Bài giảng Thiết kế đường - Phần 3: Thiết kế mặt đường - Th.S Võ Hồng Lâm

Bài giảng Thiết kế đường - Phần 3: Thiết kế mặt đường cung cấp cho người học những kiến thức như: Cấu tạo và nguyên lý tính toán cường độ áo đường; Tính toán cường độ (bề dày) áo đường mềm (theo 22tcn 211-06); Thiết kế áo đường cứng. Mời các bạn cùng tham khảo!

PHẦN III

THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG

CHƯƠNG 1

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG

1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1.1.1 Những 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, có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường, 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:

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

2 Mặt đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức

cản lăn, giảm sóc 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

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

Bảng 1.1: Yêu cầu về độ bằng phẳng tuỳ thuộc tốc độ chạy xe yêu cầu

Chỉ số IRI yêu cầu (m/Km) Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h)

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

1.1.2 Các tầng lớp kết cấu áo đường

Kết cấu các tầng lớp áo đường phải đáp ứng được các yêu cầu về vận tải và sử dụng nói trên

Phân tích trạng thái ứng suất trong kết cấu áo đường khi chịu tác dụng của tải trọng

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 ³50 MPa (500 daN/cm2) hoặc chỉ số CBR ≥ 10 (tùy theo loại đất);

– Bề dày tối thiểu là 30 cm

Cần bố trí lớp đáy móng thay thế cho 30 cm phần đất trên cùng của nền đường đường cấp I đường cấp II và đường cấp III có 4 làn xe trở lên, nếu bản thân phần đất trên cùng của nền đường không đạt các yêu cầu nói trên Nên thiết kế lớp đáy móng khi nền đắp bằng cát, bằng đất sét trương nở và khi đường qua vùng mưa nhiều hoặc chịu tác động của nhiều nguồn ẩm khác nhau

Vật liệu làm lớp đáy móng có thể bằng đất có cấp phối tốt (không được bằng cát các loại), cấp phối thiên nhiên, đất gia cố vôi (xi măng) tỷ lệ thấp Chiều rộng lớp đáy móng nên rộng hơn chiều rộng tầng móng mỗi bên là 15 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

1.1.3 Cấu tạo trắc ngang áo đường

Trắc ngang áo đường có dạng hình máng như hình 1.3

Hình 1.3 Cấu tạo trắc ngang áo đường

Hai ví dụ về kết cấu áo đường cấp cao như hình 1.4 dưới đây:

Hình 1.4 Các kết cấu áo đường cấp cao 1.2 PHÂN LOẠI ÁO ĐƯỜNG

1.2.1 Phân loại về đặc tính và phạm vi sử dụng

Tầng mặt áo đường được phân thành 4 cấp: cấp cao A1; cấp cao A2 (cấp cao thứ yếu); cấp thấp B1 (cấp quá độ); cấp thấp B2, mỗi cấp lại bao gồm một số loại tầng mặt làm bằng các loại vật liệu khác nhau theo nguyên lý cấu trúc khác nhau như bảng 1.3

Áo đường cấp cao A1 là loại đáp ứng yêu cầu không phát sinh biến dạng dư dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, tức là loại áo đường này chỉ cho phép làm việc hoàn toàn trong giai đoạn đàn hồi, do đó nó bảo đảm duy trì được chất lượng khai thác cao, xe chạy an toàn với tốc độ cao, kéo dài thời hạn giữa các kỳ sửa chữa tầng mặt

Bảng 1.3 Loại tầng mặt áo đường về đặc tính và phạm vi sử dụng

1.2.2 Phân loại về 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 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

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 nhựa 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 đá trộn nhựa rồi lu lèn chặt) và bê tông nhựa (bao gồm đá, cát, bột khoáng và 4-12% nhựa đem trộn với nhau theo nguyên lý cấp phối tốt nhất

và lu lèn chặt)

1.2.3 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 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

- Áo đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp đều có khả năng chịu uốn nhỏ

(hoặc không có khả năng chịu uốn), dưới tác dụng của 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

Trong kết cấu áo đường mềm nền đất cũng tham gia chịu tải cùng với mặt đường ở mức độ đáng kể

Kết cấu áo đường mềm gồm có tầng mặt làm bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường và tầng móng làm bằng các loại vật

liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng

1.3 NỘI DUNG VÀ NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1.3.1 Trình tự thiết kế áo đường:

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

1.3.2 Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường:

Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường là chọn và bố trí hợp lý các lớp vật liệu phù hợp với chức năng và yêu cầu của các tầng, lớp áo đường, chọn các giải pháp tăng cường cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng (bao gồm cả các giải pháp thoát nước nếu cần, cho các lớp kết cấu nền áo đường)

Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường mềm:

1 Chọn loại tầng mặt áo đường: Từ ý nghĩa, cấp hạng kỹ thuật của đường,

lưu lượng xe chạy và tốc độ xe chạy thiết kế, đồng thời 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

Trên tầng mặt áo đường, tùy theo cấp hạng đường, được bố trí các lớp tạo nhám, hao mòn, tạo phẳng thích hợp

Chọn loại tầng mặt áo đường như bảng 1.3

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

Cần dựa vào các nguyên tắc nêu trên để chọn và bố trí các lớp móng trên, móng dưới tuỳ thuộc loại tầng mặt như ở chỉ dẫn ở Bảng 1.4 cùng với các chú ý dưới đây:

+ Đối với đường cao tốc, đường cấp I, II và các đường có 4 làn xe trở lên thì cần sử dụng các lớp móng nửa cứng để tăng mức độ đồng đều về cường độ trên bề rộng phần xe chạy, chẳng hạn như bố trí lớp móng dưới bằng cát hoặc đất gia cố các chất liên kết vô cơ và bố trí lớp móng trên bằng cấp phối đá (sỏi cuội) gia cố xi măng

+ Ở những đoạn đường có thể bị ảnh hưởng của ẩm mao dẫn từ nước ngầm phía dưới thì lớp móng dưới nên sử dụng vật liệu đất gia cố chất liên kết vô cơ hoặc hữu cơ với bề dày tối thiểu là 15cm

+ Nếu lớp móng có thêm chức năng thấm thoát nước ra khỏi kết cấu áo đường thì lựa chọn vật liệu sao cho độ rỗng của nó sau khi đầm nén chặt bằng khoảng 15 – 20%, cấp phối hạt không được chứa cỡ hạt £0,074mm và hệ số thấm phải lớn hơn 3m/ngày đêm

+ Trong trường hợp đặc biệt khó khăn (thiếu các phương tiện gia công đá hoặc thiếu phương tiện xe máy thi công) thì có thể sử dụng lớp móng bằng đá ba xếp có chêm chèn chặt cho các loại mặt đường cấp thấp B1, B2 Đá ba có kích cỡ lớn nhất

là 18 – 24cm

+ Phải thiết kế một lớp láng nhựa trên móng cấp phối đá dăm hoặc đá dăm nước để chống thấm nước xuống nền và chống xe cộ thi công đi lại phá hoại móng trong trường hợp làm móng trước để một thời gian trước khi thi công tiếp các lớp ở trên

Bảng 1.4 Chọn loại tầng móng

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

Thông thường môđun của các lớp nên đạt các yêu cầu sau:

- Nền đường có E0 ≥200 daN/cm2 hoặc CBR ≥ 6-7% ;đối với đường cấp ≥ III thì phải có E0 ≥400 daN/cm2

- Lớp đáy áo đường có môđun đàn hồi E ³500 daN/cm2

hoặc chỉ số CBR ≥ 10% (tùy theo loại đất);

- Lớp móng dưới nên có CBR ≥30%

- Lớp móng trên nên có CBR ≥80%

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

5 Các kết luận thông qua phân tích trạng thái ứng suất biến dạng:

- 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 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

4 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

Bảng 1.5 Bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 tuỳ thuộc quy mô giao thông

- 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

Bảng 1.6 Bề dày tối thiểu và bề dày thường sử dụng của các lớp kết cấu

Ghi chú: Các trị số trong ngoặc là bề dày tối thiểu khi rải trên nền cát (khi sử

dụng các vật liệu nêu trên làm lớp đáy móng)

- 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

1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY TÁC DỤNG LÊN MẶT ĐƯỜNG MỀM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG

1.4.1 Đặc điểm của tải trọng xe chạy

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 mô tả tải trọng tác dụng của bánh xe lên kết cấu áo đường

Hình 1.5 Tải trọng tác dụng lên kết cấu áo đường

Sơ đồ hình 1.5a sử dụng để tính kết cấu áo đường mềm của các nước như Pháp, Trung Quốc còn sơ đồ 1.5b được sử dụng ở Việt Nam, Nga (Liên xô cũ), Với sơ đồ 1.5b ta có các công thức tính:

p = α.p0

Trong đó:

- p : Áp lực bánh xe truyền xuống mặt đường (daN/cm2)

- p0 : Áp lực hơi trong săm

- α: Hệ số kể đến độ cứng của lốp, thường α=0,9÷1,3; khi tính toán lấy α=1,1

Và cũng có thể tính D theo công thức:

Với P là tải trọng ½ tải trọng trục sau

Trị số p và D được dùng để tính toán kết cấu áo đường mềm ở nước ta

1.4.2 Ảnh hưởng của tải trọng đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu 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)

1.5 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG MỀM

1.5.1 Các hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm

Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, khi đạt đến cường độ giới hạn trong kết cấu áo đường mềm sẽ xảy ra các hiện tượng như mô tả ở hình 1.6

Hình 1.6 Các hiện tượng phá hoại áo đường mềm ở trạng thái giới hạn dưới

tác dụng của tải trọng xe chạy

Ngay dưới mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường và đất sẽ bị nén, xung quanh chỗ tiếp xúc sẽ phát sinh trượt dẻo (do ứng suất cắt) và trên mặt đường sẽ phát sinh các đường nứt hướng tâm bao tròn, xa hơn một chút vật liệu thường bị đẩy trồi lên, mặt đường có thể bị gẫy vỡ và phần đáy mặt đường sẽ bị nứt do kéo Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe mặt đường sẽ hình thành chậu võng với độ lún

ở ngay dưới tâm bánh xe là l

Như vậy để đảm bảo các yêu cầu đối với áo đường, về mặt tính toán cường độ cần phải đảm bảo các hiện tượng phá hoại nói trên không được phép xảy ra trong suốt thời kỳ tính toán, đồng thời phải đảm bảo không xảy ra tích lũy biến dạng dư (tức là không được phát sinh biến dạng dẻo) dưới tác dụng xe chạy trong suốt quá trình khai thác đường

1.5.2 Nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm

Một phương pháp tính toán cường độ áo đường mềm sẽ hình thành trên cơ sở nghiên cứu giải quyết được 3 vấn đề:

- Trạng thái giới hạn và tiêu chuẩn trạng thái giới hạn (định lượng) tức là giải đáp vấn đề khi nào áo đường hỏng

- Lý thuyết tính toán và phương pháp đánh giá cường độ trên thực tế

- Thông số tính toán và phương pháp thử nghiệm xác định các thông số tính toán

Hiện nay tồn tại các nhóm phương pháp thiết kế áo đường mềm như sau:

- Nhóm các phương pháp lý thuyết – thực nghiệm: Lập các mô hình và phương

trình tính toán rồi qua thực nghiệm để kiểm tra nhằm xác định điều kiện bền Cách tính toán thông thường là xác định ứng suất do xe chạy gây ra trong các lớp mặt đường bằng lý thuyết và so sánh các ứng suất này với cường độ cho phép của vật liệu làm đường thường lấy theo kinh nghiệm

- Nhóm các phương pháp thực nghiệm – kinh nghiệm: dựa trên các kinh

nghiệm thu được trên các đoạn đường thực nghiệm hoặc trên mạng lưới đường đang khai thác Các tiêu chuẩn trạng thái giới hạn cũng đều được xác định từ thực nghiệm, quan trắc thực tế và kinh nghiệm sử dụng

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM 1.6.1 Nhóm các phương pháp lý thuyết - thực nghiệm

1 Phương pháp hiện hành của Bộ GTVT 22 TCN 211-06

a) Nội dung phương pháp:

Sau khi thiết kế cấu tạo áo đường dựa trên lý thuyết phân bố tải trọng xe theo chiều sâu, nhiệm vụ của việc tính toán là kiểm tra cấu tạo áo đường đã đề xuất cùng với điều kiện nền đã biết có đủ cường độ để chịu được tải trọng xe thiết kế không, đồng thời tính toán xác định lại bề dày cần thiết của mỗi lớp cấu tạo

Điều kiện cần đạt được khi tính toán theo phương pháp này là: Kết cấu áo đường mềm được xem là đủ cường độ nếu như trong suốt thời kỳ khai thác, dưới tác dụng của xe nặng nhất và của toàn bộ dòng xe, trong bất kỳ tầng lớp nào (kể

cả nền đất) cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại và độ lún của kết cấu áo đường không vượt quá trị số giới hạn cho phép

Do vậy, việc tính toán kết cấu áo đường mềm chính là việc tính toán kiểm tra

ba tiêu chuẩn cường độ khi biết trước tải trọng và lưu lượng xe thiết kế :

- Tính toán ứng suất cắt ở trong nền đất và trong các lớp vật liệu kém dính xem nó có vượt quá trị số giới hạn cho phép không

- Tính toán ứng suất uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm khống chế không cho phép nứt ở các lớp đó

- Tính toán độ lún đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi (MĐĐH) của cả kết cấu áo đường và khống chế để trị số MĐĐH của cả kết cấu phải lớn hơn trị số MĐĐH yêu cầu

Nếu điều kiện này đảm bảo thì sẽ hạn chế được hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của tải trọng dòng xe do đó mới đảm bảo duy trì được chất lượng của kết cấu cuối thời kỳ khai thác

Cơ sở của phương pháp tính toán theo 3 tiêu chuẩn giới hạn nêu trên là lời giải của bài toán hệ bán không gian đàn hồi nhiều lớp có điều kiện tiếp xúc giữa các lớp là hoàn toàn liên tục dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (được mô hình hoá là tải trọng phân bố đều hình tròn tương đương với diện tích tiếp xúc của bánh xe trên mặt đường), đồng thời kết hợp với kinh nghiệm sử dụng và khai thác đường trong nhiều năm để đưa ra các quy định về các tiêu chuẩn giới hạn cho phép

b) Một số nhận xét về phương pháp hiện hành của Bộ GTVT 22TCN 211-06:

Đây là phương pháp hiện đang được sử dụng có hiệu quả để thiết kế áo đường

và chiều dày các lớp kết cấu áo đường Phương pháp này có cơ sở lý thuyết vững chắc, được mọi người thừa nhận và nhất là quen sử dụng Các kết cấu áo đường đã được xây dựng trên mạng lưới đường ôtô nước ta thiết kế theo phương pháp này chưa bộc lộ những nhược điểm lớn Tuy nhiên phương pháp này còn bộc lộ các hạn chế dưới đây:

- Phương pháp tính toán cường độ và chiều dày các lớp kết cấu áo đường mềm trên cơ sở của 3 tiêu chuẩn trạng thái giới hạn dựa trên lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết đàn hồi và các thông số thực nghiệm và kinh nghiệm, kết quả tính phụ thuộc vào các tham số đầu vào như lưu lượng và tải trọng xe, các đặc trưng tính toán của vật liệu và đất nền nên việc xác định các thông số phù hợp là vấn đề cần nghiên cứu kỹ và thống nhất Sự ảnh hưởng của chế độ thuỷ nhiệt để tính toán, thiết kế luôn lấy ở trạng thái bất lợi nhất, việc xét và đánh giá như vậy chưa cụ thể

- Cơ sở lý thuyết của bài toán là hệ đàn hồi đặt trên bán không gian vô hạn đàn hồi nhưng thực tế vật liệu kết cấu áo đường và nền đất không phải là vật liệu đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng mà là vật liệu đàn hồi-dẻo-nhớt Do đó kết quả tính toán được chỉ là gần đúng với sự làm việc thực tế của kết cấu áo đường

- Các toán đồ được lập với hệ hai lớp, nếu hệ có nhiều hơn hai lớp thì phải dùng công thức tính đổi lớp trên nguyên tắc độ cứng tương đương, việc tính đổi và

hệ số β thêm vào chỉ là gần đúng

Hiện nay, một số quy trình (Trung Quốc, Liên Xô) và các sách đã có kết quả giải hệ đàn hồi ba lớp, việc tính đổi sẽ chính xác hơn Mặt khác, với sự phát triển của máy tính điện tử thì việc giải chính xác bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp không là vấn đề quá khó khăn nữa Nên có các nghiên cứu theo hướng này

- Chưa có cách tính toán trực tiếp cường độ và độ ổn định của tầng mặt áo đường dưới tác dụng của lực ngang và chưa có cách tính bề dày các lớp áo đường dưới tác dụng của nhiệt độ và chế độ thay đổi nhiệt độ

2 Phương pháp tính toán của Trung Quốc (trong quy trình JTJ014-86)

a) Nội dung phương pháp:

Phương pháp tính của Trung Quốc cũng dựa trên lời giải lý thuyết hệ nhiều lớp đặt trên nền bán không gian vô hạn đàn hồi, với các giả thiết :

- Mỗi lớp đều do một loại vật liệu đồng chất, đẳng hướng, đàn hồi và xem như

là không có trọng lượng tạo ra Các thông số của lớp là MĐĐH Ei và hệ số Poison

μi ;

- Tầng dưới cùng là tầng bán không gian vô hạn và kéo dài vô hạn theo phương ngang; các lớp phía trên cũng kéo dài vô hạn theo phương dọc và phương ngang và có chiều dày hữu hạn hi theo phương thẳng đứng;

- Tại mặt phân giới giữa các lớp ứng suất và chuyển vị hoàn toàn liên tục; hoặc chỉ có ứng suất và chuyển vị theo phương thẳng đứng là liên tục, còn lực cản trở

do ma sát giữa các lớp bằng không (hệ chuyển dịch tự do);

- Tại độ sâu vô hạn ở lớp dưới cùng, ứng suất và chuyển vị đều bằng không

Từ các giả thiết trên, người ta đã giải và lập ra các toán đồ xác định độ võng đàn hồi và các hệ số ứng suất của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe đơn hoặc kép (được quy về 1 vòng tròn hay 2 vòng tròn diện tích tương đương có bán kính d ) cho hệ hai lớp và ba lớp

Trong trường hợp hệ có nhiều hơn ba lớp thì phải quy đổi về hệ ba lớp theo hiệu ứng tương đương

Trình tự của phương pháp thiết kế áo đường mềm hiện hành của Trung Quốc theo các bước sau :

- Dựa vào yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế, xác định cấp hạng mặt đường và loại lớp mặt, tính toán số lần tích luỹ trục xe tương đương trên một làn xe trong thời hạn thiết kế và tính toán trị số độ võng cho phép trên bề mặt mặt đường Nếu là mặt đường cần tiến hành nghiệm toán ứng suất kéo – uốn thì cần tính toán trị số ứng suất kéo – uốn cho phép

- Dựa vào loại đất và chế độ thuỷ nhiệt của nền đường, chia đường thiết kế ra làm một số đoạn (từ 500-1000m trở lên) để xác định trị số MĐĐH của nền đất cho từng đoạn

- Dự kiến một số phương án bố trí kết cấu và chiều dày áo đường khả thi, xác định trị số MĐĐH của vật liệu các lớp

- Xác định bề dày áo đường dựa theo độ võng cho phép

- Nghiệm toán ứng suất kéo-uốn trong các lớp bê tông nhựa, các lớp móng bằng vật liệu có tính toàn khối đảm bảo nhỏ hơn ứng suất kéo-uốn cho phép của vật liệu đó

- Nghiệm toán ứng suất cắt trong các lớp mặt nhựa để không vượt quá ứng suất cắt cho phép của vật liệu

- Đối với mặt đường ở những vùng đóng băng theo mùa cần nghiệm toán bề dày lớp phòng chống đóng băng xem có phù hợp yêu cầu không

b) Một số nhận xét về phương pháp của Trung Quốc so với phương pháp hiện hành của Bộ GTVT 22TCN 211-06:

- Phương pháp này cũng là phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Phương pháp tính dựa trên lời giải của lý thuyết đàn hồi, các toán đồ được lập sẵn với hệ 2 và 3 lớp, khi kiểm toán đều đổi các lớp kết cấu về hệ 3 lớp với lớp mặt, lớp móng và nền đất Hệ này phản ánh chính xác hơn sự làm việc của kết cấu áo

đường thực tế và do đó kết quả tính toán tin tưởng hơn Mặt khác, khi quy đổi các lớp về hệ chuẩn tính toán theo các hiệu ứng tương đương, các công thức quy đổi được so sánh và kiểm nghiệm bằng máy tính điện tử nên độ chính xác cao hơn quy đổi bằng độ cứng tương đương hai lớp một từ dưới lên như quy trình Việt Nam

- Tải trọng tiêu chuẩn của cả hai phương pháp như nhau (trục xe 10T), nhưng phương pháp Trung Quốc tính với sơ đồ tải trọng là 2 vòng tròn cho từng bánh trong bánh kép của xe tiêu chuẩn, sơ đồ này phù hợp với thực tế tác dụng lực hơn việc dùng sơ đồ một vòng tròn tiếp xúc như quy trình Việt Nam

- Các trị số đặc trưng của vật liệu và đất nền cũng được lấy với chế độ thuỷ nhiệt bất lợi nhất, các trị số MĐĐH của đất nền theo quy trình Trung Quốc có lớn hơn

- Đã đưa việc tính toán cường độ và độ ổn định của tầng mặt áo đường dưới tác dụng của lực ngang nhưng cũng chưa có cách tính bề dày các lớp áo đường dưới tác dụng của nhiệt độ và chế độ thay đổi nhiệt độ

- Để có thể áp dụng được quy trình của Trung Quốc vào Việt Nam thì còn thiếu các nghiên cứu chi tiết, cụ thể phù hợp với điều kiện Việt Nam

3 Phương pháp tính của Pháp

Chương trình Alizé5-version 5.02-6/1991 của Viện nghiên cứu cầu đường trung tâm (LCPC) là một phần mềm để giải chính xác bài toán bán không gian nhiều lớp đàn hồi của Burmister bằng máy tính Sử dụng chương trình có thể tính ứng suất và chuyển vị cho kết cấu có tối đa tới 10 lớp, số lượng kiểu tải trọng tối

đa đặt lên kết cấu là 15, số lượng vị trí đặt trục quan sát tối đa trên mặt là 20, cho mỗi lớp tối đa tới 4 vị trí quan sát

Đây là phương pháp giải đúng bài toán tính kết cấu mặt đường nhiều lớp, kết hợp với sự phân tích lý thuyết, các thí nghiệm và thực nghiệm sử dụng vật liệu để tính toán kết cấu áo đường

Sử dụng chương trình cho phép tính toán ứng suất và biến dạng phát sinh trong các lớp khác nhau của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng

Các lớp kết cấu cũng được đặc trưng bằng bề dày h, mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson m Điều kiện liên kết giữa các lớp có thể trượt hoặc không trượt hoàn toàn hoặc từng phần

Tải trọng mẫu chương trình sử dụng là :

- Tải trọng xe 13T với các đặc trưng tính toán p=0,662 MPa phân bố trên 2 hình tròn bán kính r=0,125m, khoảng cách 2 tâm 0,375m

- Tải trọng xe 6,5T với các đặc trưng tính toán p=0,662 MPa phân bố trên 1 hình tròn bán kính r=0,125m

Và tính cho các tải trọng khác do ngưới sử dụng nhập vào, các tải trọng có thể giống hoặc không giống nhau Các tải trọng có thể là phân bố trên cả diện tròn, chu tuyến tròn hoặc tác dụng tại tâm, cũng có thể tải trọng tác dụng ngang

Sử dụng chương trình cho nhiều kết quả :

- ƯS và BD ngang eT ,sT và thẳng đứng ez ,sz tại các lớp kết cấu

- Độ võng d và bán kính cong R tại bề mặt kết cấu ở các điểm quan sát

- Các ứng suất chính s1 , s2 ,

1.6.2 Nhóm các phương pháp kinh nghiệm - thực nghiệm

1 Phương pháp theo hướng dẫn của AASHTO và quy trình 22TCN 274-01

a) Phương trình cơ bản dùng để tính toán và thiết kế:

Phương trình này có dạng giải tích và dạng toán đồ

Phương trình cơ bản đã thể hiện các mối quan hệ giữa các yếu tố sau đây:

W18= f(SN, MR, DPSI, ZR.So) (1) với SN = a1D1 + a2 D2m2 + a3 D3m3 (2) Trong đó:

W18 - số lần tác dụng của ESAL18 kip trên một làn (lần/làn xe);

SN - chỉ số kết cấu hay chỉ số cấu tạo (Strutural Number) đó là một chỉ số đặc trưng cho cường độ cơ học của lớp mặt đường; nếu áo đường gồm ba lớp: Lớp mặt (1), lớp móng trên (2), lớp móng dưới (3) thì SN được xác định theo (2-4); trong

đó D1 ,D2,D3 lần lượt là bề dày các lớp nói trên;

a1, a2, a3 lần lượt là các hệ số tương đương các lớp nói trên;

m2, m3 hệ số xét đến điều kiện môi trường;

DPSI - tổng tổn thất mức phục vụ của kết cấu từ lúc mặt đường được đưa vào

sử dụng cho đến khi đã chịu đựng được W18 lần tác dụng của tải trọng ESAL 18 kip

Các tổn thất này do xe cộ gây ra và do cả điều kiện chế độ thuỷ nhiệt gây ra

Cụ thể ta có:

Với po (SPIo) là chỉ số phục vụ của mặt đường lúc đưa vào sử dụng, pt (SPIt) là chỉ số phục vụ ở thời điểm t sau khi mặt đường chịu được W18 lần tải trọng trục thông qua

MR - môdun đàn hồi hữu hiệu của nền đất (psi)

Như vậy, phương trình thể hiện mối quan hệ giữa chất lượng phục vụ của mặt đường với các yếu tố cấu tạo kết cấu như bề dày các lớp, loại vật liệu các lớp đã sử dụng, điều kiện chế độ thuỷ nhiệt, cường độ nền đất

Khi vận dụng phương trình trên để tính toán kết cấu mặt đường thì mục tiêu lúc này là : trên cơ sở một đất nền đã biết MR; xác định được một chỉ số kết cấu yêu cầu đạt được SNyc để chịu được số lần tác dụng tải trọng trục W18 dự kiến sẽ thông qua trong thời kỳ tính toán, sao cho ở cuối thời kỳ tính toán đó, chỉ số phục

vụ pt của mặt đường chỉ giảm đến một trị số chấp nhận được Từ trị số SNyc này, theo (2) sẽ xác định được bề dày các lớp bằng cách giả thiết chúng rồi nghiệm lại trong điều kiện đã biết m2, m3 và a1, a2, a3

Sai số tiêu chuẩn tổng hợp So và độ lệch tiêu chuẩn ZR được đưa vào để xét đến việc dự báo số trục xe, xác định các thông số, và đánh giá chất lượng mặt đường khác với thực tế Độ lệch tiêu chuẩn ZR phụ thuộc vào độ tin cậy R

Khi áp dụng khái niệm độ lệch tiêu chuẩn và độ tin cậy như trên thì các thông

số tính toán khác đều phải dùng trị số trung bình chứ không phải trị số bất lợi nhất

b)Tiêu chuẩn trạng thái giới hạn:

Theo AASHTO 1986, tiêu chuẩn trạng thái giới hạn là chỉ số phục vụ PSI đặc trưng cho chất lượng khai thác và sử dụng mặt đường

PSI là chỉ tiêu tổng hợp được xác định qua thử nghiệm AASHTO, phụ thuộc vào độ bằng phẳng, tỷ lệ khe nứt, tỷ lệ diện tích phải phá dỡ trên đường

c) Một số nhận xét về phương pháp theo hướng dẫn của AASHTO:

1 Về những hạn chế của hướng dẫn AASHTO

Thí nghiệm AASHTO mang tính cục bộ địa phương tại bang thử nghiệm nên ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên bang đó

Hạn chế bởi loại mặt đường, số lớp thí nghiệm, vật liệu các lớp, loại tải trọng thí nghiệm và số lần tác dụng của tải trọng Hạn chế bởi thời gian đo đạc thí nghiệm Thí nghiệm AASHTO còn hạn chế bởi điều kiện cục bộ địa phương thí nghiệm

Những hạn chế nói trên chính là những hạn chế tất yếu đối với một phương pháp dựa trên căn bản thực nghiệm Cho đến nay những nước tiên tiến châu Âu đều phải dựa vào phương pháp lý thuyết và dùng những thực nghiệm (kể cả thực nghiệm AASHTO) để nghiệm chứng lý thuyết Chỉ bằng con đường kết hợp lý thuyết - thực nghiệm - kinh nghiệm mới có thể có được phương pháp tính toán thiết kế mặt đường đúng đắn và tổng quát

Ngoài ra, việc dùng chỉ số phục vụ làm tiêu chuẩn trạng thái giới hạn cũng là vấn đề còn phải thảo luận Chỉ số phục vụ PSI là số đặc trưng cho mức độ phục vụ của đường được xác định dựa vào phương pháp chuyên gia mang tính chủ quan, tính địa phương, chưa thể hiện các căn cứ khoa học, chưa phân tích các điều kiện ứng suất biến dạng khi kết cấu làm việc

2 Tuy có những hạn chế như trên nhưng cho đến nay "Thử nghiệm AASHTO" vẫn là một thử nghiệm quy mô to lớn nhất thế giới và có giá trị nghiệm chứng rất cao Hướng dẫn thiết kế mặt đường của AASHTO 1986 có những đặc điểm và ưu điểm sau đây:

- Trong hướng dẫn đã thể hiện rõ quan điểm thiết kế tổng hợp các giải pháp, tức là xem việc thiết kế mặt đường không phải chỉ là việc xác định bề dày, mà phải chú trọng cả các biện pháp cấu tạo, yêu cầu vật liệu, yêu cầu về chất lượng thi công, chú trọng cả các giải pháp khôi phục, sửa chữa, quản lý mặt đường và các phương pháp phân tích, so sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật các giải pháp thiết kế và dự án đầu tư xây dựng mặt đường,

Về cấu tạo, đặc biệt chú trọng vai trò của lề đối với sự làm việc của mặt đường đặc biết chú trọng các cấu tạo thoát nước dưới móng áo đường

- Trong thiết kế mặt đường đã chú trọng xét đến tác động của môi trường (ẩm

và nhiệt độ) Ảnh hưởng của môi trường được xét kỹ trong các thông số tính toán

MR , mi Đã xét đến sự thay đổi MR từ 12 - 24 kỳ trong một năm và xét đến sự thay

đổi mô đun đàn hồi của bê tông nhựa theo nhiệt độ Đây là một đặc điểm và ưu điểm nổi bật nhất của AASHTO 1986

- Trong tính toán đã dùng các thông số trung bình kèm theo việc sử dụng một

trên các thông số ở trạng thái bất lợi nhất) Cách làm này xuất phát từ việc xử lý các số liệu thực nghiệm và đòi hỏi khi xác định các thông số hữu hiệu phải tiến hành một khối lượng thí nghiệm đáng kể (ví dụ mô đun của nền đất )

- Việc đánh giá kết cấu mặt đường hiện có bằng cách "thử nghiệm NDT " đo

cả vùng chậu võng kết hợp với tính toán lý thuyết trên máy tính để xác định ra mô đun đàn hồi của nền đất và các lớp kết cấu là một bước cải tiến quan trọng của AASHTO

2 Phương pháp CBR

Phương pháp CBR do O.J Porter ở Viện đường bộ bang Californie đề xuất năm 1938 Sau 14 năm tiến hành thí nghiệm trên các đường của bang này Porter đã tìm được mối quan hệ thực nghiệm giữa chỉ số CBR của đất (xác định bằng thí nghiệm nén CBR quy định) với chiều dày tối thiểu của mặt đường đảm bảo không

bị phá hoại do sinh ra biến dạng dẻo trong đất đó

Đã lập được toán đồ tìm chiều dày cần thiết của móng đường cho hai cấp giao thông trung bình - nặng (tương đương với bánh xe 5,4T) và giao thông nhẹ (bánh

xe 3,1T)

Peltier đã dựa trên các đường cong của toán đồ này tìm ra biểu thức chung sau

để tính chiều dày mặt đường :

(4)

Trong đó : e - chiều dày mặt đường, cm;

P - trọng lượng bánh xe, T;

CBR - tính bằng %

3 Phương pháp của Viện nghiên cứu đường Anh

Cho đến năm 1960 ở Anh vẫn sử dụng toán đồ của Corps of engineers (Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ) nhưng có tăng thêm 20% trọng lượng bánh xe lớn nhất thiết kế để xét đến sự lặp lại của tải trọng

Sau những thí nghiệm tiến hành trên các đường ô tô ở Anh, Viện nghiên cứu đường Anh (TRRL) đã công bố các toán đồ mới, so với phương pháp CBR có những cải tiến sau:

- Xem tác dụng của sự lặp lại tải trọng đối với chiều dày tuân theo quy luật logarit

- Bỏ qua tác dụng của các xe có tổng trọng lượng dưới 3T Phương pháp này tính mặt đường với tuổi thọ khoảng 20 năm Để hạn chế chiều sâu vệt hằn bánh xe tối đa là 2cm, phương pháp này cố định chiều dày lớp mặt và lớp móng trên và xác định chất lượng vật liệu của các lớp này Chỉ có chiều dày của lớp móng dưới thay đổi theo CBR của lớp trên nền đường

Phương pháp này còn chưa xét đến sự tương đương giữa các trục bánh xe, tuy nhiên đã xét đến sự lặp lại của tải trọng

Về chất lượng vật liệu, nếu lớp móng trên làm bằng hỗn hợp đá trộn nhựa thay cho vật liệu không gia cố thì cho phép giảm đi 40% chiều dày Các điều kiện của thí nghiệm CBR ngâm nước được cho là quá nghiêm khắc nên việc nén lún được tiến hành ở độ ẩm gần với độ ẩm tốt nhất của Proctor khi mực nước ngầm nằm dưới cao độ nền đường trên 1m

Trong lần xuất bản thứ ba (1971), các toán đồ này đã có nhiều cải tiến so với hai lần trước (1960 và 1966) ở các điểm sau:

- Lượng giao thông được đánh giá theo số tương đương của trục bánh tiêu chuẩn (8,2T)

- Tuổi thọ quy định là 20 năm với mặt đường mềm và 40 năm với mặt đường cứng

Ngoài ra còn các phương pháp thực nghiệm sử dụng thí nghiệm AASHTO

- Phương pháp Shook và Finn

- Phương pháp Liddle

- Phương pháp của Viện công trình Mỹ

- Phương pháp của Viện Asphalt Mỹ

- Phương pháp SHELL

1.6.3 Sử dụng Catalog kết cấu áo đường

Ở các nước việc lập ra các mẫu catalog kết cấu mặt đường , tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất, khí hậu, tình trạng giao thông, trình độ công nghệ, là một việc làm quen thuộc và thường xuyên được hoàn chỉnh Các bảng catalog định hình kết cấu mặt đường đã đưa ra có mục đích giảm bớt khối lượng tính toán, tận dụng được các kết cấu hợp lý, thống nhất trong việc sản xuất VLXD, ứng dụng được nhanh các tiến bộ kỹ thuật, phù hợp với công nghệ thi công hiện đại, tăng hiệu quả đầu tư

và để có được tiếng nói chung trong việc thiết kế, khai thác sử dụng và bảo dưỡng đường

Catalog là một cách đơn giản trình bày chính sách đầu tư kỹ thuật, sự lựa chọn các phương án áo đường đã được chấp nhận, sự lựa chọn một quan điểm chiến lược về áo đường dựa trên nguyên tắc tồn tại lâu dài về chất lượng của kết cấu áo đường

Mỗi định hình kết cấu mặt đường được soạn thảo chỉ phù hợp với một tình trạng kỹ thuật nào đó và một kỳ hạn nhất định, và do vậy chúng phải được hiện đại hoá kịp thời một cách định kỳ

Dưới đây là một số Catalog kết cấu mặt đường điển hình:

1 Kết cấu định hình (Catalog 1977) xây dựng ở Pháp

Catalog 1977 của Pháp giới thiệu một số các bản vẽ cấu trúc tuỳ thuộc vào hai thông số : cấp hạng lưu lượng xe cộ Pi và cấp hạng nền áo đường PFj Sau khi đã xác định giá trị của hai thông số trên sẽ có một số các cấu trúc phù hợp Người thiết kế chọn trong số kết cấu đó một kết cấu thích hợp với các điều kiện địa

phương, điều kiện kinh tế và điều kiện bắt buộc về chất lượng vật liệu, kiểm toán lại khả năng chịu lực và điều kiện làm việc của kết cấu đã chọn

a) Cấp hạng lưu lượng P i :

Cấp hạng lưu lượng được xác định dựa trên lưu lượng bình quân xe nặng (tải trọng ³5T) hàng ngày trong năm chạy trên làn có nhiều xe nhất của năm khai thác (với hệ số tăng trưởng dự tính 7%)

Cấp hạng lưu lượng được chia như sau :

Bảng 1.8 Cấp hạng lưu lượng theo catalo 1977-Pháp

Trường hợp lưu lượng xe lớn hơn 2000 thì cần có nghiên cứu riêng

b) Cấp hạng nền đường PF j :

Cấp hạng nền đường được xác định căn cứ vào cấp hạng nền đất và bản chất

và chiều dày lớp nền Cấp hạng nền đường được phân thành ba cấp theo thứ tự tăng dần khả năng chịu tải : PF1, PF2, PF3

c) Bảng kết cấu mẫu:

Sơ đồ cấu trúc áp dụng rất giản đơn, gồm ba lớp : lớp mặt, lớp móng trên và lớp móng dưới Lớp móng trên và lớp móng dưới chủ yếu được làm bằng vật liêu sỏi sạn, cấp phối hay cát có hoặc không gia cố chất liên kết thuỷ hoá Lớp mặt chủ yếu là lớp bê tông nhựa

Người ta lập được 17 bản kết cấu trong catalog 1977

2.3.2 Kết cấu định hình do trung tâm thiết kế nhà ở và công trình Pháp (CEBTP) kiến nghị cho các nước nhiệt đới :

Đưa ra được các catalog kết cấu áo đường phụ thuộc vào cấp hạng lưu lượng

và cấp hạng nền đường

Vật liệu được sử dụng làm lớp mặt chủ yếu là các lớp bê tông nhựa hay đá trộn nhựa Các lớp móng bằng cấp phối tự nhiên, cấp phối đá nghiền, cát, có hoặc không có gia cố chất liên kết vô cơ

a) Sức chịu tải của nền đường:

Nền đường được chia thành 5 loại như sau :

Lưu lượng xe có thể xác định theo một trong các cách sau :

- Lưu lượng xe ngày:

Đó là lưu lượng xe trung bình trong ngày với thời gian khoảng 15 năm bao gồm tất cả các loại xe trong đó có khoảng 30% xe nặng (xe có tổng trọng lượng cả hàng trên 3T) Lưu lượng xe được chia thành 5 cấp :

T5 ứng với đường cao tốc 4 hoặc 6 làn xe

- Lưu lượng tích luỹ của các xe nặng:

Cách phân cấp này gần giống với cách trên Nếu tuổi thọ mặt đường là 15 năm

và tỉ lệ xe nặng khoảng 30% thì phân cấp như sau:

Tải trọng trục được quy về tải trọng tiêu chuẩn 10T, có các cấp lưu lượng

Bảng 1.9 Cấp hạng lưu lượng xe/nđ ở năm tính toán

Nền đất được lấy cố định có mô đun đàn hồi bằng 45MN/m2

Kết cấu có lớp móng cố định để đảm bảo đạt mô đun đàn hồi 150 hoặc 180MN/m2, thay đổi lớp mặt phụ thuộc vào loại tải trọng

Điều kiện bất lợi của nền và móng mặt đường là thời gian đóng băng trong năm và chiều dày lớp chống đóng băng Catalog gồm 14 loại kết cấu mặt đường

đã được lập ra

4 Kết cấu định hình của Anh

Viện nghiên cứu đường bộ Anh (TRRL) đưa ra bảng kết cấu định hình Road Note 31 – Hướng dẫn thiết kế kết cấu mặt đường nhựa ở các nước nhiệt đới và gần nhiệt đới

Cường độ vận chuyển được chia thành 8 cấp :

Bảng 1.10 Cường độ vận chuyển 106 lần trục xe tương đương 8.2 T

Cấp đất nền được đặc trưng bằng sức chịu tải CBR

Bảng 1.11 Cấp đất nền CBR %

Đã xây dựng được 8 loại kết cấu với lớp mặt chủ yếu là bê tông nhựa hay hỗn hợp đá nhựa Lớp móng là các loại cấp phối hay đất đá thiên nhiên có hoặc không gia cố chất liên kết

5 Kết cấu định hình xây dựng ở Việt Nam

Đề tài cấp nhà nước KC10.05 đã đưa ra được catalo kết cấu áo đường mềm cho đường ô tô

a) Phân loại lưu lượng xe :

Bảng 1.12 Lưu lượng xe được phân thành 9 cấp từ T1 - T9

b) Phân loại cấp nền đường :

Cấp hạng đất nền đường được chia như sau :

Bảng 1.13 Phân loại cấp hạng nền đất

Dùng các trị số mô đun đàn hồi Eo bằng 320, 420, 500, ³600 tương ứng với các cấp nền đường N1-1, N1-2, N2, N3 riêng đối với nền đất có mô đun đàn hồi nhỏ hơn 320 daN/cm2 thì phải thay đất Khi nền đất có mô đun đàn hồi cao (E0=800,

1000, daN/cm2) thì có các nghiên cứu riêng

Đề tài đã đưa ra được 9 tờ kết cấu A1, A2, A3 ; B1, B2; C1, C2, ; D1, D2

1.7 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG CỨNG

1.7.1 Các hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường cứng

Tương tự như áo đường mềm, tác nhân trực tiếp gây phá hoại kết cấu áo đường cứng vẫn là tác dụng của tải trọng xe chạy (động, trùng phục) và tác dụng của môi trường thiên nhiên (chủ yếu là tác dụng của biến đổi nhiệt độ theo mùa và theo chu kỳ ngày đêm, cũng như tác dụng xâm nhập của các nguồn ẩm)

Với đặc điểm là tấm có độ cứng lớn và cấu tạo áo đường có khe, các đặc điểm phá hoại của kết cấu áo đường cứng là:

- Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, do tấm bê tông có độ cứng lớn hơn nhiều so với móng và nền đất nên tấm sẽ chịu uốn và nếu tấm không đủ dày thì tấm sẽ bị nứt dọc hoặc ngang ở giữa tấm hoặc nứt ở cạnh tấm

- Vì phải cấu tạo khe nên nước sẽ thấm qua khe xuống móng và nền đất, làm cường độ móng và nền đất bị giảm yếu nên dễ phát sinh tích lũy biến dạng dẻo ở lân cận góc và cạnh tấm, tạo thành sự tiếp xúc không tốt giữa tấm và móng tại đó

gây ra hiện tượng bị cập kênh, bị “hiệu ứng công son” và bị phụt bùn từ khe lên

- Tác dụng trùng phục của tải trọng sẽ làm vật liệu BTXM bị mỏi khiến cường

độ chịu kéo-uốn và tuổi thọ của bê tông bị giảm đi và tấm cũng sẽ bị phá hoại về nứt sau khi chịu đựng một số lần xe chạy nhất định

- Lực ngang giữa bánh xe và mặt đường gây ra các tác dụng trên mặt đường như bào mòn, bong tróc bề mặt làm lộ cốt liệu đá trong bê tông dẫn đến phá hoại tấm bê tông

- Tác dụng của biến đổi nhiệt độ đến sự làm việc của tấm bê tông xi măng cũng rất lớn:

+ Sự biến đổi nhiệt độ theo mùa sẽ làm nhiệt độ bản thân tấm BTXM tăng hoặc giảm đều và nếu tấm không dãn hoặc co tự do được thì sẽ phát sinh các ứng suất rất lớn, gây ra các vết nứt

+ Sự biến đổi nhiệt độ ngày đêm trong tấm BTXM sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm, gây ra hiện tượng tấm bị uốn vồng, gây ra các ứng suất do nhiệt lớn dẫn đến nứt

+ Hiện tượng uốn vồng diễn ra liên tục theo chu kỳ ngày đêm, ứng suất uốn vồng luôn luôn đổi dấu dẫn đến hiện tượng tấm bê tông bị mỏi nhiệt cũng gây ra nứt dẫn đến phá hoại

Như vậy phải bố trí các lớp tạo phẳng trên bề mặt lớp móng để giảm ma sát và

bố trí các khe co, dãn với khoảng cách thích hợp để tấm dễ dàng dịch chuyển không gây rạn nứt

1.7.2 Nguyên lý tính toán cường độ áo đường cứng

Áo đường cứng được thiết kế dựa theo lý thuyết “tấm mỏng trên nền đàn hồi”

đồng thời có xét đến sự thay đổi của nhiệt độ và của các nhân tố khác có thể gây ra

với tấm bê tông Sự làm việc của nền đàn hồi dưới đáy tấm được giả thiết bằng mô hình nền của Winkler và mô hình nền bán vô hạn đàn hồi

- Phương pháp tính của Westergard dựa vào mô hình nền Winkler

- Phương pháp tính của Sheckter dựa vào mô hình nền bán vô hạn đàn hồi Quy trình hiện hành của Việt Nam 22TCN 223-95 là phương pháp lý thuyết – thực nghiệm dựa vào kết quả của lời giải của Westergard và Sheckter

Ngoài ra trên thế giới phổ biến sử dụng phương pháp thực nghiệm – kinh nghiệm như hướng dẫn của AASHTO

CHƯƠNG 2

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

2.1 NHIỆM VỤ, NỘI DUNG, VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ

ÁO ĐƯỜNG MỀM (22TCN 211-06)

2.1.1 Các yêu cầu và nguyên tắc tính toán

2.1.1.1 Yêu cầu tính toán

Sau khi đưa ra các phương án cấu tạo kết cấu nền áo đường thì yêu cầu của việc tính toán là kiểm tra xem các phương án, cấu tạo đó có đủ cường độ không, đồng thời tính toán xác định loại bề dày cần thiết của mỗi lớp kết cấu và có thể phải điều chỉnh lại bề dày của mỗi lớp theo kết quả tính toán

Kết cấu nền áo đường mềm được xem là đủ cường độ nếu như trong suốt thời hạn thiết kế, dưới tác dụng của ô tô nặng nhất và của toàn bộ dòng xe trong bất kỳ lớp nào (kể cả nền đất) cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá vỡ và độ võng đàn hồi của kết cấu không vượt quá trị số cho phép

2.1.1.2 Các tiêu chuẩn cường độ

Theo yêu cầu nêu trên, nội dung tính toán chính là tính toán kiểm tra 3 tiêu chuẩn cường độ dưới đây:

1 Kiểm toán ứng suất cắt ở trong nền đất và các lớp vật liệu chịu cắt trượt kém (vật liệu kém dính) so với trị số giới hạn cho phép để đảm bảo trong chúng không xảy ra biến dạng dẻo (hoặc hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo);

2 Kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm hạn chế sự phát sinh nứt dẫn đến phá hoại các lớp đó;

3 Kiểm toán độ võng đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi Ech của cả kết cấu nền áo đường so với trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc Tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo hạn chế được sự phát triển của hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của xe cộ,

do đó bảo đảm duy trì được khả năng phục vụ của cả kết cấu đến hết thời hạn thiết

kế

Về yêu cầu tính toán theo 3 điều kiện giới hạn:

Đối với kết cấu áo đường cấp cao A1 và A2 đều phải tính toán kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cường độ trên

Về thứ tự tính toán, nên bắt đầu tính theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi, sau đó kiểm toán theo điều kiện cân bằng trượt và khả năng chịu kéo uốn

Đối với áo đường cấp thấp B1 và B2 không yêu cầu kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn và điều kiện trượt

Khi tính toán kết cấu áo đường chịu tải trọng rất nặng (tải trọng trục trên 120

kN ở đường công nghiệp hoặc đường chuyên dụng) thì cần tính trước theo điều kiện chịu cắt trượt và điều kiện chịu kéo uốn, sau đó quy đổi tất cả các trục xe chạy trên đường về xe tiêu chuẩn 120 kN để tính theo độ võng đàn hồi

Khi tính toán kết cấu áo lề có gia cố thì phải tính theo các tiêu chuẩn như đối với kết cấu áo đường của phần xe chạy liền kề

2.1.2 Các thông số tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm

Cần phải xác định được các thông số tính toán dưới đây tương ứng với thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thuỷ nhiệt (tức là thời kỳ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất):

1 Tải trọng trục tính toán và số trục xe tính toán

2 Trị số tính toán của mô đun đàn hồi Eo, lực dính C và góc nội ma sát j tương đương với độ ẩm tính toán bất lợi nhất của nền đất

3 Trị số tính toán của mô đun đàn hồi E, lực dính C và góc nội ma sát j của các loại vật liệu làm áo đường; cường độ chịu kéo uốn Rku của lớp vật liệu

Xét đến các điều kiện nhiệt ẩm, mùa hè là thời kỳ bất lợi vì mưa nhiều và nhiệt

độ tầng mặt cao Do vậy khi tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi, chỉ tiêu của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa được lấy tương ứng với nhiệt độ tính toán là 300C Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn thì tình trạng bất lợi nhất đối với bê tông nhựa và hỗn hợp đá dăm nhựa lại là mùa lạnh (lúc đó các vật liệu này có độ cứng lớn), do vậy lúc này lại phải lấy trị số mô đun đàn hồi tính toán của chúng tương đương với nhiệt độ 10 – 150C Khi tính toán theo điều kiện cân bằng trượt thì nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa nằm phía dưới vẫn lấy bằng 300C, riêng với lớp nằm trên cùng lấy bằng

600C

2.2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG XE THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.1.1 Thời hạn thiết kế áo đường mềm

Phải dự báo đúng năm cuối của thời hạn thiết kế thông qua dự báo đúng năm đầu tiên sẽ đưa kết cấu áo đường vào khai thác sử dụng, tức là phải dự tính đúng thời gian khảo sát thiết kế dự án cho đến khi hoàn thành các thủ tục để khởi công công trình và sau đó là dự báo đúng thời gian thi công xây dựng đường Phải tuyệt đối tránh tình trạng lấy năm được giao nhiệm vụ thiết kế làm năm đầu tiên để từ đó

dự báo ra lượng giao thông nằm ở năm cuối của thời hạn thiết kế;

Thời hạn thiết kế áo đường mềm được xác định tuỳ thuộc loại tầng mặt được lựa chọn cho kết cấu như ở Bảng 1.3, chương 1

2.1.2 Tải trọng trục tính toán

a) Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, trên đường

ô tô các cấp thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở

xuống Bảng 2.1: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán

tiêu chuẩn, P (kN)

Áp lực tính toán lên mặt đường, p (Mpa)

Đường kính vệt bánh

xe, D (cm)

Nếu tải trọng trục đơn của xe nặng nhất không vượt quá 20% trị số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn ở Bảng 2.1 và số lượng các trục này chiếm dưới 5% tổng

số trục xe tải và xe buýt các loại chạy trên đường thì vẫn cho phép tính toán theo tải trọng trục tiêu chuẩn tức là cho phép quy đổi các trục đơn nặng đó về trục xe tiêu chuẩn để tính toán; ngược lại thì phải tính với tải trọng trục đơn nặng nhất

b) Tải trọng trục tính toán trên đường có nhiều xe nặng lưu thông

Trên những đường có lưu thông các loại trục xe nặng khác biệt nhiều so với loại trục tiêu chuẩn ở Bảng 2.1 (như các đường vùng mỏ, đường công nghiệp chuyên dụng…) thì kết cấu áo đường phải được tính với tải trọng trục đơn nặng nhất có thể có trong dòng xe Trong trường hợp này người thiết kế phải tự điều tra thông qua chứng chỉ xuất xưởng của xe hoặc cân đo để xác định được các đặc trưng p và D tương ứng với trục đơn nặng nhất đó để dùng làm thông số tính toán Trên các đường cao tốc hoặc đường ô tô các cấp có lưu thông các trục đơn của

xe nặng vượt quá 120 kN thoả mãn các điều kiện nêu trên thì được dùng tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là 120 kN (tức là nếu trên đường có các trục đơn nặng trên

120 kN và dưới 144 kN với số lượng chiếm dưới 5% tổng số trục xe tải và xe buýt chạy trên đường thì lúc đó được chọn tải trọng trục tính toán là 120 kN)

2.1.3 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu

chuẩn (hoặc quy đổi về tải trọng tính toán của xe nặng nhất)

Mục tiêu quy đổi ở đây là quy đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i

về số lần thông qua của tải trọng trục tính toán trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại đối với kết cấu áo đường:

Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau:

+ Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 );

+ Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25

.

tt

i i k

P n C C

å

=

Trong đó:

+ N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán

sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ngày đêm);

+ ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục Pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất) Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy;

+ C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức (2-2):

với m là số trục của cụm trục i

+ C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2=6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2=1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2=0,38

2.1.4 Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên kết cấu áo lề có gia cố

a) Số trục xe tính toán trên một làn xe

Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn (hoặc trục xe nặng nhất tính toán) sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kỳ bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết kế

Ntt = Ntk fl (trục/làn.ngày đêm); (2-3) Trong đó:

+ Ntk: là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế (= N) + fl: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe

- Trên phần xe chạy chỉ có 1 làn xe thì lấy fl = 1,0;

- Trên phần xe chạy có 2 làn xe hoặc 3 làn nhưng không có dải phân cách thì lấy fl =0,55;

- Trên phần xe chạy có 4 làn xe và có dải phân cách giữa thì lấy fl =0,35;

- Trên phần xe chạy có 6 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy fl=0,3;

- Ở các chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn phải được tính với hệ số fl = 0,5 của tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút

b) Số trục xe tính toán trên kết cấu lề có gia cố

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xe chạy chính và lề không có dải phân cách bên được lấy bằng 35 ¸50% số trục xe tính toán của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trí phần xe chạy chính Trường hợp phần xe chạy chỉ có 2 làn xe trở xuống thì nên lấy trị số lớn trong phạm vi quy định nêu trên; còn trường hợp phần xe chạy có 4 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy trị số nhỏ

2.1.5 Số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong suốt thời hạn thiết kế

Là tổng số trục xe quy đổi về trục xe tính toán chạy qua một mặt cắt ngang hoặc một làn xe của đoạn đường thiết kế trong suốt thời hạn thiết kế kết cấu áo đường

a) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế cho cả hai chiều xe chạy

* Về nguyên tắc phải dựa vào kết quả dự báo hàng năm để tính ra số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế Ne tức là tính theo biểu thức sau:

Với: Ni là số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn ở năm i và t là thời hạn thiết kế

* Trong trường hợp dự báo được tỷ lệ tăng trưởng lượng giao thông trung bình năm q thì có thể tính như sau:

Số trục tính toán ở năm cuối của thời hạn thiết kế Nt theo mô hình hàm số mũ

Số trục xe tích lũy Ne tính theo công thức cấp số nhân

1

365 ] 1 ) 1 [(

N q

q N

t e

+

t

q q

q

) 1 (

] 1 ) 1 [(

1 -

+

+

b) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế cho một làn xe

Được tính theo công thức (2-8)

Có thể tham khảo các giá trị sau để thiết kế trong giai đoạn lập dự án đầu tư

2.3.1 Các đặc trưng của đất nền đường

ảng 2.2 Các đặc trưng tính toán của đất nền đường tùy thuộc vào độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối

nh W

2.3.2 Các đặc trưng của vật liệu

a) Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa

Trị số của các đặc trưng này phải được xác định tùy thuộc trường hợp tính theo tiêu chuẩn cường độ khác nhau tương ứng với nhiệt độ tính toán

Bảng 2.3: Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa

Mô đun đàn hồi E (MPa) ở nhiệt độ Loại vật liệu

10 – 15oC 30oC 60oC

Cường độ chịu kéo uốn

Rku (Mpa)

1 Bê tông nhựa chặt (đá dăm ³50%)

2 Bê tông nhựa chặt (đá dăm ³35%)

3 Bê tông nhựa chặt (đá dăm ³20%)

4 Bê tông nhựa rỗng

5 Bê tông nhựa cát

6 Đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn

b) Các đặc trưng tính toán của các loại vật liệu khác

Bảng 2.4: Các đặc trưng tính toán của các vật liệu làm mặt đường

Loại vật liệu

Mô đun đàn hồi E, (Mpa)

Cường độ kéo uốn Ru(Mpa)

Góc

ma sát

jo

Lực dính C (Mpa)

- Theo 22 TCN

245 cường độ chịu nén càng cao thì lấy trị số lớn

ngày tuổi >3 Mpa

Á sét gia cố xi măng hoặc

0,25-0,35

0,15-0,25 0,4-0,5 0,6-0,7 0,2-0,25

- Cường độ chịu nén càng cao thì lấy trị số lớn

- Cường độ chịu nén của cát gia

cố theo 22 TCN

246 - 98

- Đá dăm nước

- Cấp phối đá dăm loại I

- Cấp phối đá dăm loại II

250 – 300

250 – 300

200 - 250

Độ cứng của đá càng cao thì lấy trị số lớn

0,02-0,05

Cấp phối phải phù hợp quy định ở 22 TCN

304 - 03 Loại A được lấy trị số cao nhất cho đến loại E lấy trị số nhỏ nhất

2.4 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO TIÊU CHUẨN ĐỘ VÕNG ĐÀN HỒI CHO PHÉP

2.4.1 Điều kiện tính toán

Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường (hoặc của kết cấu áo lề có gia cố) Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng Kdv

cd được xác định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn

Có thể chọn độ tin cậy thiết kế đối với các loại đường và cấp hạng đường như

ở Bảng 2.6 theo nguyên tắc đường có tốc độ thiết kế càng cao, thời hạn thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao

Bảng 2.6: Lựa chọn độ tin cậy thiết kế tuỳ theo loại và cấp hạng đường

(áp dụng cho cả kết cấu áo đường và kết cấu áo có lề gia cố)

Loại, cấp hạng đường Độ tin cậy thiết kế

3 Đường đô thị

- Cao tốc và trục chính đô thị

- Các đường đô thị khác

0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95

4 Đường chuyên dụng 0,80 , 0,85 , 0,90

2.4.2 Xác định trị số mô đun đàn hồi yêu cầu E yc

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc được xác định theo Bảng 2.7 tuỳ thuộc số trục xe tính toán Ntt cho một làn xe, xác định như công thức 2-3

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu xác định được theo Bảng 2.7 không được nhỏ hơn trị số tối thiểu quy định ở Bảng 2.8

Bảng 2.7: Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu

Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc (MPa), tương ứng với số

trục xe tính toán (trục/ngày đêm.làn)

Bảng 2.8: Trị số tối thiểu của mô đun đàn hồi yêu cầu (MPa)

Loại tầng mặt của kết cấu áo

đường thiết kế Loại đường và cấp đường

Cấp cao A1

Cấp cao A2

Cấp thấp B1

Hình 3-1: Toán đồ để xác định mô đun đàn hồi chung của hệ 2 lớp E ch

Trong trường hợp kết cấu áo đường có tổng bề dày lớn (H/D>2) thì việc tính toán

Ech có thể được tính theo công thức Bacberơ gần đúng như sau:

; (2-10)