Bài giảng Thiết kế đường ô tô: Chương 7, 8 - TS. Văn Hồng Tấn

Chia sẻ: Phạm Hồng Phương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

226
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thiết kế đường ô tô chương 7, 8: Nền đường - Kết cấu áo đường trình bày về sự biến dạng nền đường và nguyên nhân, nhiệm vụ thiết kế nền đường, phân loại áo đường, chọn vật liệu tầng mặt, cấu tạo tầng móng, tính toán thiết kế áo đường mềm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thiết kế đường ô tô: Chương 7, 8 - TS. Văn Hồng Tấn

BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐƯỜNG & NGUYÊN NHÂN Nền đường lún sụt do đất yếu dưới nền đường Chöông 7 NỀN ĐƯỜNG Taluy bị lở, sụt do 1 phần đất mất cường độ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐƯỜNG & NGUYÊN NHÂN BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐƯỜNG & NGUYÊN NHÂN Khối đất lớn taluy bị trụt lở dưới tác dụng trọng lực, tạo Taluy nền đào bị trụt lở dưới tác dụng trọng lực, tạo thành thành 1 mặt trượt (do mái taluy, cường độ đất đắp) 1 mặt trượt (do mái taluy, cường độ đất đắp) Trượt trên mặt đất tự nhiên do Nền đường sụp đổ do ngậm chân nền đường đắp quá ướt nước quá nhiều Taluy rơi vỡ do quá trình phong hóa, xói mòn.
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG CHỌN ĐẤT DÙNG ĐỂ ĐẮP NỀN ĐƯỜNG 1/ Yêu cầu: Thiết kế nền đường bao gồm các công việc: - Có cường độ và ổn định chống nước: 1/ Xác định các biện pháp đảm bảo chế độ ổn định thủy nhiệt + Thành phần hạt, và cấu trúc đất vững chắc. nền đường (cấu tạo các chi tiết tránh nước…) + Hạn chế nước thấm vào 2/ Chọn loại đất đắp, chế độ đầm nén. + Mau thoát nước ra. 3/ Tính toán ổn định mái dốc nền đường. + Ít thay đổi cường độ khi độ ẩm thay đổi 4/ Tính toán lún nền đường. 2/ Cách sử dụng: - Về cơ bản, mọi loại đất đều có thể dùng cho đường. - Các loại đất khác nhau có đặc tính cơ lý khác nhau Æ Sử dụng trong các trường hợp khác nhau 1 cách phù hợp. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG Chỉ tiêu cơ lý dùng tính toán: At = Abq ± σ Caùc tröôøng hôïp phaûi tính toaùn maùi doác: 85% Tải trọng tính toán: + Chieàu cao maùi doác ñaøo vaø ñaép > 12m. + Neàn ñaép ôû baõi soâng, neàn ñaép ôû nhöõng ñoaïn ngaäp + Tĩnh tải: đất đắp nền đường σ σ nöôùc khoâng thöôøng xuyeân. + Hoạt tải: tải trọng phân bố quy đổi từ xe thiết kế phân bố kín + Neàn ñaøo qua caùc taàng chöùa nöôùc. ngang đường + Neàn ñaøo trong ñaù (h > 12m h < 16m) theá naèm cuûa ñaù hx n.G nghieâng ra phía neàn ñöôøng. hx = B γ. B.l + Neàn ñaøo saâu hôn 6m trong ñaát seùt deã bò maát oån ñònh b d e maùi doác do taùc duïng cuûa caùc yeáu toá khí haäu. B = n.b + ( n − 1)d + e + Neàn ñaøo vaø ñaép ôû nhöõng choã coù ñieàu kieän ñòa chaát phöùc taïp. + Neàn ñaép baèng caùc loaïi ñaát coù tính chaát ñaëc bieät (ñaát seùt tröông nôû maïnh, ñaát bazan...). Mg + Neàn ñöôøng khu vöïc caùt di ñoäng. Hệ số ổn định (Kmin = 1.1, 1.2, 1.4) K= Mt
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG Phương pháp mặt trượt trụ tròn: Phương pháp mặt trượt trụ tròn + Giả thiết 1 tâm trượt và 1 mặt trượt 1/ Khi có xét biến dạng dẻo ở vùng trụ tròn. đỉnh cung trượt ϕ 2Ctg( 45° + ) + Phân khối trượt ra nhiều mảnh. 2 Z= γ + Xác định: 2/ Khi nền đất gồm nhiều lớp: Moment gây trượt (do trọng lượng): Mti = R.Qi sin αi & moment kháng trượt (do sức kháng cắt): 3/ Khi cung trượt qua nền đất cứng: Mgi = R( Qi cos α i .tg ϕ + c.li ) Æ Hệ số ổn định tại mỗi tâm trượt: K= ∑ Mg ∑ Mt TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA NỀN TRÊN SƯỜN DỐC Phương pháp mặt trượt trụ tròn 4/ Khi có xét ảnh hưởng dòng thấm n n ∑ tgϕ '.Qi .cos α i + ∑ Ci .li l l K= n ∑ Qi .sin αi + W.r l W = ΔJo .ω = 1 × Jo .ω Hệ số ổn định chống trượt: Lucchongtruot Q cos α .tgϕ tgϕ tgϕ K= = = = Lucgaytruot Q sin α tgα i Æ Tăng góc nội ma sát ϕ giữa 2 lớp đất khi i tăng Khi i > 1/15 Æ phải đánh cấp
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN THIÊN NHIÊN DƯỚI NỀN TÍNH LÚN ĐẮP Kiểm tra đảm bảo nền thiên nhiên không có biến dạng dẻo tại mọi điểm: Phân lớp tính lún do tác dụng của tải trọng Phương pháp vẽ đường đẳng K (hệ số ổn định chống trượt) Độ lún tổng cộng S = Σ Si C ⎛ pi ⎞ K min = 2 A( A − tgϕ) Si = ⎜⎜ lg ⎟⎟hi 1 + eo ⎝ po ⎠ σ1 . tgϕ + C A= σ1 − σ3 Chöông 8 KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Q&A Các lớp áo đường Ảnh http://training.ce.washington.edu
PHÂN LOẠI ÁO ĐƯỜNG LỰC TÁC DỤNG LÊN ÁO ĐƯỜNG + Áo đường cứng, là áo đường BTXM, BTCT, có độ cứng lớn + Löïc taùc duïng vaøo keát caáu neàn maët ñöôøng theo phöông (cường độ chịu kéo uốn lớn), dùng cho đường có lưu lượng xe ñöùng ñaït giaù trò lôùn nhaát laø khi xe döøng laïi (vôùi maët ñöôøng nhiều baèng phaúng). + Löïc taùc duïng vaøo keát caáu neàn maët ñöôøng theo phöông + Áo đường mềm, có độ cứng nhỏ (cường độ chịu kéo uốn ngang ñaït giaù trò lôùn nhaát laø khi ngöôøi laùi xe thöïc hieän haõm nhỏ), làm bằng các vật liệu đá trộn nhựa, gia cố chất kết dính phanh vô cơ như vôi, XM, đất thiên nhiên Æ Vì chịu tác dụng cả hai phương, nên yêu cầu vật liệu áo đường có c, ϕ tốt Áo đường cứng (Rigid pavement) Áo đường mềm (Flexible pavement) Ảnh http://training.ce.washington.edu LỰC TÁC DỤNG LÊN ÁO ĐƯỜNG & NỀN ĐƯỜNG CẤU TẠO ÁO ĐƯỜNG móng Tầng mặt LípLớp tạo nhám TÇng mãng TÇng mÆt t¹o nh¸m (nÕu cã) (hay kÕt cÊu ¸o ®−êng) Lớp Lípmặt (Surface) mÆt (Surfacing) (Pavement structure) Hình: Áp lực bánh xe ¸o ®−êng Lớp Líp móng (Base) (KÕt cÊu tæng thÓ nÒn mÆt ®−êng) mãng trªn (Base) phân bố truyền xuống nền KÕt cÊu nÒn ¸o ®−êng đường Lớp Líp móng dưới mãng (subbase) d−íi (Sub-base) t¸c dông 80-100 cm Tầng Khu vực tác dụng 80- Lớp Líp đáy®¸y móng (capping layer) mãng (Capping layer) Ảnh Asphalt Institute of Lexington Khu vùc 100cm (Subgrade) Hình: Áo đường chịu kéo uốn -Tùy theo mức độ quan trọng của tuyến đường đòi hỏi độ tốt xấu của vật liệu mà người ta chia áo đường thành nhiều cấp: Cấp cao A1, A2, cấp thấp B1, B2
TẦNG MẶT ÁO ĐƯỜNG CHỌN VẬT LIỆU LỚP HAO MÒN, TẠO NHÁM, TẠO PHẲNG CHO TẦNG MẶT A1 Tầng mặt áo đường cấp cao gồm nhiều lớp: + Tầng mặt A1 (BTN nóng chặt) dành cho đường co - Lớp tạo nhám, lớp tạp phẳng hoặc bảo vệ, lớp trên vận tốc thiết kế từ 60 km/h, nên cần xem xét bố trí lớp cùng (không tính vào chiều dày chịu lực, mà chỉ để tạo nhám cho những đoạn dốc dài, lớn, nền đắp cao hạn chế tác dụng phá hoại). qua vực sâu) - Lớp mặt trên + Lớp hao mòn có thể cấu tạo là lớp BTN chặt hạt nhỏ, - Lớp mặt dưới có chiều dày 2.5-3 cm, không được kể đến khi tính toán áo đường CHỌN VẬT LIỆU LỚP HAO MÒN, TẠO NHÁM, CHỌN VẬT LIỆU LỚP HAO MÒN, TẠO NHÁM, TẠO PHẲNG CHO TẦNG MẶT A2 TẠO PHẲNG CHO TẦNG MẶT CẤP THẤP Có thể sử dụng lớp láng nhựa (1,2-3 lớp) trên tầng - Phải bố trí lớp hao mòn bằng cấp phối hạt nhỏ hoặc mặt lớp BTN nguội, hở, đá dăm đen, thấm nhập nhựa, lớp bảo vệ rời rạc, hoặc cả hai nếu đường quan trọng. và cả trên lớp mặt đường hiện hữu. - Trên mặt đường thiên nhiên, phải rải lớp hao mòn, trên mặt đường đá dăm nước, CPĐD thường rải lớp bảo vệ rời rạc. Chuù yù: Vôùi caùc vaät lieäu coù söû duïng nhöïa loûng hoaëc nhöïa ñaëc pha daàu nhö beâ toâng nhöïa raûi nguoäi, ñaù daêm ñen raûi - Lớp hao mòn thường dày 2-4cm bằng CP hạt nhỏ, nguoäi, thì chæ ñöôïc thi coâng trong caùc thaùng khoâng coù möa, có chỉ số dẻo từ 15-21. Có thể trộn đều cát và sỏi để vaø chieàu daøy cuûa caùc lôùp vaät lieäu naøy khoâng vöôït quaù 6 cm tạo ra CP loại này. ñeå caùc chaát daàu deã bay hôi trong nhöïa ñöôøng bay ñi vaø chæ ñöôïc thi coâng lôùp laùng nhöïa khi caùc chaát daàu naøy ñaõ bay - Lớp bảo vệ thường dày 0.5-1.0cm bằng cát thô lẫn hôi heát. đá mi, đá mạt với cỡ hạt lớn nhất là 4.75mm
Cấp TK Loại Vật liệu và cấu tạo Thời Số xe tiêu CHỌN VẬT LIỆU TẦNG MẶT của tầng tầng mặt hạn chuẩn tích lũy đường mặt tính trong thời hạn - Tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp lực thẳng đứng và toán tính toán (xe lực ngang đều lớn, chịu tác dụng của các nhân tố (năm) tiêu chuẩn/làn) thiên nhiên (nước mưa, nắng, t thay đổi). Cấp I, II, Cấp -BTNC rải nóng loại I, hạt ≥ 10 > 4.106 III, và IV cao nhỏ hoặc vừa BTNC10, năm ÆTầng mặt phải đủ bền suốt thời kỳ sử dụng, phải A1 BTNC15, BTNC20 làm bằng phẳng, đủ độ nhám, chống thấm nước, chống lớp mặt trên. được biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, chống nứt, có khả -BTNC rải nóng, hạt vừa năng chịu bào mòn tốt, chống bong bật và đảm bảo chặt hoặc rỗng BTNC25, BTNR25 Æ lớp mặt dưới. yêu cầu vệ sinh. Cấp IV, Cấp BTNC rải nóng loại 2, 8 -10 > 2.106 - Tùy theo cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường, công và V cao BTN nguội trên có láng 5 ~ 8 > 1.106 nghệ thi công, trình độ tổ chức thi công, điều kiện A2 nhựa, thấm nhập nhựa có 4 ~ 7 > 0,1.106 cung cấp vật tư mà tầng mặt có thể chọn theo bảng láng nhựa, láng nhựa trên CPĐD, đá dăm 8.1. Maccadam, đất gia cố Cấp IV, V Cấp CP đá dăm, đá dăm CHỌN VẬT LIỆU TẦNG MÓNG và VI thấp B1 Macadam, hoặc cấp phối thiên nhiên trên có lớp bảo - Chức năng của tầng móng là truyền áp lực bánh xe từ mặt vệ rời rạc (cát) hoặc có lớp đường xuống nền đất sao cho trị số áp lực đủ nhỏ để nền đất hao mòn cấp phối hạt nhỏ chịu được cả ứng suất và biến dạng. Cấp V, VI Cấp Đất cải thiện hạt. 2÷3 < 0,1.106 thấp B2 Đất, đá tại chỗ, phế liệu công - Đồng thời phải đủ cứng để giảm ứng suất kéo cho lớp mặt bên trên nó. nghiệp gia cố (trên có lớp hao mòn, bảo vệ) Æ Tầng móng cần tuân theo 1 số nguyên tắc: - Nên gồm nhiều lớp, lớp trên bằng VL có cường độ chống biến dạng cao hơn lớp dưới để phù hợp với sự phân bố ứng suất và hạ giá thành XD. - Tỷ số modul đàn hồi lớp trên so với lớp liền dưới nên dưới 3 lần, tỷ số modul đàn hồi của lớp móng dưới và nền đất nên trong phạm vi 2.5-10 lần. - Số lớp nên tránh quá nhiều để không phức tạp dây chuyền thi công.
NGUYÊN TẮC CẤU TẠO TẦNG MÓNG (1) NGUYÊN TẮC CẤU TẠO TẦNG MÓNG (2) 4/ Trong trường hợp đặc biệt khó khăn (thiếu phương tiện thi Một số nguyên tắc để chọn và bố trí tầng móng: công đá hoặc thiếu phương tiện xe máy thi công) thì có thể 1/ Đối với đường cao tốc, cấp I, II, và các đường có 4 làn xe sử dụng lớp móng bằng đá ba xếp có chêm chèn chặt cho trở lên, cần sử dụng các lớp móng nửa cứng để tăng mức độ các mặt đường cấp thấp B1, B2. Đá ba có kích cỡ max là 18- đồng đều về cường độ trên bề rộng xe chạy, (e.g. lớp móng 24cm. dưới bằng cát hoặc đất gia cố chất liên kết vô cơ, XM). 5/ Phải thiết kế lớp láng nhựa trên móng CPĐD hoặc đá dăm 2/ Nếu nền đường bị ảnh hưởng bởi nước mao dẫn, thì móng nước để chống thấm nước xuống nền và chống xe thi công đi dưới nên sử dụng chất liên kết vô cơ hoặc hữu cơ với bề dày lại làm hư lớp móng nếu làm móng để 1 thời gian trước khi thi tối thiểu 15cm. công tiếp lớp trên. 3/ Nếu lớp móng có thêm chức năng thấm thoát nước ra khỏi 6/ Cỡ hạt max lớp móng trên nên nhỏ hơn lớp móng dưới. Vật kết cấu áo đường thì chọn vật liệu sao cho độ rỗng sau khi liệu làm móng trên, móng dưới tương ứng có CBR ≥ 80 và 30. đầm chặt bằng khoảng 10-15%, cấp phối hạt không chứa hạt 7/ Bề dày và loại kết cấu móng nên thay đổi trên từng đoạn
7. Đất cát Bề rộng các lớp móng Móng trên Cấp cao A2 phế liệu CN Bề rộng lớp móng trên phải rộng hơn bề rộng của tầng mặt mỗi (mặt) Cấp cao A1 và (xỉ lò cao, xỉ bên 20cm. than, tro bay) Móng dưới A2 g/cố chất kết Bề rộng lớp móng dưới nên rộng hơn bề rộng móng trên mỗi dính vô cơ, bên 15 cm. hữu cơ or gia cố tổng hợp Bề rộng móng kiêm chức năng thấm thoát nước từ kết cấu áo 8. Đất cải Móng dưới Cấp thấp B1, Tỷ lệ vật liệu hạt có kích đường ra, nên rải toàn bộ bề rộng nền đường và phải có biện thiện, gạch B2 cỡ lớn hơn 4,75mm cần pháp chống hư hại hoặc xói lở tại hai bên mép taluy nền đường, vỡ, phế thải chiếm trên 50% khối nếu không thì phải thiết kế bố trí rãnh xương cá hoặc ống thoát CN (xỉ lò trộn lượng nước ra, rãnh thấm. đất) Chiều dày tối thiểu Chiều dày các lớp móng được chọn theo tính toán về cường độ, yêu cầu không được nhỏ hơn 1.5 lần đường kính cốt liệu lớn nhất (xem bảng 8.3) Tham khảo chiều dày của đá dăm thấm nhập nhựa, CPĐD. Lớp vật liệu Cỡ hạt Bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 (mặt + lớp tạo nhám) tuỳ max Chiều dày min (cm) thuộc quy mô giao thông: (mm) BTNC rải nóng hạt nhỏ 10 15 2,5 Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy / BTNC rải nóng hạt nhỏ 15 20 3 Bề dày tối thiểu mặt đường 1 làn xe trong thời gian khai BTNC rải nóng hạt trung 20 25 4 cấp cao A1 (cm) BTNC rải nóng hạt trung 25 31,5 5 thác 15 năm BTNR rải nóng hạt lớn 31,5 40 6 < 0,1.106 6 (5) BTNR rải nóng hạt lớn 40 50 8 Bê tông nhựa rải nguội hạt nhỏ 3,0 ≥0,1.106 7 (5) Đá dăm, đá sỏi trộn nhựa 8,0 ≥ 0,5.106 8 (5) Đá dăm thấm nhập nhựa: 4,5 ≥ 1.106 9 (5) Đá dăm, sỏi cuội g/cố CKD vô cơ: ≥ 2.106 10 (5) +Theo phương pháp kẹp vữa 15 +Theo phương pháp tưới vữa 8 ≥ 4.106 12,5 (7,5) +Theo phương pháp trộn 10-15 ≥ 6.106 15,0 (10) Đá dăm, CPĐD, CP thiên nhiên ≥ 9.106 20,0 (10) +Rải trên móng cát +Rải trên nền đất đầm chặt 13-15 Giá trị trong ngoặc sd khi tầng mặt nhựa đư ờng cấp cao A1 8-19 đ ặt trực tiếp lên lớp móng bằng vật liệu gia cố nhựa có chiều Đất hoặc cát g/cố CKD vô cơ 10-15 dày ~10cm
BỀ DÀY THƯỜNG SỬ DỤNG CHO MỖI LỚP KẾT CẤU KHU VỰC TÁC DỤNG CỦA NỀN ĐƯỜNG Loại lớp kết cấu áo đường Bề dày thường dùng(cm) - Khu vực tác dụng của nền đường là khu vực nền đường theo Bê tông nhựa, đá Hạt lớn 5–8 chiều sâu Za tham gia chịu tác dụng của tải trọng xe truyền dăm trộn nhựa xuống, sao cho ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống chỉ Hạt trung 4–6 còn nhỏ bằng 1/n lần ứng suất do trọng lượng bản thân của vật Hạt nhỏ 3-4 liệu áo đường và nền đường gây ra. Đá mạt trộn nhựa 1,5 – 2,5 - Với n = 5 ÷ 10, người ta xác định được trị số của Za = 0.9 ÷ Cát trộn nhựa 1 – 1,5 1.5m. Thấm nhập nhựa 4,5 – 6,0 - Thông thường áp dụng Za = 1.2m là đủ an toàn. Láng nhựa 1,0 – 3,5 - Đ/v đường ôtô quan trọng, chịu tải trọng xe rất nặng thì có thể phải dùng Za = 1.5m. Khu vực nền đường này khi đó cần phải Cấp phối đá dăm Dmax=37,5mm 15 – 24 có cường độ và độ ổn định cao, sử dụng vật liệu thích hợp và Dmax≤25mm yêu cầu về độ chặt cao. Cấp phối thiên nhiên 15 – 30 Đá dăm nước 15 – 18 Yêu cầu về đất trong k/vực tác dụng nền đường 1/ Nền đường trong khu vực áp dụng không bị quá ẩm (w ≤ 0.6 giới hạn nhão) trong mọi điều kiện thay đổi môi trường. 2/ Về sức chịu tải: + 30cm trên cùng của khu vực nền đường phải đảm bảo CBR ≥ 8 đối với đg cao tốc, cấp I, II và ≥ 6 đ/v cấp thấp hơn. + 50cm tiếp theo đảm bảo CBR ≥ 5 đối với đg cao tốc, cấp I, II và ≥ 4 đ/v cấp thấp hơn. + Mỗi mẫu thử CBR đặc trưng cho lớp đất có bề dày 20cm, Sự phân bố ứng suất pháp theo chiều thẳng đứng và sơ đồ xác do đó, đối với nền đào hoặc nền không đào không đắp thì định vùng yêu cầu cần đầm nén chặt để đảm bảo cường độ. phải lấy mẫu từng lớp 20cm để thử nghiệm chỉ tiêu này, kết hợp với thí nghiệm độ chặt để quyết định có cần thay thế hoặc đầm nén lại không.
Yêu cầu về đất trong k/vực tác dụng nền đường Độ chặt yêu cầu của nền đường trong phạm vi tác dụng nền đường 3/ Về loại đất: + Không dùng đất lẫn muối, thạch cao, đất bùn, chứa phù sa, Loại nền đường Độ sâu tính Độ chặt K từ đáy áo mùn, không nên dùng đất bụi. Không dùng đá phong hóa. đường Đường ôtô Đường ôtô cấp I đến cấp V đến + Không dùng đất sét nặng có độ trương nở lớn hơn 4% trong xuống (cm) cấp IV cấp VI khu vực chịu ảnh hưởng. Nền Khi áo đườjng dày trên 30 ≥ 0,98 ≥ 0,95 + Khi đắp bằng cát thì phải có biện pháp đắp bao phía đỉnh đắp 60cm nền để hạn chế nước mưa xâm nhập vào nền cát trong & sau Khi áo đường dày dưới 60 50 ≥ 0,98 ≥ 0,95 quá trình thi công, tạo thuận lợi cho xe thi công đi lại xây dựng cm lớp móng dưới. Bên dưới độ Đất mới đắp ≥ 0,95 ≥ 0,93 sâu kể trên + Khi sử dụng vật liệu đắp bằng đá, đất lẫn sỏi thì kích cỡ hạt max cho phép là 10cm trong vùng tác dụng tính từ đáy áo Đất nền tự Cho đến 80 ≥ 0,93 ≥ 0,90 nhiên (*) đường & không vượt qua 2/3 chiều dày đầm nén có hiệu. Nền đào và nền không đào không 30 ≥ 0,98 ≥ 0,95 đắp (Đất nền tự nhiên) (**) 30 - 80 ≥ 0,93 ≥ 0,90 HIỆN TƯỢNG MỎI Phần lớn vật liệu chịu hư hại nhỏ dần dần dưới tác dụng của những tải mà nhỏ hơn rất nhiều lần so với tải trọng TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM giới hạn. Ảnh http://www.daviddarling.info Minh họa kẹp giấy bị gãy sau 1 số lần bẻ Kết cấu áo đường BTN xảy ra vết nứt khi tải trọng xe, đến 1 lúc nào đó, tạo tích lũy hư hại đủ để sinh ra vết nứt do mỏi. Ảnh http://pavementinteractive.org
ĐẶC TÍNH MỎI CỦA VẬT LIỆU BÊTÔNG NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN T/KẾ ÁO ĐƯỜNG NHỰA 1/ Đảm bảo kết cấu có khả năng kháng mỏi tốt dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. • Các nghiên cứu (eg. ÆYêu cầu: Độ võng của kết cấu do tải trọng bánh xe Monismith et al.) cho phải nhỏ hơn giá trị cho phép (khả năng chống biến dạng). thấy ở mức độ biến dạng thấp (
MODUL ĐÀN HỒI CHUNG TRÊN MẶT VẬT LIỆU Hình: Dùng tấm ép xác định +Dùng phương pháp nén tĩnh tại modul đàn hồi chung trên mặt đường, dùng tấm ép có nền, mặt đường Hình: Cấu tạo cần Belkeman đường kính D, áp lực nén p: dùng để đo độ võng mặt đường π Pe . De (1 − μ2 ) Edh = ⋅ × 1000 4 ldhe + Phương pháp đo trực tiếp dưới bánh kép xe tải 1 trục sau: Ảnh 22TCN-211-2006 Ảnh kx . px . Dx (1 − μ2 ) http://training.ce.washington.edu Ε ñh,ch = × 1000 lñh bx (Xem sách về ý nghĩa và cách dùng các hệ số) Ảnh http://training.ce.washington.edu + Lấy ép tĩnh làm chuẩn, đo trực tiếp dưới bánh xe tải: Ε ñh .lñh bx ( kx . px . Dx ) = (1 − μ2 ) × 1000 Ảnh MODUL ĐÀN HỒI CỦA VẬT LIỆU TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRONG BÀI TOÁN T/KẾ (1) + Vật liệu có gia cố chất kết dính Æ t/nghiệm nén tự do nở hông 1. Điều kiện modul đàn hồi (ở 30oC với BTN): p tăng đến 0.25 MPa a. Xác định modul đàn hồi yêu cầu từ tải trọng trục L tính toán. H b. Chọn cấu tạo các lớp áo đường: Vật liệu và chiều ~5cm dày tối thiểu lớp mặt, vật liệu lớp móng. c. Cho trước chiều dày 1 lớp móng, thử dần chiều E= p H/L dày lớp móng kia, sao cho Ech ≥ Echyc , bằng cách: • Quy đổi 2 lớp một về 1 lớp trung bình, tạo thành hệ có 2 lớp + Vật liệu thiên nhiên không sử dụng chất liên kết Æ nén hạn chế (bán không gian nền và 1 lớp áo đường trung bình). nở hông) p ~ 0.5-0.6 MPa • Từ hệ 2 lớp, quy đổi về hệ 1 lớp (bán không gian vô hạn), có Echung được tính bằng công thức trang 231. (Nếu Echung không gần Echyc thì thay đổi chiều dày móng đến khi L cho đến khi đạt được) π p.D (1 − μ ) H Etn = ( Mpa ) d. Bài toán móng kinh tế để tìm 1 cặp 2 lớp móng rẻ ~15cm 4 L nhất. Với đất μ =0,35 D ~ 5cm
TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRONG BÀI TOÁN T/KẾ (2) TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRONG BÀI TOÁN T/KẾ (3) 3. Kiểm tra điều kiện chống nứt (ở 15oC với BTN): 2. Kiểm tra điều kiện ổn định chống trượt (ở 60oC với a. Xác định ứng suất kéo uốn đơn vị tại đáy tầng BTN): mặt σku. ku a. Xác định ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải b. Xác định ứng suất kéo uốn cho phép Rtt = k1 k 2 Rku trọng bánh xe τax. và kiểm tra điều kiện chống nứt. b. Xác định ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bản Rttku thân các lớp vật liệu nằm trên nó gây ra. σ ku ≤ ku K cd c. Điều kiện kiểm tra trượt Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 C tt Hệ số K trcd 1,10 1,00 0,94 0,90 0,87 τ ax + τ av ≤ K cdtr Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 * Khi tính toán cho kết cấu áo đường chịu tải trọng rất Hệ số K trcd 1,10 1,00 0,94 0,90 0,87 nặng thì cần làm ngược lại từ bước 3 đến bước 1. 1a. XÁC ĐỊNH MODUL ĐÀN HỒI YÊU CẦU Bảng 8.10 yc Edh = a + b. lg N1TXTT laøn Loại tải Loại Trị số modul đàn hồi y/cầu Eyc (MPa), tương ứng với số trục xe tính toán (TXTT/ngđêm/làn) tầng - Xác định Eyc (tra bảng 8.10 để có các giá trị chẵn, trọng mặt 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 7000 TC nội suy logarit giá trị trung gian) Cấp 133 147 160 178 192 207 224 235 - Dựa vào bảng 8.11 để so sánh với giá trị tối thiểu. cao A1 Cấp 91 110 122 135 153 10 cao A2 Echyc = K cddv .Edhyc Cấp 64 82 94 thấp B1 Echyc là giá trị ước lượng của giá trị trung bình Edhyc với hệ số Cấp 127 146 161 173 190 204 218 235 253 Kcddv (e.g. độ tin cậy r = 0.9 Æ Kcddv = 1.1), khi giả thiết: cao A1 Tác dụng phá hoại do tải trọng trục gây ra cho mặt đ ư ờng tuân Cấp 90 103 120 133 146 163 12 theo quy luật phân bố ngẫu nhiên. cao A2 Cấp 79 98 111 thấp B1 Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 Hệ số K cd 1,29 1,17 1,10 1,06 1,02
Bảng 8.11 CHỌN ĐỘ TIN CẬY CHO THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG Loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế Loại đường và cấp đường Chọn độ tin cậy theo nguyên tác đường có tốc độ thiết kế càng Cấp cao Cấp cao Cấp thấp A1 A2 B1 cao, thời hạn thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao, 1. Đường ôtô nhưng không được nhỏ hơn trị số trong bảng sau: - Đường cao tốc và cấp I 180 (160) 160 (140) - Đường cấp II Loại, cấp hạng đường Độ tin cậy thiết kế 140 (120) 120 (95) - Đường cấp III 130 (110) 100 (80) 75 1. Đường cao tốc 0,90 , 0,95 , 0,98 - Đường cấp IV 80 (65) Không quy 2. Đường ôtô - Đường cấp V định - Cấp I, II 0,90 , 0,95 , 0,98 - Đường cấp VI - Cấp III, cấp IV 0,85 , 0,90 , 0,95 2. Đường đô thị 0,80 , 0,85 , 0,90 - Cấp V, VI - Đường cao tốc và trục 190 155 130 3. Đường đô thị chính 120 95 70 - Cao tốc và trục chính đô 0,90 , 0,95 , 0,98 - Đường chính khu vực 0,85 , 0,90 , 0,95 155 130 100 thị - Đường phố 100 75 50 - Các đường đô thị khác - Đường công nghiệp và kho tàng 4. Đường chuyên dụng 0,80 , 0,85 , 0,90 - Đường xe đạp, ngõ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN VÀ CÁCH QUY ĐỔI - Độ tin cậy (Level of confidence) là gì? Đường cao tốc, đường ô tô trong mạng lưới chung: Ptt = 100 kN : tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn, áp lực tính toán p = 0.6 MPa, đường kính vệt bánh xe D = 33 cm - Tại sao cần phải có phạm trù “độ tin cậy” trong kỹ thuật? Công thức quy đổi từ tải trọng trục về tải trọng trục tính toán 4, 4 k ⎛ Pi ⎞ N = ∑ C1C 2 ni ⎜⎜ ⎟⎟ - Vai trò của “độ tin cậy” trong đường ô tô? i =1 ⎝ Ptt ⎠ C1 là hệ số trục được xác định như sau : C1 = 1 + 1,2(m − 1) m : số trục của cụm trục i C2 : hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh - Ví dụ: Dùng 1 mẫu (sample), ước lượng đặc trưng C2 = 6,4 với các cụm bánh chỉ có 1 bánh C2 = 1,0 với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) 1 tổng thể (population) với 1độ tin cậy r% ni : 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 tiêu chuẩn * Mục tiêu của quy đổi là để thống nhất tải tác dụng, trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại đối với kết cấu áo đường.
VÍ DỤ QUY ĐỔI TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN Loại xe Pi C1 C2 ni Ni (TXTC/ngđ) Công thức tính tích lũy tải trọng trục tính toán trong suốt thời Xe con Trục trước 9.15 1 6.4 492 - gian khai thác đường: Xe con Trục sau 9.6 1 6.4 492 - Xe tải nhẹ Trục trước 16 1 6.4 376 - N i = 365.N o (1 + p ) i −1 Xe tải nhẹ Trục sau 37.5 1 1.0 376 5 T (1 + p )T − 1 (1 + p )T − 1 Xe tải vừa Trục trước 25.75 1 6.4 1012 17 ⇒ ∑ N i = 365.N o ∑ (1 + p ) i −1 = 365.N o = 365.N o i =1 (1 + p ) − 1 p Xe tải vừa Trục sau 69.5 1 1.0 1012 204 (1 + p )T − 1 (1 + p )T − 1 Xe tải nặng Trục trước 42.25 1 6.4 434 63 N e = ∑ N i = 365.N o = 365.N t Xe tải nặng Trục sau 100 1 1.0 434 434 p p (1 + p )T −1 Xe tải 3 trục Trục trước 45.40 1 6.4 463 92 Xe tải 3 trục Trục sau 90.79 2.2 1.0 463 665 N = ∑ Ni = 1479 N 1TXTT lan = N. fl + Số trục tính toán của lề gia cố nếu không có dải phân cách thì lấy bằng 35-50% số trục tính toán của làn cơ giới kề liền. 1b. CHỌN CẤU TẠO & CHIỀU DÀY CÁC LỚP ÁO ĐƯỜN 1b. CHỌN CẤU TẠO & CHIỀU DÀY CÁC LỚP ÁO + Cấu tạo các lớp áo đường: Xem việc chọn cấu tạo lớp mặt, lớp ĐƯỜNG móng tùy theo cấp hạng áo đường. + Cấu tạo các lớp áo đường phải phù hợp với điều kiện thi công + Chiều dày tối thiểu lớp BTN lớp mặt: thực tế. Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy / + Lớp áo đường nếu có thể tận dụng vật liệu địa phương, làm Bề dày tối thiểu mặt đường 1 làn xe trong thời gian khai giảm giá thành xây dựng. cấp cao A1 (cm) thác 15 năm + Về cơ bản, lớp vật liệu có modul đàn hồi lớn hơn thường nằm < 0,1.106 6 (5) trên. ≥ 0,1.106 7 (5) + Vật liệu lớp mặt cách nước mưa, vật liệu lớp móng dưới đảm bảo nền đường ổn định thủy nhiệt. ≥ 0,5.106 8 (5) + Chiều dày của các lớp áo đường thường tỷ lệ nghịch với ≥ 1.106 9 (5) modul đàn hồi vật liệu của lớp áo đường đó. ≥ 2.106 10 (5) ≥ 4.106 12,5 (7,5) ≥ 6.106 15,0 (10) ≥ 9.106 20,0 (10)
1b. ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ VẬT LIỆU 1c. QUY ĐỔI 2 LỚP MỘT THÀNH 1 LỚP TRUNG BÌNH Ví dụ 1 số vật liệu: Module đàn hồi (MPa) Chiều Ru c ϕ Vật liệu ở dày (MPa) (MPa) ( đ ) 3 60oC 30oC 15oC(*) ⎡ 1 ⎞ ⎢ h2 ⎛ E 2 ⎞ 3 ⎟ BTNC 20 loại IA h4 300 420 1800 2,8 3 1 + .⎜⎜ ⎟⎟ ⎟ ⎡1 + kt 1/ 3 ⎤ ⎢ h1 ⎝ E1 ⎠ ⎟ BTNC 25 loại IIA h3 300 420 1800 2,4 Etb = E1 ⎢ ⎥ Etb = E1 ⎢ CPĐD (Dmax = 25mm) h2 300 300 300 ⎣ 1+ k ⎦ ⎢ 1+ 2 h ⎟ ⎢ ⎟ CP thiên nhiên loại A h1 200 200 200 0,05 40 h1 ⎟ Đất nền á sét 42 42 42 0,032 24 Ý nghĩa của Etb: ⎢⎣ ⎠ Hệ kết cấu 2 lớp, (E1 h1) và (E2, h2) được quy đổi về một lớp có vật liệu đồng nhất Etb, sao cho nó có cùng chiều dày (= h1+ h2) và có cùng độ cứng kháng uốn. Lưu ý: Khi tính theo đ/k modul đàn hồi, Ei lấy là modul đàn hồi của vật liệu lớp đó ở 30oC Cơ sở lý thuyết trong cách tính modul đàn hồi trung bình: 1c. QUY ĐỔI 2 LỚP MỘT THÀNH 1 LỚP TRUNG BÌNH Trình tự như sơ đồ minh họa bên dưới: Ech = Eyc h2 E2 h2tđ E1 h1 + h2 Etb h4 E4 = 420MPa h1 E1 h1 E1 h3 E3 = 420MPa Etb3 H Yêu cầu: Ứng suất tại đáy lớp vật liệu phải như nhau trong các h2 E2 = 300MPa Etbhc=β.Etb3 → trường hợp. Etb1 Etb2 h1 E1 = 200MPa h23 h23td E E2 .I 2 = E1.I 2td ⇒ E2 . = E1. ⇒ h2td = h2 3 2 12 12 E1 Eo = 42MPa En?n 3 ⎡ E2 ⎤ ⎢ h1 + h2 3 ⎥ Hệ số hiệu chỉnh do chiều dày, xem bảng 3.6 trang 233: (h1 + h2 ) 3 (h1 + h2td ) 3 E1 ⇒ Etb = E1.⎢ ⎥ 0,12 0,12 Etb . = E1. ⎛H⎞ β = 1,114 ⎜ ⎟ ⎛ 80 ⎞ = 1,114 × ⎜ ⎟ = 1.237 12 12 ⎢ h1 + h2 ⎥ ⎝D⎠ ⎝ 33 ⎠ ⎢ ⎥
1c. QUY ĐỔI HỆ 2 LỚP THÀNH 1 BÁN KHÔNG GIAN Ý nghĩa của Htd (của nhiều lớp kết cấu): Chiều dày tương đương của lớp vật liệu có modul đàn hồi Eo, sao cho độ lún đàn hồi do lớp tương đương này bằng với độ lún đàn hồi do hệ gồm (các) lớp trên và lớp có modul đàn hồi Eo. D/2 D/2 Eo h E , ×( )×(1− 3 o )]⋅ E1 [1,05− 01 H4 = 4 cm E4 = 420 Mpa Ech Htd = 170.94 cm D E1 H3 = 7 cm E3 = 420 Mpa Ech = Eo 135 . × htñ E1 2 D 77cm 071 , ×3 × arctg( ) + ⋅ × arctg( ) H2 = 30 cm E2 = 320 Mpa E1 D Eo π htñ H1 = 36 cm E1 = 200 Mpa Ý nghĩa của Ech: Ech o Hệ kết cấu 2 lớp, Eo và (E1, h) được quy đổi về một bán không E0=42Mpa Eo 8 gian, có vật liệu đồng nhất Ech, sao cho 2 hệ có cùng chiều dày 8 8 và cùng độ võng đàn hồi do tấm ép đk D & áp lực p. 8 Ý nghĩa Htd và Ech 1c. QUY ĐỔI HỆ 2 LỚP THÀNH 1 BÁN KHÔNG GIAN B δi B BẰNG TOÁN ĐỒ o h1 E1 h1td Eo h1 Echung A A Echung Eo Eo po f ( z ).dz dΔ = po E σz = πpo D h ∞ 1 + ( z D) 2 Δ= f ( z )dz f ( z )dz 2 Ech Δ = po ∫ + po ∫ 0 E 1 h Eo Hệ 1 Hệ 2 Hệ 3 E1 Chiều dày lớp đất tương đương: htd = h1 2.5 (cùng ứ/s đáy tại A) Eo Điều kiện: Chuyển vị điểm A & B không đổi: SA, SB = const σ iδ i Fbieudo S = ∑ Si = ∑ = Ei Ei
1d. BÀI TOÁN MÓNG KINH TẾ 2. KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN CHỐNG TRƯỢT Nội dung: Tìm trong các cặp chiều dày 2 lớp móng trên dưới C tt (h1, h2) sao cho tổng giá thành xây 2 lớp móng là nhỏ nhất. τ − σ.tgϕ ≤ c τ ax + τ av ≤ Ví dụ: K cdtr h1 (cm) G1 (VNĐ) H2 (cm) G2 (VNĐ) G (VNĐ) Ech (Mpa) τax (MPa) : ứng suất cắt chủ động lớn nhất do tải trọng bánh xe 41 3945183 27 3942869.4 7888052.4 206.838 tính toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính 40 3852933 28 4088901.6 7941834.6 207.498 38 3668433 29 4234933.8 7903366.8 207.141 τav (MPa) : ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các 36 3429742 30 4380966.0 7810708.0 206.769 lớp vật liệu nằm trên nó gây ra cũng tại điểm đang xét. 35 3333713 31 4526998.2 7860710.7 207.431 Ctt (MPa) : lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính ở trạng thái độ ẩm, độ chặt tính toán. K cdtr : hệ số cường độ về chịu cắt trượt tùy thuộc vào độ tin cậy thiết kế. - ÖÙng suaát tieáp trong neàn ñaát vaø trong caùc lôùp vaät lieäu rôøi raïc ñaït giaù trò lôùn nhaát khi caùc lôùp treân cuøng coù nhieät ñoä cao nhaát. Nhieät ñoä naøy ñöôïc laáy baèng 60oC theo ñieàu kieän khí haäu VN. - Không kiểm tra đ /kiện chống tr ư ợt với áo đ ư ờng cấp thấp B1, B2. 2a. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT CẮT CHỦ ĐỘNG DO B/XE 2a. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT CẮT CHỦ ĐỘNG DO B/XE Quy đổi về hệ hai lớp: + Lớp trên là gộp các lớp trên của lớp kiểm tra trượt và có modul đàn hồi trung bình, + Lớp dưới là bán không gian tính từ mặt lớp kiểm tra, cần xác định Ech trên mặt lớp này. H4 =4cm H3 =7cm E =300 41cm H 4 + H3 + H 2 E=300M pa H2 =30cm Etbhc = 253.45 E=300M pa σ τ E=200 σ 36cm H1 E=200M pa Echung = 1 0 5 .4 2 M p a E0 = 4 2 M p a ϕ 8 8 ϕ Tax Toaùn ñoà ñeå xaùc ñònh öùng suaát caét hoạt ñoäng ôû lôùp döôùi cuûa heä hai lôùp p khi khi caùc lôùp cuøng laøm vieä (c ≥ 0,08 kG/cm2) 8 8
2a. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT CẮT CHỦ ĐỘNG DO B/XE 2b. XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT CẮT HOẠT ĐỘNG DO + Tav TẢI BẢN THÂN ϕ =5° 0.003 Ứng suất cắt hoạt động do 0.002 ϕ =10° trọng lượng bản thân các 0.001 ϕ =13° lớp vật liệu nằm trên gây ra 20 40 60 80 100 ChiÒu dÇy 0 mÆt τav = 10−4 (5 − 0, 3ϕ) × h h= (cm) 0.001 ϕ =20° 0.002 Hoặc tra toán đồ hình 0.003 8.10 trang 237 0.004 ϕ =30° 0.005 0.006 0.007 ϕ =40° Tax Toaùn ñoà ñeå xaùc ñònh öùng suaát caét hoạt ñoäng ôû lôùp döôùi cuûa heä hai lôùp p 0.008 khi coù theå coù chuyeån vò töï do giöõa hai lôùp ôû maët tieáp xuùc (c < 0,08 kG/cm2) T av ( MPa ) 2b. XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG CẮT 3. KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN KÉO UỐN Ctt = C.K1K2K3 Rttku - C là lực dính của đất nền hoặc của vật liệu kém dính σ ku ≤ ku K cd - K1 là hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất nền hoặc vật liệu kém dính chịu tải trọng và gây dao động (eg. σku (MPa) : ứng suất chịu kéo lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật với nền áo đường thì K1 = 0,6, xem trang 246) liệu toàn khối dưới tác dụng của bánh xe. - K2 là hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng Rttlu (MPa) : cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu toàn nhất của kết cấu. Tùy thuộc số trục xe quy đổi (xem bảng 8-15 khối. trang 237) - K3 là hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất Lưu ý: nền hoặc vật liệu kém dính trong điều kiện chúng làm việc trong kết cấu khác với mẫu thử K3 = 1,5 -Chỉ phải kiểm tra kéo uốn với vật liệu bêtông nhựa, hỗn hợp đ á trộn nhựa, các lớp đ ất cát gia cố chất kết dính vô c ơ sử Số trục xe tính Dưới Dưới Dưới Trên dụng trong móng đư ờng cấp cao A1, A2. toán (trục/ngày 100 1000 5000 5000 đem/làn) -Riêng với lớp thấm nhập nhựa cấp thấp B1, B2 thì không cần Hệ số K2 1,0 0,8 0,65 0,6 phải kiểm tra.