bé Chỉ ở những nơi địa hình khó khăn mới sửdụng các tiêu chuẩn giới hạn như i max, imin, Lmax, Lmin, Rmin, Kmin, Khi thiết kế trắc dọc cầnphối hợp chặt trẽ thiết kế bình đồ, trắc ngang, phối hợp giữa đường cong nằm và đườngcong đứng, phối hợp tuyến với cảnh quan đảm bảo đường không bị gẫy khúc, rõ ràng và hàihoà về mặt thị giác, chất lượng khai thác của đường như tốc độ xe chạy, năng lực thông xe,

an toàn xe chạy cao, chi phí nhiên liệu giảm

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

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

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

- Khi thiết kế đường đỏ cần chú ý đến điều kiện thi công Hiện nay chủ yếu thi công bằng

cơ giới nên trắc dọc đổi dốc lắt nhắt sẽ không thuận lợi cho thi công, cho duy tu bảo dưỡng

và khai thác đường

- Trắc dọc trên những công trình vượt qua dòng nước cần thiết kế sao cho đảm bảo cao độ,

độ dốc, chiều dài đoạn dốc, các đường cong nối dốc hợp lý đảm bảo thoát nước tốt và ổnđịnh chung của toàn công trình

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

1 Xác định các điểm khống chế khi thiết kế đường đỏ

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

trong 1 năm Trên 20 ngày Dưới 20 ngày

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

+ Đường cao tốc : 1%

+ Đường cấp I, II : 2%

+ Đường các cấp khác : 4%

- Cao độ nền đường đáp tại vị trí cống tròn phải đảm bảo chiều cao đất đắp tối thiểu là 0,5m

để cống không bị vỡ do lực va đập của lốp xe ô tô Khi chiều dầy áo đường dầy hơn 0,5 m,

độ chênh cao này phải đủ để thi công được chiều dầy áo đường Nếu không thỏa mãn yêucầu trên thì dùng cống chịu lực như c ống bản, cống hộp,…

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

- Cao độ đường đỏ tại vị trí cầu được quy định như sau

Hmc MNTK + t + k (m)trong đó:

MNTK – mức nước thiết kế;

t – tĩnh không dưới cầu;

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

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

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

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

thường xuyên) tới đáy áo đường

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

a) Phương pháp đường bao:

Là phương pháp vạch đường đỏ luôn bám sát và cao hơn đường đen

Phương pháp thường áp dụng cho địa hình tương đối thoải của vùng đồi và vùng núi,ngoài ra phương pháp này còn dùng thiết kế đường cải tạo nâng cấp, đường cấp thấp

Hình 2.21 Thiết kế mặt cắt dọc theo phương pháp đường bao

+ Ưu điểm:

Khối lượng đào đắp ít (chủ yếu là đắp) Dễ thoát nước, nên nền đường ổn định ít chịuảnh hưởng của nước Ít thay đổi cảnh quan, không phá vỡ cân bằng tự nhiên của nơi đắttuyến Dễ thi công cơ giới

b) Phương pháp đường cắt:

Là đường đỏ đi sát địa hình và cắt địa hình tạo thành những khoảng đào đắp xen

kẽ Phương pháp này thường áp dụng ở vùng địa hình mấp mô, riêng với đường cấp caothì hầu như phải vận dụng trên cả các địa hình tương đối dễ

Hình 2.22 Thiết kế mặt cắt dọc theo phương pháp đường cắt

Mặt cắt dọc theo phương pháp này thường gây nên đào sâu đắp cao, yêu cầu các côngtrình chống đỡ Phá vỡ cần bằng của đất nên nền đường kém ổn định

Khi thiết kế nên suy nghĩ đến sự cân bằng giữa khối lượng đào và đắp đất để tận dụngvận chuyển dọc, lấy đất nền đào đổ sang nền đắp

Tùy theo điều kiện địa hình mà có thể sử dụng phương pháp đi bao hoặc phương pháp

đi cắt Tránh đào cao đắp sâu, dẫn tới giá thành công trình tăng

Kết luận: khi thiết kế trắc dọc do tuyến trải dài trên các loại địa hình khác nhau nên

việc thiết kế thường áp dụng tổng hợp hai phương pháp trên tuỳ theo địa hình, tuỳ các điểm

Tỷ lệ theo chiều đứng (cao độ) bằng 10 lần lớn hơn tỷ lệ theo chiều ngang và mặt cắtđịa chất trên trắc dọc gấp 10 lần tỷ lệ vẽ cao độ mặt cắt dọc đường: ví dụ nếu chọn tỷ lệtheo chiều ngang là 1:1000 thì theo chiều đứng là 1:100 và mặt cắt địa chất là 1:10

Mặt phẳng so sánh có tác dụng để hạ cao độ các điểm trên mặt cắt dọc sao cho mặt cắtdọc được thể hiện đầy đủ trên bản vẽ cho nên việc chọn mặt phẳng so sánh phải dựa vàocao độ để lựa chọn sao cho phù hợp Trên một bản vẽ mặt cắt dọc có thể lựa chọn nhiềumặt phẳng so sánh

Dựa vào số liệu đã đi khảo sát và việc lựa chọn tỷ lệ bản vẽ, mặt so sánh tiến hànhdựng trắc dọc thiên nhiên

b Trình tự thiết kế trắc dọc:

1 Kẻ đường thiết kế (kẻ đường đỏ):

- Chuyển các yếu tố thiết kế trên bình đồ sang bản vẽ trắc dọc

- Xác định vị trí các điểm khống chế trên trắc dọc

- Chọn điểm đổi dốc trên trắc dọc

- Kẻ đường thiết kế

- Kiểm tra đường thiết kế so sánh với tiêu chuẩn, vị trí khống chế…

2 Tính toán đường thiết kế trên trắc dọc:

- Tính độ dốc thiết kế của các đoạn dốc

- Tính toán bố trí đường cong đứng

- Tính cao độ thiết kế tại các cọc

- Tính hiệu số đào đắp

- Tính toán điểm xuyên

1.5 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG

1.5.1 Năng lực thông hành của một làn xe – Xác định số làn xe trên mặt cắt ngang

1.5.1.1 Năng lực thông hành của một làn xe

Mô hình động lực học đơn giản thường dùng để tính năng lực thông hành lý thuyếtcủa một làn xe Theo phương pháp này, người ta quan niệm trên một làn xe, dòng xe chỉ cómột loại (xe con) chạy cùng một tốc độ v (m/s) cách nhau một cự ly an toàn tối thiểu d (m)

để đảm bảo an toàn

Công thức xác định năng lực thông hành:

a Quan ®iÓm cña HCM ( nhãm t¸c gi¶ Highway C©pcity Manual)