Chuyên đề tốt nghiệp - THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO CHỈ SỐ KẾT CẤU (SN - STRUCTURE NUMBER)

Đốivới vật liệu sử dụng trong kết cấu áo đường nói chung, trị số mô đun đàn hồi tính toán và phương pháp thí nghiệm xác định này chưa thể hiện được đặc điểm tác dụng của tảitrọng khi xe

CHUYÊN ĐỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO CHỈ SỐ

KẾT CẤU

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chuyên đề này trước tiên nhóm em xin gửi đến các quý thầy, côgiáo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn chânthành và sâu sắc nhất

Đặc biệt, nhóm em xin gửi đến Thạc sỹ Thầy Trần Viết Khánh – Người đã tậntình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm hoàn thành chuyên đề này lời cảm ơn sâu sắc nhất.Mặc dù bản thân nhóm đã rất cố gắng nhưng do thời gian, kiến thức và kinhnghiệm có hạn nên bài làm của nhóm còn có nhiều thiếu sót trong việc trình bày, đánhgiá và đề xuất ý kiến Nhóm em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiếncủa quý thầy cô và các bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤ

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU iv

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1

1.1 Mục đích, lí do chọn đề tài 1

1.2 Nội dung nghiên cứu 3

1.3 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Bố cục chuyên đề 3

1.5 Tài liệu tham khảo 3

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO CHỈ SỐ KẾT CẤU 4

2.1 Một số kết cấu áo đường mềm được sử dụng hiện nay 4

2.2 Thiết kế kết cấu áo đường mềm theo chỉ số kết cấu SN 5

2.2.1.Nguyên lý của phương pháp 5

2.2.2.Cấu tạo kết cấu áo đường mềm 5

2.2.3.Các thông số đầu vào để thiết kế kết cấu áo đường mềm 8

2.2.4.Phương trình xác định chỉ số kết cấu (SN) nguyên dạng 8

2.2.5.Phương trình xác định chiều dày các lớp vật liệu 9

2.2.6.Các bước thiết kế kết cấu áo đường mềm bằng chỉ số kết cấu SN 9

2.2.7.Phân tích chi tiết từng thông số cụ thể 10

CHƯƠNG 3:VÍ DỤ TÍNH TOÁN 30

3.1 Số liệu tính toán 30

3.2 Kết quả tính toán theo 22TCN 211 – 06 31

3.3 Kết quả tính toán theo chỉ số kết cấu SN 44

CHƯƠNG 4:NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 51

4.1 Ưu, nhược điểm của phương pháp 51

4.2 Một số so sánh đánh giá 51

4.2.1.Số liệu đầu vào 51

4.2.2.Phương pháp kiểm toán 53

4.2.3.Kết quả đạt được 54

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

5.1 KẾT LUẬN 56

5.2 KIẾN NGHỊ 56

PHỤ LỤC A: BẢNG TRA XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI TRỤC TƯƠNG ĐƯƠNG ESAL 58

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 – Một số loại kết cấu áo đường hiện nay……… 4

Hình 2.2 – Toán đồ dùng để xác định chỉ số kết cấu SN……… 10

Hình 2.3 – Thời hạn phục vụ của mặt đường mềm……… 10

Hình 2.4 – Thời hạn phân tích của mặt đường mềm……….11

Hình 2.5 – Toán đồ thể hiện mối tương quan giữa MR và uf……….18

Hình 2.6 – Toán đồ thể hiện mối tương quan giữa chỉ số CBR và MR……….20

Hình 2.7 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a1 của lớp mặt làm bằng bê tông nhựa chặt theo mođun đàn hồi của bê tông nhựa chặt ở nhiệt độ tính toán……… 22

Hình 2.8 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu hạt 23

Hình 2.9 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu gia cố xi măng……… 24

Hình 2.10 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a2 của lớp móng trên bằng vật liệu gia cố nhựa……… 26

Hình 2.11 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a3 của lớp móng dưới làm bằng vật liệu hạt 27

Hình 2.12 – Trình tự xác định chiều dày từng lớp theo phương pháp phân tích chi tiết 28

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Bảng 2.1 – Các loại móng trên thường dùng……… 6

Bảng 2.2 – Các loại móng dưới thường dùng……….7

Bảng 2.3 – Chiều dày các lớp tối thiểu trong kết cấu áo đường mềm………7

Bảng 2.4 – Thời hạn phục vụ của áo đường mềm……… 11

Bảng 2.5 – Thời hạn phân tích của mặt đường mềm……… 11

Bảng 2.6 – Hệ số phân bố theo làn………13

Bảng 2.7 – Phạm vi mức độ tin cậy……… 14

Bảng 2.8 – Độ lệch trung bình tiêu chuẩn ZR………15

Bảng 2.9 – Độ tổn thất khả năng phục vụ……….17

Bảng 2.10 – Trình tự xác định MR………18

Bảng 2.11 – Thời đoạn các mùa trong năm và thời điểm xác định MR………19

Bảng 2.12 – Mức độ chất lượng thoát nước cho kết cấu áo đường mềm………… 27

Bảng 2.13 – Trị số của hệ số thoát nước mi……… 27

Bảng 3.1 – Bảng tổng hợp số liệu một số loại vật liệu sử dụng………30

Bảng 3.2 – Giá trị tải trọng trục xe………31

Bảng 3.3 – Bảng lưu lượng xe thiết kế ở năm tương lai……… 31

Bảng 3.4 – Bảng tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN năm tương lai.… 32

Bảng 3.5 – Bảng dự kiến kết cấu áo đường……… 35

Bảng 3.6 – Bảng quy đổi các lớp về lớp tương đương……… 36

Bảng 3.7 – Bảng quy đổi các lớp về lớp tương đương……… 37

Bảng 3.8 – Bảng quy đổi các lớp về lớp tương đương……… 38

Bảng 3.9 – Bảng quy đổi các lớp về lớp tương đương……….….40

Bảng 3.10 – Bảng quy đổi các lớp về lớp tương đương………42

Bảng 3.11 – Độ tổn thất khả năng phục vụ tùy vào cấp đường……….44

Bảng 3.12 – Hệ số chuyển đổi trục xe ứng với SN giả thiết……….44

Bảng 3.13 – Tổng số ESAL thiết kế……… 45

Bảng 3.14 – Phạm vi mức độ tin cậy……….45

Bảng 3.15 – Giá trị độ lệch trung bình tiêu chuẩn ZR……… 46

Hình 3.1 – Toán đồ xác định mođun đàn hồi MR từ chỉ số CBR……… 47

Hình 3.2 – Trình tự xác định chiều dày từng lớp theo phương pháp phân tích chi tiết48 Bảng A.1 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục đơn khi pt = 2.0……… 50

Bảng A.2 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục kép khi pt = 2.0……… …58

Bảng A.3 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục ba khi pt = 2.0……… 59

Bảng A.4 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục đơn khi pt = 2.2………60

Bảng A.5 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục kép khi pt = 2.2………61

Bảng A.6 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục ba khi pt = 2.2……… 62

Bảng A.7 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục đơn khi pt = 2.5………63

Bảng A.8 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục kép khi pt = 2.5………64

Bảng A.9 – Bảng hệ số quy đổi xe với trục xe là trục ba khi pt = 2.0……… 66

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Mục đích, lí do chọn đề tài

Từ xưa đến nay “Giao thông vận tải luôn là mạch máu của nền kinh tế ở mỗiquốc gia” Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ hiện đại, yêucầu về sự cải tiến, hoàn mỹ cũng ngày càng tăng Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng cơ

sở hạ tầng nói chung và cũng đặt ra muôn vàn thách thức cho ngành Giao thông vậntải nói riêng Do đó hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn, các phương pháp tính toán thiết kếkết cấu áo đường của các nước tiên tiến trên thế giới luôn được cập nhật, cải tiến, điềuchỉnh để nhằm hướng đến một kết quả sát thực hơn với thực tế từ đó nâng cao chấtlượng công tác thiết kế và xây dựng đường ô tô Nhưng không phải bất cứ nước nàotrên thế giới đều có thể tự đứng ra xây dựng được các tiêu chuẩn kỹ thuật bằng kết quảnghiên cứu của mình Thực tế cho thấy các nước có nền công nghiệp phát triển vàtrình độ phát triển khoa học công nghệ ở mức cao như Mỹ, Anh, Pháp, Trung Quốc là

có khả năng tự xây dựng lý thuyết, tổ chức thực nghiệm và biên soạn được tiêu chuẩn.Các nước còn lại thường lựa chọn và dựa vào một trong những tiêu chuẩn đã đượccông bố để biên dịch, biên soạn và chỉnh sửa sao cho phù hợp với điều kiện của quốcgia

Việc nghiên cứu cải tiến các phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đườngtheo hướng phù hợp với điều kiện khai thác của mỗi quốc gia luôn là bài toán khó vàđược các nước quan tâm nghiên cứu Đối với Việt Nam, việc tận dụng, kế thừa nhữngsản phẩm khoa học của thế giới là cần thiết, tuy nhiên điều quan trọng là lựa chọn vàvận dụng một cách đúng đắn những kết quả nghiên cứu đó để sử dụng có hiệu quả ởnước ta

Thực trạng hiện nay các dự án xây dựng đường ô tô ở Việt Nam đang sử dụngsong song hai phương pháp để tính toán kết cấu mặt đường mềm Hai phương phápnày được quy định và hướng dẫn trong 2 tiêu chuẩn ngành đó là Tiêu chuẩn ngành22TCN 211 – 06 và 22TCN 274 – 01 Trong quá trình nghiên cứu, sử dụng, cả hai tiêuchuẩn đều có những vấn đề cần phải điều chỉnh bổ sung cho phù hợp hơn với điềukiện thực tế khai thác ở Việt Nam ví dụ như điều kiện về các thông số đầu vào: Tảitrọng, khí hậu, thông số vật liệu Ngoài ra hai phương pháp tính toán thiết kế này cũngcần được nghiên cứu, rà soát một cách tổng thể so với những cải tiến của các phương

pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường của các tiêu chuẩn gốc của Nga, Mỹ và một

số tiêu chuẩn của một số nước tiên tiến trên thế giới, từ đó có những cập nhật và địnhhướng đúng đắn về việc lựa chọn và vận dụng các phương pháp thiết kế một cách cóhiệu quả và phù hợp với điều kiện Việt Nam

Theo đó, phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm 22TCN 211 – 06 dựatrên cơ sở lý thuyết hệ đàn hồi nhiều lớp chịu áp lực tĩnh phân bố đều trên vòng tròntương đương diện tích tiếp xúc của vệt bánh xe tiêu chuẩn trên mặt đường có đườngkính D = 33 cm Áp lực tính toán lên mặt đường p = 0,6MPa Các trạng thái giới hạndùng để kiểm toán của phương pháp này là các hư hỏng chủ yếu của kết cấu áo đườngvới các thông số của vật liệu sử dụng trong các lớp kết cấu áo đường bao gồm: Mô đunđàn hồi Eđh; Lực dính C; Góc ma sát trong φ; Hệ số Poisson Với mô đun đàn hồi tínhtoán của vật liệu được quy định dựa trên cơ sở thí nghiệm nén tĩnh dọc trục Đốivới vật liệu sử dụng trong kết cấu áo đường nói chung, trị số mô đun đàn hồi tính toán

và phương pháp thí nghiệm xác định này chưa thể hiện được đặc điểm tác dụng của tảitrọng khi xe chạy trên đường, chưa phù hợp với đặc tính đàn hồi – dẻo – nhớt của vậtliệu bê tông Asphalt làm lớp mặt đường ô tô.[9]

Còn về phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm theo chỉ số kết cấu SN thì

sử dụng một phương trình thực nghiệm cơ bản thể hiện rõ mối quan hệ giữa chất lượngphục vụ của mặt đường (PSI) với các yếu tố cấu tạo kết cấu như bề dày, loại vật liệucác lớp, điều kiện chế độ thủy nhiệt, cường độ đất nền để cuối cùng tính ra một chỉ sốcần thiết tượng trưng cho cường độ của kết cấu áo đường (SN) Trạng thái giới hạn củaphương pháp này là mức độ phục vụ của mặt đường.[3], [5]

Phương pháp này dựa trên lượng thông tin lớn gồm: Lý thuyết tính toán, cácnghiên cứu thí nghiệm trong phòng, các đoạn thực nghiệm, nghiên cứu thực nghiệm,nghiên cứu vật liệu, phương pháp, thiết bị thí nghiệm và một yếu tố quan trọng nhất đó

là xem xét tính năng phục vụ của kết cấu Thiết kế kết cấu cuối cùng phải dựa trên sốliệu khảo sát kỹ lưỡng về các điều kiện cụ thể của từng dự án gồm vật liệu, điều kiệnmôi trường, giao thông, vấn đề kinh tế của chu kỳ tuổi thọ và vấn đề tính năng phục vụcác kết cấu ở các dự án tương tự trong các điều kiện tương tự ở cùng vùng [5]

Xuất phát từ tình hình đó, nhóm em đã chọn đề tài: “Thiết kế kết cấu áo đường mềm theo chỉ số kết cấu SN” với mục đích là tiếp cận và tìm hiểu một phương pháp

thiết kế kết cấu áo đường mềm với yêu cầu về các thông số đầu vào sát với điều kiện

thực tế hơn Từ đó so sánh được ưu, nhược điểm của từng phương pháp và có cái nhìntổng quan hơn về 2 phương pháp.

1.2 Nội dung nghiên cứu

 Tìm hiểu nguyên lý và phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm theo chỉ sốkết cấu SN;

 Tiến hành so sánh, nhận xét ưu, nhược điểm của từng phương pháp

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO CHỈ

SỐ KẾT CẤU (SN)

.1 Một số kết cấu áo đường mềm được sử dụng hiện nay

 Một số kết cấu áo đường phổ biến hiện nay:

 Kết cấu áo đường mềm truyền thống gồm một lớp bê tông nhựa rải lên trên mộtlớp móng trên bằng cấp phối đá dăm và lớp móng dưới bằng cấp phối đá hoặc cấpphối thiên nhiên;

 Kết cấu áo đường mềm có nhiều lớp bê tông nhựa dày rải trên các lớp cấp phối đádăm với lớp bê tông nhựa;

 Kết cấu áo đường nửa cứng gồm các lớp bê tông nhựa rải trên lớp móng cấp phối

đá gia cố xi măng;

 Kết cấu áo đường mềm gồm các lớp bê tông nhựa rải trên móng đá gia cố bitum

Hình 2.1 – Một số loại kết cấu áo đường hiện nay

.2 Thiết kế kết cấu áo đường mềm theo chỉ số kết cấu SN

2.1 Nguyên lý của phương pháp

 Phương pháp này sử dụng một phương trình thực nghiệm cơ bản được lập nên nhờthử nghiệm AASHTO tiến hành từ năm 1956 – 1959 tại Bang Illinois với 468 đoạnkết cấu áo đường mềm với điều kiện nền đất và lớp kết cấu khác nhau, thể hiện rõmối quan hệ giữa chất lượng phục vụ của mặt đường (PSI) với các yếu tố cấu tạokết cấu như bề dày, loại vật liệu các lớp, điều kiện chế độ thủy nhiệt, cường độ đấtnền để cuối cùng tính ra một chỉ số cần thiết tượng trưng cho cường độ của kết cấu

áo đường (SN) Sau đó so sánh với chỉ số SN thực tế của bản thân các lớp kết cấu

áo đường đó Nếu SN cần thiết nhỏ hơn SN thực tế thì kết cấu đảm bảo khả năngchịu lực

 Phương pháp này sử dụng tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (W): Loại trục đơnbánh đôi với trọng lượng 80kN với diện tích tiếp xúc hai vệt bánh xe quy đổi là707cm2 tương ứng với áp lực trên mặt đường là 0.566MPa

2.2 Cấu tạo kết cấu áo đường mềm

.2.8.1 Cấu tạo của lớp mặt

 Lớp mặt của kết cấu áo đường mềm phải là bê tông nhựa hoặc vật liệu có sử dụngnhựa;

 Lớp mặt bằng bê tông nhựa có thể gồm 1, 2 hoặc 3 lớp với chiều dày tối đa lu lènkhông quá 8cm Chiều dày tối thiểu quy định trong Bảng 2.3;

 Lớp bê tông nhựa tầng mặt có thể là lớp bê tông nhựa rải nóng, rải nguội hoặc cũng

có thể là bê tông nhựa Polyme hoặc SMA (Stone Matrix Asphalt);

 Lớp mặt dưới có thể dùng bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, đá dăm thấm nhập nhựahoặc cũng có thể là bê tông nhựa tái sinh

.2.8.1 Cấu tạo của lớp móng trên và móng dưới

 Các lớp móng trên thường là các lớp vật liệu có chất lượng tốt có hoặc không gia

cố với chất liên kết (Vô cơ hoặc hữu cơ) Các lớp móng dưới thường dùng loại vậtliệu rẻ hơn;

 Mođun đàn hồi yêu cấu tối thiểu của lớp móng trên là 200(MPa) tương ứng vớiCBR = 80%;

 Mođun đàn hồi yêu cấu tối thiểu của lớp móng dưới là 100(MPa) tương ứng vớiCBR = 30%;

Bảng 2.1 – Các loại móng trên thường dùng

Bảng 2.2 – Các loại móng dưới thường dùng

Bảng 2.3 – Chiều dày các lớp tối thiểu trong kết cấu áo đường mềm

2.3 Các thông số đầu vào để thiết kế kết cấu áo đường mềm

1 – Thời hạn phục vụ của mặt đường mềm (Tp.v);

2 – Thời hạn phân tích của áo đường (Tp.t);

3 – Tổng số trục xe tương đương (W80);

4 – Độ tin cậy (R);

5 – Chỉ số khả năng phục vụ ban đầu và cuối, tổn thất khả năng phục vụ (PSI);

6 – Mođun đàn hồi hữu hiệu của đất nền đường (MR);

7 – Các đặc trưng tính toán của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường và xác địnhcác hệ số lớp (ai);

8 – Các hệ số thoát nước (mi)

2.4 Phương trình xác định chỉ số kết cấu (SN) nguyên dạng

 Về định nghĩa có thể xem chỉ số kết cấu SN là một chỉ số “trừu tượng” dùng để thểhiện cường độ kết cấu của mặt đường cần thiết để đảm bảo rằng kết cấu áo đườngđược thiết kế theo phương pháp này có thể bảo vệ được nền đất trước tác động củalưu lượng xe chạy trong suốt thời kỳ thiết kế mà vẫn đảm bảo được độ tổn thất khảnăng phục vụ trong phạm vi cho phép Chỉ số SN cần thiết đó phải được chuyểnđổi thành bề dày thực tế của các lớp thông qua những hệ số lớp thích hợp cho từngloại vật liệu Đó cũng là ý nghĩa của phương trình dưới đây:

4.2 1.5

10940.4

SN: Chỉ số kết cấu áo đường mềm;

W80: Tổng số lần tác dụng của tải trọng trục đơn tương đương 80kN (18Kíp) trong

cả thời hạn phục vụ (Thời hạn thiết kế);

R: Độ tin cậy thiết kế, với giả thiết mọi số liệu đầu vào đều mang giá trị trung bình,

%;

ZR: Hệ số độ tin cậy – Độ lệch trung bình tiêu chuẩn tương ứng với độ tin cậy R;

So: Độ lệch tiêu chuẩn toàn bộ;

MR: Mô đun đàn hồi có hiệu của vật liệu (Đất) nền đường, (MPa);

Po: Khả năng phục vụ ban đầu;

Pt: Khả năng phục vụ cuối thời hạn thiết kế

2.5 Phương trình xác định chiều dày các lớp vật liệu

 

2.54SN a D m a D m  a D , 2Trong đó:

a1, a2, a3: Hệ số của lớp mặt, lớp móng trên và lớp móng dưới;

m2, m3: Hệ số thoát nước của lớp móng trên, móng dưới;

D1, D2, D3: Chiều dày tính bằng cm của lớp mặt, móng trên và móng dưới;

2.54: Hệ số đổi đơn vị từ inch sang cm

 Kết quả của phương trình này sẽ bao gồm nhiều tổ hợp kết cấu khác nhau mà thỏamãn được phương trình kiểm toán Khi lựa chọn trị số chiều dày của các lớp cầnphải xem xét các điều kiện về cấu tạo, giá thành để đưa ra một kết cấu hợp lý

2.6 Các bước thiết kế kết cấu áo đường mềm bằng chỉ số kết cấu SN

 Có các dạng bài toán dựa vào 2 phương trình trên:

 Bài toán 1: Có các thông số đầu vào Chọn trước chiều dày 2 lớp theo yêu cầu cấu tạo sau đó tính ra bề dày lớp còn lại (Phương pháp tối ưu)

 Bước 1 : Xác định các thông số đầu vào;

 Bước 2 : Thay vào phương trình xác định chỉ số kết cấu SN (1) tìm ra chỉ số kếtcấu SN;

 Bước 3 : Chọn trước chiều dày 2 lớp, thay chỉ số SN vừa tìm được vào phươngtrình (2) xác định bề dày lớp còn lại

 Bài toán 2: Chọn chiều dày các lớp theo cấu tạo Kiểm tra khả năng chịu lực của lớp kết cấu.

 Bước 1 : Xác định các thông số đầu vào;

 Bước 2 : Thay vào phương trình xác định chỉ số kết cấu SN (1) tìm ra chỉ số kếtcấu SN;

 Bước 3 : Chọn bề dày các lớp kết cấu và thay vào phương trình (2) từ đó tính rađược chỉ số SN của lớp kết cấu đã chọn;

 Bước 4 : So sánh chỉ số SN của 2 phương trình và đưa ra kết luận Nếu chỉ số

SN trong phương trình (2) lớn hơn phương trình (1) thì kết cấu đảm bảo khảnăng chịu lực

 Bài toán 3: Phương pháp tính chiều dày từng lớp theo phương pháp phân tích chi tiết theo từng lớp:

 Ngoài cách tính là thay các thông số vào phương trình như trên thì còn có thể tínhchỉ số SN bằng cách tra toán đồ với trình tự tiến hành theo mũi tên trên toán đồ:

Hình 2.2 – Toán đồ dùng để xác định chỉ số kết cấu SN

2.7 Phân tích chi tiết từng thông số cụ thể

.2.7.1 Thời hạn phục vụ của mặt đường mềm

Hình 2.3 – Thời hạn phục vụ (Thời hạn thiết kế) của mặt đường mềm

 Thời hạn phục vụ hay thời hạn thiết kế là khoảng thời gian mà một kết cấu mặtđường xây dựng mới hoặc cải tạo lần đầu còn phục vụ được trước khi đạt đến khảnăng phục vụ cuối cùng của nó, hoặc đạt đến tình trạng đòi hỏi phải sửa chữa lớnhoặc xây dựng lại;

 Trị số thời kỳ phục vụ của đường phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng mặt đườngban đầu và tình trạng bảo trì được áp dụng.

 Thời hạn phục vụ của áo đường mềm được quy định tùy thuộc vào loại lớp mặt vàđược tham khảo trong bảng sau:

Bảng 2.4 – Thời hạn phục vụ của mặt đường mềm 2.7.2 Thời hạn phân tích của mặt đường mềm

 Thời hạn phân tích của kết cấu áo đường được quy định ở nước ta là 20 năm;

 Thời hạn phân tích không nhất thiết phải bằng thời hạn phục vụ nhưng tối thiểuphải bằng thời hạn phục vụ;

Hình 2.4 – Thời hạn phân tích của mặt đường mềm

 Bảng 2.5 giới thiệu thời hạn phân tích của các loại đường mà trong AASHTO đã sửdụng để tham khảo:

Bảng 2.5 – Thời hạn phân tích của mặt đường mềm 2.7.3 Xác định tổng số trục xe tương đương (W 80 )

 Việc ước tính tải trọng trục đơn tương đương là yếu tố quan trọng nhất trong quátrình thiết kế Nếu tải trọng trục đơn tương đương được ước tính không chính xácthì tuổi thọ của đường có thể bị rút ngắn đáng kể hoặc nếu tải trọng trục đơn tươngđương được ước tính vượt quá số trục xe thực tế thì kết cấu mặt đường thiết kế sẽquá dày dẫn đến kết cấu mặt đường không kinh tế;

 Xe tính toán trong tiêu chuẩn này là xe có tải trọng trục đơn 80kN hay 10 Kíp;

 Khi dùng trong thiết kế tiền khả thi, ta dùng hệ số quy đổi xe về tải trọng trục đơntheo công thức sau:

4.5 f

80

LL

L: Tải trọng một trục sau của xe cần quy đổi, kN;

L80: Tải trọng trục đơn tính toán, 80kN;

 Đối với những ô tô có nhiều trục sau, được xem gần đúng như nhiều xe có tải trọngtrục tương ứng với mỗi trục sau

 Để xác định một cách chính xác hơn hệ số quy đổi xe về xe có tải trọng trục đơntính toán 80kN ta cần phải sử dụng bảng hệ số quy đổi xe được quy định trongbảng sau Giá trị này phụ thuộc vào chỉ số SN, pt, loại trục)

 Các bước quy đổi như sau:

 Bước 1 : Các Bảng A.1, A.2, A.3 ở phụ lục A dùng để tìm hệ số quy đổi xe khi xe

có trục đơn, trục kép, trục ba dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm với chỉ sốphục vụ cuối cùng pt = 2.0;

 Bước 2 : Các Bảng A.4, A.5, A.6 dùng để tìm hệ số quy đổi xe khi xe có trục đơn,trục kép, trục ba dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm với chỉ số phục vụ cuốicùng pt = 2.2;

 Bước 3 : Các Bảng A.5, A.6, A.7 dùng để tìm hệ số quy đổi xe khi xe có trục đơn,trục kép, trục ba dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm với chỉ số phục vụ cuốicùng pt = 2.5;

 Bước 4 : Để tra tìm hệ số quy đổi xe, ta giả định trước một chỉ số SN Khi tính ra

SN từ phương trình (1), nếu sai khác nhiều so với SN giả định thì phải giả thiết lại

1 giá trị SN khác và tính lại để đảm bảo SN giả thiết và SN tính ra được không saikhác nhau quá 1 đơn vị

 Sau khi tính ra tổng số trục xe tương đương tích lũy trong cả thời hạn phục vụ củakết cấu áo đường chạy qua một mặt cắt của đường W^

DD: Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0.3 – 0.7 tùy thuộc vào điều tra thực tế.Trong trường hợp thông thường DD = 0.5 = 50% với hầu hết các đường có nghĩa làvới đường có 2 làn xe trở lên thì sự xuất hiện của các xe trên 1 chiều xe chạy là ½

số lượng xe trên cả 2 chiều xe chạy;

DL: Hệ số phân bố theo làn – Là xác suất để xuất hiện đồng thời các xe trên 1 làn

xe, ví dụ như với lưu lượng xe trên một chiều xe chạy là DDW^80và số làn xetrên 1 chiều là 1 làn thì chắc chắn rằng toàn bộ lưu lượng xe ấy sẽ đi trên làn đó cónghĩa là DL = 100% = 1.0 – Giá trị tính toán được lấy theo bảng sau:

Bảng 2.6 – Hệ số phân bố theo làn 2.7.4 Độ tin cậy (R)

 Độ tin cậy về cơ bản nó là một cách kết hợp một số mức độ tin cậy nào đó vào quátrình thiết kế để đảm bảo rằng kết cấu áo đường được thiết kế sẽ tồn tại suốt thời kỳ

nó đã được thiết kế Chính vì:

Sự khó khăn và rủi ro khi dự báo lưu lượng xe chạy trong tương lai có thểkhông chính xác;

Việc xác định các thông số tính toán về nền đất và vật liệu kém chính xác vàcòn nhiều yếu tố khác nữa nên:

Độ tin cậy ở đây đã xét đến các trường hợp bất lợi đó và do vậy đã cung cấp mộtmức độ bảo hiểm cho kết cấu áo đường có thể đảm bảo tồn tại được trong suốtthời kỳ thiết kế bằng cách nhân thêm cho số trục xe tính toán một giá trị độ tin cậylớn hơn 1.0

 Về định nghĩa, có thể hiểu rằng độ tin cậy là “Xác suất mà kết cấu áo đường đãđược thiết kế có thể phục vụ được lượng giao thông và các điều kiện môi trườngtrong suốt cả thời kỳ thiết kế hay nói cách khác độ tin cậy là xác suất để lưu lượng

xe trong tương lai sẽ lớn hơn lưu lượng xe thiết kế”

 Giá trị độ tin cậy được lựa chọn tuỳ theo cấp hạng và chức năng của đường theoquy phạm đã quy định trong Bảng dưới đây:

Bảng 2.7 – Phạm vi mức độ của độ tin cậy

 Để đánh giá cho mức độ tin cậy ấy, người ta dùng khái niệm trị số độ lệch trung bình tiêu chuẩn (ZR) được quy định trong bảng dưới đây:

Bảng 2.8 – Độ lệch trung bình tiêu chuẩn Z R

 Giá trị độ lệch tiêu chuẩn toàn bộ So trong tính toán kết cấu áo đường mềm được quy định là 0.45

.2.7.5 Chỉ số khả năng phục vụ ban đầu và cuối, tổn thất khả năng phục vụ PSI

 Để tìm hiểu về chỉ số khả năng phục vụ và độ tổn thất khả năng phục vụ trước hết

ta tìm hiểu về khả năng phục vụ Khả năng phục vụ của tuyến đường là mức độ dễdàng sử dụng đường của các loại phương tiện lưu thông trên đường Số đo đầu tiên

về khả năng phục vụ là chỉ số khả năng phục vụ (PSI – Present Serviceability Index):

 Là một chỉ tiêu tổng hợp được sử dụng rộng rãi để đánh giá tình trạng và khảnăng làm việc thực tế của kết cấu mặt đường trong thiết kế, cải tạo và duy tu,sửa chữa mặt đường và được xác định qua thử nghiệm AASHTO phụ thuộc vào

độ bằng phẳng, tỷ lệ khe nứt, tỷ lệ diện tích phải vá chữa trên mặt đường, nónằm trong khoảng từ 0 (Đường không thể sử dụng) tới 5 (Đường rất tốt) Có thểnói PSI là một sự ước định khách quan về chất lượng xe chạy của mặt đường;

 Chỉ số PSI được xác định thông qua hàm số của độ gồ ghề và các hư hỏng mặtđường (Hằn lún vệt bánh xe, nứt hay vá mặt đường) đối với mặt đường nhựa và

bê tông xi măng thông qua phương trình dưới đây Ở đây chỉ đề cập đến mặtđường nhựa:

PSI 5.03 1.91 log 1 SV     1.38 RD  0.01C PTrong đó:

C: Là tỷ lệ diện tích mặt đường đã xuất hiện các khe nứt cấp 2 (Độ mở rộng >3.175mm) và cấp 3 (Độ mở rộng > 6.350mm) nứt thành các miếng rời rạc vàđược tính bằng ft2/1000ft2 hay (m2/1000m2);

P: Là tỷ lệ diện tích đã xuất hiện ổ gà trên 1000ft2 hay 1000m2 mặt đường;RD: Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe trung bình của 2 vệt bánh xe tính bằng inch(2.54cm);

SV: Là phương sai độ dốc dùng để thể hiện cho độ gồ ghề và được xác địnhtheo công thức sau:

nSV

gồ ghề quốc tế IRI tương đối đơn giản, nhanh chóng và rất chính xác Do vậy,Hall và Munoz đã xây dựng mối tương quan giữa phương sai độ dốc và chỉ sốIRI theo công thức sau:

 Đường cao tốc, đường có tốc độ V > 80(Km/h) thì pt = 2.5;

 Đường cao tốc, đường có tốc độ V = 80(Km/h) thì pt = 2.2;

.2.7.6 Mođun đàn hồi hữu hiệu của đất nền đường M R

 Mođun đàn hồi là số đo đặc tính đàn hồi của đất, nó thay đổi nhiều tùy theo độ ẩmcủa đất và tải trọng gây ra Vì phụ thuộc vào trạng thái ẩm nên trị số mođun đànhồi của nền đất thay đổi rất đáng kể theo mùa Đối với vật liệu làm nền đường cầnphải thí nghiệm để xác định trị số mođun đàn hồi và phải được tiến hành trên cácmẫu đại diện với các điều kiện về độ ẩm tương đương từng mùa

 Cần lưu ý rằng giá trị MR ở đây là giá trị trung bình bởi vì chúng ta đã sử dụng giátrị độ tin cậy R và độ tin cậy ấy đã xét đến được các sự thay đổi của nhiều nhân tốgắn liền với thiết kế mà chúng ta không thể dự đoán được nên nếu chúng ta chọngiá trị MR tối thiểu để thiết kế thì kết cấu áo đường sẽ an toàn quá mức dẫn đếnkhông kinh tế

 Hầu hết các loại đất được đầm nén có xu hướng trương nở khi bị thấm nước Khiđất trương nở thì khả năng chịu tải giảm và sẽ tương ứng với một mức độ phá hoạitương đối uf Vì vậy mục đích của việc xác định mođun đàn hồi theo mùa là nhằmđịnh lượng được sự hư hỏng tương đối uf của kết cấu áo đường khi chịu ảnh hưởngcủa thời tiết mỗi mùa trong năm Mođun đàn hồi dùng để thiết kế là giá trị tươngđương sự ảnh hưởng tổng hợp của các giá trị mođun đàn hồi theo mùa

 Có hai phương pháp xác định MRi:

 Tìm quan hệ giữa mođun đàn hồi M Ri với độ ẩm trong phòng thí nghiệm Sau đó dự báo độ ẩm của đất nền tại chỗ trong các thời kỳ khác nhau và dựa vào quan hệ tìm

được để suy ra M Ri (Thí nghiệm xác định M Ri trong phòng thí nghiệm được tiến hành theo hướng dẫn ở AASHTO – T292.

 Đo độ võng và chậu võng bằng phương pháp đo không phá hoại mẫu NDT.

 Mối quan hệ giữa mođun đàn hồi của nền đất và độ hư hỏng tương đối của kết cấu

áo đường được thể hiện thông qua phương trình hoặc toán đồ dưới đây:

Hình 2.5 – Toán đồ thể hiện mối quan hệ giữa M R và u f

 Trình tự tính toán để xác định mođun đàn hồi hữu hiệu của đất nền đường MR:

tháng n i

Mođun đàn hồi của đất nền M R , MPa

Độ hư hỏng tương đối u fi

 Bước 1 : Trong một năm cần xác định mođun đàn hồi của đất nền đường MR ít nhất

là trong 4 thời hạn: Mùa mưa, mùa khô và 2 thời hạn chuyển mùa tương ứng là

MR1, MR2, MR3, MR4 ghi vào cột 3 Bảng 2.13 Số tháng tương ứng với từng thời hạn

và thời điểm để tiến hành thí nghiệm được xác định theo điều kiện thời tiết củatừng địa phương ghi vào cột 2 và có thể tham khảo giá trị trong bảng dưới đây:

Bảng 2.11 – Thời đoạn các mùa trong năm và thời điểm xác định M R

 Bước 2 : Từ toán đồ hoặc phương trình (3) xác định mức độ hư hỏng tương đối ufi

 Có một số trường hợp thiết bị để thực hiện thí nghiệm để xác định mođun đàn hồi

là không có Khi đó ta có thể sử dụng toán đồ dưới đây để ước lượng mođun đànhồi của đất nền dựa vào chỉ số CBR:

Hình 2.6 – Toán đồ thể hiện mối tương quan giữa chỉ số CBR và M R

 Ta cũng phải thí nghiệm xác định chỉ số CBRi cho từng thời hạn từ đó dùng toán

đồ trên để xác định MRi cho từng thời hạn và thực hiện những bước trên để xácđịnh MR để thiết kế

 Sự thay đổi địa chất trong một dự án là rất phổ biến Nên sự linh hoạt trong việclựa chọn thông số MR là rất cần thiết Nếu sự thay đổi MR của dự án ở trong mộtphạm vi hẹp với một vài giá trị cao hơn là không đáng kể thì MR thấp nhất nênđược lựa chọn cho thiết kế Tuy nhiên giá trị MR thấp nhất không nên chi phối trêntoàn bộ dự án Nếu có một số ít giá trị MR thấp và chúng chỉ đại diện cho một khốilượng tương đối nhỏ của đất nền hoặc chỉ tập trung tại một diện tích nhỏ thì biệnpháp hiệu quả kinh tế là cải tạo khu vực đó để có thể có một MR lớn hơn

.2.7.7 Xác định các đặc trưng tính toán của các lớp vật liệu trong các lớp kết cấu áo

đường và xác định các hệ số lớp a i

 Các hệ số lớp ai được gắn với vật liệu mỗi lớp của kết cấu áo đường được dùng đểchuyển đổi bề dày thực tế sang một chỉ số kết cấu SN Hệ số lớp này biểu thị mối

quan hệ thực nghiệm giữa chỉ số SN và bề dày lớp và nó cũng là số đo khả năngtương đối của vật liệu với chức năng như là một phần của kết cấu áo đường.

 Giá trị của các hệ số lớp ai được quy định cho mỗi lớp vật liệu tùy thuộc vào chấtlượng của lớp vật liệu đó thể hiện qua hệ số mođun đàn hồi E hoặc trị số CBR hoặccường độ kháng nén nở hông hoặc độ ổn định Marshall Ngoài ra trị số ai còn phụthuộc vào vị trí các lớp vật liệu, chiều dày và độ cứng của các lớp vật liệu nằmdưới nó

1 – Xác định hệ số lớp a 1 của các lớp bê tông nhựa chặt dùng cho các lớp ở tầng mặt khi biết mođun đàn hồi E AC của bê tông nhựa ở nhiệt độ tính toán của mặt đường.

 Hệ số lớp kết cấu cho hỗn hợp bê tông nhựa a1 là một giá trị thực nghiệm không thể

đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm;

 Toán đồ dưới đây dùng để xác định trị số lớp a1 hoặc cũng có thể dùng công thứcsau:

AC 1

EAC: Mođun đàn hồi của bê tông nhựa chặt ở nhiệt độ tính toán

Lưu ý: Mođun đàn hồi EAC ở đây là mođun đàn hồi động được xác định theo thínghiệm sử dụng tải kéo căng gián tiếp kỹ thuật có sử dụng tải trọng trùng phục theotiêu chuẩn ASTM D4123, ksi – Khác với mođun đàn hồi tĩnh được sử dụng trongtiêu chuẩn 22TCN 211 – 06 Giá trị mođun đàn hồi động này sẽ lớn hơn mođunđàn hồi tĩnh khoảng từ 2 – 4 lần

 Khi đã có số liệu xác định được nhiệt độ trung bình trong năm theo từng mùa củalớp bê tông nhựa (Ti) thì có thể tính chính xác hơn giá trị EAC theo công thức sau:

 EAC(Ti): Mođun đàn hồi của lớp bê tông nhựa ở nhiệt độ trung bình của mùa thứ

i, Nhiệt độ được đo tại điểm giữa của chiều dày lớp bê tông nhựa tầng mặt, psi;

 j: Tổng số mùa trong năm của khu vực thiết kế;

 DFi: Hệ số hư hỏng nứt mỏi trong mùa thứ i:

  1.908

10

DF 7.4754 10 E 

 Nếu lớp bê tông nhựa có 2 lớp thì ta tính ra từng EAci rồi tính trung bình

Hình 2.7 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a 1 của lớp mặt làm bằng bê tông nhựa chặt theo

mođun đàn hồi của bê tông nhựa chặt ở nhiệt độ tính toán

 Khi chưa xác định được nhiệt độ trung bình của lớp mặt đường ở các mùa trongnăm của khu vực thiết kế thì có thể tạm áp dụng nhiệt độ tính toán của lớp bê tôngnhựa tầng mặt đang quy định tại các tiêu chuẩn hiện hành Hiện tại ở nước ta có thểlấy nhiệt độ trung bình là 300C để tính toán tương ứng với EAC = 2070(MPa)

2 – Xác định hệ số lớp a 2 của các lớp móng trên bằng vật liệu hạt hoặc vật liệu gia

cố xi măng hoặc vật liệu gia cố nhựa

 Để xác định hệ số lớp a2 cho lớp móng trên bằng vật liệu hạt, ta sử dụng toán đồHình 2.8 khi biết mođun đàn hồi EBS, (MPa) hoặc trị số CBR hoặc cũng có thểdùng phương trình liên hệ sau:

a Hat 0.249 log E 145.038,MPa  0.977

 Tiêu chuẩn để thí nghiệm xác định trị số CBR: 22TCN 332 – 06; AASHTO T193;

 Tiêu chuẩn để thí nghiệm xác định trị số mođun đàn hồi của lớp vật liệu hạt khônggia cố (Cấp phối đá,…) EBS: AASHTO T292 – 91;

Hình 2.8 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a 2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu hạt

 Để xác định hệ số lớp a2 cho lớp móng trên bằng vật liệu gia cố xi măng, ta sửdụng toán đồ Hình 2.9 khi biết mođun đàn hồi EBS hoặc Cường độ kháng nén 7ngày nở hông tự do:

 Tiêu chuẩn để thí nghiệm xác định cường độ kháng nén nở hông tự do: TCVN

Hình 2.9 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a 2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu gia

Hình 2.10 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a 2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu gia

cố nhựa

3 – Xác định hệ số lớp a 3 của lớp móng dưới bằng vật liệu hạt

 Để xác định hệ số lớp a3 của lớp móng dưới bằng vật liệu hạt, ta sử dụng toán đồ Hình 2.11 hoặc cũng có thể dùng phương trình liên hệ sau:

a 0.227 log E 145.038, MPa  0.839

Hình 2.11 – Biểu đồ xác định hệ số lớp a 3 của lớp móng dưới làm bằng vật liệu hạt 2.7.9 Điều kiện gây ẩm và thoát nước kết cấu mặt đường – Hệ số điều kiện thoát

nước m i

 Mực nước đọng 2 bên đường thường ít hoặc không thấm vào kết cấu áo đường.Nước thấm vào trong kết cấu áo đường chủ yếu thông qua các kẽ nứt và có thể làmcho kết cấu áo đường chịu độ ẩm lớn Vì vậy mức độ chất lượng thoát nước là mộtyếu tố quan trọng trong thiết kế và được đánh giá theo quãng thời gian cần thiết đểnước thoát khỏi kết cấu áo đường được quy định ở Bảng 2.15:

Bảng 2.12 – Mức độ chất lượng thoát nước cho kết cấu áo đường mềm

 Trị số hệ số thoát nước mi của các lớp không gia cố bằng xi măng hoặc nhựa trongcông thức (2) được quy định ở Bảng 2.16 theo chất lượng thoát nước và số phầntrăm thời gian trong năm mà kết cấu áo đường phải chịu ẩm đến mức xấp xỉ bãohòa.

 Thời gian trong năm mà kết cấu áo đường phải chịu ẩm đến mức xấp xỉ bão hòaphụ thuộc vào lượng mưa trung bình năm của từng địa phương và điều kiện thoátnước của kết cấu áo đường như: Chiều cao nền đường so với mực nước đọng 2 bêncủa từng đoạn tuyến, hệ thống thoát nước mặt, mức nước ngầm,…mà người thiết

kế cần điều tra, khảo sát trước

 Đối với lớp mặt bằng bê tông nhựa xem như không tính đến khả năng ảnh hưởngcủa điều kiện thoát nước nên m1 luôn luôn lấy bằng 1

Bảng 2.13 – Trị số của hệ số thoát nước m i 2.7.9 Các bước thiết kế kết cấu áo đường mềm theo chỉ số kết cấu

Phương pháp 1: Tính toán đúng dần :

 Bước 1 : Xác định các thông số đầu vào:

1 – Thời hạn phục vụ của mặt đường mềm (Tp.v);

2 – Thời hạn phân tích của áo đường (Tp.t);

3 – Tổng số trục xe tương đương (W80);

4 – Độ tin cậy (R);

5 – Chỉ số khả năng phục vụ ban đầu và cuối, tổn thất khả năng phục vụ (PSI);

6 – Mođun đàn hồi hữu hiệu của đất nền đường (MR);

7 – Các đặc trưng tính toán của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường và xác địnhcác hệ số lớp (ai);

8 – Các hệ số thoát nước (mi)

 Bước 2 : Thay vào phương trình thực nghiệm xác định chỉ số kết cấu SN cần thiết:

4.2 1.5

10940.4

Hình 2.12 – Trình tự xác định chiều dày từng lớp theo phương pháp phân tích chi tiết

Bảng 3.1 – Bảng tổng hợp số liệu một số loại vật liệu sử dụng

 Vì chỉ tiêu đất nền trong số liệu đồ án là mođun đàn hồi tĩnh Eo nên nhóm đã sửdụng công thức biểu diễn mối quan hệ thực nghiệm của Việt Nam được quy địnhtrong tiêu chuẩn 22TCN 211 – 06 để ước lượng chỉ số CBR của nền đường từ đó

ra toán đồ để xác định mođun đàn hồi của đất nền MR:

 Lưu lượng xe năm tương lai: Nt = 2750(Xe/Ngày đêm);

 Hệ số tăng trưởng xe: p = 5.7%;