Giáo trình Thiết kế đường ôtô - Nguyễn Tiến Sỹ

Chia sẻ: Nguyễn Anh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

410
lượt xem 163
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập trong nhà trường và kịp thời cập nhật những tiêu chuẩn, quy trình mới vào trong quá trình giảng dạy, trường THCĐ & DN tổ chức biên soạn và chỉnh lý lại Giáo trình Thiết kế đường ôtô cho hệ TCCN ngành Cầu đường bộ, với thời gian đào tạo 24 tháng. Sách gồm 8 chương được biên soạn và chỉnh lý theo chương trình TCN.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thiết kế đường ôtô - Nguyễn Tiến Sỹ

TỔNG CÔNG TY XÂY DỰNG TRƯỜNG SƠN TRƯỜNG TRUNG HỌC CẦU ĐƯỜNG VÀ DẠY NGHỀ THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ 1
NĂM 2007 TRƯỜNG TRUNG HỌC CẦU ĐƯỜNG VÀ DẠY NGHỀ NGUYỄN TIẾN SỸ THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ Tài liệu dùng cho giảng dạy và học tập hệ THCĐ thời gian đào tạo 24 tháng 2
HÀ TÂY - NĂM 2007 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang Chương 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Vai trò của đường ô tô trong giao thông vận tải 1.2 Các bộ phận của đường ô tô 1.3 Quan hệ giữa ô tô và đưòng 1.4 Trích dẫn yêu cầu thiết kế đường ô tô theo TCVN 4054-2005 Chương 2 THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ TUYẾN ĐƯỜNG 2.1 Những khái niệm cơ bản 2.2 Thiết kế các yếu tố kỹ thuật trong đường cong nằm 2.3 Sự phối hợp giữa đoạn thẳng và đoạn cong trên bình đồ 2.4 Phối hợp giữa tuyến đường và cảnh quan Chương 3 THIẾT KẾ TRÊN MẶT CẮT DỌC TUYẾN ĐƯỜNG 3.1 Định nghĩa và yêu cầu của mặt cắt dọc 3.2 Chọn độ dốc và chiều dài dốc 3.3 Thiết kế đường cong đứng 3.4 Giảm độ dốc dọc trên đường cong nằm có bán kính nhỏ 3.5 Trắc dọc ở những nơi có công trình nhân tạo 3.6 Các phương pháp thiết kế trắc dọc Chương 4 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG NỀN ĐƯỜNG 4.1 Khái niệm về mặt cắt ngang nền đường 4.2 Các quy định về mặt cắt ngang (Theo TCVN 4054 - 2005) 4.3 Các yêu cầu chung khi thiết kế nền đường 4.4 Đất đắp nền đường 4.5 Thiết kế mặt cắt ngang nền đường 4.6 Các loại biến dạng của nền đường 4.7 Gia cố ta luy Chương 5 TÍNH KHỐI LƯỢNG NỀN ĐƯỜNG,ĐIỀU PHỐI VÀ VẬN CHUYỂN ĐẤT 5.1 Tính khối lượng đất đá 5.2 Điều phối và vận chuyển đất đá Chương 6 THIẾT KẾ THOÁT NƯỚC 6.1 Quy hoạch hệ thống các công trình thoát nước 6.2 Hệ thống thoát nước mặt 6.3 Hệ thống thoát nước ngầm 3
Chương 7 THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG 7.1 Yêu cầu chung và cấu tạo kết cấu áo đường 7.2 Phân loại áo đường 7.3 Thiết kế cấu tạo áo đường mềm 7.4 Tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm 7.5 Thiết kế áo đường cứng (áo đường bê tông xi măng) Chương 8 KHẢO SÁT TUYẾN ĐƯỜNG Ô TÔ 8.1 Mục đích, nhiệm vụ và các giai đoạn khảo sát đường ô tô 8.2 Khảo sát để lập báo cáo tiền khả thi và lập báo cáo khả thi 8.3 Khảo sát để lập thiết kế kỹ thuật (Hoặc TKKT thi công) 8.4 Khảo sát để lập thiết kế bản vẽ thi công 8.5 Khảo sát đường hiện hữu TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI NÓI ĐẦU Nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập trong nhà trường và kịp thời cập nhật những tiêu chuẩn, quy trình mới vào trong quá trình giảng dạy, trường THCĐ &DN tổ chức biên soạn và chỉnh lý lại giáo trình: Thiết kế đường ô tô dùng cho hệ THCN ngành cầu đường bộ, với thời gian đào tạo 24 tháng. 4
Giáo trình thiết kế đường ô tô gồm 8 chương được biên soạn và chỉnh lý theo chương trình đào tạo THCĐ 24 tháng đã được Tổng giám đốc TCTXD Trường Sơn phê duyệt. Trong quá trình biên soạn và chỉnh lý giáo trình Thiết kế đường ô tô lần này, chúng tôi đã cố gắng lược bỏ và bổ sung những nội dung cần thiết, cô đọng, vận dụng các quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn kỹ thuật mới nhất vào từng phần để có cuốn sách sát với thực tế. Quá trình biên soạn và chỉnh lý giáo trình Thiết kế đường ô tô chúng tôi đã nhận được sự tham gia đóng góp những ý kiến quý báu của các đồng chí cán bộ giáo viên trong nhà trường: Đặng Công Tôn; Nguyễn Văn Bản; Nguyễn Đình Hoàng; Nguyễn Văn Doanh và các đồng nghiệp khác trong nhà trường. Dù đã được chỉnh lý và biên soạn lại nhưng chắc không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong muốn nhận được nhiều ý kiến đóng góp của đông đảo các bạn trong và ngoài nhà trường. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Cầu Đường –Trường THCĐ&DN. Chúng hết sức cảm ơn những ý kiến đóng góp của các bạn. Tháng 1 1năm 2007 TÁC GIẢ MỞ ĐẦU Thiết kế đường ô tô là môn học chuyên ngành trong chương trình đào tạo kỹ thuật viên ngành cầu đường bộ. Nội dung môn học nghiên cứu các nguyên lý và phương pháp thiết kế tuyến đường, các công trình trên đường để đảm bảo cho 5
đường ô tô thực hiện vai trò của nó trong hệ thống giao thông vận tải một cách tốt nhất. Nội dung môn học bao gồm: -Những khái niệm chung về đường ô tô: Các bộ phận của đường; Quan hệ giữa ô tô và đường; Một số trích dẫn trong TCVN 4054-2005. -Phương pháp thiết kế: Bình đồ, mặt cắt dọc, mặt cátd ngang và nền đường, thiết kế thoát nước, thiết kế mặt đường mềm (đối với mặt đường cứng chỉ có tính chất giới thiệu). -Cách tính toán khối lượng nền đường, cách điều phối và vận chuyển đất. -Nội dung công tác khảo sát tuyến đường ô tô. Môn học có thời gian 80 tiết gồm 7 chương ( chương 8 được giới thiệu trong phần thực tập khảo sát thiết kế) và để bổ trợ, ứng dụng vào thực tiễn sau đó là chương trình khảo sát thiết kế tại hiện trường với thời gian 3 tuần. Cụ thể như sau: -Một số khái niệm chung về đường ô tô. -Thiết kế bình đồ tuyến đường. -Thiết kế trên mặt cắt dọc tuyến đường. -Thiết kế mặt cắt ngang nền đường. -Tính khối lượng nền đường, điều phối và vận chuyển đất. -Thiết kế thoát nước. -Thiết kế áo đường. Vì môn học “Thiết kế đường ô tô” là một môn khoa học có tính chất tổng hợp và nội dung của nó đề cập đến nhiều vấn đề nên khi học và làm công việc thiết kế đường cũng phải có quan điểm tổng hợp, xét toàn diện các nhân tố ảnh hưởng, không chỉ nặng về tính toán mà phải chú trọng cả các biện pháp cấu tạo, biện pháp kỹ thuật, không chỉ đáp ứng các yêu cầu đối với đường một cách cứng nhắc mà phải giải quyết trong điều kiện thiên nhiên cụ thể. Phải có quan điểm kinh tế - kỹ thuật – xã hội, nghĩa là tiết kiệm trên cơ sở đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu phục vụ rộng rãi của đường, phải luôn luôn ghi nhớ mục tiêu thiết kế đường là an toàn – tiện lợi – kinh tế. Nhưng trong phạm vi giáo trình này với mục đích đặt ra của môn học là trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản nhất trong công tác thiết kế, biết vận dụng các quy trình quy phạm để thiết kế một tuyến đường không phức tạp, nên không đi sâu vào một số vấn đề có tính chất chuyên sâu. Khi nghiên cứu môn học này học viên đã được trang bị những kiến thức cơ bản của các môn học như: Đo đạc công trình; Vật liệu xây dựng; Thuỷ lực thuỷ văn; Vẽ kỹ thuật… đó là cơ sở cho học viên tiếp thu kiến thức của giáo trình này. Đồng thời với việc nắm vững kiến thức học viên phải biết vận dụng vào trong thực hành thực tập khảo sát thiết kế đường, cũng như trong thực tế thi công cầu đường ở công trường hiện nay. Ngoài ra để hoc tập tốt môn học này, học viên cần tham khảo thêm các tài liệu sau: -Các tiêu chuẩn về thiết kế đường ô tô. 6
-Các định hình thiết kế cống, tường chắn… -Các bản vẽ thiết kế hiện hành. CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 7
1.1 Vai trò của đường ô tô trong giao thông vân tải: Trong các hình thức vận tải: Vận tải thuỷ, vận tải hàng không, vận tải đường sắt,vận tải đường bộ thì vận tải đường bộ là một bộ phận rất quan trọng của ngành vận tải. Vận tải đường bộ chủ yếu là đường ô tô có vai trò quan trọng bởi có các đặc điểm sau: -Có tính cơ động cao và vận chuyển trực tiếp không cần qua các phương tiện trung gian. - Đường ô tô đòi hỏi vốn đầu tư ít hơn đường sắt, độ dốc dọc lớn hơn nên đi được đến các nơi có địa hình hiểm trở. Vì vậy về mặt chính trị, quốc phòng đây là một ngành vận tải rất quan trọng. -Tốc độ vận tải khá lớn nhanh hơn đường thuỷ, tương đương đường sắt, ở cự ly ngắn trên các trục đường cấp cao có thể cạnh tranh với hàng không. - Cước phí vận tải rẻ hơn nhiều so với đường hàng không nên lượng vận chuyển hành khách và hàng hoá bằng đường bộ chiếm tỷ trọng lớn . Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của vận tải ô tô là tai nạn giao thông cao. Hàng năm số người chết, bị thương vẫn không giảm và có xu hướng tăng lên. Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO hàng năm trên thế giới có 1,2 triệu người chết và hàng chục triệu người bị thương, ở nước ta trong những năm gần đây mặc dù hệ thống đường bộ đã được đầu tư đáng kể nhưng tai nạn giao thông hàng năm vẫn cướp đi hàng chục nghìn sinh mạng mỗi năm. Từ những đặc điểm trên người làm công tác thiết kế phải có giải pháp cần thiết phù hợp để thiết kế tuyến đường cho các phương tiện tham gia giao thông trên đường được an toàn, thuận lợi, kinh tế, giảm thiểu tối đa tai nạn giao thông . 1.2 Các bộ phận của đường ô tô: * Khái niệm về đường ô tô: Đường ô tô là sản phẩm của nghành xây dựng các công trình giao thông, là một dải trong không gian gồm nhiều bộ phận , là tổng hợp các công trình và các trang thiết bị nhằm phục vụ giao thông trên đường được nhanh chóng thuận tiện, an toàn. Thông thường một truyến đường ô tô thường được thể hiện trên 3 bản vẽ cơ bản: Bình đồ, Mặt cát dọc, Mặt cắt ngang. Nội dung cụ thể và việc thiết kế các bản vẽ sẽ được lần lượt nghiên cứu ở các chương sau. Để thuận lợi cho việc thiết kế tuyến đường cần phải nắm được các bộ phận cơ bản của đường ô tô thông qua việc xét một mặt cắt ngang đường (Hình 2- 1) 8
4 3 2 1 2 7 9 8 5 6 h×nh 1-1 1.Phần xe chạy 5.Nền đường 2.Lề đường 6.Tim đường 3. Mái đường 7.Vai đường 4.Dải đất ven đường 8.Mép phần xe chạy 9.Đỉnh mui luyện 1.2.1. Tim đường: Tim đường là trục đối xứng của nền đường và mặt đường (Trừ trường hợp trong đường cong phải mở rộng mặt đường và nền đường). Nối các điểm tim đường trong một đoạn tuyến thành tuyến đường của đoạn tuyến đó. Tập hợp các điểm tim đường là đường cong trong không gian, nó gồm các đoạn thẳng nối tiếp với các đoạn cong (Trên bình đồ) và những đoạn bằng đoạn dốc (Trên cắt dọc). 1.2.2 Phần xe chạy: Còn gọi là phần mặt đường, là bộ phận quan trọng nhất của đường do phải chịu tác dụng trực tiếp của xe chạy và tác dụng của thiên nhiên nên thường được tăng cường bằng các loại vật liệu khác nhau. Mặt đường gồm một số nguyên các làn xe: từ 1 hoặc nhiều làn xe tuỳ theo cấp kỹ thuật của đường ô tô (Bề rộng một làn xe từ 2,75 m - 3,75m) 1.2.3 Nền đường: Nền đường là phần nền tảng của xe chạy, là bộ phận chống đỡ đảm bảo cường độ của phần xe chạy được ổn định và chịu tác dụng của nhân tố tự nhiên. Nền đường bao gồm: phần xe chạy, lề đường; khi cần thiết có bố trí giải phân cách, các làn xe phụ…. 1.2.4. Lề đường: Trên bề mặt nền đường hai bên phần xe chạy là lề đường. Lề đường có tác dụng chắn giữ các vật liệu đã xây đắp thành mặt đường, là chỗ đỗ xe tạm thời, chỗ dành cho xe thô sơ và người qua lại....lề đường tối thiểu rộng 1,5m và có thể có gia cố nhưng phần lề đất tối thiểu phải đạt 0,5m. 9
1.2.5. Mép mặt đường: Là đường ranh giới giữa lề đường và mặt đường. 1.2.6. Ta luy đường: Phần giới hạn hai bên bề mặt nền đường gọi là mái đường (Ta luy).Tuỳ theo điều kiện địa hình và thiết kế mà có ta luy đào hay ta luy đắp. Độ dốc mái ta luy căn cứ vào vào chiều cao đào đắp, địa chất, khí hậu, thuỷ văn... 1.2.7. Mốc lộ giới: Là chỗ cọc mốc được cắm ở mép ngoài cùng của khoảng đất hành lang đường bộ theo chiều ngang đường. 1.3 Quan hệ giữa ô tô và đường 1.3.1 Tác dụng của ô tô trên mặt đường: 1.3.1.1 Tác dụng của lực thẳng đứng (Trọng lực của ô tô): Lực thẳng đứng bao gồm tự trọng và tải trọng của ô tô tác dụng xuống mặt đường và nền đường thông qua mặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Áp lực đơn vị trên mặt tiếp xúc phụ thuộc vào sự lớn, nhỏ của tải trọng và áp lực không khí trong bánh xe. Tác dụng của lực thảng đứng thường gây cho mặt đường bị lún và rạn nứt. 1.3.1.2. Sự hãm xe: Khi tham gia giao thông trên đường trong nhiều tình huống phải hãm xe, khi hãm xe lực hãm lớn nhất phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa lốp xe với mặt đường và có trị số: Ph = Tmax =   G trong đó: : hệ số ma sát G: Trọng lượng của toàn bộ ô tô Khi hãm xe tất cả các lực cản đều tham gia vào nhưng đều không đáng kể, chỉ đáng kể là dốc dọc, khi trị số dốc dọc lớn hơn 4% chiều dài hãm xe tăng lên đáng kể, lúc đó: : Ph = Tmax  Pi = .G  i.G = G(  i) Dấu (+) khi xe lên dốc, dấu (- ) khi xe xuống dốc 1.3.1.3. Lực cản lăn: Khi xe chạy tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện lực cản lăn. Lực này tác dụng ngược chiều với chiều chuyển động của xe .Lực cản lăn là một loại ma sát giữa lốp xe và mặt đường, sinh ra do biến dạng của lốp xe và biến dạng của mặt đường làm cản trở xe chạy, do chấn động và xung kích khi xe chạy trên mặt đường không bằng phẳng, do ma sát trong các ổ trục bánh xe khi xe chạy. Theo thực nghiệm lực cản lăn tỷ lệ thuận với trọng lượng tác dụng trên bánh xe : Pf=fG (Kg) Trong đó: G: Tải trọng tác dụng trên bánh xe (Kg). 10
f: Hệ số lực cản lăn, không thứ nguyên phụ thuộc vào độ cứng của lốp xe, tình trạng và loại mặt đường . Trong điều kiện lốp xe cứng, tốt hệ số sức cản lăn phụ thuộc vào loại mặt đường và chất lượng mặt đường như sau: Bảng 1-1 Hệ số sức cản lăn trung bình f Loại mặt đường Hệ số f Loại mặt đường Hệ số f Bê tông XM và BT nhựa 0,01-0,02 Đường đất khô và bằng phẳng 0,04-0,05 Đá dăm và sỏi cuội đen 0,02-0,025 Đường đất ẩm không bằng phẳng 0,07-0,15 Đá dăm trắng 0,03-0,05 Đường cát khô rời rạc 0,15-0,30 Đường lát đá 0,04-0,05 1.3.1.4.Tác dụng khi bánh xe quay trượt: Khi xe đi vào chỗ mặt đường lầy lội, nếu bánh xe sau bị sa lầy chỉ quay mà không chạy (hoặc bánh trước đi vầo chỗ lầy trượt mà không quay). Đó là hiện tượng quay trượt của bánh xe trên đường mà ta còn gọi là Pa tilê. Hoặc khi lên dốc người lái xe phải tăng ga, bánh xe cũng quay trượt làm phát sinh vệt bánh xe. 1.3.2 Tác dụng của đường đối với xe chạy: 1.3.2.1 Lực bám: Như hình vẽ 1-2 ta thấy rằng: Lực kéo được hình thành từ công suất động cơ, khi xe chạy nhiên liệu trong động cơ được chuyển hoá từ nhiệt năng thành cơ năng và truyền tới bánh xe chủ động một mô men quay Mk. Mô men này gây ra lực kéo Pk tác dụng lên mặt đường qua vệt tiếp xúc và nếu đủ sức bám giữa bánh xe với mặt đường thì mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một phản lực T. Phản lực này rất cần thiết để điểm tiếp xúc trở thành một tâm quay tức thời, khi đó xe mới chuyển động được. Phản lực T về giá trị cân bằng với lực kéo Pk nhưng ngược chiều chuyển động và được gọi là lực bám của bánh xe với mặt đường. Trong đó: rk: Bán kính bánh xe chủ động kể cả biến dạng (rk =0.93-0.95 r0) r0: Bán kính bánh xe chủ động Pk: Lực kéo Mk: mô men quay Mk Quan hệ giữa Pk và T: + T là một lực bị động : Pk nhỏ thì T cũng nhỏ, Pk lớn thì T cũng lớn theo nhưng lực bám Tkhông thể tăng lên được mãi mà nó chỉ đạt đến một giá trị được gọi là Tmax +Nếu Pk> Tmax thì điểm tiếp xúc không trở thành tâm quay tức thời được và bánh xe quay tại chỗ (Patilê) +Nếu Pk  Tma x điểm tiếp xúc trở thành tâm quay tức thời và xe chuyển động được Lực bám lớn nhất: Tmax =  Gb 11
Như vậy điều kiện chuyển động của ô tô về mặt lực bám là: Pk  Tmax =  Gb Trong đó : Gb trọng lượng xe trên trục chủ động - xe con Gb= ( 0.5-0.55) G -xe tải Gb=(0.65-0.70) G G:trọng lượng của xe : Hệ số bám (hệ số ma sát) giữa bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào tình trạng mặt đường và độ nhám của lớp mặt. Bảng 1- 2 Trị số hệ số bám  giữa bánh xe và mặt đường Tình trạng mặt đường Điều kiện xe chạy Hệ số Khô sạch Rất thuận lợi 0,7 Khô sạch Bình thường 0,5 Ẩm và bẩn Không thuận lợi 0,3 1.3.2.2 Sức cản khi lên dốc: Lực cản leo dốc sinh ra khi xe phải khắc phục một cao độ. Giả thiết xe phải leo một độ cao h trên một chiều dài l, với trọng lượng của xe G, xe phải sản ra một công phụ leo dốc G.h trên chiều dài l. Như vậy, lực cản leo dốc được tính theo công thức: Pi=G h/l =  (G  i) Trong đó : h: độ cao xe phải leo l: chiều dài đoạn xe phải leo G :trọng lượng của xe i=h/l độ dốc của đường dấu (+) : khi leo dốc dấu ( - ) : khi xuống dốc 1.3.2.3.Do chất lượng mặt đường: Mặt đường tuỳ theo chất lượng khác nhau sau thời gian sử dụng thường bị mài mòn ít nhiều hoặc có thể bị lồi lõm, lượn sóng….. làm cho xe bị xóc, gẫy nhíp, chóng hư hỏng lốp… Ngoài ra, khi xe chạy trên đường còn chịu tác dụng của lực cản không khí, lực cản quán tính, lực cản trên đường… do thời gian có hạn, trong giáo trình này không đi sâu vào các nội dung đó. 1.4Trích dẫn yêu cầu thiết kế đường ô tô theo TCVN4054-2005 về một số quy định các yêu cầu thiết kế đường ô tô Trong yêu cầu thiết kế đường ô tô theo TCVN 4054-2005chỉ quy định về thiết kế xây dựng mới, cải tạo và nâng cấp đường ô tô. Các đường chuyên dụng như: đường cao tốc, đường công nghiệp, đường lâm nghiệp và các loại đường khác được thiết kế theo tiêu chuẩn ngành. 12
1.4.1 Các yêu cầu thiết kế: - Không chỉ tuân thủ đầy đủ các quy định trong tiêu chuẩn mà phải nghiên cứu toàn diện để có một tuyến đường an toàn, hiệu quả và định hướng phát triển bền vững, lâu dài. -Phải phối hợp các yếu tố của tuyến đường: bình đồ, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang và tận dụng địa hình để tạo nên một tuyến đường đều đặn trong không gian, đảm bảo tốt tầm nhìn và ổn định cơ học, bảo vệ môi trường, cân bằng sinh thái hợp lý để đường trở thành một công trình mới đóng góp tốt cho vẻ đẹp cảnh quan khu vực. -Đường ô tô cấp cao (Cấp I, II và III) nên tránh qua đô thị. Các đường tiếp nối vào thành phố cần phải dựa vào quy hoạch để thiết kế. -Nhất thiết phải xét các phương pháp đầu tư phân kỳ. -Hành lang bảo vệ đường ô tô được thực hiện theo các quy định hiện hành. 1.4.2 Xe thiết kế: 1.4.2.1 Xe thiết kế: Xe thiết kế là loại xe phổ biến trong dòng xe để tính toán các yếu tố của đường. Việc lựa chọn loại xe thiết kế do người có thẩm quyền đầu tư quyết định. Các kích thước của xe thiết kế được quy định ở Bảng 1- 3. Bảng 1- 3 Các kích thước của xe thiết kế Kích thước tính bằng mét Chiều dài Chiều rộng Chiều Nhô về Nhô về Khoảng cách Loại xe toàn xe phủ bì cao phía trước phía sau giữa các trục xe Xe con 6,00 1,80 2,00 0,80 1,40 3,80 Xe tải 12,00 2,50 4,00 1,50 4,00 6,50 Xe moóc tỳ 16,50 2,50 4,00 1,20 2,00 4,008,80 1.4.2.2 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: năm thứ 20 sau khi đưa đường vào sử dụngđối với các cấp I và II; năm thứ 15 với đường cấp III và IV; năm thứ 10 đối với đường 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 1-4. Hệ số quy đổi từ xe các loại ra xe con Loại xe Xe tải có 2 Xe tải có Xe kéo Địa hình trục và xe 3 trục trở moóc, xe Xe đạp Xe máy Xe con buýt dưới 25 lên và xe buýt kéo chỗ buýt lớn moóc Đồng bằng và đồi 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 13
Núi 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 CHÚ THÍCH: -Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi, sườn núi như sau: Đồng bằng và đồi  30%: núi  30% -Đường tách riêng xe thô sơ thì không quy đổi xe đạp Lưu lượng xe thiết kế có hai loại: -Lưu lượng xe thiết kế bình quân ngày đêm trong năm tương lai (viết tắt là Ntbnđ) có thứ nguyên xcqđ/nđ (xe con quy đổi/ ngày đêm). Lưu lượng này được tham khảo khi chọn cấp thiết kế của đường và tính toán nhiều yếu tố khác. - Lưu lượng xe thiết kế giờ cao điểm trong năm tương lai viết tắt là Ngcđ có thứ nguyên xcqđ/h (xe con quy đổi/ giờ). Lưu lượng này để chọn và bố trí số làn xe, dự báo chất lượng dòng xe, tổ chức giao thông… 1.4.3 Cấp thiết kế của đường: Phân cấp thiết kế là bộ khung các quy cách kỹ thuật của đường nhằm đạt tới: -Yêu cầu về giao thông đúng với chức năng của con đường trong mạng lưới giao thông. -Yêu cầu về lưu lượng xe thiết kế cần thông qua (chỉ tiêu này được mở rộng vì có những trường hợp đường có chức năng quan trọng nhưng lượng xe không nhiều hoặc tạm thơì không nhiều xe). -Căn cú vào địa hình, mỗi cấp thiết kế lại có các yêu cầu riêng về các tiêu chuẩn để có mức đầu tư hợp lý và mang lại hiệu quả tốt về kinh tée. Việc phân cấp kỹ thuật dựa trên chức năng và lưu lượng thiết kế của tuyến đường trong mạng lưới giao thông và được quy ddịnh theo Bảng 1-5. Bảng 1-5 Bảng phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng của đường và lưu lượng thiết kế Cấp Lưu lượng xe thiết kế thiết kế Chức năng của đường của (xcqđ/nđ) đường Cao tốc 25000 Đường trục chính, thiết kế theo TCVN 5729-1997 Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, Cấp I 15000 văn hoá lớn của đất nước. Quốc lộ. Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, Cấp II 6000 văn hoá lớn của đất nước. Quốc lộ. Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, Cấp III 3000 văn hoá lớn của đất nước, của địa phương. Quốc lộ hay đường tỉnh. 14
Đường nối các trung tâm của địa phương, các điểm lập Cấp IV 500 hàng, các khu dân cư. Quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện. Đường phục vụ giao thông địa phương.Đường tỉnh, Cấp V >200 đường huyện, đường xã. Cấp VI < 200 Đường huyện, đường xã. Trị số lưu lượng này chỉ để tham khảo.Chọn cấp hạng đường nên căn cứ vào chức năng của đường và theo địa hình. Các đoạn tuyến phải có một chiều dài tối thiểu thống nhất theo một cấp. Chiều dài này đối với đường cấp VI trở xuống là 5 km, các cấp khác là 10 km. 1.4.4 Tốc độ thiết kế (Vtk) Tốc độ thiết kế là tốc độ được dùng để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của đường trong trường hợp khó khăn. Tốc độ này khác với tốc độ cho phép lưu hành trên đường của cơ quan quản lý đường. Tốc độ lưu hành cho phép phụ thuộc vào tình trạng thực tế của đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thông…) Tốc độ thiết kế các cấp đường dựa theo địa hình, được quy định trong Bảng 1-6. Bảng 1-6 Tốc độ thiết kế của các cấp đường Cấp thiết kế I II III IV V VI Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Địa hình Núi Núi Núi Núi bằng bằng bằng bằng bằng bằng Tốc độ thiết 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 kế; Vtk; km/h CHÚ THÍCH: Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi, sườn núi như sau: Đồng bằng và đồi  30%: núi  30% CÂU HỎI ÔN TẬP 1.Nêu các bộ phận của đường ô tô, đặc điểm và tác dụng của từng bộ phận, mối liên hệ giữa các bộ phận đó như thế nào? 2.Khi xe chạy trên đường giữa ô tô và đường có mối quan hệ như thế nào? Giải thích hiện tượng bánh xe quay tại chỗ. 3.Các yêu cầu thiết kế, xe thiết kế và lưu lượng xe thiết kếđược quy định trong TCVN 4054-2005 như thế nào? 4. Việc chọn cấp thiết kế của đường phải dựa vào những yếu tố nào? Tốc độ thiết kế là gì? Tốc độ thiết kế có đồng nhất với tốc độ lưu hành không? 15
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ TUYẾN ĐƯỜNG 2.1 Những khái niệm cơ bản 2.1.1 Khái niệm: Bình đồ là hình chiếu bằng của tuyến đường trên địa hình, trong đó các chi tiết của thực địa được thu nhỏ lại, đơn giản hoá và được thể hiện bằng các quy ước ( các đường đồng mức , sông, núi, cầu, cảng....). Trên bình đồ tuyến đường xác định nhờ các yếu tố sau: -Điểm xuất phát ,điểm tới và các điểm chuyển hướng ( các đỉnh). 16
-Các góc ngoặt 0 ;1; 2. ... n ở các chỗ đổi hướng tuyến. -Chiều dài và góc phương vị các đoạn thẳng . -Các yếu tố đường cong , R, T, B. -Các cọc lý trình H, Km ,các vị trí cầu cống. -Cọc địa hình. -Cọc trên đường cong: TĐ, P, TC, NĐ, NC 2.1.2 Bản vẽ bình đồ tuyến đường: Như đã trình bày ở trên, tuyến đường thể hiện trên bản vẽ bình đồ có rất nhiều các yêu tố. Trước đây các bản vẽ bình đồ đều được thiết kế bằng phương pháp thủ công, nhưng hiện nay nhờ có các phần mềm thiết kế chuyên dụng nên đã nâng cao được tính chính xác và phối hợp với các bản vẽ khác để kiểm tra trong quá trình thiết kế. Do nội dung của chương trình nên ở đây không trình bày cách thiết kế bản vẽ bình đồ tuyến đường mà chỉ giới thiệu hình vẽ bình đồ của một đoạn tuyến (Hình 2-1) 2.1.3 Đặc điểm sự chuyển động của ô tô trong đường cong bằng Khi xe chạy trong đường cong bằng xe phải chịu nhiều điều kiện bất lợi so với khi chạy trên đường thẳng . Những điều kiện bất lợi đó là: 2.1.3.1 Lực ly tâm: Khi chạy trong đường cong ngoài trọng lực, lực kéo, lực bám xe phải chịu thêm lực ly tâm. Lực này có phương nằm ngang trên mặt phẳng thẳng góc với trục chuyển động, có hướng ra ngoài đường cong và có giá trị: m V 2 G V 2 F  (2-1) R gR Trong đó: F: Lực ly tâm m: Khối lượng của xe V: Tốc độ xe chạy (m/giây) R:Bán kính đường cong (m) G: Trọng lượng của ô tô (Kg) g: Gia tốc trọng trường (m/giây2) Lực ly tâm có tác dụng xấu có thể gây lật đổ xe, gây trượt ngang làm cho việc điều khiển xe khó khăn, gây khó chịu cho hành khách, gây hư hỏng cho hàng hoá. Công thức (2-1) cho thấy lực ly tâm càng lớn khi tốc độ xe chạy càng nhanh và khi bán kính cong càng nhỏ. Trong các đường cong có bán kính nhỏ,lực ngang gây nên biến dạng ngang lốp xe, làm tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, săm lốp chóng hao mòn hơn . 2.1.3.2 Bề rộng phần xe chạy lớn hơn trên đường thẳng thì xe mới chạy được bình thường. 2.1.3.3 Tầm nhìn bị cản trở, nhất là khi bán kính đường cong nhỏ, ở đoạn đường đào tầm nhìn ban đêm bị hạn chế. Do phải chịu các điều kiện bất lợi như vậy khi đi vào đường cong, nên trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các biện pháp cấu tạo để cải thiện những điều kiện bất lợi này, để cho xe chạy được an toàn với tốc độ mong muốn, cải thiện điều kiện làm việc của người lái và điều kiện lữ hành của hành khách. 17
2.1.4 Nội dung thiết kế bình đồ tuyến đường: Trên bình đồ tuyến đường gồm các đoạn thẳng và đoạn cong nối tiếp nhau, nên công tác thiết kế bình đồ đề cập đến trong giáo trình này là: Thiết kế các phần xây dựng thêm trên đường cong (đặc biệt là các đường cong có bán kính nhỏ) để chống lại lực ly tâm, nối tiếp hài hoà các đoạn thẳng, tạo điều kiện cho xe chạy được thoải má,i an toàn. Nội dung đó bao gồm: Xác định các bán kính đường cong (xác định bán kính đường cong nhỏ nhất theo từng cấp thiết kế), tính toán bố trí siêu cao, mở rộng và bố trí các đoạn nối cũng như tính toán và bố trí tầm nhìn… 2.2 Thiết kế các yếu tố kỹ thuật trong đường cong nằm: Do điều kiện tự nhiên bị hạn chế như: ao, hồ, sông, núi cao,vực sâu .... buộc phải chuyển nhiều hướng tuyến, giưã các hướng tuyến kề nhau phải bố trí các đường cong nằm để nối hai cánh tuyến nhằm đảm bảo cho tuyến đường không bị gãy khúc, êm thuận và đảm bảo an toàn khi xe chạy. Khi bố trí đường cong nằm ta phải tính toán thiết kế các yếu tố kỹ thuật của đường nhằm đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật, yêu cầu về mỹ thuật, độ êm thuận và đảm bảo an toàn khi chạy xe. 2.2.1 Xác định bán kính đường cong nằm: 2.2.1.1 Phương pháp tính toán: Khi xe chạy trên đường cong chịu tác dụng của 2 lực: + Trọng lượng bản thân xe G, lực này có phương thẳng đứng. + Lực ly tâm F, lực ly tâm có xu hướng kéo xe lật về phía lưng đường cong (Hình 2-1) Phân tích 2 lực này theo nguyên tắc hình bình hành và chiếu các thành phần lực theo phương ngang và gọi tổng hợp lực theo phương ngang là Y ta có: Y = Fcos  Gsin (2-2) (Dấu “+” trường hợp cấu tạo bình thường trắc ngang hai mái, dốc ngang mặt đường hướng ra phía ngoài đường cong, G cùng chiều với F; dấu “-“ cấu tạo siêu cao dốc ngang đổ vào bụng đường cong hướng tâm, G ngược chiều với F) Vì góc  rất nhỏ nên sin  tang  in ; cos  1 (: góc mặt đường hợp với đường nằm ngang; in: độ dốc ngang của mặt đường trong đường cong hay còn gọi là siêu cao) Thay các giá trị của F trong (2-1) và G = mg ta có: G V 2  V2  Y   G.in  G  in  gR gR  (2-3) chia 2 vế cho G và gọi Y/G =  là hệ số lực ngang (lực ngang tác dụng trên một đơn vị trọng lượng xe) ta có: v2   in gR (2-4) Từ (2-4) chúng ta có được biểu thức tính trị số bán kính đường cong nằm R như sau: v2 (2-5) R g (   in ) 18
Trong công thức trên vận tốc được tính bằng m/sec; nếu chuyển sang thứ nguyên km/h sẽ có dạng: v2 R 127(   in ) (2-6) Dấu (+) khi mặt đường là trắc ngang một mái hướng về tâm đường cong; dấu (-) khi mặt đường là trắc ngang hai mái và xe chạy ở làn ngoài (không bố trí siêu cao). Trường hợp khi in đạt giá trị max thì lúc đó ta có R tối thiểu là: v2 Rmin  (2-7) 127(   imax ) Như vậy việc xác định (lựa chọn) bán kính đường cong nằm khi đã biết tốc độ xe chạy phụ thuộc vào hệ số lực ngang tính toán được và độ dốc ngang của mặt đường trong đường cong (siêu cao). Vậy thực chất của việc xác định bán kính đường cong nằm là xác định  & in . 2.2.1.2 Chọn hệ số lực ngang: Lực ngang tuỳ theo hệ số của nó, có thể gây ra những hiệu quả xấu cho ô tô như sau: -Làm lật đổ xe qua điểm tựa là bánh xe phía lưng đường cong -Làm xe trượt ngang trên mặt đường -Gây cảm giác khó chịu cho hành khách và người lái -Tiêu tốn nhiên liệu và hao mòn săm lốp nhiều hơn Trong tính toán việc lựa chọn hệ số lực ngang phải căn cứ vào điều kiện sau: 1.Điều kiện ổn định chống trượt ngang: Dưới tác dụng của lực ngang toàn bộ chiếc xe ô tô có thể bị trượt sang một bên. Để xe không bị trượt ngang thì lực cản ngang phải lớn hơn hoặc bằng lực ngang Y. Giả thiết rằng lực chống trượt ngang của ô tô trên mặt đường tỷ lệ với trọng lượng ô tô, ta sẽ có điều kiện ổn định chống trượt ngang trong trường hợp giới hạn là: G.n  Y n   n: Hệ số bám ngang (hệ số bám theo chiều ngang giữa bánh xe với mặt đường) và n thường lấy bằng (0,6 - 0,7)  (hệ số bám dọc). Xét trong điều kiện bất lợi nhất thường lấy n = 0,15 – 0,17 2.Điều kiện ổn định chống lật (Hình 2-2): Mô men lật: Ml = Y. h Mô men giữ: M g  G    b 2  Y b  1 Suy ra:       (2-8) G 2  h Trong đó: h: Chiều cao của trọng tâm xe. 19
b: Chiều rộng của hai bánh xe. : Độ lệch trọng tâm so với tâm hình học của khoảng cách hai bánh xe. Theo thực nghiệm  = 0,2b, đối với các xe hiện đại tỷ số b/2h của xe con là 23; của xe buýt là 1,72,2. Theo trị số an toàn nhỏ nhất, điều kiện để xe không bị lật đổ là   0,6. 3.Điều kiện êm thuận đối với hành khách: Khi chịu tác dụng của lực ly tâm, hành khách cảm thấy khó chịu, nhiều khi sợ hãi có cảm giác xe bị lật đổ. Điều tra xã hội học trên phương diện này cho ta các kết quả như sau: + Khi   0,1: hành khách khó nhận biết là xe vào đường cong +Khi  = 0,15: hành khách bắt đầu cảm nhận thấy là xe vào đường cong + Khi  = 0,2: hành khánh cảm thấy có đường cong và hơi khó chịu, người lái xe lúc này muốn giảm tốc độ xe. + Khi  = 0,30: hành khách cảm thấy xô dạt về một phía (cảm giác xe như bị lật đổ) Về phương diện êm thuận của hành khách, hệ số lực ngang không nên chọn lớn hơn 0,15. Trong điều kiện khó khăn, khi hành khách có chuẩn bị (ví dụ khi xe chạy vào nút giao thông) thì có thể lấy bằng 0,2. 4.Điều kiện về kinh tế: Khi xe chạy vào đường cong dưới 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 càng lớn. Góc lệc càng lớn thì tiêu hao nhiên liệu và xăm lốp càng nhiều. Góc lệch bằng 10 thì sự hao tổn nhiên liệu là 10%- 12%. Nhưng khi góc lệch là 1,80 thì sự hao tổn sẽ đến 40% và sự hao mòn lốp xe sẽ gấp đôi so với bình thường. Do vậy xét cả 4 điều kiện trên thì trong trường hợp thông thường nên chọn   0,1và trong trường hợp khó khăn thì có thể lấy  = 0,15, đặc biệt khó khăn có thể lấy  = 0,2, trong các quy phạm thường tính toán với  = 0,15. 2.2.1.3 Chọn bán kính đường cong: Trong khi thiết kế nên cố gắng chọn đường cong có bán kính lớn, chỉ trong trường hợp khó khăn mới vận dụng bán kính đường cong nằm tối thiểu. Khuyến khích dùng bán kính tối thiểu thông thường trở nên và luôn vận dụng địa hình để đảm bảo chất lượng xe chạy tốt nhất. Bán kính đường cong nằm tối thiểu là bán kính để xe chạy có độ an toàn ít nhất trong điều kiện địa hình hạn chế. Ở nước ta, bán kính đường cong nằm tối thiểu được quy định như sau (Bảng 2-1): Bảng 2-1 Bán kính đường cong nằm tối thiểu Cấp đường I II III IV V VI Tốc độ thiết kế (km/h) 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 Bán kính đường cong nằm (m) -tối thiểu giới hạn 650 400 250 125 125 60 60 30 30 15 20