Chuong 7 tài liệu môn học

VII.1.Các yêu cầu chung đối kết cấu áo đờng - Thứ nhất phải có đủ cờng độ chung: Tức là trong quá trình có đủ cờng độ chung tức là trong quá trình khai thác mặt đờng không đợc phát sinh

Trang 1

chơngVII: thiết kế KếT CấU áo ĐƯờNG

Kết cấu áo đờng là bộ phận đắt tiền nhất của đờng ôtô ở

n-ớc ta chi phí xây dựng áo đờng chiếm 45-65% (đối tuyến đờng vùng đồng bằng và đồi) và 30-45 %

( đối vùng núi) của tổng giá thành xây dựng tuyến đờng Đồng thời

áo đờng cũng là bộ phận trực tiếp chịu ảnh hởng nhiều nhất đến

điều kiện chạy xe Tiền bỏ ra sửa chữa mặt đờng thờng cũng chiếm hầu hết kinh phí duy tu bão dỡng đờng ôtô hàng năm Do vậy việc thiết kế áo đờng đúng đắn là có 1 ý nghĩa hết sức to lớn về mặt kinh tế kĩ thuật

VII.1.Các yêu cầu chung đối kết cấu áo đờng

- Thứ nhất phải có đủ cờng độ chung: Tức là trong quá trình có

đủ cờng độ chung tức là trong quá trình khai thác mặt đờng không đợc phát sinh những biến dạng không cho phép nh: biến dạng thẳng đứng, biến dạng trợt và cờng độ phải đợc duy trì trong suốt thời gian sử dụng

Theo quy trình thì: “ Một kết cấu áo đờng đợc xem là đủ c-ờng độ nếu nh trong suốt quá trình sử dụng , dới tác dụng của tải trọng dòng xe tại một điểm bất kì của kết cấu áo đờng cũng không

đợc phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của lớp liền khối không bị phá vỡ và độ lún không vợt quá trị số cho phép

- Thứ hai là kết cấu áo đờng phải bằng phẳng nhất định: để

giảm sức cản lăn, giảm xóc khi xe chạy, do đó nâng cao đợc tốc độ

xe chạy, giảm tiêu hao nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ của xe

- Thứ ba là kết cấu mặt đờng phải đảm bảo độ nhám nhất

định: để nâng cao hệ số bám giữa bánh xe và mặt đờng, tạo

Trang 2

khoa công trình - bộ môn đờng bộ PHầN I : lập báo cáo dự án đầu t

điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với vận tốc thiết kế và trong trờng hợp cần thiết có thể phanh xe an toàn

- Thứ t là kết cấu mặt đờng phải chịu đợc mài mòn tốt: tức là

để không sản sinh nhiều bụi càng tốt vì bụi làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu đối với hành khách, hàng hoá và làm bẩn môi tr-ờng sinh thái xung quanh Và phải sử dụng tận dụng vật liệu địa

ph-ơng

VII.2.Cơ sở để lựa chọn tính toán kết cấu áo đờng

Việc lựa chọn loại mặt đờng và móng đờng phải căn cứ vào các yếu tố sau:

+ Đối với mặt đờng:

- ý nghĩa cấp hạng kĩ thuật đờng.

- Lu lợng xe thiết kế.

- Tốc độ xe tính toán và khả năng cung cấp vật liệu.

- Phơng tiện thi công , điều kiện khí hậu và điều kiện duy tu

bão dỡng

+ Đối với móng đờng:

- Điều kiện địa chất , thuỷ văn thổ nhỡng.

- Tình hình nguyên vật liệu có sẵn.

+ Các nội dung kiểm toán kết cấu áo đờng:

- Tính toán độ lún đàn hồi thông qua khả năng chống biến

dạng

- Tính toán ứng suất cắt trong nền đất và các lớp vật liệu xem

nó có vợt quá trị số giới hạn cho phép không

- Tính toán ứng suất kéo uốn ở đáy các lớp vật liệu liền khối

nhằm khống chế không cho xuất hiện vết nứt

VII.3.Lựa chọn kết cấu áo đờng:

VII.3 1 Dự kiến cấp hạng kết cấu áo đờng:

Trang 3

- Tầng mặt của kết cấu áo đờng là bộ phận phải chịu đựng trực tiếp tác dụng phá hoại của xe cộ (đặc biệt là dới tác dụng phá hoại bề mặt) và của các yếu tố bất lợi về thời tiết, khí hậu Yêu cầu thiết kế cấu tạo tầng mặt là vật liệu và bề dày các lớp trong tầng mặt phải bảo đảm chịu đựng đợc các tác dụng phá hoại trực tiếp nêu trên đồng thời phải bảo đảm đợc các yêu cầu

sử dụng khai thác đờng về độ bằng phẳng và độ nhám Vật liệu làm các lớp tầng mặt phải có tính ổn định nhiệt, ổn

định nớc và không thấm nớc (hoặc hạn chế thấm nớc)

- Mức độ đảm bảo đợc các yêu cầu nêu trên là tơng đối và căn cứ vào bảng thống kê của điều 2.2 của quy trình thiết kế

áo đờng mềm 22TCN 211-06 thì từ cấp hạng kĩ thuật đờng 40

và cấp quản lí là cấp IV và phạm vi áp dụng của nó thì ta chọn thiết kế kết cấu áo đờng thuộc cấp cao A1

VII.3.2 Dự kiến vật liệu cho kết cấu áo đờng:

- Tuyến đi qua vùng Núi , điều kiện về kinh tế còn tơng đối khó khăn.Vì vậy cần tận dụng triệt để điều kiện tự nhiên về nguyên vật liệu

- Kết cấu áo đờng sẽ chủ yếu sử dụng vật liệu sẵn có Để

đảm bảo cờng độ, lớp móng dới sử dụng cấp phối đá dăm loại 2, lớp móng sử dụng cấp phối đá dăm loại I, tầng mặt BTN hạt trung

VII.3.3 Dự kiến về cấu tạo kết cấu áo đờng:

- Lớp mặt là loại BTN hạt mịn dày5cm

- Lớp mặt là loại BTN hạt trung dày7cm

- Lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm loại I dày 16 cm

- Lớp móng dới bằng cấp phối đá dăm loại II dày 30 cm

VII.4.Trình tự tính toán thiết kế :

VII.4.1 Số liệu ban đầu:

Để phục vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu áo đờng cần quy

đổi số trục khai thác về trục xe tính toán tiêu chuẩn loại 100 kN (10 tấn)

Bảng 1: Dự báo thành phần xe ở năm cuối của thời hạn thiết kế Loại xe Trọng lợng trục Pi (kN)

Trang 4

T

Số trụ c sa u

Số bánh của mỗi cụm bánh

ở trục sau

Khoảng cách giữa các trục sau (m)

Lu lợng xe (xe/ng

đ) Trục trớc Trục sau

Cụm bánh

VII.4.2 Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN:

Việc tính toán quy đổi đợc thực hiện nh mục 3.2.3 theo biểu

thức (3.1) và (3.2); cụ thể là:

4 4 1

2 1

100











=∑

=

i i k

I

P n c c N

Với C1 = 1+1,2(m-1) và C2 = 6,4 cho các trục trớc 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)

Việc tính toán đợc thực hiện nh ở Bảng2

Bảng 2: Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

(kN) C1 C2 ni C1.C2.ni.()

4,4

Trang 5

Xe tải nặng 2 Trục trớc 45,20 1,0 6,4 20 3.89

Tổng = 269

Ghi chú ở Bảng 2:

* Vì tải trọng trục dới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy

đổi (xem mục 3.2.3)

** Vì khoảng cách các trục sau lớn hơn 3,0 m nên việc quy đổi đợc thực hiện riêng từng trục, tức là C1=2,0 (xem mục 3.2.3)

Kết quả tính đợc N = 269 trục xe tiêu chuẩn / ngày

đêm

*Số trục xe cho năm tơng lai :

1(1 )n 1

tbnam tb

N =N +q − =269x(1+0,07)15 − 1=694 (trục xe tiêu chuẩn / ngày

đêm) Trong đó: q là hệ số tăng trởng lu lợng xe hàng năm q=7%

VII.4.3 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế:

1 Tính số trục xe tiêu chuẩn tính toán trên một làn xe của phần

xe chạy:

Ntt = Ntk.fL

Vì đờng thiết kế có 2 làn xe nên theo 3.3.2 trị số fL = 0,55

Do vậy: Ntt = 694 x 0,55=382 (trục/ngày đêm.làn)

Từ số trục xe tính toán trong 1 ngày đêm trên 1 làn xe là 382 trục/làn ngàyđêm nên tra Bảng3-4 (nội suy giữa Ntt=200 và

Ntt=500) tìm đợc Eyc =170.91Mpa (lớn hơn Eyc tối thiểu với đờng cấp

Trang 6

IV theo Bảng 3-5 là 130Mpa) do vậy lấy Eyc =170.91Mpa để kiểm toán

Dự báo tỷ lệ tăng trởng lợng giao thông trung bình năm q = 7%.Do biết số trục dự báo ở năm cuối của của thời hạn thiết kế

Nt(trục/ng.đ) nên ta tính số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong thời hạn thiết kế Ne theo công thức sau:

1

1 365 )

1 (

] 1 ) 1 [(

N q

q

+

− +

trong đó:

N1 là số trục xe tiêu chuẩn trung bình ngày đêm của năm đầu

đ-a đờng vào khđ-ai thác sử dụng (trục/ngày đêm):

Với số liệu ở trên ta có thể tính đợc Ne tơng ứng với tỷ lệ tăng trởng lợng giao thông trung bình năm q=0,07 (7%) và t =15 năm là:

[ ] *365*382

) 07 0 1 (

* 07 0

1 07 0 1

14

15

+

− +

=

e

2.Dự kiến cấu tạo kết cấu áo đờng

- Chọn tầng móng gồm có 2 lớp :

+ CPĐD loại I (móng trên) có chiều dày 16cm

+ CPĐD loại II (móng dới) có chiều dày 30 cm

- Tầng mặt bằng 1 lớp dày tối thiểu của tầng mặt này phải tuân thủ quy định ở mục 2.2.9; nếu theo tổng số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong 15năm trên 1 làn xe Ne=1,36.106 thì tổng chiều dày tối thiểu lớp BTN phải là 9cm(bảng 2.2 mục 2.2.9).Từ căn cứ trên ta chọn

2 lớp BTN nh sau:

+ BTN hạt mịn có chiều dày 5 cm

+ BTN hạt trung có chiều dày 7 cm

- Theo các chỉ dẫn ở các mục 3.4.6, 3.5.5, 3.4.7 và 3.6.4 (quy trình) các đặc trng tính toán đợc tập hợp ở Bảng 3 dới đây:

Bảng 3: Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và các đặc trng tính toán của mỗi lớp kết cấu

Lớp kết cấu (từ dới

lên) dàyBề Mô đun đàn hồiE (Mpa)

Trang 7

ku

(Mpa)

C (MPa )

ộ)

Tính

về độ võng E(Mpa)

Tính về trợt

Tính về kéo uốn Ru

- Đất nền á sét nhẹ,

- Cấp phối đá dăm

- Bê tông nhựa hạt

VII.4.4.Tính toán thiết kế.

1 Kiểm tra cờng độ chung của kết cấu dự kiến theo tiêu chuẩn về

độ võng đàn hồi

a/ Đổi tầng 2 lớp một từ dới lên theo biểu thức:

3 3 / 1 1

1









 +

+

=

k

kt E

Bảng 4: Tính đổi tầng 2 lớp một từ dới lên để tính Etb’

Lớp kết cấu (MPaEi

)

(cm) k = (cm)Htb (Mpa)Etb’

- Cấp phối đá

300

30

16

46

53

6

Trang 8

b/ Xét đến hệ số điều chỉnh β = ƒ () : với H

33

58 = tra bảng 3.6

và nội suy ta đợc β=1.20 Vậy kết cấu nhiều lớp đợc đa về kết cấu

2 lớp với lớp trên dày 58

cm có mô đun đàn hồi trung bình :

dc tb

E = 287.66x 1,20= 345.00 MPa c/ Tính mô đun đàn hồi chung Ech của cả kết cấu bằng cách sử

dụng toán đồ Hình 3-1:

H

33

58= và

00 345

42

=

dc tb

o

E

=0.12

Từ 2 ỷ số trên tra toán đồ Hình 3-1 đợc =

1

E

E ch

0,550 Vậy Ech=0,550 x 345 =189.59MPa

d/ Theo mục 3.4.1, nghiệm lại điều kiện (3.4):

Ech ≥ yc

dv

cd.E K

- Vì số trục xe tính toán là 382 trục/làn.ngày đêm nên tra Bảng

3-4 đợc Eyc=170.91MPa (nội suy giữa Ntt = 200 và Ntt = 500 tơng ứng với tầng mặt cấp cao A1) Trị số này lớn hơn Eyc tối thiểu ở Bảng 3-5 ( toihieu

yc

E = 130 MPa) Vậy lấy Eyc=170.91 MPa để kiểm toán

- Với đờng cấp IV, chọn độ tin cậy thiết kế là 0,90 do vậy (theo Bảng 3-3), do vậy tra Bảng 3-2 tìm đợc hệ số cờng độ tơng ứng

=

dv

cd

K 1,1 và :

ch

dv

cd E

K =1,10 x 170.91 =188.00 MPa Vậy kết quả kiểm toán là:

Ech = 189.59 > 1,1 x 170.91 =188,00 MPa Điều này cho thấy kết cấu dự kiến bảo đảm đạt yêu cầu cờng

độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

2 Kiểm tra cờng độ theo tiêu chuẩn chịu cắt trợt trong nền đất:

a/ Tính Etb của cả 3 lớp kết cấu :

- Việc đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp đợc thực hiện nh Bảng 5 dới

đây

Bảng 5

Lớp kết

cấu Ei(Mpa)

2 1

E t E

1

h k h

= Htb(cm) Etb’(Mpa

) CPĐD loại

Trang 9

CPĐD loại

300

30

BTN hạt

trung 200 266.67 0.75

46

BTN hạt

15 257

53

xét đến hệ số điều chỉnh β = ƒ (): với H

33

58 = tra bảng 3.6 ta

đợc : β=1.20

Vậy kết cấu nhiều lớp đợc đa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 64cm

có mô đun đàn hồi trung bình :

dc tb

E =260.68x 1.20=312 MPa b.Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây ra trong nền đất Tax:

Với H

33

42

312 0

2

E

E E

Vậy tra toán đồ Hình 3-3 với góc nội ma sát của đất nền ϕ=240 và H=58 ta tra đợc:

p

T ax

=0.0125 Vậy tìm đợc Τax= 0,0125 x 0,6 = 0,008 MPa

c/ Xác định ứng suất cắt hoạt động do trọng lợng bản thân các lớp kết cấu áo đờng gây ra trong nền đất

Tra toán đồ Hình 3-4 với ϕ = 24o và H=58 cm, ta đợc:

Τav = - 0,0022 MPa

d/ Xác định trị số ctt theo (3.8)

Ctt = c.k1.k2.k3

- Theo Bảng B- 3 đất nền có c=0,032 MPa

- Theo mục 3.5.4 có k1=0,6, k2 = 0,8 (Bảng 3-8) và k3=1,5

Vậy ctt = 0,032x 0,6 x 0,8 x 1,5 = 0,023 MPa

e/ Kiểm toán lại điều kiện tính toán cờng độ theo tiêu chuẩn chịu cắt trợt trong nền đất (Biểu thức 3.7):

- Với đờng cấp IV, yêu cầu độ tin cậy thiết kế theo Bảng 3-3 là 0,90; từ đó theo Bảng 3-7 tìm đợc hệ số cờng độ về cắt trợt

t-ơng ứng là tr

cd

k =0,94 và kết quả kiểm toán theo (3.7) nh sau:

Τax +Τav = 0,008 – 0,0022 = 0,0058 Mpa ≤

94 0

023 0

=

tt cd

tt

K C

=0.025 Mpa

Trang 10

Nh vậy theo điều kiện này nền đất có đủ khả năng chống cắt trợt

3 Kiểm tra cờng độ kết cấu dự kiến theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp BTN:

a/ Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp BTN theo biểu thức (3-10):

- Đối với BTN lớp dới và lớp trên:

+ h1 =12cm chiều dày hai lớp bê tông nhựa

+ E1: mô đun đàn hồi chung của hai lớp bê tông nhựa

E ( )

l

i i

h

h E

∑

Trị số Etb’ của 2 lớp móng CPĐD là Etb=266,7 Mpa (theo kết quả đã tính ở Bảng 4) với bề dày 2 lớp này là H’=30+16=46 cm Trị số này còn xét đến hệ số điều chỉnh β theo (3-7):

Với H'

D = 1,39 tra bảng 3-6 ta đợc β=1,14 ; Vậy theo (3.7) ta có : dc

tb

E =1,14 266,7= 304 Mpa Với dc =30442

tb

nendat

E

=0.14 Tra toán đồ Hình 3-1 đợc ch m.

dc tb

E

E = 0,499 Vậy Ech.m = 0,499 x 304 = 151.63 Mpa

Tìm σ−ku ở đáy lớp BTN lớp dới bằng cách tra toán đồ Hình 3.5 với :

0,36

33

h

MPa

63 151

1683 .

m ch

E

Kết quả tra toán đồ đợc σ−ku =1,64

và với p=0,6 Mpa theo (3.10) ta có :

σku=1,64 x 0,6 x 0,85= 0,8364Mpa

b Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp BTN theo biểu thức (3.9):

- Xác định cờng độ chịu kéo uốn tính toán của các lớp BTN theo (3-12)

K1= 0 22 = ( 6)0 22 =

10

* 36 1

11 11 11

11

e

N 0.5

Theo mục 3.6.3 trong trờng hợp này lấy k2=1,0;

Vậy cờng độ chịu kéo uốn tính toán của lớp BTN hạt trung là :

Rttku = k1.k2.Rku = 0,5 1 2 = 0.99 Mpa

- Kiểm toán điều kiện theo biểu thức (3-9) ,theo Bảng 3-7 với độ tin cậy 0,9 → Kkudc=0,94

- Với BTN nhựa lớp dới :

Trang 11

σku= 0.8364Mpa<

94 0

99 0

=1.058 Mpa Vậy kết cấu thiết kế dự kiến đạt đợc điều kiện (3.9) đối với lớp BTN

4.Kết luận

Các kết quả kiểm toán theo trình tự tính toán nh trên cho thấy kết cấu dự kiến bảo đảm đợc tất cả các điều kiện về cờng độ, do đó

có thể chấp nhận nó làm kết cấu thiết kế

VII.4.5.Lựa chọn kết cấu lề gia cố.

Kết cấu lề gia cố trong trờng hợp giữa phần xe chạy dành cho xe

cơ giới và lề gia cố không có dải phân cách bên hoặc dải phân cách bên chỉ bằng vạch kẻ, tức là trờng hợp xe cơ giới vẫn có thể đi lấn ra hoặc dừng đỗ trên phần lề gia cố thờng xuyên, nếu sử dụng kết cấu áo lề là loại mềm thì kết cấu áo lề gia cố phải đợc cấu tạo theo các yêu cầu sau:

- lớp mặt trên cùng của lề gia cố phải cùng loại với lớp mặt trên cùng của làn xe liền kề nhng bề dày có thể cầu tạo mỏng hơn

- số lớp và bề dày các lớp của tầng móng có thể giảm bớt so với làn

xe liền kề

- Kết cấu gia cố cần đợc xem xét để khi cải tạo mở rộng mặt đ-ờng và nâng cấp đđ-ờng tận dụng đến mức tối đa kết cấu đã xây dựng

- Trong điều kiện kinh tế cho phép, kết cấu áo đờng của lề gia cố nên thiết kế nh với kết cấu áo đờng của làn xe chạy liền kề

Để thuận lợi cho việc tổ chức thi công và quá trình khai thác⇒

chọn kết cấu lề gia cố giống nh kêt cấu phần xe chạy gồm 3 lớp sau Lớp 1: Bê tông nhựa hạt mịn 5 cm

Lớp 2: Bê tông nhựa hạt trung 7 cm

Lớp 3: Cấp phối đá dăm loại I 16 cm

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	287 KB