Coâng thöùc ñaàu tieân söû duïng ñeå tính chieàu daøy taám BTXM maët ñöôøng do Oaùtstecgat tìm ra naêm 1926 luùc ñoù oâng söû duïng moâ hình heä soá neàn K ( Winkler ) va[r]
Trang 1CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG
2.1 Đặc điểm và cấu tạo kết cấu áo đường cứng
2.1.1 Đặc điểm kết cấu áo đường cứng:
- Áo đường cứng là kết cấu áo đường có lớp mặt hoặc lớp móng làm bằng bê tông xi măng – loại vật liệu có độ cứng rất cao
- Ưu điểm chủ yếu của mặt đường bê tông xi măng là có cường độ cao, thích hợp với xe tải trọng nặng, có độ bằng phẳng, độ nhám tốt, ổn định nhiệt tốt hơn so với mặt đường nhựa, niên hạn sử dụng dài (từ 30 – 40 năm hoặc lâu hơn)
- Nhược điểm chủ yếu của mặt đường bê tông xi măng là phải làm nhiều khe, thi công phức tạp, dễ bị thấm nước và hư hỏng ở vị trí khe, dễ bị nứt gãy
- Áo đường cứng được thiết kế dựa theo lý thuyết “tấm trên nền đàn hồi” đồng thời có xé tới sự thay đổi của nhiệt độ và của các nhân tố khác gây ra đối với tấm bê tông
- Nội dung thiết kế áo đường cứng bao gồm:
+ Thiết kế cấu tạo nhằm chọn và bố trí hợp lý kích thước tấm, các khe và liên kết giữa các tấm, chọn vật liệu tầng móng, vật liệu chèn khe
+ Tính toán kiểm tra cường độ (bề dày) tấm bê tông xi măng và lớp móng dưới tác dụng của tải trọng và của nhiệt độ
2.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường cứng:
Kết cấu mặt đường bê tông xi măng đổ tại chỗ gồm các lớp như hình 2.1
B/2 C
b
Bm/2 d
1 3 2 4
1:m
1,5-2%
Hình 2.1 Mặt cắt ngang áo đường bê tông xi măng đổ tại chỗ
1 Lớp mặt (tấm bê tông); 2 Lớp tạo phẳng; 3 Lớp móng; 4 Nền đất
B: bề rộng phần xe chạy; b: dải an toàn hoặc gia cố lề;
C: Bề rộng lề; Bm: bề rộng móng;
d: Bề rộng thêm của lớp móng so với lớp mặt
- Trong mọi trường hợp, 30cm nền đất trên cùng dưới lớp móng phải được
Trang 2- Bề rộng của lớp móng Bm nên rộng hơn lớp mặt B mỗi bên từ 0,3 – 0,5m
- Lớp móng có tác dụng giảm áp lực tải trọng ô tô lên nền đất, hạn chế nước ngấm qua khe xuống nền đất, giảm tích lũy biến dạng ở góc và cạnh tấm, đảm bảo độ bằng phẳng cho mặt đường, đảm bảo ô tô và máy rải bê tông chạy trên lớp móng trong thời gian thi công
- Lớp móng có thể làm bằng bê tông nghèo, đá gia cố xi măng, cát gia cố
xi măng, đất gia cố xi măng hoặc vôi Bề dày lớp móng tùy theo tính toán nhưng tối thiểu phải bằng 14cm nếu là bê tông nghèo, 15 – 16cm nếu bằng đất, cát hoặc đá gia cố và bằng 20cm nếu bằng cát hạt to hoặc hạt trung
- Lớp tạo phẳng có thể bằng giấy dầu, cát trộn nhựa dày 2 – 3cm hoặc cát vàng dày 3 – 5cm Lớp này có tác dụng đảm bảo độ bằng phẳng của lớp móng, đảm bảo tấm dịch chuyển dễ dàng khi nhiệt độ thay đổi
- Tấm bê tông xi măng có thể có hoặc không có cốt thép Chiều dày của tấm được xác định thông qua tính toán nhưng không nhỏ hơn các trị số quy định (xem bảng 2.1 Tr.43)
- Các tấm bê tông được liên kết với nhau bởi các khe: khe dọc và khe ngang, khe ngang có hai loại: khe dãn và khe co Mục đích của việc bố trí khe nhằm giảm ứng suất nhiệt trong tấm khi nhiệt độ thay đổi Cấu tạo của các loại khe được thể hiện như hình vẽ 2.2 và 2.3
3
Hình 2.2 Sơ đồ bố trí khe trong mặt đường bê tông xi măng
1 Khe dãn; 2 Khe co; 3 Khe dọc
- Khe dọc thường bố trí theo tim đường hoặc song song với tim đường Khoảng cách giữa các khe dọc không vượt quá 4,5m, thường bằng bề rộng một làn xe
- Khoảng cách giữa các khe ngang (khe co và khe dãn) phụ thuộc vào loại kết cấu mặt đường, chiều dày tấm bê tông và nhiệt độ không khí khi đổ bê tông (xem bảng 2.5 Tr.46)
Trang 3- Vật liệu chèn khe đảm bảo tính đàn hồi lâu dài, có thể dính bám chặt với bê tông, không thấm nước, không dòn khi trời lạnh, trời nóng không bị chảy
2,5
50
Mattit Gỗ đệm Mạc cưa tẩm nhựa Quét nhựa
Mattit Quét nhựa 0,8-1,2
h/4
50
Quét nhựa
d
c) Mattit
Hình 2.3 Các loại khe
a Khe dãn có thanh truyền lực; b Khe co giả; c Khe dọc kiểu ngàm
Ghi chú: các kích thước a, b, c, d phụ thuộc chiều dày tấm
7.2 Các tham số thiết kế áo đường cứng
7.2.1 Tải trọng tính toán tiêu chuẩn: đối với kết cấu áo đường cứng được quy
định thống nhất như khi thiết kế áo đường mềm nhưng khi tính toán tải trọng bánh xe được nhân thêm với hệ số xung kích như bảng 2.1
Tải trọng tính toán tiêu chuẩn và hệ số xung kích Bảng 2.1
Tải trọng trục tiêu
chuẩn, daN
Tải trọng bánh xe tiêu chuẩn, daN
Hệ số xung kích Tải trọng bánh xe
tính toán, daN
10.000
12.000
9.500
5.000 6.000 4.750
1,2 1,15 1,2
6.000 6.900 5.700
7.2.2 Hệ số chiết giảm cường độ n:
Khi tính toán cường độ kết cấu áo đường cứng, cường độ chịu kéo uốn cho phép của bê tông xi măng được xác định bằng cường độ chịu uốn giới hạn nhân với hệ số chiết giảm cường độ n quy định tùy thuộc tổ hợp tải trọng tính toán như bảng 2.2
Hệ số chiết giảm cường độ n Bảng 2.2
Tổ hợp tải trọng tính toán Hệ số chiết giảm
cường độ n
Hệ số an toàn k = 1/n
Trang 4- Kiểm toán với xe xích
- Tác dụng đồng thời của hoạt tải và ứng
suất nhiệt
0,65 0,85-0,90
1,54 1,18-1,11
7.2.3 Cường độ của bê tông xi măng:
Các chỉ tiêu về cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông được quy định như bảng 2.3
Bảng 2.3
Cường độ giới hạn sau 28 ngày, daN/cm 2 Các lớp kết cấu
Cường độ chịu kéo uốn Cường độ chịu nén
Mô đun đàn hồi
Lớp mặt
50
45
40
400
350
300
35.104
33.104
31,5.104
Lớp móng của
mặt đường bê
tông nhựa
35
30
25
250
200
170
29.104
26,5.104
23.104
7.3 Tính toán bề dày tấm BTXM:
7.3.1 Các hiện tượng phá hoại của mặt đường BTXM:
Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, do sự thay đổi của nhiệt độ, mặt đường BTXM có thể gặp những hư hỏng sau:
+ Tại vị trí các khe nối, mặt đường bị vỡ dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, do đó nước sẽ dễ dàng thấm vào các khe hở làm cường độ đất nền giảm xuống, điều kiện tiếp xúc giữa tấm BTXM và đất nền không tốt
+ Để khắc phục hiện tượng này khi thiết kế chiều dày của tấm BTXM nếu chịu tác dụng của bánh xe đặt ở giữa tấm thì có thể chọn chiều dày nhỏ hơn so với trường hợp bánh xe đặt ở cạnh tấm
+ Dưới tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ, ứng suất trong tấm BTXM sẽ đổi dấu liên tục, sự chênh lệch nhiệt độ này có thể là theo mùa hoặc theo chu kỳ ngày đêm gây nên hiện tượng mỏi do nhiệt độ làm tấm dễ bị phá hoại Như vậy, tấm BTXM được xem là phá hoại khi trong suốt thời kỳ khai thác, sử dụng tấm bị nứt, bị mất tính toàn khối ban đầu dẫn đến năng lực chịu tải giảm xuống đến dưới mức cần thiết
7.3.2 Các tiêu chuẩn tính toán về cường độ:
7.3.2.1 Trường hợp đối với tấm BTXM:
[ ]
.
ku n R ku ku
Trong đó: σku – ứng suất kéo uốn do tải trọng bánh xe tính toán gây ra
R – cường độ chịu kéo uốn giới hạn của BT
Trang 5n – hệ số chiết giảm về cường độ (hệ số dự trữ về cường độ)
Khi kiểm toán với tổ hợp tải trọng là xe tiêu chuẩn và sự thay đổi của nhiệt độ
Điều kiện: σku = σxe+ σt ≤n R. ku(n= 0.85 0.9 ÷ )
Nếu σxe= 0.5R ku⇒σt=(0.35 0.4 ÷ )R ku
Như vậy, đây là điều kiện khống chế để tính chiều dày của tấm BTXM 7.3.2.2 Kiểm toán đối với lớp móng của mặt đường BTXM:
Lớp móng được coi là đảm bảo về mặt cường độ khi tại bất kỳ điểm nào trong nền đất cũng không được phát sinh biến dạng dẻo
Điều kiện: τa = τam+ τab≤k c.
Trong đó: τam – ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất
τab – ứng suất cắt chủ động do trọng lượng bản thân của các lớp phía trên gồm tấm BTXM, lớp móng và lớp đất đến độ sâu cần kiểm tra
k – hệ số: k = k’.k1
c – lực dính tính toán của đất nền
7.4 Tính toán chiều dày (cường độ) tấm bê-tông xi-măng đổ tại chỗ
7.4.1 Nguyên lý tính toán:
Kiểm toán kết cấu mặt đường BTXM theo lý thuyết tấm trên nền đàn hồi Với
giả thiết khác nhau về sự làm việc của nền đàn hồi dưới đáy tấm, đó là mô hình
nền Winkler và mô hình nền bán không gian vô hạn đàn hồi
7.4.2 Tính toán theo phương pháp Westergard:
Công thức đầu tiên sử dụng để tính chiều dày tấm BTXM mặt đường do
Oátstecgat tìm ra năm 1926 lúc đó ông sử dụng mô hình hệ số nền K (Winkler)
và ông tính được ứng suất kéo uốn lớn nhất cho 3 trường hợp tải trọng tác dụng tải trọng điển hình có thể xảy ra trên mặt đường BT đó là vị trí ở giữa tấm, ở góc tấm và ở cạnh tấm
1 Tải trọng tác dụng ở giữa tấm: thì ứng suất kéo uốn lớn nhất sinh ra
ở mặt đáy của tấm ngay ở vị trí tác dụng tải trọng, tính được như sau:
4 3 2
max
.
).
1 (
275 ,
0
R K
h E g l h
p
µ
2 Tải trọng tác dụng ở cạnh tấm: thì ứng suất kéo lớn nhất sinh ra ở mặt đáy của tấm ngay dưới vị trí tác dụng tải trọng có thể tính được là:
.h3 E p
µ σ
Trang 6d (cm): đường kính vòng tròn nội tiếp ở trong tấm BT (đường kính của tấm tròn, hoặc cạnh ngắn của tấm hình chữ nhật, hoặc bằng hai cạnh của tấm 6 cạnh)
Nếu S tính được >10 thì tấm đó ta gọi thuộc loại mềm và tính toán giống như tấm vô hạn
0,5≤ S ≤ 10 ta nói tấm có độ cứng hữu hạn
S < 0,5 tấm tuyệt đối cứng
• Đối với tấm có độ cứng hữu hạn thì momen uốn ở giữa tấm do hoạt tải gây ra được tính theo công thức:
Mtt = P(M A +M B )
P: Tải trọng tính toán (kG)
A
M ,M B : các trị số được thiết lập thành bảng tra phụ thuộc trị số S và
d
D , bảng 5.1, M A = f(S), M B = f(D/d)
D: đường kính của vệt tiếp xúc của bánh xe tính toán (cm)
• Đối với tấm tuyệt đối cứng:
Mtt =
4
.
2 p d M
M : trị số tra bảng phụ thuộc
d
D , bảng 5.2
p: áp lực của bánh xe tính toán, daN/cm2
* Ngoài việc tính momen uốn do hoạt tải gây ra khi tính các tấm lắp ghép cần phải chú ý tới ảnh hưởng của các tấm lân cận Momen uốn ở giữa tấm
do ảnh hưởng của lực cắt Q và nếu tính theo chu vi của tấm ta có thể sử dụng công thức sau đây:
2 Q d M
M Q = − Q
Q
M : trị số tra bảng phụ thuộc S, bảng 5.3
Như vậy đầu tiên ta phải xác định lực cắt Q do ảnh hưởng của các tấm lân cận, Q được xác định như sau:
1
.
L
P
Q
Q =
Q: trị số xác định theo bảng lập sẵn phụ thuộc
1
.
2 L
d , bảng 5.4
Trang 7L1= 3
2
1
d
-Momen uốn tổng cộng do tải trọng tính toán và do tải trọng của các tấm lân cận truyền sang được tính như sau:
M = Mtt + MQ
=> chiều dày của tấm lắp ghép: h =
M
6
[ ]σ : Cường độ kéo uốn cho phép của BT, kG/cm2
Ta không cần phải kiểm tra ứng suất nhiệt trong tấm lắp ghép là vì trong các tấm có kích thước nhỏ ứng suất nhiệt sẽ không nguy hiểm nhưng ta cần phải kiểm tra ứng suất trong tấm BT khi cẩu tấm để lắp ghép hoặc cẩu để vận chuyển khi đó tấm được xem như 1 dầm giản đơn đặt trên 2 gối tựa và chịu tải trọng phân bố của trọng lượng bản thân tấm Lúc đó momen uốn sẽ được tính theo công thức:
Mcẩu = q l .K d
8 2
q: tải trọng phân bố đều do trọng lượng bản thân tấm
l
F
h
q = γ
h: chiều dày của tấm (cm)
F: diện tích của tấm (cm2)
γ: dung trọng của BT (kg/cm3)
l: chiều dài của tấm (cm)
Kd: hệ số động (xung kích) thường lấy Kd= 1,5
-*** -