Giáo trình Thiết kế đường ô tô: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

238
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Thiết kế đường ô tô: Phần 1 với các nội dung khái niệm chung về đường ô tô; thiết kế bình đồ; thiết kế trắc học, thiết kế trắc ngang và nền đường. Mời các bạn cùng tham khảo giáo trình để nắm chắc kiến thức.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thiết kế đường ô tô: Phần 1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ TP.HCM NĂM 2017 1
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1. VAI TRÒ CỦA ĐƯỜNG Ô TÔ TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI. Vận tải trên đường ô tô có những đặc điểm sau: - Có tính cơ động cao, điều động xe cộ nhanh chóng. - Có thể vận chuyển trực tiếp từ chỗ lấy hàng đến nơi quy định, không cần phải có phương tiện vận chuyển và bốc dỡ trung gian, tiện lợi trong vận chuyển ngắn. - Thích ứng với địa hình vùng núi khó khăn. Tốc độ vận tải trên đường ô tô cũng khá nhanh, nhanh hơn đường thủy và tương đương với đường sắt. - Có thể sử dụng hỗn hợp cho nhiều loại phương tiện vận tải (kể cả vận tải thô sơ). Chính vì những đặc điểm có ý nghĩa trên nên đường ô tô là một bộ phận không thể thiếu trong mạng lưới giao thông vận tải của mỗi nước. Mặc dù có ý nghĩa quan trọng như vậy, song việc vận tải trên đường ô tô vẫn có những nhược điểm: - Do tải trọng chở được ít, lại tốn nhiên liệu nên giá thành vận chuyển ô tô cao hơn so với đường sắt và đường thủy, nhất là khi cự ly vận chuyển lớn. - Vận tải đường ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái đường, mà trạng thái đường lại chịu ảnh hưởng rất lớn của thiên nhiên. Do đó việc vận chuyển bằng ô tô thường gặp nhiều trở ngại. - Tai nạn trên đường ô tô cũng không ngừng tăng lên. Tổn thất về con người cũng như về kinh tế do tai nạn ô tô gây ra cũng ngày càng lớn. - Môi trường xung quanh đường ô tô ngày càng bị xấu đi do khí thải, bụi bẩn và tiếng ồn của ô tô gây ra. - Nạn ùn tắc giao thông ở các đường đô thị ngày càng phổ biến, làm cho tốc độ ô tô giảm xuống, giá thành vận tải tăng lên. 1.2. CÁC YẾU TỐ CỦA ĐƯỜNG Ô TÔ. Để thể hiện một con đường trên bản vẽ, thường dùng 3 hình chiếu: - Hình chiếu bằng (bình đồ tuyến đường). - Hình chiếu đứng (mặt cắt dọc – trắc dọc tuyến đường). - Hình chiếu cạnh (mặt cắt ngang – trắc ngang tuyến đường). 1.2.1. Bình đồ tuyến đường: Do điều kiện địa hình tự nhiên bị hạn chế nên tuyến đường ô tô trên hình chiếu bằng thường phải uốn lượn với các đoạn thẳng và đoạn cong nối tiếp nhau. Tuyến 2
đường hoàn toàn được xác định trên bình đồ (tức là hoàn toàn xác định trên thực địa) nhờ các yếu tố sau (Hình 1.1): - Điểm xuất phát và góc định hướng đầu tiên. - Các góc ngoặt 1, 2, 3, … ở các chỗ đổi hướng tuyến. - Chiều dài các đoạn thẳng. - Các yếu tố của đường cong như: góc ngoặt , bán kính đường cong R, chiều dài tiếp tuyến T, chiều dài cung tròn K và chiều dài phân cự p (Hình 1.1). Ñ   T p P K TÑ1 TC1 R 0 Hình 1.1 Các yếu tố của đường cong tròn Tất cả các yếu tố trên được đánh dấu trên thực địa bằng các cọc cùng với các đặt ở những chỗ địa hình thay đổi (cọc địa hình) và các cọc đánh dấu lý trình (cọc Km, cọc 100m ký hiệu là cọc H). 1.2.2. Trắc dọc tuyến đường: Mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường đem “duỗi thẳng” được gọi là trắc dọc, thường được vẽ với tỉ lệ đứng gấp 10 lần tỉ lệ ngang (Hình 1.2). Hình 1.2 Trắc dọc 3
Cao độ mặt đất tự nhiên trên trắc dọc gọi là đường đen. Còn tuyến đường được xác định vị trí của nó trên trắc dọc thông qua đường đỏ thiết kế. Ở các chỗ đổi dốc, đường đỏ phải được thiết kế nối dốc bằng các đường cong đứng lồi hoặc lõm. Đường đỏ xác định nhờ các yếu tố: - Cao độ đường đỏ tại điểm đầu tuyến. - Độ dốc dọc (id) và chiều dài các đoạn dốc. - Đường cong đứng chỗ đổi dốc với các yếu tố của nó. Căn cứ vào đường đỏ đã xác định, với các yếu tố này có thể tính được cao độ thiết kế và chiều sâu đào hoặc đắp ở mỗi vị trí cọc đã bố trí trên bình đồ tương ứng. 1.2.3. Trắc ngang tuyến đường: Mặt cắt vuông góc với tuyến đường ở mỗi điểm trên tuyến (ở vị trí các cọc) được gọi là trắc ngang tại điểm đó. Meùp phần xe chạy Meùp lề Tim đñường Hình 1.3 Trắc ngang tuyến đường Các yếu tố của đường trên trắc ngang bao gồm: (Hình 1.3) - Bề rộng nền đường a. - Bề rộng mặt đường (phần xe chạy) b. - Bề rộng lề đường c. - Độ dốc ta luy 1:m. - Các kích thước rãnh thoát nước dọc. Thiết kế đường chính là quyết định các yếu tố đường trên bình đồ, trắc dọc và trắc ngang sao cho chúng đáp ứng được yêu cầu chạy xe an toàn, tiện lợi, kinh tế. 1.3. CÁC ĐẶC TRƯNG VẬN TẢI CHỦ YẾU CỦA ĐƯỜNG 1.3.1. Thành phần xe chạy trên đường: Ở nước ta, thành phần xe chạy trên đường bao gồm: - Các loại ô tô: ô tô tải (tải nhẹ, tải nặng, con tai nơ,…), ô tô khách (xe du lịch, xe khách nhiều loại chỗ ngồi, xe buýt,…). 4
- Xe gắn máy. Ở nước ta loại phương tiện này hiện nay khá nhiều. - Xe đạp và các loại xe thô sơ khác. Vì các phương tiện kể trên có khả năng về tốc độ chạy xe khác nhau rất nhiều, do đó về mặt tổ chức giao thông, bao giờ cũng có hai giải pháp thiết kế đường: - Thiết kế theo phương án giao thông hỗn hợp: tức là các loại phương tiện cùng đi chung trên một phần xe chạy. Tất yếu các loại phương tiện chạy chậm sẽ cản trở các loại chạy nhanh. - Thiết kế theo phương án tách riêng từng nhóm theo khả năng về tốc độ: sẽ nâng cao được tốc độ chạy xe. Như vậy, thành phần dòng xe và tỉ lệ có mặt của mỗi loại phương tiện trong dòng xe sẽ ảnh hưởng đáng kể đến các giải pháp thiết kế và tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đường. 1.3.2. Xe thiết kế: Xe thiết kế là loại xe phổ biến trong dòng xe để tính toán các yếu tố của đường. Các kích thước của xe thiết kế được quy định trong bảng sau: B¶ng 1.1  C¸c kÝch th-íc cña xe thiÕt kÕ (mÐt) Kho¶ng c¸ch ChiÒu dµi ChiÒu réng Nh« vÒ Nh« vÒ Lo¹i xe ChiÒu cao gi÷a c¸c trôc toµn xe phñ b× phÝa tr-íc phÝa sau xe Xe con 6,00 1,80 2,00 0,80 1,40 3,80 Xe t¶i 12,00 2,50 4,00 1,50 4,00 6,50 Xe moãc tú 16,50 2,50 4,00 1,20 2,00 4,00 + 8,80 1.3.3. Tải trọng xe chạy: Tải trọng xe tác dụng lên đường có ảnh hưởng quan trọng đến sự làm việc của nền mặt đường và các công trình trên đường và là cơ sở để tính toán thiết kế các công trình đó. 1.3.4. Lưu lượng xe thiết kế: Lưu lượng xe thiết kế là số xe con được quy đổi từ các loại xe khác, thông qua một mặt cắt trong một đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai. Năm tương lai là năm thứ 20 sau khi đưa đường vào sử dụng đối với các cấp I và II; năm thứ 15 đối với các cấp III và IV; năm thứ 10 đối với các cấp V, cấp VI và các đường thiết kế nâng cấp, cải tạo. Hệ số quy đổi từ xe các loại về xe con lấy theo Bảng 1.2. Thường thì xe chạy có mức tăng xe theo quan hệ hàm số mũ: Nt = N0(1+p)t-1 (xcqđ/ng.đ) (1.1) Trong đó : Nt – lưu lượng xe chạy bình quân của năm khai thác thứ t (xcqđ/ng.đ) 5
N0 –lưu lượng xe chạy bình quân của năm đầu khai thác đường ôtô (xcqd/ng.đ) P- mức tăng xe hàng năm. B¶ng 1.2  HÖ sè quy ®æi tõ xe c¸c lo¹i ra xe con Lo¹i xe Xe t¶i cã Xe t¶i cã Xe kÐo §Þa h×nh Xe Xe 2 trôc vµ 3 trôc trë moãc, xe Xe m¸y ®¹p con xe buýt d-íi lªn vµ xe buýt kÐo 25 chç buýt lín moãc §ång b»ng vµ 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 ®åi Nói 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 Chó thÝch:  ViÖc ph©n biÖt ®Þa h×nh ®-îc dùa trªn c¬ së ®é dèc ngang phæ biÕn cña s-ên ®åi, s-ên nói nh- sau: §ång b»ng vµ ®åi  30 %; nói > 30 %.  §-êng t¸ch riªng xe th« s¬ th× kh«ng quy ®æi xe ®¹p. Trên đây là tính toán lưu lượng xe chạy trung bình trong năm. Trong thiết kế kỹ thuật còn phải xét đến sự thay đổi lưu lượng xe chạy theo mùa trong năm và theo giờ trong ngày để phục vụ cho thiết kế áo đường, chiều rộng phần xe chạy và tổ chức xe chạy. Ví dụ: Số liệu đếm xe như sau: Loại xe Hệ số quy đổi Kết quả đếm xe Lượng xa quy đổi (xe/ngđ) (xcqđ/ngđ) Xe ®¹p 0,2 662 132.4 Xe m¸y 0,3 7748 2324.4 Xe con 1 25 25 Xe t¶i cã 2 trôc 2 118 236 xe buýt lín 2,5 4 10 Toång coäng: 2728 Giả sử mức tăng xe hàng năm là 8%. Vậy lưu lượng xe trong năm khai thác thứ 15 sẽ là : N15 = 2728 x (1+0.08)15-1 = 8013 (xcqđ/ngđ) 1.4. PHÂN CẤP HẠNG KỸ THUẬT ĐƯỜNG Ô TÔ Việc phân cấp kỹ thuật dựa trên chức năng và lưu lượng thiết kế của con đường trong mạng lưới đường và được quy định theo Bảng 1.3. 6
B¶ng 1.3  B¶ng ph©n cÊp kü thuËt ®-êng « t« theo chøc n¨ng cña ®-êng vµ l-u l-îng thiÕt kÕ CÊp thiÕt L-u l-îng xe kÕ cña thiÕt kÕ*) Chøc n¨ng cña ®-êng ®-êng (xcq®/n®) Cao tèc > 25 000 §-êng trôc chÝnh, thiÕt kÕ theo TCVN 5729 : 1997. §-êng trôc chÝnh nèi c¸c trung t©m kinh tÕ, chÝnh trÞ, v¨n CÊp I > 15 000 ho¸ lín cña ®Êt n-íc. Quèc lé. §-êng trôc chÝnh nèi c¸c trung t©m kinh tÕ, chÝnh trÞ, v¨n CÊp II > 6 000 ho¸ lín cña ®Êt n-íc. Quèc lé. §-êng trôc chÝnh nèi c¸c trung t©m kinh tÕ, chÝnh trÞ, v¨n CÊp III > 3 000 ho¸ lín cña ®Êt n-íc, cña ®Þa ph-¬ng. Quèc lé hay ®-êng tØnh. §-êng nèi c¸c trung t©m cña ®Þa ph-¬ng, c¸c ®iÓm lËp hµng, CÊp IV > 500 c¸c khu d©n c-. Quèc lé, ®-êng tØnh, ®-êng huyÖn. §-êng phôc vô giao th«ng ®Þa ph-¬ng. §-êng tØnh, ®-êng CÊp V > 200 huyÖn, ®-êng x·. CÊp VI < 200 §-êng huyÖn, ®-êng x·. *) TrÞ sè l-u l-îng nµy chØ ®Ó tham kh¶o. Chän cÊp h¹ng ®-êng nªn c¨n cø vµo chøc n¨ng cña ®-êng vµ theo ®Þa h×nh. Tốc độ thiết kế là tốc độ được dùng để thiết kế các yếu tố hình học của đường, các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành xe. Tốc độ thiết kế các cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, được qui định trong Bảng 4. B¶ng 4  Tèc ®é thiÕt kÕ cña c¸c cÊp ®-êng CÊp thiÕt kÕ I II III IV V VI §ång §ång §ång §ång §ång §ång §Þa h×nh Nói Nói Nói Nói b»ng b»ng b»ng b»ng b»ng b»ng Tèc ®é thiÕt kÕ, 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 Vtk, km/h chó thÝch: ViÖc ph©n biÖt ®Þa h×nh ®-îc dùa trªn c¬ së ®é dèc ngang phæ biÕn cña s-ên ®åi, s-ên nói nh- sau: §ång b»ng vµ ®åi  30 %; nói > 30 %. 7
1.5. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG 1.5.1. Các lực tác dụng vào ô tô khi xe chạy. Khi xe chạy trên đường, ngoài sức kéo ô tô còn chịu tác dụng của các loại sức cản khác nhau bao gồm: lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản quán tính và lực cản do dốc (Hình 1.4). P Pk Pj Pi Pf  Hình 1.4 Các lực tác dụng trên ô tô khi xe chạy Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; P - Lực cản không khí Pi – Lực cản lên dốc; Pj – Lực cản quán tính 1.5.1.1. Lực cản lăn Pf Thực nghiệm cho thấy tổng sức cản lăn trên tất cả các bánh xe P f tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) của ô tô: Pf = f.G, (kG) (1.2) Hệ số sức cản lăn f phụ thuộc vào độ cứng của lốp xe, tốc độ xe chạy và chủ yếu phụ thuộc vào loại mặt đường (Bảng 1.5). Bảng 1.5 Hệ số sức cản lăn f Loại mặt đường Hệ số f Loại mặt đường Hệ số f + Bê tông xi măng 0,01 – 0,02 + Lát đá 0 ,04 – 0,05 và bê tông nhựa + Đất khô và bằng phẳng 0,04 – 0,05 + Đá dăm đen 0,02 – 0,025 + Đất ẩm và không 0,07 – 0,15 + Đá dăm 0,03 – 0,05 bằng phẳng + Đất cát rời rạc 0,15 – 0,30 1.5.1.2. Sức cản do không khí P Theo khí động học, sức cản không khí khi không có gió được xác định theo công thức: kFV2 Pω  (1.3) 13 Trong đó: 8
k – hệ số sức cản không khí phụ thuộc vào loại xe: ô tô tải k = 0,06 – 0,07; ô tô buýt k = 0,04 – 0,06; xe con k = 0,025 – 0,035. F – diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của ô tô). F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ô tô). V – vận tốc xe chạy, km/h. 1.5.1.3. Sức cản do lên dốc Pi Là do trọng lượng bản thân của ô tô gây ra khi xe chuyển động trên mặt phẳng nằm nghiên. Ta có: Pi = G. sin Do  nhỏ nên sin  tg = i i – độ dốc dọc của đường. Do đó: Pi =  G. i (1.4) Khi xe lên dốc lấy dấu “+” và khi xe xuống dốc lấy dấu “-“. 1.5.1.4. Sức cản do quán tính Pj Phát sinh khi xe tăng hoặc giảm tốc. Khi xe tăng tốc thì lực quán tính này cản trở sự chuyển động của ô tô. Bao gồm sức cản quán tính do chuyển động tịnh tiến của ô tô có khối lượng m và sức cản quán tính do các bộ phận quay của ô tô. Do đó ta có: dv G dv Pj   mδ   (1.5) dt g dt trong đó: m – khối lượng của ô tô; G – trọng lượng của ô tô, g – gia tốc trọng trường; v – tốc độ xe chạy, t – thời gian;  - hệ số kể đến sức cản quán tính của các bộ phận quay. Dấu “+” ứng với trường hợp tăng tốc và dấu “-” ứng với trường hợp giảm tốc . 1.5.2. Phương trình chuyển động của ô tô và biểu đồ nhân tố động lực. Để ô tô có thể chuyển động được trên đường thì động cơ của ô tô phải sản sinh ra một sức kéo không nhỏ hơn tổng các lực cản trên đường, do vậy phương trình chuyển động của ô tô là: Pk  Pf  Pi + P  Pj kFV2 G dv Hay Pk  fG  Gi + δ 13 g dt kFV2 Pk  Đặt D= 13  f  i  δ dv G g dt 9
D - được gọi là nhân tố động lực của ô tô. dv Khi chuyển động đều thì  0 và do vậy điều kiện chuyển động đều của ô tô dt về mặt sức kéo sẽ là: D=f±i (1.6) Trong phương trình trên thì vế trái biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào ô tô, và vế phải biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện đường. Biểu đồ trên đó biểu diễn các đường D = f(v) ứng với các chuyển số khác nhau của một loại ô tô được gọi là biểu đồ nhân tố động lực của loại ô tô đó (Hình 1.5). D I II III 0 V, km/h Hình 1.5 Biểu đồ nhân tố động lực của ô tô Nếu biết tổng sức cản do điều kiện đường gây ra f ± i thì theo điều kiện (1.6), nhờ biểu đồ nhân tố động lực ta có thể nhanh chóng tìm được tốc độ đều lớn nhất tương ứng của ô tô. Ngược lại, nếu muốn ô tô chạy được với tốc độ thiết kế đã định thì cũng có thể xác định được điều kiện đường tương ứng thông qua biểu đồ đó. Biểu đồ này cũng cho thấy khi điều kiện đường thay đổi thì khi chuyển động, ô tô phải chuyển về các chuyển số tương ứng. 1.5.3. Sức bám của lốp xe với mặt đường. Xét một bánh xe chủ động như hình 1.7, nếu tại điểm tiếp xúc A không có phản lực T của đường tác dụng vào lốp xe thì bánh xe sẽ quay tại chỗ, xe không chuyển động được. Phản lực T có được là do sức bám giữa lốp xe với mặt đường. rk Pk Mk Pk A T 10
Hình 1.7 Sức bám của lốp xe với mặt đường Lực bám T là một lực bị động, nghĩa là khi có lực tác dụng của bánh xe vào mặt đường (chính là lực kéo Pk) thì đường mới tác dụng trở lại bánh xe một lực là T. Do vậy nếu giữa bánh xe và mặt đường có đủ sức bám thì luôn luôn có T = Pk. Nếu sức kéo Pk càng lớn thì T càng lớn. Nhưng sức bám giữa lốp xe với mặt đường là một nhân tố khách quan nên không phải sức bám cứ tăng mãi được mà chỉ tăng đến một trị số nhất định là Tmax, tức là sức bám lớn nhất. Nếu Pk > Tmax thì tại điểm A bánh xe sẽ quay tại chỗ và trượt theo quán tính. Do vậy sức bám giữa lốp xe với mặt đường là một điều kiện quan trọng để xe có thể chuyển động được và để đảm bảo an toàn chạy xe. Thực nghiệm cho thấy sức bám lớn nhất Tmax tỉ lệ thuận với trọng lượng trục xe chủ động Gk. Tmax =  Gk, (kG) Trong đó:  - hệ số bám giữa lốp xe với mặt đường, phụ thuộc chủ yếu vào tình trạng và độ nhám của mặt đường. Mặt đường càng khô sạch, ít bụi bẩn, ít ẩm ướt và càng nhám thì  càng lớn ( = 0,7), còn nếu mặt đường ẩm, bẩn thì  nhỏ ( = 0,3). Nếu tất cả các bánh xe của ô tô đều là bánh xe chủ động thì Gk = G, G – là trọng lượng toàn bộ xe. Như vậy, điều kiện chuyển động của ô tô về mặt sức bám là: Pk  Tmax Do đó, trong thiết kế đường, để đảm bảo ổn định và an toàn cho xe chạy thì việc tăng hệ số bám  có ý nghiã rất quan trọng. Điều kiện cần và đủ để ô tô chuyển động được trên đường là: Pcản  Pk  Tmax (1.7) 1.5.4. Chiều dài hãm xe. Khi xử lý các tình huống giao thông trên đường thì người lái xe thường phải căn cứ vào khoảng cách tới các chướng ngại vật để ướt tính cường độ hãm phanh sao cho xe vừa kịp dừng lại trước chúng. Khi thiết kế đường phải đảm bảo khoảng cách này cho người lái xe trong mọi trường hợp. Do đó, khi xét điều kiện an toàn chạy xe, chiều dài hãm xe có một ý nghiã rất quan trọng. Khi hãm phanh trên các bánh xe, má phanh tác dụng vào vành xe sinh ra mô men hãm Mh và mô men này sinh ra lực hãm phanh Ph như hình 1.8. 11
rk Mh Pk Pk A T Hình 1.8 Sơ đồ phát sinh lực hãm xe Lực hãm phanh Ph chỉ có tác dụng khi có đủ sức bám giữa lốp xe với mặt đường, nếu không thì xe vẫn trượt trên mặt đường mặc dù bánh xe không quay nữa. Vì vậy lực hãm có ích lớn nhất chỉ có thể bằng lực bám lớn nhất, nghĩa là: Ph = Tmax =  Gh Trong đó:  - hệ số bám Gh – trọng lượng hãm, vì tất cả các bánh xe đều bố trí bộ phận hãm phanh nên trọng lượng hãm cũng bằng trọng lượng toàn bộ G của xe. Ngoài lực hãm phanh Ph, khi hãm xe các lực cản khác cũng tham gia vào quá trình hãm, nhưng vì khi hãm xe, xe chạy chậm nên lực cản do không khí P là không đáng kể, còn lực cản lăn Pf và lực quán tính Pj được bỏ qua để tăng an toàn. Do vậy tổng lực hãm lúc này chỉ gồm lực hãm phanh Ph và lực cản do dốc Pi, nghĩa là: Ph + Pi = G  iG = G(  i) trong đó: i – độ dốc dọc của đường. Gọi V1 và V2 (m/s) là tốc độ của ô tô trước và sau khi hãm phanh. Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng thì công của tổng lực hãm sinh ra trên chiều dài hãm xe Sh phải bằng động năng tiêu hao do tốc độ ô tô giảm từ V1 xuống V2, tức là: V12  V22 G V12  V22 G(  i)Sh = m  2 g 2 Do đó có thể tính được chiều dài hãm xe: V12  V22 Sh  2g  i  Vì khi hãm xe với cường độ cao, chiều dài hãm xe ngoài thực tế sẽ lớn hơn so với lý thuyết, do đó phải đưa vào công thức trên hệ số sử dụng phanh k. Theo thực nghiệm nên lấy k = 1,2 với ô tô con và k = 1,3 – 1,4 với ô tô tải và ô tô buýt. Do đó ta có: 12
V12  V22 Sh  k. 2g  i  Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì: V12  V22 Sh  k. ,m 254  i  Khi hãm xe, nếu xe dừng lại hẳn thì V2 = 0, do đó: k.V 2 Sh  ,m (1.8) 254  i  13
CHÖÔNG 2 THIEÁT KEÁ BÌNH ĐỒ 2.1. Khái niệm chung và những nguyên tắc cơ bản: 2.1.1. Khái niệm: Bình đồ là hình chiếu của đường lên mặt phẳng nằm ngang. Trên bình đồ cho ta thấy đường gồm những đoạn thẳng nối tiếp với đường cong. (Hình 3.1). Trên bình đồ cần thể hiện địa hình, địa vật khảo sát được, tim đường thiết kế, mép phần xe chạy, mép lề, rãnh thoát nước, chân taluy, ranh giới giải tỏa, tên cọc, lý trình, các yếu tố cong, tọa độ cọc, ... Hình 3.1: Bình đồ thiết kế 2.1.2. Những yêu cầu chung của tuyến trên bình đồ: - Đảm bảo các yếu tố của tuyến như bán kính tối thiểu đường cong nằm, chiều dài đường cong chuyển tiếp, độ dốc dọc lớn nhất khi triển tuyến, ... không vi phạm những quy định về trị số giới hạn đối với cấp đường thiết kế. - Đảm bảo tuyến đường ôm theo hình dạng địa hình để khối lượng đào đắp nhỏ nhất, bảo vệ cảnh quan thiên nhiên - Đảm bảo sự hài hoà, phối hợp giữa đường và cảnh quan - Xét yếu tố tâm lý người lái xe và hành khách đi trên đường, không nên thiết kế đường có những đoạn đường thẳng quá dài (lớn hơn 3km) gây tâm lý mất cảnh giác và gây buồn ngủ đối với lái xe, ban đêm đèn pha ô tô làm chói mắt xe ngược chiều. - Cố gắng sử dụng các tiêu chuẩn hình học cao như bán kính đường cong, đoạn chêm giữa các đường cong, chiều dài đường cong chuyển tiếp trong điều kiện địa hình cho phép. 14
- Đảm bảo tuyến là một đường không gian đều đặn, êm thuận, trên hình phối cảnh tuyến không bị bóp méo hay gãy khúc. Muốn vậy phải phối hợp hài hoà giữa các yếu tố tuyến trên bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, giữa tuyến và công trình và giữa các yếu tố đó với địa hình, cảnh quan môi trường xung quanh. 2.1.3. Vị trí tuyến trên bình đồ: - Định tuyến phải bám sát đường chim bay giữa 2 điểm khống chế. - Thiết kế nền đường phải đảm bảo cho giao thông thuận lợi, đồng thời phải tuân theo mọi quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật của tuyến. - Khi định tuyến nên tránh đi qua những vị trí bất lợi về thổ nhưỡng, thuỷ văn, địa chất (như đầm lầy, khe xói, sụt lở, đá lăn, kast,...) để đảm bảo cho nền đường được vững chắc. - Không nên định tuyến qua khu đất đai đặc biệt quí, đất đai của vùng kinh tế đặc biệt, cố gắng ít làm ảnh hưởng đến quyền lợi của những người sử dụng đất. - Khi tuyến giao nhau với đường sắt hoặc đi song song với đường sắt cần phải tuân theo quy trình của Bộ GTVT về quan hệ giữa đường ôtô và đường sắt (vị trí giao phải ở ngoài phạm vi ga, đường dồn tàu, cửa hầm đường sắt, ghi cổ họng, các cột tín hiệu vào ga, góc giao >450. - Khi chọn tuyến qua thành phố, thị trấn thì cần chú ý đến quy mô và đặc tính của giao thông trên đường, lưu lượng xe khu vực hay xe quá cảnh chiếm ưu thế, số dân và ý nghĩa về chính trị, kinh tế, văn hoá, xã hội của đường để quyết định hướng tuyến hợp lý nhất. - Khi qua vùng đồng bằng cần vạch tuyến thẳng, ngắn nhất, tuy nhiên tránh những đoạn thẳng quá dài (≥3km) có thể thay bằng các đường cong có bán kính R≥1000m, tránh dùng góc chuyển hướng nhỏ. - Khi đường qua vùng đồi nên dùng các đường cong có bán kính lớn uốn theo địa hình tự nhiên. Bỏ qua những uốn lượn nhỏ và tránh tuyến bị gãy khúc về bình đồ và trắc dọc. - Qua vùng địa hình đồi nhấp nhô nối tiếp nhau, tốt nhất nên chọn tuyến là những đường cong nối tiếp hài hoà với nhau, không nên có những đoạn thẳng chêm ngắn giữa những đường cong cùng chiều, các bán kính của các đường cong tiếp giáp nhau không được vượt quá các giá trị cho phép. - Khi tuyến đi theo đường phân thuỷ, điều cần chú ý trước tiên là quan sát hướng của đường phân thuỷ chính và tìm cách nắn thẳng tuyến trên từng đoạn, chọn những sườn đồi ổn định và thuận lợi cho việc đặt tuyến, tránh những mỏm cao và tìm những đèo thấp để vượt. - Khi tuyến đi trên sườn núi, mà độ dốc và mức độ ổn định của sườn núi có ảnh hưởng đến vị trí đặt tuyến thì cần nghiên cứu tổng hợp các điều kiện địa hình, địa chất và thuỷ văn để chọn tuyến thích hợp. Nếu tồn tại những đoạn sườn dốc bất lợi về địa chất, thuỷ văn như sụt lở, trượt, nước ngầm, ... cần cho tuyến đi tránh hoặc cắt qua phía trên. - Khi triển tuyến qua đèo thông thường chọn vị trí đèo thấp nhất, đồng thời phải dựa vào hướng chung của tuyến và đặc điểm của sườn núi để triển tuyến từ đỉnh đèo xuống hai phía. 15
Đối với những đường cấp cao nếu triển tuyến qua đèo gặp bất lợi như sườn núi không ổn định hoặc các tiêu chuẩn kỹ thuật về bình đồ, trắc dọc quá hạn chế không thoả mãn thì có thể xem xét phương án hầm. Tuyến hầm phải chọn sao cho có chiều dài ngắn nhất và nằm trong vùng ổn định về địa chất, thuỷ văn. - Khi tuyến đi vào thung lũng các sông suối, nên : + Chọn một trong hai bờ thuận với hướng chung của tuyến, có sườn thoải ổn định, khối lượng công tác đào đắp ít + Chọn tuyến đi trên mực nước lũ điều tra + Chọn vị trí thuận lợi khi giao cắt các nhánh sông suối: nếu là thung lũng hẹp tuyến có thể đi một bên hoặc cả hai bên với một hoặc nhiều lần cắt qua khe suối. Lý do cắt qua nhiều lần một dòng suối thường là khi gặp sườn dốc nặng, vách đá cao, địa chất không ổn định (sụt, trượt,...) - Vị trí tuyến cắt qua sông suối cần chọn những đoạn suối thẳng có bờ và dòng ổn định, điều kiện địa chất thuận lợi. - Trường hợp làm đường cấp cao đi qua đầm hồ hoặc vịnh cần nghiên cứu phương án cắt thẳng bằng cách làm cầu hay kết hợp giữa cầu và nền đắp nhằm rút ngắn chiều dài tuyến. 2.2. Đường dẫn hướng tuyến và phương pháp thiết kế bình đồ : 3.2.1 Đường dẫn hướng tuyến và các lối đi tuyến phù hợp địa hình: a) Trường hợp vị trí hai điểm khống chế nằm dọc một bên theo hướng của đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ (dọc theo thung lũng sông, suối của địa hình) : - Lối đi tuyến thung lũng : Tuyến thiết kế có thể đi theo thung lũng và đặt trên các thềm sông, suối có thể dựa vào sông, suối đi gần các điểm khống chế để vạch đường dẫn hướng tuyến. Đường dẫn hướng tuyến được vạch trên quan điểm : Đảm bảo đặt tuyến trên mức nước ngập; tránh được các đầm lầy ven sông; tránh được sự phá hoại do dòng nước; tránh cho tuyến bị uốn lượn quá nhiều theo dòng sông. Tóm lại đường dẫn hướng tuyến nên đi vào các thềm sông địa chất ổn định, rộng, thẳng và không bị ngập. - Lối đi tuyến đường phân thuỷ : Tuyến đi bám theo đường phân thuỷ. Lối đi này có ưu điểm nổi bật là ít phải làm công trình cầu cống và lợi về điều kiện thoát nước. Tuy vậy, đường dẫn hướng tuyến chỉ nên đi trùng với đường phân thuỷ ở các đoạn đỉnh núi không bị phong hoá, địa chất ổn định, phẳng, thẳng và ít lồi lõm, đồng thời nên đi tránh xuống dưới sườn ở các đoạn đỉnh núi lên xuống răng cưa quá nhiều. - Lối đi tuyến sườn núi : Tuyến thiết kế đi trên lưng chừng sườn núi trong phạm vi giữa đường phân thuỷ và tụ thuỷ. Đường dẫn hướng tuyến nên chọn sao cho tranh thủ được các đoạn sườn thoải (độ dốc ngang sườn núi dưới 50%), địa chất ổn định và thế núi ít quanh co. b) Trường hợp vị trí hai điểm khống chế nằm ở hai bên đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ: Tuyến đường phải cắt qua đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ do đó phải lên xuống dốc. Lối đi tuyến sử dụng lối đi sườn núi là chính và phải khắc phục chênh lệch cao độ nên đường dẫn hướng tuyến phải xác định theo điều kiện triển tuyến. Độ dốc chỉ đạo của đường dẫn hướng tuyến id = imax - i 16
Trong đó : imax là độ dốc max tương ứng với cấp hạng đường thiết kế i: là độ dốc dự phòng (thường lấy 2-3%) Trên bản đồ địa hình ta xác định được bước compa li có độ dốc đều id giữa hai đường đồng mức chênh lệch cao độ H như sau :li = H/id Từ đó xác định được đường độ dốc đều dẫn tuyến. c) Ngoài các lối đi tuyến trên, xét về mặt đặc trưng địa hình còn phân biệt hai lối đi tuyến gò bó và tự do - Lối đi tuyến gò bó : Là trường hợp tuyến bắt buộc phải qua một vùng địa hình khó khăn về bình đồ hoặc trắc dọc hay khó khăn cả bình đồ lẫn trắc dọc. Đường dẫn hướng tuyến được kẻ theo đường độ dốc đều. Trường hợp chỉ gò bó về bình đồ mà không gò bó về trắc dọc thì đường dẫn hướng tuyến thường bám theo một đường đồng cao độ kết hợp với đường dẫn hướng tuyến lối đi sườn núi. - Lối đi tuyến tự do : Trường hợp này tuyến không bị khống chế trước về dải đặt tuyến, thường gặp ở địa hình đồng bằng, thung lũng lòng chảo, vùng cao nguyên bằng phẳng hoặc đồi thoải. Đường dẫn hướng tuyến hay dùng chính là đường chim bay giữa các điểm tựa hoặc các điểm khống chế. Ngoài ra, còn tuỳ thuộc vào ý nghĩa tuyến đường và cấp hạng kỹ thuật mà có các phương án tuyến phù hợp. 2.2.2 Thiết kế bình đồ tuyến qua các dòng nước Thiết kế bình đồ tuyến qua các dòng nước thường được giải quyết theo các quan điểm khác nhau tuỳ thuộc loại và khẩu độ công trình cũng như cấp hạng đường. Tuyến đường luôn luôn cắt thẳng góc với dòng chảy thì giá thành xây dựng cầu cống là rẻ nhất, đồng thời ít gây ảnh hưởng hơn đến dòng nước. Tuy nhiên, yêu cầu này sẽ dẫn đến bẻ gẫy hướng tuyến khiến cho không đảm bảo được độ đều đặn và sự phối hợp giữa các yếu tố tuyến về mặt thị giác, do đó giảm chất lượng vận doanh của tuyến. Thông thường khi tuyến cắt qua các dòng nước nhỏ (các cống, cầu nhỏ và cầu trung) thì nguyên tắc thiết kế bình đồ tuyến là đảm bảo có bình đồ tốt, chấp nhận cắt chéo góc với dòng chảy, hoặc cầu cống nằm trong đường cong bằng, điều này đặc biệt quan tâm áp dụng đối với đường cấp cao. Ngược lại, khi cắt qua sông lớn thì vị trí và hướng cắt sông của cầu quyết định đến bình đồ tuyến để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đối với việc thiết kế cầu lớn và đảm bảo hạ giá thành xây dựng cầu. 2.2.3 Thiết kế bình đồ tuyến qua các điểm dân cư Thiết kế bình đồ tuyến qua các điểm dân cư được giải quyết tuỳ theo quy mô điểm dân cư, cũng như tuỳ theo quan hệ giữa yêu cầu vận chuyển quá cảnh và yêu cầu vận chuyển địa phương. Nói chung có thể có các phương án sau: - Cắt qua điểm dân cư, tuyến trùng với đường trục chính của thành phố và thị trấn. Phương án này chỉ nên dùng khi yêu cầu vận chuyển quá cảnh nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu chuyên chở đến trực tiếp phục vụ cho điểm dân cư. Phương án này được áp dụng cho các khu trung tâm công nghiệp, khai thác lớn và các thành phố đang xây dựng. Nó có ảnh hưởng xấu là cản trở giao thông nội bộ, chia cắt khu dân cư, dễ gây tai nạn, ô nhiễm môi trường... 17
- Vòng qua điểm dân cư. Để kết hợp và tạo thuận lợi cho vận chuyển vào thành phố, tuyến thiết kế lúc này có thể cắt qua vùng ngoại ô hoặc đi vào vùng ranh giới thành phố và thị trấn. 2.3. Ñaëc ñieåm chuyeån ñoäng cuûa oâ toâ treân ñöôøng cong naèm. Khi xe chaïy treân ñöôøng cong, ñieàu kieän xe chaïy cuûa oâ toâ khaùc haún so vôùi khi xe chaïy treân ñöôøng thaúng: chòu taùc duïng cuûa löïc ly taâm C höôùng ra ngoaøi ñöôøng cong, löïc naøy vuoâng goùc vôùi höôùng chuyeån ñoäng, taùc ñoäng leân oâ toâ vaø haønh khaùch, laøm cho xe deã bò laät hoaëc tröôït khi xe chaïy nhanh ôû caùc ñöôøng cong coù baùn kính nhoû, laøm cho vieäc ñieàu khieån xe gaëp khoù khaên hôn vaø haønh khaùch coù caûm giaùc khoù chòu. Ngoaøi ra, ôû nhöõng ñöôøng cong coù baùn kính nhoû, do taùc duïng cuûa löïc ly taâm C, loáp xe seõ bò bieán daïng theo chieàu ngang taïi choã tieáp xuùc vôùi maët ñöôøng, söùc caûn laên ñoái vôùi oâ toâ taêng leân, loáp xe choùng hao moøn hôn. Vì vaäy khi thieát keá ñöôøng coá gaéng söû duïng ñöôøng cong coù baùn kính lôùn trong ñieàu kieän cho pheùp. Khi xe chaïy trong ñöôøng cong, taïi troïng taâm cuûa oâ toâ chòu taùc duïng cuûa löïc ly taâm vaø troïng löôïng baûn thaân cuûa oâ toâ . C Yñ in G  Hình 3.2 Caùc löïc taùc duïng vaøo oâ toâ khi xe chaïy trong ñöôøng cong Löïc ly taâm C xaùc ñònh theo coâng thöùc: mv 2 G v 2 C  R g R trong ñoù: m – khoái löôïng oâ toâ; v - toác ñoä xe chaïy, m/s; R – baùn kính ñöôøng cong, m; G – troïng löôïng cuûa oâ toâ, kG; g – gia toác troïng tröôøng, g = 9,81m/s2; Töø hình veõ, ta coù: Yñ = Ccos ± Gsin 18
Yñ – toång hôïp caùc löïc laøm oâ toâ tröôït ngang;  - goùc nghieân cuûa beà maët ñöôøng so vôùi höôùng naèm ngang; daáu (+) töông öùng vôùi tröôøng hôïp khi xe chaïy treân nöûa laøn xe phía löng ñöôøng cong vaø daáu (-) khi xe ôû phía buïng ñöôøng cong. Vì  raát nhoû neân coù theå xem cos  1, sin  tang = in – ñoä doác ngang cuûa maët ñöôøng. Do ñoù: G v2 Y v2 Y  Gi n    in g R G gR Ñaët: Y v2    in G gR  - heä soá löïc ngang; Chọn trị số của  xuất phát từ những điều kiện sau đây: - Điều kiện ổn định chống trượt ngang:   0 0: hệ số bám theo chiều ngang giữa lốp xe và mặt đường. Thường lấy 0= ( hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường. Xét điều kiện bất lợi nhất là lúc mặt đường trơn lầy  = 0.25 nên 0 = 0.15. - Điều kiện ổn định chống lật: b  2  2h Trong đó: b: Khoảng cách giữa tâm 2 bánh xe. h: Chiều cao của trọng tâm xe. : Độ dịch ngang của thân ôtô so với bánh. b Thông thường = 1.8  2.5 đối với xe du lịch, 2  3 đối với ôtô tải, 1.7  2.2 h đối với ôtô buýt. Như vậy xét chung   0.6. - Điều kiện êm thuận đối với hành khách. Kinh nghiệm cho biết khi   0.1 thì hành khách không cảm thấy có đường vòng; =0,15 hơi cảm thấy có đường vòng; = 0,20 hành khách cảm thấy đang đi trên đường vòng và hơi khó chịu; = 0,30 thì lúc xe đi từ đường vòng, cảm thấy như bị lật đổ. - Điều kiện kinh tế: Khi xe chịu tác dụng của lực ngang thì bánh xe quay trong một mặt phẳng lệch với hướng xe chạy. Lực ngang càng lớn thì góc lệch ấy càng lớn. Nghiên cứu cho thấy nên dùng   0.1. 19
Ở nước ta hiện nay lấy  = 0,15. Hệ số lực ngang kiến nghị theo tiêu chuẩn 22 TCN 273-01: Bảng 3.1 V (Km/h) 40 50 60 70 80 90 100 110 120  0,17 0,16 0,15 0,14 0,14 0,13 0,12 0,11 0,09 Do ñoù coâng thöùc tính baùn kính ñöôøng cong coù daïng: v2 R ,m gμ  i n  Neáu v tính baèng km/h thì: v2 R ,m 127μ  i n  Trong tính toaùn, neáu laáy heä soá trung bình  = 0,08, ta coù coâng thöùc tính baùn kính ñöôøng cong naèm toái thieåu khoâng caàn boá trí sieâu cao laø: v2 Rmin  ,m 1270,08  in  Trong ñieàu kieän haïn cheá, neáu laáy heä soá  = 0,15, ta coù coâng thöùc tính baùn kính ñöôøng cong naèm toái thieåu khi coù boá trí sieâu cao laø: v2 sc Rmin  ,m 1270,15  isc  B¶ng 3.2  B¸n kÝnh ®-êng cong n»m tèi thiÓu CÊp ®-êng I II III IV V VI V thiÕt kÕ, km/h 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 B¸n kÝnh ®-êng cong n»m, m - tèi thiÓu giíi h¹n 650 400 250 125 125 60 60 30 30 15 - tèi thiÓu th«ng 1 000 700 400 250 250 125 125 60 60 50 th-êng - tèi thiÓu kh«ng 5 500 4 000 2 500 1 500 1 500 600 600 350 350 250 siªu cao 2.4. Sieâu cao vaø boá trí sieâu cao. 3.4.1 Khaùi nieäm veà sieâu cao: 20