THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

 9.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ Tuyến đường cấp III, thiết kế mới ở vùng đồi núi với tốc độ Vtk = 60kmh. Thời hạn thiết kế 15 năm Số làn xe: 2 làn Lưu lượng xe năm đầu: No = 1019 xengđ Mức tăng xe hàng năm: p = 6% Thành phần xe chạy: + Xe tải loại 3 trục KRAZ257: 27% + Xe tải loại 2 trục: • Loại nặng MAZ500: 20% • Loại vừa ZIL130: 10% • Loại nhẹ M21: 34% + Xe con: 9%  9.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ Tuyến đường cấp III, thiết kế mới ở vùng đồi núi với tốc độ Vtk = 60kmh. Thời hạn thiết kế 15 năm Số làn xe: 2 làn Lưu lượng xe năm đầu: No = 1019 xengđ Mức tăng xe hàng năm: p = 6% Thành phần xe chạy: + Xe tải loại 3 trục KRAZ257: 27% + Xe tải loại 2 trục: • Loại nặng MAZ500: 20% • Loại vừa ZIL130: 10% • Loại nhẹ M21: 34% + Xe con: 9%  9.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ Tuyến đường cấp III, thiết kế mới ở vùng đồi núi với tốc độ Vtk = 60kmh. Thời hạn thiết kế 15 năm Số làn xe: 2 làn Lưu lượng xe năm đầu: No = 1019 xengđ Mức tăng xe hàng năm: p = 6% Thành phần xe chạy: + Xe tải loại 3 trục KRAZ257: 27% + Xe tải loại 2 trục: • Loại nặng MAZ500: 20% • Loại vừa ZIL130: 10% • Loại nhẹ M21: 34% + Xe con: 9%

CHƯƠNG 9.

THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM



9.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ

- Tuyến đường cấp III, thiết kế mới ở vùng đồi núi với tốc độ Vtk = 60km/h

- Thời hạn thiết kế 15 năm

9.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

9.2.1 Thông số các loại xe:

Bảng 9.1 Thông số các loại xe

Loại xe

Trọng lượng trục xe khi có hàng

P i (kg)

Trọng lượng trục xe khi có hàng

P i (kN)

Số trục sau

Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau

Khoảng cách giữa các trục sau (m)

Trước Sau Trước Sau

*Ghi chú: lấy g = 9.81m/s 2

9.2.2 Lưu lượng xe ở năm cuối thời hạn thiết kế:

Lưu lượng xe chạy ở năm cuối thời kỳ thiết kế (năm thứ t = 15):

Lượng xe n i (xe/ngđ/2chiều)

9.2.3 Quy đổi trục xe các loại về trục xe tiêu chuẩn 100kN:

Bảng 9.3 Bảng quy đổi trục xe các loại về trục xe tiêu chuẩn 100kN

Loại xe Loại trục P i

(kN) C 1 =1+1.2(m-1) C 2 n i

(xe/ngđ/2chiều)

4.4

1 .(2 )100

• C1 là hệ số trục được xác định như sau :

C1 =1+1,2(m−1)

m : số trục của cụm trục trước hoặc cụm trục sau

• C2 : hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh

C2 = 6,4 với các cụm bánh chỉ có 1 bánh

C2 = 1,0 với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh)

• ni : số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục Pi cần được quy đổi về tảitrọng trục tính toán tiêu chuẩn

9.2.4 Số trục xe tiêu chuẩn 100kN trên một làn xe:

tt L

N =N.f =1572 0.55 865 TXTC / ngđ.lan× =Trong đó: fL là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe Đối với đường có 2 làn

xe không có dải phân cách thì fL = 0.55

9.2.5 Số trục xe tiêu chuẩn 100kN tích lũy trên 1 làn xe trong thời hạn thiết kế

t = 15 thời hạn khai thác đường

9.3 THIẾT KẾ CẤU TẠO

Dựa vào các thông số thiết kế và Bảng 2-1 (22 TCN211-06) ta chọn tầng mặt là loại cấpcao A1.

9.3.1 Cấu tạo các tầng trong kết cấu áo đường:

- Tầng mặt:

 Bê tông nhựa chặt hạt trung rải nóng, có độ rỗng còn dư từ 3-6% thể tích, có cỡ hạtlớn nhất danh định 12.5mm (BTNC12.5), có hàm lượng đá dăm từ 50-57% (loạiA)

 Tưới nhựa lỏng dính bám RC-70 với hàm lượng 0.5 lít/m2 [6]5.4.4

 Bê tông nhựa chặt hạt trung rải nóng, có độ rỗng còn dư từ 3-6% thể tích, có cỡ hạtlớn nhất danh định 19mm (BTNC19), có hàm lượng đá dăm từ 50-57% (loại A)

 Tưới nhựa lỏng thấm bám MC – 70 với hàm lượng 1 lít/m2 [5]3.2.5b

W a

% ; độ chặt K = 95%

W : độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên

Wnh : độ ẩm giới hạn nhão hay chảy (từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão) xác định bằng

Module đàn hồi (MPa) R u (MPa) c (MPa)ϕ (độ)

9.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

9.4.1 Điều kiện tính toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép:

9.4.1.1 Mô đun đàn hồi yêu cầu

Trị số module đàn hồi yêu cầu xác định từ công thức:

Ta tìm được trị số module đàn hồi yêu cầu: Eyc = 52.48 + 46.51xlog731= 185.67MPa

Theo TCVN 22TCN 211 – 06, trị số module đàn hồi tối thiểu đối với đường cấp III tầng mặtcấp cao A1 là Emin = 140MPa < Eyc = 189.07 MPa

9.4.1.2 Hệ số về dự trữ cường độ về độ võng và độ tin cậy mong muốn:

Theo 22TCN 251-98, với đường thiết kế cấp III thì hệ số suất đảm bảo K = 1,3 nên độ tincậy thiết kế là 90%

⇒

Hệ số dự trữ cường độ về độ võng

dv cd

9.4.2 Xác định chiều dày lớp bê tông nhựa:

Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán 15 năm kể từ khi đưa mặt đường vàokhai thác trên 1 làn xe: Ne = 3.25×106 (TXTC/làn)

Ta chọn tổng bề dày lớp bê tông nhựa của tầng mặt cấp cao A1 là 12cm

9.4.3 Giải bài toán móng kinh tế:

Trình tự giải:

Eo = 47MPa E1 = 200MPa E2 = 300MPa

E3 = 420MPa E4 = 420MPa

1

.1

=

+

+ +

i i i

i i i

i tb

h h E

E h

h E E

và sơ đồ sau :

Hình 9.2 Sơ đồ minh họa quy đổi hệ nhiều lớp thành hệ hai lớp

c/ Xác định Gmin của hai lớp móng, từ đó suy ra chiều dày của lớp 1 và lớp 2 tương ứng

Cụ thể như sau :

Cho trước h2 = 15cm rồi thử dần giá trị h1 sao cho Ech,m thỏa điều kiện tính toán theo độ võng đànhồi cho phép

Bảng 9.6 Quy đổi các lớp áo đường về 1 lớp

Chiều dày (cm) E tbk (30 o ) h k (cm) E tbk (MPa) H(cm) E tbk (MPa)

β =   ÷ = × ÷ =

Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 87cm có module đàn hồi trung

o tbhc

E h

Tăng dần giá trị h2, tiến hành tương tự như trên ta được bảng sau :

Bảng 9.7 Bảng xác định các cặp h1 và h2 thỏa điều kiện môđun đàn hồi yêu cầu

Bảng 9.8 Bảng đơn giá CẤP PHỐI ĐÁ DĂM (VNĐ/100m 2 )

Chiều dày (cm) Mã hiệu Vật liệu Nhân công Máy

Bảng 9.9 Bảng đơn giá CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN (VNĐ/100m 2 )

Chiều dày (cm) Mã hiệu Vật liệu Nhân công Máy

Bảng 9.13 Bảng tóm tắt kết quả tính toán các lớp áo đường phương án 1

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN 1 Vật liệu Chiều dày (cm) Đơn giá XD tầng móng (VNĐ/100m 2 )

Tổng chiều dày 71

9.5 KIỂM TOÁN KẾT CẤU

9.5.1 Kiểm toán cường độ kết cấu nền áo đường theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và lớp cấp phối thiên nhiên khi lớp mặt BTN ở 60 o C:

9.5.1.1 Kiểm tra ứng suất cắt trong nền đất

Các biến dạng dẻo cục bộ trong nền đất và các lớp vật liệu dính, cấu tạo kết cấu áo đườngphải thoả mãn điều kiện:

tr d

ax av

c

C K

[3] (3.7)Trong đó:

&

ax av

là lực cắt gây trượt do tải trọng bánh xe và tải trọng của các lớp bên trên gây

ra trong lớp đang xét

Ctt : lực dính tính toán của đất

tr

d 0.94

c

K =

: hệ số cường độ về cắt trượt với độ tin cậy 90% [3]3.5.1

 Ứng suất cắt hoạt động lớn nhất τax

- Quy đổi các lớp áo đường thành lớp tương đương như sau:

Bảng 9.23 Quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp có cùng modun đàn hồi

Hình 9.5 Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp để kiểm toán nền đất

Xét đến hệ số điều chỉnh β :

 Ứng suất cắt chủ động τav

Ứng suất cắt chủ động xác định từ công thức:

τav = 10-4.(5 – 0.3ϕ).H = 10-4 ×(5 – 0.3×20)×71 = - 0.007daN/cm2 = - 0.0007MPa

 Lực dính tính toán C tt

Ctt = c.K1.K2.K3 = 0.038×0.6×0.8×1.5 = 0.0274MPa [3](3.8)Trong đó: c = 0.032MPa lực dính của đất nền

K1 = 0.6 hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất nền chịu tải động

K2 = 0.8 hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu

K3 = 1.5 hệ số xét đến sự tăng sức chống trượt của đất nền

 Kiểm tra điều kiện:

τax + τav = 0.0074 + (-0.0007) = 0.0067MPa ≤

tr d

0.0274

0.02910.94

tt c

C

MPa

Kết luận: Thỏa điều kiện cắt trượt trong nền đất.

9.5.1.2 Kiểm tra ứng suất cắt trong lớp cấp phối thiên nhiên

Tiến hành tương tự, các ứng suất cắt trong lớp móng dưới cần đảm bảo phương trình [3] (3.7)

 Ứng suất cắt hoạt động lớn nhất τax

- Quy đổi các lớp mặt và lớp móng trên của áo đường thành lớp tương đương như sau:

Bảng 9.24 Quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp có cùng modun đàn hồi

Hình 9.6 Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp để kiểm toán lớp móng CPTN

Xét đến hệ số điều chỉnh β :

o E

320.9733

Trong đó: C = 0.05MPa lực dính của lớp cấp phối thiên nhiên

Các hệ số Ki lấy như trên

 Kiểm tra điều kiện:

τax + τav = 0.0187 + (-0.0027) = 0.016MPa ≤

tt tr cd

C 0.0360

0.0383MPa

K = 0.94 =

Kết luận: Thỏa điều kiện cắt trượt trong lớp CPTN

9.5.2 Kiểm toán cường độ kết cấu nền áo đường theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy lớp Bê tông nhựa ở 15 o C:

9.5.2.1 Ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy lớp mặt đường

- Quy đổi 2 lớp mặt thành 1 lớp có modun đàn hồi tương đương:

Bảng 9.25 Quy đổi hai lớp BTN về một lớp có cùng modun đàn hồi

- Quy đổi hệ 2 lớp (gồm tầng móng và nền đất) về hệ 1 lớp:

+ Quy đổi 2 lớp móng áo đường thành lớp có mudule đàn hồi tương đương như sau:

Bảng 9.26 Quy đổi hai lớp của tầng móng về một lớp có cùng modun đàn hồi

Ta có : ,

470.157300.6

h

D = =

( )

, ,

, 3

0

1 2 3 4

E H H H H

chung mó ng

tb

4 3

0x4

+ H H E E

kb = 0.85 hệ sớ xét đến đặc điểm phân bớ ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng

của tải trọng tính tốn là bánh đơi với tải trọng trục tiêu chuẩn

p = 0.6 MPa áp lực bánh xe tính tốn tác dụng lên mặt đường

9.5.2.2 Ứng suất kéo uốn cho phép tại đáy áo đường

ku

tt 1 2 ku

R =k k R =0.4103 1 2.8 1.1488MPa× × =

[3](3.11)Trong đó: Rku = 2.8MPa cường độ chịu kéo uốn giới hạn của BTNC

k2 = 1 hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian do khí hậu đối với BTNC loạiI

11.11 11.11

0.4103(3.25 10 )

hệ số xét đến sự mỏi do tải trọng trùng phục

9.5.2.3 Kiểm tra điều kiện:

ku 0.9849 MPa

σ =

<

ku tt ku cd

9.6 THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG LỀ GIA CỐ

9.6.1 Số trục xe tiêu chuẩn 100kN trên một làn xe

Với đường có 2 làn xe ta lấy Ntt trên lề gia cố bằng 50% Ntt của làn xe cơ giới liền kề:

9.6.3 Thiết kế cấu tạo

Để thuận tiện cho công tác thi công, ta chọn kết cấu áo đường lề gia cố tương tự như của mặtđường xe chạy Trong đó, chiều dày tầng măt và lớp trên tầng móng được giữ nguyên còn chiềudày lớp CPTN (lớp móng dưới) sẽ được thử dần sao cho giá thành xây dựng thấp nhất nhưng thỏamãn được modun đàn hồi yêu cầu

Bảng 9.27 Cấu tạo dự kiến của kết cấu áo đường lề gia cố

KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG PXC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG LGC

Tổng chiều dày 71 Tổng chiều dày h1+37

9.6.4 Tính toán thiết kế

9.6.4.1 Điều kiện tính toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

9.6.4.1.1 Mô đun đàn hồi yêu cầu

Trị số module đàn hồi yêu cầu xác định từ công thức:

Ta tìm được trị số module đàn hồi yêu cầu: Eyc = 55.92 + 45.23xlog433= 175.15MPa

Theo TCVN 22TCN 211 – 06, trị số module đàn hồi tối thiểu đối với đường cấp III tầng mặtcấp cao A1 là Emin = 120MPa < Eyc = 175.15 MPa

Bảng 9.28 Quy đổi các lớp áo đường về 1 lớp

Chiều dày (cm) E tbk (30 o ) h k (cm) E tbk (MPa) H(cm) E tbk (MPa)

nên tra bảng ta được: β =1.201 [3] Bảng 3-6

Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 61cm có module đàn hồi trung

Ta có : ,

47

0.138340.11

, 3

cd

arctg MPa

Kết luận: Bề dày lớp CPTN được chọn là h1=20cm

9.6.4.3 Kiểm toán kết cấu

9.6.4.3.1 Kiểm toán cường độ kết cấu nền áo đường theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và lớp cấp phối thiên nhiên khi lớp mặt BTN ở 60 o C:

9.6.4.3.1.1 Kiểm tra ứng suất cắt trong nền đất

Các biến dạng dẻo cục bộ trong nền đất và các lớp vật liệu dính, cấu tạo kết cấu áo đườngphải thoả mãn điều kiện:

tr d

ax av

c

C K

[3] (3.7)Trong đó:

&

ax av

là lực cắt gây trượt do tải trọng bánh xe và tải trọng của các lớp bên trên gây

ra trong lớp đang xét

Ctt : lực dính tính toán của đất

tr

d 0.94

c

K =

: hệ số cường độ về cắt trượt với độ tin cậy 90% [3]3.5.1

 Ứng suất cắt hoạt động lớn nhất τax

- Quy đổi các lớp áo đường thành lớp tương đương như sau:

Bảng 9.29 Quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp có cùng modun đàn hồi

Hình 9.9 Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp để kiểm toán nền đất

Xét đến hệ số điều chỉnh β :

Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 58cm có module đàn hồi trung

 Ứng suất cắt chủ động τav

Ứng suất cắt chủ động xác định từ công thức:

τav = 10-4.(5 – 0.3ϕ).H = 10-4 ×(5 – 0.3×20)×59 = - 0.006daN/cm2 = - 0.0006MPa

 Lực dính tính toán C tt

Ctt = c.K1.K2.K3 = 0.038×0.9×1.0×1.5 = 0.0513MPa [3](3.8)Trong đó: c = 0.038 MPa lực dính của đất nền

K1 = 0.9 hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất nền chịu tải động lấy

cho lề gia cố

K2 = 1.0 hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu lấy

cho lề gia cố

K3 = 1.5 hệ số xét đến sự tăng sức chống trượt của đất nền

 Kiểm tra điều kiện:

τax + τav = 0.0126 + (-0.0006) = 0.0115MPa ≤

tr d

0.0513

0.05460.94

tt c

C

MPa

Kết luận: Thỏa điều kiện cắt trượt trong nền đất

9.6.4.3.1.2 Kiểm tra ứng suất cắt trong lớp cấp phối thiên nhiên

Tiến hành tương tự, các ứng suất cắt trong lớp móng dưới cần đảm bảo phương trình [3] (3.7)

 Ứng suất cắt hoạt động lớn nhất τax

- Quy đổi các lớp mặt và lớp móng trên của áo đường thành lớp tương đương như sau:

Bảng 9.30 Quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp có cùng modun đàn hồi

Hình 9.10 Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp để kiểm toán lớp móng CPTN

Xét đến hệ số điều chỉnh β :

o E

1 3

Trong đó: C = 0.05MPa lực dính của lớp cấp phối thiên nhiên.

Các hệ số Ki lấy như trên

 Kiểm tra điều kiện:

τax + τav = 0.0161 + (-0.0027) = 0.0134MPa ≤

tt tr cd

C 0.0675

0.0718MPa

K = 0.94 =

Kết luận: Thỏa điều kiện cắt trượt trong lớp CPTN

9.6.4.3.2 Kiểm toán cường độ kết cấu nền áo đường theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy lớp Bê tông nhựa ở 15 o C:

9.6.4.3.2.1 Ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy lớp mặt đường

- Quy đổi 2 lớp mặt thành 1 lớp có modun đàn hồi tương đương:

Bảng 9.31 Quy đổi hai lớp BTN về một lớp có cùng modun đàn hồi

- Quy đổi hệ 2 lớp (gồm tầng móng và nền đất) về hệ 1 lớp:

+ Quy đổi 2 lớp móng áo đường thành lớp có mudule đàn hồi tương đương như sau:

Bảng 9.32 Quy đổi hai lớp của tầng móng về một lớp có cùng modun đàn hồi

Xét đến hệ số điều chỉnh β :

Ta có : ,

470.158297.9

, 3

arctg 

=

Cấp phối thiên nhiên Cấp phối đá dăm : BTNC loại :IIA BTNC loại :IA

0

1 2 3 4

E H H H H

chung mó ng

tb 4 3

0x4

+ H H E E

kb = 0.85 hệ sớ xét đến đặc điểm phân bớ ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng

của tải trọng tính tốn là bánh đơi với tải trọng trục tiêu chuẩn

p = 0.6 MPa áp lực bánh xe tính tốn tác dụng lên mặt đường

9.6.4.3.2.2 Ứng suất kéo uốn cho phép tại đáy áo đường

ku

tt 1 2 ku

R =k k R =0.4772 1 2.8 1.3362MPa× × =

Trong đĩ: Rku = 2.8MPa cường đợ chịu kéo uớn giới hạn của BTNC loại I

k2 = 1.0 hệ sớ xét đến sự suy giảm cường đợ theo thời gian do khí hậu đới với BTNCloại I

11.11 11.11

0.4772(1.65 10 )

hệ sớ xét đến sự mỏi do tải trọng trùng phục

9.6.4.3.2.3 Kiểm tra điều kiện:

ku 0.9915 MPa

σ =

<

ku tt ku cd

Bảng 9.33 Kết quả tính toán áo đường mềm

KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG PXC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG LGC

Vật liệu Chiều dày (cm) Vật liệu Chiều dày (cm)

Hình 9.12 Các lớp trong kết cấu áo đường