Chương 5 (TKD2)

 Như vậy, về mặt chịu lực thì kết cấu áo đường cần có nhiều tầng lớp có nhiệm vụ khác nhau để đáp ứng yêu cầu chịu lực khác nhau phù hợp với trạng thái ứng suất: Cường độ các lớp giảm d

TS LÊ VĂN PHÚC GVBM: Đường Bộ-Đường Sắt Email: lvphuc@utc2.edu.vn

University of Transport and Communications

Campus in Ho Chi Minh

THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG Chương VII

Chương V

TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ (BỀ DÀY) ÁO ĐƯỜNG MỀM (THEO 22TCN 211-06) Chương VI

2

3

Khi thiết kế và xây dựng áo đường phải đạt được các yêu cầu sau đây:

1. Áo đường phải có đủ cường độ chung biểu thị qua khả năng chống lại biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt, biến dạng co

dãn do chịu kéo uốn hoặc do thay đổi nhiệt độ Ngoài ra, cường độ của áo đường phải ít thay đổi theo điều kiện thời tiết, khí hậu, tức là phải ổn định về mặt cường độ

được tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiện liệu và kéo dài tuổi thọ của xe, giảm giá thành vận tải Để đảm bảo được độ bằng phẳng thì khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp và chú ý đến các biện pháp kỹ thuật khi thi công

Khi thiết kế và xây dựng áo đường phải đạt được các yêu cầu sau đây:

Áo đường phần xe chạy cho ô tô và áo lề gia cố có cho xe thô sơ đi phải đảm bảo bề mặt đạt được độ bằng phẳng yêu cầu ở thời điểm bắt đầu đưa đường vào khai thác đánh giá bằng chỉ số đo độ gồ ghề quốc tế IRI (đo theo chỉ dẫn ở TCVN 8865-2011) Như ở Bảng 1.1

Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h)

Chỉ số IRI yêu cầu (m/Km) Đường xây dựng mới Đường cải tạo, nâng cấp

3 Bề mặt của áo đường phải có đủ độ nhám nhất định để nâng cao hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường, tạo điều kiện tốt cho

xe chạy an toàn với tốc độ cao và trong trường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng Để đảm bảo được độ nhám thì khi thiết kế phải nghiên cứu chọn kết cấu tầng mặt thích hợp

Độ nhám của bề mặt kết cấu áo đường là bê tông nhựa phải đạt được yêu cầu tối thiểu quy định thông qua chỉ tiêu chiều sâu rắc cát trung bình tuỳ thuộc tốc độ chạy xe yêu cầu và mức độ nguy hiểm của đoạn đường thiết kế như ở Bảng 1-2 dưới đây theo quy trình

TCVN 8866-2011:

Bảng 1.2: Yêu cầu về độ nhám mặt đường

4 Áo đường phải có sức chịu bào mòn tốt và sản sinh ra ít bụi Vì bụi sẽ làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa và gây ô nhiễm môi trường.

Không phải lúc nào cũng đòi hỏi áo đường phải có đủ phẩm chất đáp ứng các yêu cầu nói trên một cách tốt nhất, vì như vậy sẽ rất tốn kém, nhất là khi cường độ vận tải còn thấp Do đó người thiết kế phải xuất phát từ yêu cầu thực tế, ý nghĩa và tầm quan trọng của đường, để đưa ra những kết cấu mặt đường thích hợp thỏa mãn ở các mức độ khác nhau các yêu cầu nói trên.

Khi xe chạy, lực tác dụng lên kết cấu áo đường gồm hai thành phần:

- Lực thẳng đứng do tải trọng xe chạy, gây ra

trạng thái ứng suất σz trong kết cấu áo đường: Trên bề mặt σz = p (p là áp lực

thẳng đứng do tải trọng bánh xe nặng nhất truyền xuống qua diện tích vệt tiếp xúc

giữa bánh xe với mặt đường) Lực thẳng đứng truyền xuống khá sâu cho đến nền

đất (trong phạm vi tác dụng của tải trọng) khiến nền đất phải tham gia chịu tải

- Lực nằm ngang do sức kéo, lực hãm, lực

ngang (khi xe chạy trong đường cong) gây

ra trạng thái ứng suất σx trong kết cấu áo đường

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường theo chiều sâu

σx = (0,2-0,3)p khi xe chạy và σx = (0,75-0,85)p khi hãm xe.

 Lực ngang chủ yếu tác dụng trên gần mặt áo đường mà không truyền sâu xuống các lớp dưới nên chỉ gây trạng thái ứng suất ở các lớp trên cùng của các lớp kết cấu làm cho vật liệu tại đó bị xô trượt, bào mòn dẫn đến phá hoại

 Như vậy, về mặt chịu lực thì kết cấu áo đường cần có nhiều tầng lớp có nhiệm vụ khác nhau để đáp ứng yêu cầu chịu lực khác nhau phù hợp với trạng thái ứng suất: Cường độ các lớp giảm dần, lớp vật liệu tốt có cường độ cao, có sức chịu bào mòn tốt ở trên, lớp vật liệu rời rạc có cường độ thấp ở dưới

Hình 1.2 Cấu tạo các tầng lớp trong kết cấu áo đường

1 Tầng mặt: Tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng và lực nằm ngang) và tác dụng của các

nhân tố thiên nhiên (mưa, gió, thay đổi nhiệt độ,…) Để chịu được các tác dụng đó, tầng mặt đòi hỏi phải được làm bằng các vật liệu có cường độ và sức liên kết tốt Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độ nhám, chống thấm nước, chống nứt, có khả năng chịu mài mòn tốt, không bụi và ít bong bật

Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm: lớp tạo nhám, tạo phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại bề mặt và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường) rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm

2 Tầng móng: Chịu lực thẳng đứng là chính, nhiệm vụ là truyền và phân bố lực thẳng đứng để khi truyền xuống nền đất thì ứng

suất sẽ giảm đến một mức độ đất nền đường có thể chịu được mà không tạo nên biến dạng thẳng đứng hoặc biến dạng trượt quá lớn.Vật liệu tầng móng có thể dùng loại rời rạc nhưng phải đảm bảo có độ cứng nhất định Có thể bố trí các lớp vật liệu có cường

độ giảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống nền đường Như vậy có thể tận dụng được vật liệu tại chỗ địa phương để giảm giá thành xây dựng

3 Lớp đáy áo đường:

Lớp đáy áo đường có các chức năng sau:

– Tạo được một lòng đường chịu lực đồng nhất, sức chịu tải tốt;

– Ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên móng áo đường;

– Tạo "hiệu ứng đe" để bảo đảm chất lượng đầm nén các lớp móng phía trên;

– Tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không gây hư hại nền đất phía dưới (ngay cả khi thời tiết xấu) Lớp đáy móng cấu tạo bằng đất hoặc vật liệu thích hợp để đạt được các yêu cầu sau:

– Độ chặt đầm nén cao K = 1,00 ÷ 1,02 (đầm nén tiêu chuẩn);

– Môđun đàn hồi E ≥ 50 MPa (500 daN/cm2) hoặc chỉ số CBR ≥ 10 (tùy theo

loại đất);

– Bề dày tối thiểu là 30 cm.

4 Móng nền đất : Cũng là một bộ phận của kết cấu áo đường và gọi là kết cấu tổng thể nền mặt đường.

Kết cấu nền áo đường hay kết cấu tổng thể nền mặt đường gồm kết cấu áo đường ở trên và phần khu vực tác dụng của nền đường

ở dưới Thiết kế tổng thể nền mặt đường có nghĩa là ngoài việc chú trọng các giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường còn phải chú trọng đến các giải pháp nhằm tăng cường cường độ và độ ổn định cường độ đối với khu vực tác dụng của nền đường

1) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối:

hình dạng sần sùi sắc cạnh và có cường độ tương đối cao Thông qua quá trình vừa lu lèn (khi lu có tưới nước để đá dễ chặt và khỏi vỡ) vừa chèn thêm các cỡ đá dăm kích thước nhỏ hơn so với đá cơ bản, cường độ của lớp áo đường này sẽ hình thành trên cơ sở ma sát, chèn móc giữa các hòn đá với nhau

Ưu điểm: công nghệ thi công đơn giản

Nhược điểm: đòi hỏi quá cao về hình dạng, kích cỡ và cường độ của đá, tốn công lu lèn, sức chịu bong bật kém nên thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp thấp và làm lớp móng cho đường cấp cao

 Theo nguyên lý cấp phối: là mặt đường cấp phối được cấu trúc bằng hỗn hợp đá, sỏi, cuội, cát, đất từ cỡ lớn đến cỡ nhỏ trộn với

nhau theo tỷ lệ nhất định để đảm bảo sau khi lu lèn hỗn hợp có độ rỗng nhỏ, tức là đạt được độ chặt lớn Cường độ sẽ được hình thành do lực dính và lực ma sát giữa các hạt tăng lên

 Ưu điểm: tạo thuận lợi cho việc sử dụng vật liệu địa phương, cường độ hạt không đòi hỏi quá cao, ít tốn công lu lèn

 Nhược điểm: kém ổn định đối với nước, mùa mưa thì lầy lội, mùa khô thì nhiều bụi

2) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính vô Cơ (xi măng, vôi,…): nhờ có chất kết dính nên cường độ và tính ổn định nước của các loại mặt

đường này được tăng lên rõ rệt

3) Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính hữu cơ (bi tum, guđrông).

 Áo đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có độ cứng rất lớn, cường độ chống biến dạng (mô đun đàn hồi hoặc

mô đun biến dạng) cũng cao hơn hẳn so với nền đất và đặc biệt có khả năng chịu kéo khi uốn rất lớn, do đó nó làm việc theo nguyên lý tấm trên nền đàn hồi và phân bố được áp lực của tải trọng bánh xe xuống nền đất trên một diện tích rộng làm cho nền đất phía dưới ít phải tham gia chịu tải

tải trọng bánh xe chúng chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu Cường độ và khả năng chống biến dạng của nó có thể thay đổi phụ thuộc vào thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm

1 Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường, mỗi phương án có thể có tầng mặt, tầng móng, số lớp bằng các vật liệu khác nhau, cấu trúc và công nghệ thi công khác nhau, phương án đầu tư một lần hay phân kỳ đầu tư,

Ngoài ra khi đề xuất các phương án kết cấu áo đường cần phải chú trọng đến yêu cầu bảo vệ môi trường, yêu cầu bảo đảm an toàn giao thông và cả yêu cầu về bảo vệ sức khoẻ, bảo đảm an toàn cho người thi công,

Nội dung công việc này chính là thiết kế cấu tạo các phương án kết cấu áo đường.

2 Tính toán kiểm tra cường độ chung và cường độ trong mỗi lớp kết cấu áo đường xác định bề dày mỗi lớp kết cấu áo đường theo các tiêu chuẩn giới hạn cho phép.

3 Tính toán luận chứng kinh tế – kỹ thuật, so sánh các phương án để lựa chọn phương án kết cấu áo đường tối ưu thỏa mãn được các yêu cầu đối với kết cấu áo đường, yêu cầu tận dụng vật liệu địa phương, phù hợp với công nghệ thi công và khả năng duy tu bảo dưỡng,

4 Tính toán, thiết kế tỷ lệ phối hợp các thành phần hạt và tỷ lệ phối hợp giữa vật liệu hạt khoáng với chất liên kết cho mỗi loại vật liệu sử dụng rồi kiểm nghiệm các đặc trưng cơ học của các vật liệu đó để đưa ra yêu cầu cụ thể đối với vật liệu sử dụng cho mỗi lớp kết cấu của phương án đã chọn.

có xét đến điều kiện khí hậu, khả năng cung cấp vật liệu, khả năng công nghệ thi công, khả năng duy tu bảo dưỡng, mà chọn loại tầng mặt thích hợp.

2 Chọn loại tầng móng: Gồm nhiều lớp được chọn tùy theo điều kiện nền đường, địa chất, thủy văn và tình hình vật liệu địa

phương sẵn có

Nên bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất của tải trọng xe chạy nhằm

sử dụng hợp lý khả năng làm việc của vật liệu mỗi lớp Tỷ số mô đun đàn hồi giữa lớp trên và lớp dưới kề nó bằng vật liệu kém dính không nên vượt quá 5 – 6 lần Số lớp cũng không nên quá nhiều để tránh phức tạp cho thi công và kéo dài thời gian khai triển dây chuyền công nghệ thi công

3 Về mô đun đàn hồi của các tầng lớp: Trừ trường hợp bố trí kết cấu ngược đối với mặt đường mềm, về mô đun và cường độ

các lớp vật liệu trong kết cấu thì cường độ các lớp giảm dần để phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất và hạ giá thành Tuy nhiên cường độ các lớp trên không nên cao hơn lớp dưới liền nó quá 3 lần về mô đun đàn hồi và tỷ số MĐĐH của nền đất và tầng móng nên nằm trong khoảng từ 0,08-:-0,40; Cả kết cấu cũng không nên bố trí quá nhiều lớp vật liệu tránh gây phức tạp cho thi công

4 Tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền mặt đường: tức là phải sử dụng các biện pháp tổng hợp để nâng cao cường độ của

nền đất, tạo điều kiện thuận lợi cho nền đất cùng tham gia chịu tải với áo đường

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

- Tăng mô đun của tầng móng là cần thiết nếu muốn giảm ứng suất kéo-uốn ở đáy tầng mặt; nên bố trí bề dày tầng móng không dưới 2d và bề dày tầng mặt không nên nằm trong khoảng 0,5-:-1,0d (d là bán kính của một vệt bánh trong cụm bánh đôi trục sau; với xe trục tiêu chuẩn 10T thì d=10,5-11cm)

- Không nên bố trí bề dày tầng mặt chỉ bằng một lớp bê tông nhựa dày từ 4-6cm mà tổng bề dày các lớp mặt rải nhựa phải ít nhất

là 15cm đối với đường cao tốc và 10cm đối với các đường cấp III trở lên

- Việc tăng bề dày áo đường sẽ không giảm được ứng suất cắt lớn nhất τmax xuất hiện ở lớp mặt trên cùng; để tránh lớp mặt trên bị phá hoại do ứng suất loại này thì biện pháp chủ yếu là phải dùng vật liệu lớp mặt có cường độ chống cắt-trượt cao (dùng nhựa cải tiến, dùng loại BTN chất lượng cao, )

6 Về bề dày các tầng lớp: Bề dày các tầng lớp kết cấu áo đường được quyết định thông qua tính toán, tuy nhiên về mặt cấu

tạo cũng có những yêu cầu nhất định:

- Vì đắt tiền nên các lớp càng ở trên càng nên làm mỏng đến mức tối thiểu, trong khi các lớp dưới rẻ tiền nên tăng bề dày

- Tuy nhiên, bề dày các lớp BTN trong kết cấu áo đường cấp cao A1 phải được khống chế tối thiểu như bảng 1.5

- Bề dày mỗi lớp không nên vượt quá bề dày có thể lèn ép được (tương ứng với các công cụ đầm nén sẵn có) Nếu vượt quá thì cùng một lớp vật liệu phải thi công hai lần, do đó chỉ hợp lý khi bề dày chọn gần với bội số của bề dày có thể lèn ép được Chiều đầy đầm nén có hiệu quả đối với bê tông nhựa thường không nên quá 8 cm đến 10 cm, các loại vật liệu khác có gia cố không quá 15 cm và không gia cố không quá 18 cm.

- Bề dày tối thiểu của mỗi lớp vật liệu không được nhỏ hơn 1,5 lần kích cỡ hạt cốt liệu lớn nhất và không được nhỏ hơn theo quy định của quy trình 22TCN 211-06 tùy theo loại vật liệu

 Để hạn chế hiện tượng nứt phản ánh, nếu kết cấu là mặt đường nhựa có sử dụng lớp móng trên (hoặc lớp mặt dưới) bằng vật liệu đất, đá gia cố chất liên kết vô cơ thì tổng chiều dày tối thiểu lớp mặt đường nhựa phía trên (bê tông nhựa, thấm nhập nhựa, láng nhựa) nên thiết kế như chỉ dẫn Bảng 1.7 tuỳ theo cấp hạng đường.

Bảng 1.7 Tổng chiều dày tối thiểu các lớp mặt đường nhựa nên bố trí ở trên móng đất đá gia cố chất liên kết vô cơ

 Tải trọng tác dụng lên mặt đường phụ thuộc vào trọng lượng của trục sau ô tô Tải trọng một bánh phải chịu sẽ thông qua khối hơi

ép ở trong săm truyền khỏi lốp rồi mới truyền xuống mặt đường Vì vậy kích thước và độ cứng của lốp cũng là nhân tố quan trọng quyết định vệt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

 Tải trọng xe chạy trên mặt đường sinh ra lực thẳng đứng và lực ngang như phân tích ở phần trên

 Để tiện tính toán áp lực bánh xe lên mặt đường và tiện mô phỏng bằng các thí nghiệm đo ép, người ta xem tiếp xúc đó gần đúng

là một hình tròn có diện tích bằng diện tích thực tế (diện tích tiếp xúc tương đương)

Hình 1.5 Tải trọng tác dụng lên kết cấu áo đường

 Tải trọng xe chạy tác dụng lên mặt đường có đặc điểm là một lực tác dụng động, đột ngột, tức thời và trùng phục nhiều lần Ngoài

ra khi chạy trên mặt đường không bằng phẳng lại sinh thêm lực xung kích Tải trọng xe chạy với các đặc điểm kể trên có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của đất nền và các lớp áo đường (là những vật liệu có tính đàn hồi, dẻo nhớt) cụ thể là ảnh hưởng đến trị

số biến dạng và khả năng chống biến dạng của chúng

 Thời gian tác dụng của tải trọng cũng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ (hoặc khả năng chịu biến dạng) của đất (hoặc vật liệu) và như vậy ở nhiều nước có đề nghị tính toán cường độ áo đường với tác dụng của tải trọng động ở các đoạn đường giữa các trạm dừng xe (dùng MĐĐH động) và dùng MĐĐH tĩnh ở những đoạn đỗ xe, dừng xe, trạm thu phí,

 Ngoài ra, dưới tác dụng của tải trọng động và trùng phục đất và vật liệu sẽ phát sinh hiện tượng mỏi và hiện tượng tích lũy biến dạng dư (đặc biệt với vật liệu có tính dẻo lớn thì biến dạng dư càng lớn)