cuûa caùc loaïi maët ñöôøng naøy ñöôïc taêng leân roõ reät. Ñieån hình cho loaïi maët ñöôøng naøy laø caùc lôùp: ñaát hoaëc ñaù coù gia coá voâi, xi maêng,… vaø thöôøng duøng laøm lôùp [r]
Trang 1CHƯƠNG 6
THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM
6.1 Yêu cầu chung đối với áo đường và cấu tạo kết cấu áo đường
6.1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường
Áo đường là công trình được xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau, trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng xe chạy và sự phá hoại thường xuyên của các nhân tố thiên nhiên như mưa, gió, sự thay đổi nhiệt độ,… Do đó khi thiết kế và xây dựng áo đường phải đạt được các yêu cầu sau đây:
- 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
- Mặt đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cản lăn, giảm xóc khi xe chạy Do đó sẽ nâng cao 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
- 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
- Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt Vì bụi sẽ làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa và gây ô nhiễm môi trường
6.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường
Cấu tạo của kết cấu áo đường hoàn chỉnh gồm có tầng mặt và tầng móng, mỗi tầng lại có thể gồm nhiều lớp vật liệu (Hình 1.1)
- 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,…)
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 gồm lớp tạo nhám kiêm chức năng lớp hao mòn bảo vệ( nếu có) và lớp chịu lực: có thể gồm 1, 2 hoặc 3 lớp phụ thuộc cấp đường, quy mô giao thông
Trang 2- Tầng móng: 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
Lớp móng trên : tiếp nhận áp lực của tầng mặt truyền xuống móng dưới và nền đất, có tác dụng phân bố lực thẳng đứng để khi truyền xuống nền đất ứng suất sẽ giảm đến một mức độ mà nền đất có thể chịu được Tầng móng có thể làm bằng vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ, hoặc các vật liệu rời rạc Ngoài ra nên cố gắng sử dụng vật liệu tại chỗ để làm lớp móng
Lớp móng dưới có chức năng tương tự, nhưng lớp móng dưới cùng ngoài chức năng chịu lực, trong một số trường còn có một số chức năng đặc biệt: thoát nước làm khô nền đường, cách nước cách hơi, tuỳ theo chức năng có thể làm bằng vật liệu thoát nước tốt hoặc vật liệu cách nước cách hơi; ( vải địa kỹ thuật, đất sét, đất gia cố hoặc đất đầm chặt cường độ cao )
Lớp tạo nhám (nếu có) Lớp mặt Lớp móng trên Lớp móng dưới Lớp đáy móng (nếu có)
Hình 1.1 Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền - áo đường
6.2 Phân loại áo đường
6.2.1 Phân loại theo vật liệu và cấu trúc vật liệu
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:
- Theo nguyên lý đá chèn đá: là mặt đường đá dăm nước (hay đá dăm macadam) được cấu trúc bằng đá dăm có kích cỡ đồng đều, 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
Trang 3Ưu 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
Yêu cầu chính là khống chế đúng tỷ lệ phối hợp giữa các thành phần hạt và chỉ số dẻo (thông qua hàm lượng hạt nhỏ – đất dính) Nếu hàm lượng sét quá nhiều làm cho mặt đường kém ổn định với nước, nếu quá ít sẽ không đủ dính kết
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
Điển hình cho loại mặt đường này là các lớp: đất hoặc đá có gia cố vôi, xi măng,… và thường dùng làm lớp móng cho đường cấp cao Áo đường bê tông xi măng cũng thuộc loại này nhưng được cấu trúc đặc biệt tốt và thường dùng làm lớp mặt cho đường cấp cao, chịu được bào mòn bề mặt, khả năng chịu kéo khi uốn lớn
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): tùy theo phương pháp thi công, ta có:
+ Theo phương pháp tưới:
- Mặt đường thấm nhập nhựa: tưới nhựa vào các lớp đá đã rải sẵn rồi chèn và lu lèn, tùy theo chiều sâu nhựa thấm nhập mà ta có: thấm nhập nhẹ, bán thấm nhập và thấm nhập sâu
- Mặt đường láng nhựa: tưới nhụa lên tầng mặt đã hình thành rồi rải sỏi sạn hoặc đá dăm nhỏ và lu cho đá sỏi chìm vào trong nhựa
+ Thi công theo phương pháp trộn thì có các loại: đất gia cố nhựa; đá dăm đen (đá có kích cỡ đồng đều trộn với nhựa rồi rải và chèn đá con trộn nhựa); hỗn hợp đá trộn nhựa (cấp phối đất đá trộn nhựa rồi lu lèn chặt) và bê tông
Trang 4nhựa (bao gồm đá, cát, bột khoán và 4-12% nhựa đem trộn với nhau theo nguyên lý cấp phối tốt nhất và lu lèn chặt)
6.2.2 Phân loại theo đặc điểm tính toán cường độ áo đường
Có hai loại: áo đường cứng và áo đường mềm
- Áo đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có khả năng
chịu kéo khi uốn rất lớn, làm việc theo nguyên lý tấm trên nền đàn hồi, tức là 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
- Áo đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp không có khả năng chịu uốn hoặc có khả năng chịu uốn nhỏ, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe chúng chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu Do đó nền đất cũng tham gia chịu tải cùng với mặt đường ở mức độ đáng kể
Thuộc về áo đường mềm là tất cả các loại áo đường làm bằng các vật liệu khác nhau, trừ mặt đường bê tông xi măng
6.3 Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường
6.3.1 Trình tự thiết kế áo đường:
1) Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường, mỗi phương án bao gồm tầng mặt và tầng móng, mỗi tầng có thể có nhiều lớp vật liệu khác nhau
2) Kiểm toán cường độ chung của cả kết cấu áo đường và cường độ trong mỗi tầng lớp áo đường Tính toán xác định bề dày từng lớp
3) Tính toán luận chứng kinh tế – kỹ thuật, so sánh các phương án để lựa chọn phương án tối ưu
6.3.2 Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường:
Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường là nhằm chọn và bố trí hợp lý các lớp vật liệu phù hợp với chức năng và yêu cầu của các tầng lớp áo đường
Nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường mềm:
1) Phải 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
- Yêu cầu là thiết kế một kết cấu áo đường kín và ổn định nhiệt, có tầng mặt không thấm nước, thoát nước mặt nhanh
- Phải chú ý sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ nhằm giảm giá thành xây dựng của công trình
- Phải phù hợp với khả năng thi công thực tế, cơ giới hóa và công nghiệp hóa quá trình xây dựng để giảm giá thành
Trang 5- Áp dụng nguyên tắc phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo áo đường, dự tính biện pháp tăng cường bề dày, thay đổi kết cấu để nâng cấp áo đường cho phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian
2) Cấu tạo tầng mặt áo đường:
Tùy theo cấp hạng kỹ thuật mặt đường và phạm vi sử dụng các loại tầng mặt bao gồm:
- Bê tông nhựa chặt dưới hình thức nhựa bitum đun nóng, nhũ tương bitum hoặc nhựa bitum lỏng
- Đá dăm nước không có hoặc có xử lý nhựa (thấm nhập nhựa, láng nhựa,…) hoặc xử lý bằng chất kết dính vô cơ rồi láng nhựa lên trên
- Cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên có hoặc không có xử lý chất kết dính vô cơ
- Cát, đất cải thiện thành phần hạt hoặc gia cố các chất kết dính vô cơ, trên có lớp bảo vệ
- Lát đá, gạch nung hoặc lát gạch bê tông
Có các loại tầng mặt:
Cấp thiết
kế đường
(theo
TCVN
4054)
Loại tầng
Thời hạn thiết kế (năm)
Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (trục xe tiêu chuẩn/làn)
Cấp I, II, III
và cấp IV
Cấp cao A1
Bê tơng nhựa chặt loại I hạt nhỏ, hạt trung làm lớp mặt trên;
hạt trung, hạt thơ (chặt hoặc hở loại I hoặc loại II) làm lớp mặt dưới
Cấp III, IV
và cấp V
Cấp cao A2
-Bê tơng nhựa chặt loại II, đá dăm đen và hỗn hợp nhựa nguội trên cĩ láng nhựa
-Thấm nhập nhựa -Láng nhựa (cấp phối đá dăm,
đá dăm tiêu chuẩn, đất đá gia
cố trên cĩ láng nhựa)
8-10
5-8 4-7
> 2.106
> 1.106
> 0.1.106
Cấp IV, V
và VI
Cấp thấp B1
Cấp phối đá dăm, đá dăm nước, hoặc cấp phối thiên nhiên trên
cĩ lớp bảo vệ rời rạc (cát) hoặc
cĩ lớp hao mịn cấp phối hạt nhỏ
Trang 6- Cày xới lớp mặt của áo đường cũ, dùng lại vật liệu của lớp này trộn thêm với chất liên kết để tạo nên một lớp mới có cường độ cao hơn, sau đó có thể rải thêm một lớp mặt nữa
- Đào bỏ cả áo đường cũ và thiết kế một kết cấu mới (áp dụng khi không cho phép nâng cao bề mặt áo đường)
6.9.1 Điều tra đánh giá tình trạng kết cấu áo đường cũ:
Khi điều tra đánh giá tình trạng hư hỏng của áo đường cũ, cần mô tả:
- Nứt cá biệt: các khe nứt có dạng bất kỳ và cách xa nhau trên 10m
- Nứt thưa: các khe nứt ngang và xiên không liên hệ với nhau, khoảng cách từ 4 – 10m
- Nứt dày: nhiều khe nứt nhưng nói chung chưa khép kín, khoảng cách giữa chúng 1 – 4m
- Nứt thành lưới: các khe nứt khép kín như mắc lưới
- Nứt dọc vệt xe chạy kết hợp nứt ngang: các khe nứt dọc trên vệt xe chạy cách nhau 0,2 – 0,4m và các vệt nứt ngang cách nhau 1 – 4m trên cả bề rộng mặt đường
- Vệt hằn: trắc ngang mặt đường bị hằn đều ở vệt bánh xe
- Lún cục bộ: lún lõm lòng chảo kèm theo mạng lưới khe nứt
- Bong, bật, tróc: bề mặt đường bị phá hoại, các cốt liệu bị phá rời khỏi chất kết dính
- Ổ gà: các hõm sâu với góc cạnh rõ rệt
- Làn sóng: lượn sóng có quy luật (thường vết lồi, lõm theo hướng ngang cách nhau 0,5 – 2m)
- Trượt ngang: có sự dịch chuyển lớp mặt, thường thấy ở những đoạn dốc lớn, các nơi hay phải dừng xe như chỗ giao nhau, trước trạm thu phí,…)
- Vỡ, gãy: phá hoại hoàn toàn áo đường, mặt cắt ngang áo đường bị biến dạng
6.9.2 Thử nghiệm đánh giá cường độ kết cấu áo đường cũ:
Việc thử nghiệm phải được tiến hành đối với từng đoạn nhỏ hơn 1000m Với mặt đường nhựa thì trên mỗi đoạn tiến hành đo độ võng đàn hồi dưới bánh
xe ở 20 điểm (bình quân 50m/điểm) Với các đoạn nhỏ hơn 100m có cường độ chênh lệch hẳn với xung quanh thì phải đo đủ 15 điểm trên mỗi đoạn (8 – 10m
đo 1 điểm)
Các điểm đo phải nằm trên làn có nhiều xe chạy qua nhất và mỗi lần đo phải đồng thời đo nhiệt độ của lớp bê tông nhựa để phục vụ cho việc xử lý số liệu kết quả đo sau này Đối với áo đường cũ không phải là mặt đường nhựa thì không đo độ võng đàn hồi
Trang 7Ở mỗi đoạn phải tiến hành đào bóc một chỗ kết cấu áo đường cũ để xác định bề dày các lớp kết cấu, tình trạng cũng như chất lượng của chúng, đo E0, C,
ϕ của nền đất Chỗ đào bóc phải trùng với một điểm đo độ võng đàn hồi dưới bánh xe (thường chọn chỗ có tình trạng hư hỏng đặc trưng nhất cho cả đoạn)
6.9.3 Xác định bề dày lớp tăng cường:
Tùy theo mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc, mô đun đàn hồi của vật liệu lớp tăng cường Ei và mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đường cũ Ech Sau đó phải kiểm tra cường độ chung của kết cấu áo đường tăng cường theo các điều kiện trượt và chịu kéo khi uốn
-*** -