THIẾT kế QUY HOẠCH THOÁT nước

Chương 2: Thiết kế cấu tạo kết cấu nền áo đườngPhân tích ưu nhược điểm của các loại kết cấu mặt đường: • Mặt đường cứng: * Ưu điểm: -Cường độ rất cao nên thích hợp với các loại xe kể cả

Chương 2: Thiết kế cấu tạo kết cấu nền áo đường

Phân tích ưu nhược điểm của các loại kết cấu mặt đường:

• Mặt đường cứng:

* Ưu điểm:

-Cường độ rất cao nên thích hợp với các loại xe kể cả xe bánh xích

-Ổn định khi chịu tác dụng của nhiệt độ và độ ẩm

-Mặt đường sáng nên dễ phân biệt mặt đường và lề đường nên an toàn xe chạy cao -Tuổi thọ cao,ít duy tu bảo dưỡng, ít hao mòn, độ bền cao

-Độ hao mòn ít

-Có thể cơ giới hóa thi công và mùa thi công có thể kéo dài

* Nhược điểm:

-Là loại KCAD còn rất mới ở Việt Nam chưa được sử dụng phổ biến

-Do có hệ thống khe nối nên mặt đường không bằng phẳng khiến cho hệ số xung kích lớn, xe chạy với vận tốc không cao

-Giá thành rất lớn do sử dụng BTXM đặc biệt, mác cao, chiều dày lớp BTXM thường lớn (>30cm)

-Không thể thông xe ngay mà thường phải chờ thời gian bảo dưỡng (28 ngày với BTXM đổ tại chỗ)

-Hệ khe nối phức tạp khiến cho nước và các tác nhân gây hại dễ thâm nhập vào nền đường gây phá hoại lớn

-Rất khó sửa chữa , yêu cầu máy móc thiết bị nhiều , phức tạp lại khó kiểm soát trong quá trình thi công

-Đặc biệt là các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu ở Việt Nam còn lạc hậu, công nghệ thi công thấp, tiến độ thi công không cao, phương pháp thiết kế lạc hậu, kinh nghiệm thi công ở Việt Nam vẫn chưa có và còn hạn chế nhiều

• Mặt đường mềm:

*Ưu điểm:

-Có thể đưa vào sử dụng nhanh

-Cảm giác lái xe an toàn , thoải mái nên có thể chạy với tốc độ cao

-Dễ sửa chữa và thiết bị thi công thường đơn giản, có sẵn

-Kinh nghiệm thi công nhiều lại có thể áp dụng các biện pháp tăng tiến độ thi công -Có thể cơ giới hóa khi thi công, điều kiện thi công không quá phức tạp

*Nhược điểm:

-Độ bền thấp

-Tầm nhìn kém

-Dễ chịu ảnh hưởng của các tác nhân gây hại như nước , độ ẩm, nhiệt độ

-Tuổi thọ thường không cao so với mặt đường BTXM

-Thường phải duy tu bảo dưỡng ( trung tu, đại tu …)

Từ việc phân tích các ưu nhược điểm của hai loại KCAD trên, tuy mặt đường BTXM

có ưu điểm hơn so với BTN nhưng kinh nghiệm thi công không có nhiều và rất khó trong việc duy tu bảo dưỡng nếu gặp sự cố bất ngờ Ngoài ra việc sử dụng các loại vật liệu mới như bê tong nhựa polymer (BTNP) có thể khắc phục hầu hết tất cả các nhược điểm hiện nay của mặt đường BTN thông thường

Vậy, ta chọn loại mặt đường mềm để thiết kế và thi công cho đoạn tuyến

2.1 Cơ sở thiết kế.

2.1.1 Quy trình tính toán-Tải trọng tính toán.

Áo đường mềm được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 211- 06: Áo đường mềm các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế

Vì trong thành phần dòng xe tính toán không có tải trọng trục đơn lớn hơn 100KN, theo mục 3.3.1 của [3] ta có:

- Tải trọng trục (trục đơn) tính toán tiêu chuẩn: P = 100 (kN)

- Áp lực tính toán lên mặt đường: p = 0,6 (MPa)

- Đường kính vệt bánh xe: D = 33 (cm)

2.1.2.Xác định lưu lượng xe tính toán(Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên

kết cấu áo lề có gia cố).

Số liệu tính toán: Lưu lượng xe chạy trên tuyến ở năm đầu tiên đưa công trình vào khai thác là: N1= 130 (xe/ng.đêm), hệ số tăng xe hàng năm là: q= 10%

Bảng 2.1:Lưu lượng từng loại xe ở năm đầu thời hạn khai thác

Loại xe

Thành phần

%

Trọng lượng trục Pi(kN) Số trục

sau

Loại cụm bánh Lượng xe

ni xe/ngày đêm Trục trước Trục sau Trục trước Trục sau

Xe tải nặng 15 56 110 2(L>3m) Bánh đơn Bánh đôi 90.8

*/Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

- Lưu lượng của từng loại xe ở năm đầu của thời hạn khai thác xem bảng 2.1

- Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 120 kN:

Việc tính toán quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau:

∑

=

×

×

×

= k

i i tk

P

P n C C N

1

4 4 2

Với C1 = 1+1,2(m-1) và C2 = 6,4 cho các trục trước và trục sau loại mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C2 = 1,0 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)

- Theo [3] Với những trục xe dưới 25KN thì không tính có thể bỏ qua Nên trọng lượng trục của xe con ta không tính vào

Việc tính toán số trục xe quy đổi về trục xe tiêu chuẩn như bảng sau

Bảng 2 1: Quy đổi trục xe về trục xe tiêu chuẩn

Loại xe Trục xe Pi (KN) C1 C2 ni C1.C2.ni.(

100

i

p

)4,4

Tải trung Trục trướcTrục sau 3672 11 6,41 254.3254.3 18.1759.92

Tải nặng

*/ Số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe và trên kết cấu lề gia cố

- Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe:

Ntt = Ntk.fL (trục/làn.ngày đêm) (2.2)

Vì đường thiết kế có 2 làn xe và không có dải phân cách giữa nên fL= 0,55

- Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên lề 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

Vậy: Nttlề= 0,5 × Ntt (trục/làn.ngày đêm) -Số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời hạn thiết kế thông qua trên 1 làn xe

Trong đó:

• Ntt :Số trục xe tính toán tiêu chuẩn

• t :Số năm khai thác(tính từ năm đầu trở lại)

Nhận xét:

- Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy đến cuối thời hạn thiết kế Ne=0.69x106 So sánh với bảng 2.2 tài liệu [3] thì bề dày tối thiểu của lớp tầng mặt cấp cao A1 nếu có là 8cm

2.1.3 Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần xe chạy và cho phần lề gia cố

-Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu thường được lấy như sau :

Eyc = max (Eycmin, Eyctt) (2.3)

*/ Xác định môđun đàn hồi tối thiểu E yc

min

- Căn cứ vào cấp thiết kế của đường : Cấp IV, vận tốc thiết kế 60km/h

- Căn cứ vào loại mặt đường : A1 hoặc A2

Tra bảng 3-5 của [3] ta có giá trị Emin

yc tương ứng thể hiện kết quả:

Loại đường và

cấp đường

Loại tầng mặt của kết cấu áo đường Cấp cao A1 (Mpa) Cấp cao A2 (Mpa)

(ghi chú: giá trị trong ngoặc là mô đun đàn hồi tối thiểu yêu cầu của lề gia cố)

*/ Xác định môđun đàn hồi theo số trục xe tính toán Ett yc

- Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho xe chạy

Với tải trọng trục tính toán 120 kN, loại mặt đường A1 hoặc A2 và số trục xe tính toán, ta xác định trị số môđun đàn hồi tính toán E tt ycdựa vào bảng 3.4 của tài liệu [3].

Xác định Eyc= max (Eycmin, Eyctt) Kết quả được thể hiện ở bảng dưới

- Xác định môđun đàn hồi yêu cầu cho phần lề gia cố

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố được lấy bằng 50% số trục

xe tính toán của làn xe cơ giới

Bảng 2.3 Môđun đàn hồi yêu cầu

Năm

tính

toán

(trục/ngđ.làn) Cấp cao

A1

Cấp cao

A2

Cấp cao

A1

Cấp cao

A2

Cấp cao

A1

Cấp cao

A2

Phần xe chạy

Lề gia cố

Để đảm bảo an toàn ta có thể chọn trị số modun đàn hồi cao hơn một chút so với giá trị tra trong bảng 3.4 của tài liệu [3]

Vậy đối với phần xe chạy của loại tầng mặt cấp cao A1 thì :Eyc= max (Eycmin, Eyctt)= 162 Mpa, phần lề gia cố Eyclề= max (Eycmin, Eyctt)=150 Mpa

2.2.Thiết kế cấu tạo.

2.2.1.Yêu cầu chung đối với kết cấu nền áo đường.(theo 22TCN211-06,Thiết kế áo

đường mềm).

Các yêu cầu cơ bản

Kết cấu áo đường mềm trên các làn xe chạy và kết cấu phần lề gia cố phải được thiết

kế đạt các yêu cầu cơ bản dưới đây:

Trong suốt thời hạn thiết kế áo đường phải có đủ cường độ và duy trì được cường độ

để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm nhập của các nguồn ẩm…) Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích luỹ biến dạng dẫn đến tạo vệt hằn bánh xe trên mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tượng nứt nẻ, hạn chế bào mòn và bong tróc bề mặt, hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được thoát ra một cách nhanh nhất

Bề mặt kết cấu áo đường mềm phải đảm bảo bằng phẳng, đủ nhám, dễ thoát nước mặt

và ít gây bụi để đáp ứng yêu cầu giao thông an toàn, êm thuận, kinh tế, giảm thiểu tác dụng xấu đến môi trường hai bên đường Tuỳ theo quy mô giao thông và tốc độ xe chạy cần thiết, tuỳ theo ý nghĩa và cấp hạng kỹ thuật của đường, kết cấu áo đường thiết kế cần thoả mãn hai yêu cầu cơ bản nêu trên ở những mức độ tương ứng khác nhau Về cường độ, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện trong thiết kế thông qua mức độ dự trữ cường độ khác nhau Mức độ dự trữ cường độ càng cao thì khả năng bảo đảm kết cấu áo đường mềm làm việc ở trạng thái đàn hồi khiến cho chất lượng sử dụng trong khai thác vận doanh sẽ càng cao, thời hạn sử dụng càng lâu bền và chi phí cho duy tu, sửa chữa định kỳ càng giảm Về chất lượng bề mặt, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện qua việc lựa chọn vật liệu làm tầng mặt như ở Bảng 2-1 Riêng về

độ bằng phẳng và độ nhám mức độ yêu cầu khác nhau Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai thác sẽ được tăng lên.Đồng thời phải đảm bảo yêu cầu về độ lún trong các trường hợp nền đường nằm trên những vùng có địa chất yếu

2.2.2.Quan điểm thiết kế cấu tạo.

- Tuân thủ các nguyên tắc thiết kế kết cấu áo đường, trong đó chú trọng nguyên tắc thiết kế tổng thể nền - mặt đường, làm sao cho nền đường và mặt đường cùng chịu lực, đảm bảo chịu được tải trọng và ổn định cường độ

- Cố gắng tận dụng vật liệu địa phương, phát huy khả năng thi công của các nhà thầu địa phương, chọn các loại vật liệu sẵn có, chiều dày hợp lý trong việc phân lớp thi công sao cho nâng cao năng suất, và nằm trong khả năng thi công của nhà thầu

- Phát huy khả năng làm việc của vật liệu, giảm chiều dày các lớp vật liệu đắt tiền, cũng như số lớp vật liệu, cải thiện chế độ làm việc của nền - mặt đường

- Lựa chọn biện pháp cấu tạo kết cấu áo đường đơn giản, hợp lý với điều kiện địa hình, địa chất, địa chất thủy văn

- Đối với tầng mặt:

+ Đảm bảo đủ cường độ chung và ổn định cường độ, chịu được lực thẳng đứng và nằm ngang, chống bong bật tốt

+ Mặt đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng

Độ bằng phẳng của mặt đường được đánh giá dựa vào chỉ số đo độ gồ ghề quốc tế IRI theo [6] và được quy định tại bảng 1-1của [6] :

• Yêu cầu về độ bằng phẳng tùy vào tốc độ xe chạy yêu cầu

Tốc độ xe chạy yêu cầu (Km/h) Chỉ số IRI yêu cầu (m/km) đối với đường

xây dựng mới

+ Bề mặt áo đường phải có đủ độ nhám nhất định

Độ nhám của bề mặt KCAD là bê tông nhựa phải đạt được yêu cầu tối thiểu quy định thông qua chỉ tiêu chiều sâu rắc cát trung bình tùy thuộc tốc độ xe chạy yêu cầu

và mức độ nguy hiểm của đoạn đường thiết kế theo [7]

+ Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt

+ Khả năng thoát nước mặt tốt và ít thấm nước

- Đối với tầng móng: Có thể chọn các loại vật liệu có cường độ thấp hơn, vật liệu hạt thô và không nhất thiết phải có chất liên kết

LỚ P MẶ T (SURFACING) LỚ P TẠO NHÁ M (NẾ U CÓ )

LỚ P MÓ NG TRÊ N (BASE)

LỚ P MÓ NG DƯỚ I (SUB-BASE)

LỚ P ĐÁ Y MÓ NG (CAPPING LAYER)

Hình 2 1:Sơ đồ các tầng, lớp của KCAD mềm và kết cấu nền - áo đường

Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường

Quan điểm, căn cứ đề xuất:

- Khi thiết kế nên tận dụng vật liệu địa phương để giảm giá thành, trên địa bàn cĩ đầy

đủ các loại vật liệu cần thiết đã nêu

-Lựa chọn tầng mặt với lớp mặt trên cĩ hàm lượng đá dăm lớn (>50%) vừa để tăng cường cường độ vừa cải thiện độ nhám mặt đường ,tăng mức độ an tồn khi đường gặp các điều kiện bất lợi về thời tiết

- Cấp thiết kế của tuyến đường là cấp IV, Vtk = 60Km/h do đĩ bố trí cấu tạo lớp BTNNC hoặc BTNP trên bề mặt nhằm cải thiện độ nhám và sức kháng trượt của mặt đường tăng an tồn cho xe chạy ở tốc độ cao

Đề xuất các phương án KCAD:

Nền đất là lớp Á cát nhẹ cĩ C0=0.02 Mpa và ϕ=300.E=49 Mpa

Bảng 2.4:Cấu tạo kết cấu áo đường.

Lớp kết cấu (Từ dưới lên)

CP thiên nhiên loại A(30cm) CPĐD Dmax 37.5(25cm)

BTN chặt loại II hạt trung(6cm) BTN loại II hạt thô(7cm)

BTN chặt loại I hạt nhỏ(4cm) BTN loại I hạt trung(5cm)

So sánh các phương án kết cấu áo đường:

5 7 15 25

4

6

16

30

-Phương án 1:

- KCAD có lớp tầng mặt là lớp BTN chặt tạo độ nhám cao,tăng sức bám giữa bánh xe

và mặt đường đảm bảo xe chạy được với vận tốc cao.Đồng thời KCAD có độ bằng phẳng cao,khả năng thoát nước mặt tốt

- Khả năng cung cấp nguyên vật liệu:Tại khu vực có nhiều công ty cung cấp vật lieu cho kết cấu áo đường trên.Vật liệu BTN chặt hạt mịn và hạt trung do công ty cổ phần quản lý và xây dựng giao thông Khánh Hòa cung cấp.Các loại đá dăm và cấp phối đá dăm do công ty TNHH LV và XD Hố Sâu…

-Phương án 2:

KCAD có lớp tầng mặt là lớp BTN hạt trung,đảm bảo tốt các điều kiện về sức bám,độ nhám và độ bằng phẳng,đảm bảo xe chạy êm thuận và an toàn

Khả năng cung cấp nguyên liệu còn hạn chế,chi phí cao

Khả năng cơ giới hóa còn hạn chế.Tốn chi phí máy thi công

Điều kiện bảo dưỡng cũng đòi hỏi phương tện kỹ thuật hiện đại

So sánh 2 phương án kết cấu áo đường

Tầng

mặt

-Cường độ cao, có khả năng chịu nén, kéo, cắt đều tốt Đặt biệt chịu lực ngang rất tốt, hạn chế bong bật của bánh xe do có chất atphan -Chịu tải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi

-Có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công

-Công tác duy tu, sửa chữa ít

-Thời gian sửa chữa tương đối dài

-Thi công cấp phối thiên nhiên đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa quá trình thi công, giá thành thấp

-Mặt đường có màu nâu sẫm khó định hướng xe chạy về ban đêm -Cường độ giảm khi nhiệt độ cao -Cường độ giảm khi bị nước tác dụng lâu dài

-Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường giảm khi mặt đường bị ẩm ướt

-Mặt đường bị “già hóa” dưới tác dụng của thời gian, tải trọng và khí hậu

-Yêu cầu thiết bị chuyên dụng, công tác tư vấn giám sát tương đối phức tạp

Tầng

móng

-Mặt đường có kết cấu tương đối chặt, kín, cường độ cao Eđh =2000-3000daN/cm2

-Tận dụng được vật liệu địa phương

-Thi công đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa khâu thi công nên tốc độ thi công cao

-Tương đối ổn định nước, giá thành hợp lý

-Chịu lực ngang kém, khi khô hanh thì cường độ giảm nhiều

-Hao mòn, sinh bụi nhiều khi khô hanh

- Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường nhỏ

-Cường độ giảm nhiều khi bị ẩm ướt

II

Tầng

mặt

-Cường độ cao, có khả năng chịu nén, kéo, cắt đều tốt Đặt biệt chịu lực ngang rất tốt, hạn chế bong bật của bánh xe do có chất atphan -Chịu tải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi

-Có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công

-Công tác duy tu, sửa chữa ít

-Thời gian sửa chữa tương đối dài

-Mặt đường có màu nâu sẫm khó định hướng xe chạy về ban đêm -Cường độ giảm khi nhiệt độ cao -Cường độ giảm khi bị nước tác dụng lâu dài

-Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường giảm khi mặt đường bị ẩm ướt

-Mặt đường bị “già hóa” dưới tác dụng của thời gian, tải trọng và khí hậu

-Yêu cầu thiết bị chuyên dụng, công tác tư vấn giám sát tương đối phức tạp

Tầng

móng

-Kết cấu chặt, kín chịu lực ngang tương đối tốt

-Tận dụng được vật liệu địa phương

-Giá thành thi công hạ, lượng XM dùng cho 1m3 vật liệu rất nhỏ: 70-120kg/m3

-Cường độ không cao: Eđh =1600-2200daN/cm2

- Không ổn định về cường độ về mùa mưa

-Yêu cầu phải có thiết bị chuyên dụng (thiết bị trộn, rải)

-Khống chế thời gian thi công (không quá 2 giờ)

-Kết cấu chịu tải trọng động kém

Nhận xét:

-Dựa vào những ưu nhược điểm của các phương án trên,đề xuất chọn phương án 1 KCAD có tầng mặt là lớp BTN chặt để tính toán thi công

2.3.Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường.

2.3.1.Xác định các thông số tính toán của nền đường và các lớp vật liệu mặt

đường.

Lớp kết cấu

(Từ dưới lên)

Chiều dày

đề xuất (cm)

E (Mpa)

R ku

(Mpa)

C (Mpa) Φ ( o C)

Tính

về độ võng

Tính về trượt kéo uốn Tính về

CP thiên nhiên

CPĐD

BTN chặt loại

BTN chặt loại

2.3.2.Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường và kết cấu áo lề gia cố theo tiêu

chuẩn độ võng đàn hồi cho phép.

Tính toán E ch của các phương án KCAD – so sánh với E yc

4

6

16

30

4 3 2 1 0

E 0

E 1

E 2

E 3

E 4

E ch

D p

4 3

0

E 0

E 3

E 4

E ch

D p

4

0

E 0

E 4

E ch

D p

0

E 0

E ch

D p

* Điều kiện tính toán:

Ech ≥ Kdv

- Ech: môđun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đường

- Eyc: môđun đàn hồi yêu cầu

- Hệ số cường độ về độ võng Kdv

cd được chon tuỳ thuộc vào độ tin cậy thiết kế, Với đường cấp IV, tốc độ thiết kế 60km/h, ta chọn độ tin cậy thiết kế là 0,85 do đó Kdv

cd

= 1,06 (theo bảng 3.2 và 3.3 tài liệu [3])