Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 2

Chia sẻ: Ajdka Ajsdkj | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

338
lượt xem 115
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lưu lượng xe thiết kế là số xe con được quy đổi từ các loại xe khác, thông qua một mặt cắt ngang đường trong một đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai. Năm thiết kế tương lai là năm mà tuyến đường thỏa mãn yêu cầu sử dụng và có mức độ phục vụ nhất định, năm bắt đầu tính là năm xây dựng xong tuyến đường đó. Đường ô tô gồm nhiều công trình có thời gian phục vụ khác nhau: nền đường có thời hạn phục vụ 100 năm, cầu 25-100 năm, mặt đường 7-30...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 2

Lưu lượng xe thiết kế là số xe con được quy đổi từ các loại xe khác, thông qua một mặt cắt ngang đường trong một đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai. Năm thiết kế tương lai là năm mà tuyến đường thỏa mãn yêu cầu sử dụng và có mức độ phục vụ nhất định, năm bắt đầu tính là năm xây dựng xong tuyến đường đó. Đường ô tô gồm nhiều công trình có thời gian phục vụ khác nhau: nền đường có thời hạn phục vụ 100 năm, cầu 25-100 năm, mặt đường 7-30 năm tùy loại. Về nguyên tắc năm tính toán lưu lượng xe thiết kế phải được xác định tùy thuộc vào thời hạn phục vụ của công trình. Tuy nhiên việc dự báo lưu lượng thiết kế sẽ kém chính xác nếu chọn thời gian tính toán quá dài. Hiện nay quy trình của nhiều nước lấy năm tương lai thứ 10-20 để thiết kế tùy từng cấp loại đường. Bảng 1.9. Hệ số quy đổi từ xe các loại về xe con Xe tải 2 Xe tải có Xe kéo Loại xe Xe Xe Xe trục và xe 3 trục trở moóc, xe đạp máy con buýt dưới lên và xe buýt kéo Địa hình 25 chỗ buýt lớn moóc Đồng bằng và đồi 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 Núi 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 a. Lưu lượng xe thiết kế bình quân ngày đêm trong năm tương lai (Ntbnđ) có thứ nguyên xcqđ/nđ (xe con quy đổi/ngày đêm). Lưu lượng này được tham khảo khi chọn cấp hạng của đường và tính toán nhiều yếu tố khác. b. Lưu lượng xe thiết kế giờ cao điểm trong năm tương lai (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 … d) Năng lực thông hành (xe/h, xe/nđ): Năng lực thông hành (khả năng thông xe) là số lượng xe lớn nhất đi qua một mặt cắt nào đó của tuyến đường trong một đơn vị thời gian với một điều kiện đường và điều kiện giao thông nhất định (giả thiết theo mô hình tính hoặc thực tế) Năng lực thông hành lý thuyết (xe/h): Năng lực thông hành lý thuyết là số lượng xe thông qua một làn xe trong một đơn vị thời gian (giờ) ở điều kiện đường lý tưởng xác định theo mô hình tính toán nhất định. Năng lực thông hành lý thuyết không xét đến chất lượng giao thông. Năng lực thông hành lý thuyết của mỗi làn xe của đường ô tô cao tốc 4 làn xe thường bằng 1500 – 2000 xe/h. 27
Năng lực thông hành thực tế: Năng lực thông hành thực tế là số xe lớn nhất có thể thông qua một mặt cắt ngang đường trong một đơn vị thời gian ở điều kiện thời tiết thuận lợi, có xem xét đến điều kiện thực tế về điều kiện đường, về chất lượng giao thông (tốc độ xe, thời gian chờ, tình trạng dòng xe) Năng lực thông hành thiết kế: Năng lực thông hành thiết kế là năng lực thông hành tương ứng với mức phục vụ mà thực tế chấp nhận được. e) Mật độ xe (xe/km): Mật độ xe: Là số lượng phương tiện đang chạy trên một đơn vị chiều dài quãng đường tại một thời điểm nhất định (một mặt cắt thời gian), đơn vị tính là phương tiện/km, được xác định trên toàn bộ phần xe chạy hoặc trên mỗi làn đường. M D= ( xe/km) (1.2) L Trong đó: D : mật độ dòng xe (xe/km) M : là số lượng xe (xe) L : chiều dài dòng xe (km) f) Quan hệ giữa vận tốc (V), lưu lượng (N) và mật độ (D): Ở đây ta xem xét mối quan hệ giữa các đặc tính cơ bản của dòng xe là lưu lượng, mật độ và vận tốc. Trong đó, lưu lượng nói lên nhu cầu chuyển dịch của phương tiện, mật độ đại diện cho tính tập trung của dòng xe, và vận tốc nói lên trình độ tiện nghi hay chất lượng của dòng. - Quan hệ giữa mật độ và vận tốc xe chạy trên đường Khi D → 0 xe có thể chạy với vận tốc tối đa theo đặc tính động lực Vm → Vf . Với Vf là vận tốc xe chạy được theo đặc tính động lực và điều kiện trên đường. Khi mật độ D tăng thì vận tốc giảm Mật độ đạt được giá trị tối đa nếu các xe đứng yên, có nghĩa là: Vm → 0 , D → D max . 28
Hình 1.8. Quan hệ giữa vận tốc và mật độ xe trên đường - Quan hệ giữa mật độ và lưu lượng xe Trên biểu đồ hình 1.9a) thể hiện quan hệ giữa N ~ D, ta thấy rõ lưu lượng xe tăng lên (khả năng thông qua tăng) khi mật độ tăng, tại điểm cực đại có Nmax và DN- max, nhưng khi D tiếp tục tăng thì N giảm xuống. Trên biểu đồ hình 1.9b) thể hiện quan hệ giữa N ~ V và có 5 khu vực tương ứng với 5 mức độ phục vụ khác nhau từ A-F. (xem mức độ phục vụ ở phần g) N (xe/h) N (xe/h) Nmax Nmax Ni VN-max Di DN-max Dj MËt ®é D VËn tèc V a) b) Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ lưu lượng xe và mật độ xe g) Mức phục vụ [18,20] Mức phục vụ (LOS-Level of Service) là thước đo chất lượng mô tả các điều kiện vận hành trong một dòng giao thông và được chấp nhận bởi người tham gia giao thông. 29
Mức phục vụ hay mức độ giao thông thuận tiện được đặc trưng bằng 3 chỉ tiêu dưới đây : 1) Hệ số sử dụng năng lực thông hành Z - Khi đánh giá một dự án thiết kế đường hoặc khi chọn mức độ phục vụ TK : N tk v Z= hoặc Z = (1.3) c N max Trong đó : Ntk – lưu lượng xe thiết kế ; Nmax – năng lực thông hành thực tế lớn nhất trong điều kiện chuẩn; (v – volume; c – capacity) Khi Z lớn thì mật độ xe chạy trên đường (số xe/1km đường) sẽ càng lớn (đường càng đầy xe), sự cản trở lẫn nhau khi chạy xe sẽ càng lớn và mức độ giao thông thuận tiện sẽ giảm đi và ngược lại, khi Z nhỏ thì giao thông càng thuận tiện. 2) Tốc độ hành trình trung bình Vtb hoặc hệ số tốc độ v Vtb Vtb = V0 − α.N v= (1.4) V0 Trong đó : Vtb : Tốc độ trung bình của dòng xe (km/h) V0 : Tốc độ một ô tô đơn chiếc chạy tự do trên đường (km/h) N : Lưu lượng xe chạy thực tế theo hai hướng (xe/giờ) α : Hệ số giảm tốc độ tuỳ theo cơ cấu dòng xe (0,008-0,016) 3) Tỷ lệ thời gian xe chạy bị cản trở (Percent Time Delay) Là tỷ lệ phần trăm trung bình thời gian của tất cả các xe bị cản trở trong khi chạy trong nhóm do không có khả năng vượt nhau Chỉ tiêu này thực tế rất khó xác định, thực tế người ta dùng 2 chỉ tiêu Z và Vtb để đánh giá mức độ giao thông thuận tiện. Dựa vào các chỉ tiêu nói trên AASHTO đã đánh giá chất lượng mức độ phục vụ và hiệu quả khai thác đường về mặt kinh tế theo 6 mức khác nhau. - Mức A : là mức có chất lượng phục vụ cao nhất, lái xe có thể điều khiển xe chạy với tốc độ mong muốn và với tâm lý thoải mái. Xe chạy tự do, yêu cầu vượt xe thấp hơn khả năng cho vượt rất nhiều. Kinh tế đường không hiệu quả (đầu tư tốn kém nhưng ít xe chạy) - Mức B : Trên đường có sự hình thành 3 – 4 nhóm xe. Yêu cầu vượt xe tương đương với khả năng cho vượt; xe chạy có phần bị gò bó. Kinh tế đường ít hiệu quả. Tóm lại dòng xe vẫn còn tự do nhưng tốc độ bắt đầu có phần hạn chế. 30
Hình 1.10 Các mức độ phục vụ - LOS A đến F - Mức C : Trên đường xuất hiện các nhóm xe nối đuôi nhau. Khả năng vượt xe bị giảm đáng kể. Tâm lý lái xe căng thẳng và bị hạn chế trong việc lựa chọn tốc độ riêng cho mình. Dòng xe ổn định, kinh tế đường có hiệu quả. - Mức D : Hình thành các nhóm xe với quy mô trung bình 5 – 10 xe. Việc vượt xe trở nên vô cùng khó khăn. Dòng xe tiếp cận trạng thái không ổn định. Lái 31
xe ít có khả năng tự do vận hành, tâm lý căng thẳng, kinh tế đường còn hiệu quả - Mức E : Hình thành các nhóm xe kéo dài. Thực sự không có khả năng vượt, lưu lượng xe đạt tới trị số năng lực thông hành thực tế lớn nhất. Dòng xe không ổn định (có thể bị dừng xe trong thời gian ngắn). Chi phí vận doanh lớn, kinh tế đường không hiệu quả. - Mức F : Dòng xe bão hoà, lưu lượng xe chạy vượt quá năng lực cho phép. Dòng xe cưỡng bức dễ bị ùn tắc. Kinh tế đường không hiệu quả. Do vậy, đối với các đường thiết kế mới, nâng cấp cải tạo thì cần đảm bảo ở cuối thời kỳ tính toán, chỉ được ở mức C hoặc mức D. Bảng 1.10. Mức phục vụ thiết kế theo hướng dẫn của AASHTO Lo¹i vïng vμ møc phôc vô thÝch hîp Lo¹i ®−êng §−êng ngoμi ®« thÞ §« thÞ vμ Ngo¹i « §ång b»ng §åi Nói B B C C Cao tèc (Freeway) B B C C §−êng chÝnh (Arterial) C C D C §−êng gom (Collector) D D D D §−êng ®Þa ph−¬ng (Local) 1.3 PHÂN LOẠI ĐƯỜNG BỘ 1.3.1 Các kiểu phân loại đường bộ Như trong phần 1.1.1 đã trình bày, đường bộ theo lý thuyết về đường được chia ra hai loại chủ yếu: - Đường ô tô bao gồm đường ngoài đô thị và đường đô thị - Đường ô tô cao tốc bao gồm đường cao tốc ngoài đô thị và đường cao tốc trong đô thị. Đường ô tô còn có thể chia theo cấp quản lý: đường quốc lộ, đường tỉnh lộ, đường huyện, đường xã,... Cấp quản lý có trách nhiệm đầu tư và quản lý đường. Trong khuôn khổ giáo trình này chỉ đề cập tới loại đường ngoài đô thị, loại đường trong đô thị được trình bày ở giáo trình “Đường đô thị và tổ chức giao thông” 1.3.2 Phân loại đường theo tầm quan trọng về giao thông. Phân loại đường theo tầm quan trọng về giao thông phản ánh được mối liên hệ về chức năng GTVT của tuyến đường trong mạng lưới đường bộ mà trong các tiêu chuẩn phân cấp đường theo lưu lượng xe không thể hiện rõ ràng. 32
Phân loại đường theo tầm quan trọng về giao thông thành 4 loại: Đường trục chính, đường trục thứ yếu, đường gom và đường địa phương. 1. Đường trục chính (Principal Arterial Highway) : Gồm hệ thống đường phục vụ, được chia thành đường cao tốc và các đường trục chính khác (không phải cao tốc). Tốc độ thiết kế cao (110-120km/h), mức phục vụ B, C. Giao thông quan trọng ý nghĩa toàn quốc - Nối các đô thị có dân số trên 50.000 dân và phần lớn các đô thị quan trọng - có dân số trên 25.000 dân 2. Đường trục thứ yếu (Minor Arterial Highway): Gồm hệ thống đường phục vụ, tốc độ thiết kế lớn (60-110km/h), mức phục vụ B, C. Nối liền các thành phố, các đô thị lớn và các điểm lập hàng có khả năng - thu hút giao thông ở cự ly dài. Hội nhập giữa các tỉnh - Phân bố mạng lưới đường bộ phù hợp với mật độ dân số để cho tất cả các - tỉnh có chiều dài đường trục hợp lý. 3. Đường gom (Collector Road): Gồm hệ thống đường chủ yếu phục vụ nội bộ một vùng và nối liền với hệ thống đường trục quốc gia, chiều dài đường ngắn hơn, tốc độ thiết kế từ 30-100km/h, mức phục vụ C, D. Đường gom được chia thành 2 loại Đường gom lớn (hay đường gom chính): phục vụ các đô thị không nằm - ven đường trục, các thành phố và thị xã không được các đường trục trực tiếp phục vụ, và phục vụ các điểm lập hàng quan trọng của tỉnh Đường gom nhỏ (hay đường gom thứ yếu): phục vụ với mật độ dân số nhỏ - để gom các xe vận chuyển từ các địa phương, đảm bảo chiều dài đường gom hợp lý của vùng, nối liền các điểm lập hàng cục bộ với các vùng xung quanh. 4. Đường địa phương (Local Road): Chức năng chủ yếu là phục vụ giao thông ra vào của các vùng hấp dẫn của đường gom và phục vụ giao thông ở cự ly ngắn trong vùng, bao gồm tất cả các mạng lưới đường không thuộc đường trục và đường gom. Tốc độ thiết kế từ 30-80km/h, mức phục vụ D. 1.3.3 Phân loại đường theo cấp quản lý Luật Giao thông đường bộ hiện hành [3], quy định các nội dung sau: Mạng lưới đường bộ được chia thành sáu hệ thống, gồm quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện, đường xã, đường đô thị và đường chuyên dùng, quy định như sau: 1.Quốc lộ: là đường nối liền Thủ đô Hà Nội với trung tâm hành chính cấp tỉnh; đường nối liền trung tâm hành chính cấp tỉnh từ ba địa phương trở lên; đường nối 33
liền từ cảng biển quốc tế, cảng hàng không quốc tế đến các cửa khẩu quốc tế, cửa khẩu chính trên đường bộ; đường có vị trí đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của vùng, khu vực; 2.Đường tỉnh: là đường nối trung tâm hành chính của tỉnh với trung tâm hành chính của huyện hoặc trung tâm hành chính của tỉnh lân cận; đường có vị trí quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh; 3.Đường huyện: là đường nối trung tâm hành chính của huyện với trung tâm hành chính của xã, cụm xã hoặc trung tâm hành chính của huyện lân cận; đường có vị trí quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của huyện; 4.Đường xã: là đường nối trung tâm hành chính của xã với các thôn, làng, ấp, bản và đơn vị tương đương hoặc đường nối với các xã lân cận; đường có vị trí quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của xã; 5.Đường đô thị: là đường trong phạm vi địa giới hành chính nội thành, nội thị; 6.Đường chuyên dùng: là đường chuyên phục vụ cho việc vận chuyển, đi lại của một hoặc một số cơ quan, tổ chức, cá nhân. 1.3.4 Cấp hạng kỹ thuật của đường ô tô công cộng [1,2]. Phân cấp kỹ thuật 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 thời không nhiều xe). Căn cứ vào địa hình, mỗi cấp hạng 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 tế. Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-05, 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 1.11. 34
Bảng 1.11. Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng của con đường và lưu lượng thiết kế. Lưu lượng Cấp xe thiết kế Chức năng của đường đường (xcqđ/nđ) Cao tốc > 25.000 Đường trục chính quan trọng Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn Cấp I > 15.000 hoá lớn của đất nước. Quốc lộ Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn của đất nước, nối vào đường cao tốc và đường cấp Cấp II > 6.000 I. Quốc lộ Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn của đất nước, của địa phương, nối vào đường cao Cấp III >3.000 tốc, đường cấp I, cấp II, cấp III. Quốc lộ hay đường tỉnh Đường nối các trung tâm của địa phương, các điểm lập hàng, các khu dân cư. Đường nối vào đường cấp I, cấp II Cấp IV > 500 và cấp III. Quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện. Đường phục vụ giao thông địa phương. Đường tỉnh, đường Cấp V >200 huyện, đường xã Cấp VI < 200 Đường huyện, đường xã. Tốc độ thiết kế đường ô tô trong quy trình TCVN 4054-05 ở bảng 1.12 Bảng 1.12. Tốc độ thiết kế đường ô tô Tốc độ tính toán theo địa hình (km/h) Loại đường Tên cấp Đồng bằng – đồi Núi Cấp I 120 - Cấp II 100 - Cấp IIII 80 60 Đường ô tô công cộng Cấp IV 60 40 Cấp V 40 30 Cấp VI 30 20 1.3.5 Cấp hạng kỹ thuật của đường ô tô cao tốc Đường cao tốc là loại đường chuyên dùng cho ô tô chạy với các đặc điểm sau: được tách riêng hai chiều (mỗi chiều tối thiểu phải có 2 làn xe); mỗi chiều đều có bố trí làn dừng xe khẩn cấp; trên đường có bố trí đầy đủ các loại trang thiết bị, các cơ sở phục vụ cho việc bảo đảm giao thông liên tục, an toàn, tiện nghi và khống chế xe ra, vào ở các điểm nhất định. 35
Đường cao tốc được chia thành 2 loại: - Đường cao tốc loại A (Freeway): Phải bố trí các nút giao khác mức ở tất cả các chỗ ra vào đường cao tốc, ở mọi nút giao thông. - Đường cao tốc loại B (Expressway): Cho phép một số nút giao thông trên tuyến được phép giao bằng. Bảng 1.13. Tốc độ thiết kế đường cao tốc Tốc độ tính toán theo địa hình (km/h) Loại đường Tên cấp Đồng bằng Đồi Núi Cấp 120 120 Loại A Cấp 100 100 Cấp 80 80 Đường cao tốc Cấp 100 100 Loại B Cấp 80 80 Cấp 60 60 Bảng 1.14 Tiêu chuẩn kỹ thuật chủ yếu đối với tuyến đường cao tốc Cấp đường TT Tên chỉ tiêu 60 80 100 120 1 Tốc độ tính toán Vtt, (Km/h) 60 80 100 120 2 Độ dốc siêu cao (hay độ nghiêng một mai, 7 7 7 7 lớn nhất Isc % không lớn hơn), (%) 3 Bán kính nhỏ nhất Rmin, tương ứng với 140 240 450 650 isc=+7%, (m) 4 Bán kính nhỏ nhất thông thường tương ứng 250 450 650 1000 với isc = +5%,(m) 5 Bán kính tương ứng với isc= +2%, (m) 700 1300 2000 3000 6 Bán kính không cần cấu tạo độ nghiêng một 1200 2000 3000 4000 mái isc=-2%, (m) 7 Chiều dài đường cong chuyển tiếp ứng với 150 170 210 210 Rmin, (m) 8 Chiều dài đường cong chuyển tiếp ứng với 90 140 150 150 bán kính nhỏ nhất thông thường, (m) 9 Chiều dài đường cong chuyển tiếp ứng với 50 75 100 125 bán kính có trị số trong ngoặc, (m) (450) (675) (900) (1125) 10 Chiều dài hãm xe hay tầm nhìn dừng xe, (m) 75 100 160 230 11 Độ dốc dọc lên dốc lớn nhất, (%) 6 6 5 4 12 Độ dốc dọc xuống dốc lớn nhất, (%) 6 6 5.5 5.5 13 Bán kính đường cong đứng lồi tối thiểu, (m) 1500 3000 6000 1200 14 Bán kính đường cong đứng lõm tối thiểu, (m) 1000 2000 3000 5000 36
1.4 NHỮNG LÝ THUYẾT (MÔ HÌNH) SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ HÌNH HỌC ĐƯỜNG 1.4.1 Các yêu cầu đối với thiết kế hình học đường - Thoả mãn động lực học chạy xe - Tuyến đường thiết kế đảm bảo người lái xe nhìn và đánh giá được phải chọn phương thức chạy xe như thế nào cho đúng với phương thức chạy xe của con đường được thiết kế theo động lực học chạy xe. - Phối hợp tốt các yếu tố của tuyến, phối hợp tuyến với cảnh quan đảm bảo tuyến đường hài hòa, lượn đều, êm thuận, đảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật. 1.4.2 Lý thuyết động lực học chạy xe (mô hình xe-đường) Lý thuyết không gian cổ điển của Newton trong khoa học tự nhiên là không gian liên tục, đều đặn và vô hướng.Trong thiết kế đường không gian khách quan, toán - lý này được biểu diễn trong hệ toạ độ cong, ví dụ không gian Gauss- Krỹger và định hướng theo mặt nước biển. Trong không gian này các tính toán và hình vẽ được thể hiện trên ba mặt phẳng: mặt bằng, mặt đứng (diễn biến của mặt cắt dọc) và mặt cắt ngang. Trong mô hình “đường - xe chạy” người ta không kể đến người lái xe và thiết từng mặt cắt của đường riêng rẽ, xem tia nhìn bất động hướng tới cuối đường, khi thấy có dấu hiệu chướng ngại vật đầu tiên trên đường là sử dụng phanh gấp. Những tai nạn xảy ra trên các con đường xây dựng theo quy phạm ấy đã nhắc nhở chúng ta phải phát triển mô hình chuyển động theo mọi khía cạnh để mô phỏng thực chất quá trình xe chạy, từ đó đưa ra các tiêu chuẩn cho một con đường an toàn . Chỉ xét riêng chuyển động của ô tô trên đường cũng là một chuyển động phức tạp - tịnh tiến trên đường thẳng, quay trên đường cong đứng, lượn trên đường cong nằm và dao động khi chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng. Tất cả những đặc điểm chuyển động đó hiện nay chưa vận dụng hết vào việc xác định các yếu tố tuyến đường, vì vậy trong mô hình xe-đường, người ta giả định ô tô là chất điểm chuyển động không dao động trên mặt đường hoàn toàn phẳng, rắn và không biến dạng, đó là vấn đề tồn tại cần nghiên cứu trong thiết kế hình học đường hiện đại. Mô hình xe-đường chỉ phù hợp với các đường có tốc độ thấp (V≤ 50km/h) theo quan điểm thiết kế hình học đường hiện đại. 1.4.3 Lý thuyết thiết kế theo nguyện vọng của người tham gia giao thông (mô hình Xe-Đường-người lái-môi trường chạy xe) Như tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác, ba nhân tố không gian, thời gian, mối quan hệ nhân quả được dùng để tính toán, bố trí cấu tạo các yếu tố hình học khi thiết kế đường ôtô. Nhưng khác với các nhà khoa học kỹ thuật khác, các mô 37
hình không gian và mối quan hệ nhân quả đối với người kỹ sư đường cần phải được mở rộng ra. 1. Không gian chạy xe Với tư cách người kỹ thuật khi nói đến không gian chạy xe ta nghĩ ngay đến không gian vật lý có thể đo được bằng ba toạ độ. Nếu thêm vào nhân tố thời gian chúng ta xác định được trong không gian ấy những điểm chuyển động một cách rõ ràng. Tất cả các nhà nghiên cứu đều đạt được cùng một trị số đo khi nghiên cứu một không gian chạy xe ngắn và cùng rút ra một số kết quả tính toán. Không gian vật lý vì vậy không phụ thuộc vào người nghiên cứu, còn được gọi là không gian toán học hay không gian khách quan. Nếu ngược lại chúng ta với tư cách người lái xe mở mắt nhìn không gian ba chiều xung quanh ta với đầy đủ màu sắc của nó, với cảnh vật đa dạng có đủ hình dáng, vị trí thì mỗi người quan sát sẽ mô tả một khác. Không gian chạy xe đến với chúng ta một cách tự giác và luôn luôn biến đổi như vậy người ta gọi là không gian chủ quan . Lý thuyết không gian tâm sinh lý dùng cho người lái xe là một bán không gian giới hạn bởi đường chân trời, được hợp thành do các không gian thành phần không liên tục (ví dụ không gian của một đại lộ), bị gãy ở tầm mắt của người lái xe và có xu hướng là hướng nhìn của lái xe. Để có được những phản ứng chắc chắn an toàn, người lái xe về nguyên tắc phải có được tâm lý nhìn thấy rõ ràng chính xác . 2. Con người, xe và đường là một hệ thống điều khiển Hình 1.11 trình bày quá trình chạy xe dưới hình thức một hệ thống điều khiển: Thông qua các cơ quan thần kinh, người lái xe (Lái xe), với tư cách nhà đạo diễn tiếp nhận các thông tin từ môi trường xung quanh anh ta. ở đây mắt (quang học) có ý nghĩa quan trọng nhất, sau đó đến cảm giác do ma sát của bàn tay trên vô lăng và áp lực lên cơ thể (sự gò bó bức bối) tai nghe (âm thanh) và các vận động tự thân của con người thông qua các cơ và các cơ quan thư giãn (tự cân bằng). Sự nhận biết thực tế không chỉ là riêng nhìn thấy như khi nhìn một biển báo, hay chỉ chờ cảm giác như khi một vật xô mạnh vào bánh xe mà là cả một sự nhận biết tổng hợp có sự tham gia của cả bốn nhân tố nói trên như khi ta chạy xe qua một đường cong tròn chẳng hạn . Phần lớn sự nhận biết là không tự giác. Bộ phận này chịu tác động của các phản xạ tự phát trong hoạt động của mắt và hoạt động điều chỉnh đặc trưng. Chỉ một ít thông tin về môi trường bên ngoài vượt quá ngưỡng tự giác và người lái xe từ chối. Sự tự giác của người lái xe không có khả năng nhận biết vô hạn, giống như con nhện trong mạng, chỉ hoạt động ở chỗ nào xuất hiện những tin tỏ ra quan trọng nhất. Sự tự giác đó chỉ bằng 10x17=170 bit (đơn vị bằng tiếng Anh thể hiện một thông tin đơn vị : có –không , hoặc vào – ra). 38
Xe trên hình vẽ được thể hiện đơn giản hoá bằng khối (Xe). Để dễ hiểu hơn mối liên hệ này đã tách hệ thống điều khiển ra khỏi xe. Như vậy hoạt động lái xe được tách thành góc xoay vô lăng và lực lái xe, giống như tách lực ly tâm tác động lên người và sự giao động của họ. Sự điều khiển theo chiều dọc cũng được tách tương tự như vậy . Nếu người tham gia giao thông không nhận được đầy đủ các thông tin về đường cần thiết cho phương thức chạy xe của mình thông qua diễn biến quang học của đường thì con đường được thiết kế chính xác theo các tính toán động lực học chạy xe trở nên rất nguy hiểm. Các thông tin về cấu tạo tuyến đường sẽ đến quá chậm vào thời điểm chạy xe, nếu như người lái xe đó nhìn mà đánh giá sai lệch tình huống đang xảy ra. Như vậy thoả mãn động lực học chạy xe là cần thiết nhưng không đủ cho việc chạy xe an toàn, bởi vì phương thức chạy xe thực tế được lựa chọn ban đầu tại mặt cắt ngang tương ứng thường khác với phương thức chạy xe tính toán. Điều kiện cần và đủ ở đây là tuyến đường thiết kế sao cho người lái xe nhìn và đánh giá được phải chọn phương thức chạy xe như thế nào cho đúng với phương thức chạy xe của con đường được thiết kế theo động lực học chạy xe. 3. Mối quan hệ nhân quả Mối quan hệ nhân quả xuất phát từ một chuỗi tương ứng của nguyên nhân và kết quả. Thuyết mục đích, ngược lại giải thích mối quan hệ xuất phát từ khuynh hướng của mục đích. Có thể tìm thấy mối quan hệ nhân quả trong các tính toán và các quy định kinh điển về động lực học chạy xe của quy phạm thiết kế. Những cân nhắc tính toán vạch tuyến đảm bảo yêu cầu quang học được sắp xếp theo thuyết mụch đích. Theo đó một chuyến đi bằng ôtô là một hành vi hai mục đích: mục đích thứ nhất là đến nơi đã định, mục đích thứ hai là an toàn nhờ không gian trống tức thời trên đường. Ở mục đích thứ hai , công tác bài trí con đường giúp cho người lái xe những hỗ trợ cần thiết. Trong lĩnh vực này, chỉ hạn chế ở các mối quan hệ giữa sự tác động của người lái xe lên phương tiện và thông tin ngược lại của xe và đường đến anh ta, như khái niệm nguyên nhân của thời gian trước đây không còn đủ nữa. Để giải thích mối tương quan của hệ thống người lái xe –xe- đường (hành động theo phương thức nào trong rất nhiều phương thức có thể đạt tới sự cân bằng) cần phải bỏ qua một loạt các mối quan hệ nhân quả đang sử dụng. Có thể giải thích điều đó bằng một chu trình điều khiển có nhiều khâu (nhiều thành phần). Trong hệ thống ấy, diễn biến của phản ứng có thể nghiên cứu riêng rẽ theo thuyết nhân quả, đồng thời cả hệ thống hoạt động theo thuyết mục đích. Bằng cách quan niệm như vậy chúng ta loại bỏ được mâu thuẫn dường như tồn tại giữa thuyết nhân quả và thuyết mục đích khi nghiên cứu về mối quan hệ người lái xe –xe -đường. Những suy nghĩ trước đây về tác dụng lực giữa xe và đường có thể đơn giản hoá theo thuyết nhân quả. Vấn đề có ý nghĩa quan trọng hơn là vấn đề nghiên cứu dòng thông tin giữa người lái xe, xe, đường, nó đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải mở rộng tầm suy nghĩ . 39
H×nh 1.11a. Dßng th«ng tin gi÷a l¸i xe,xe vµ ®uêng xe L¸i xe C¬ thÓ Kh«ng Tù tù §−êng gi¸c Thêi gi¸c Giao vµ tiÕt th«ng m«i tr−êng N·o bé 7 3.10 16 1011bit/s bit/s bit/s H×nh 1.11b. L¸i xe, xe vµ ®uêng trong chu tr×nh ®iÒu khiÓn T«i-l¸i xe Ng−êi l¸i HiÖn t¹i NhËn thøc tøc thêi NhËn thøc chËm V« thøc Ph¶n øng v« thøc ThÓ hiÖn C¬ thÓ C¬ quan n·o bé §iÒu chØnh däc Th«ng tin qua §iÒu chØnh hÖ thèng l¸i xe ngang §−êng Tr−êng nh×n Th«ng tin cña xe ®Õn l¸i xe H×nh häc tuyÕn xung quanh Phong c¶nh mÆt ®−êng dÉn h−íng D¹ng mÆt c¾t ngang TÝnh chÊt t−êng ch¾n Trång c©y ThiÕt bÞ Ta luy Th«ng tin cña xe ®Õn HÖ thèng ®iÒu khiÓn §uêng M«i trõ¬ng Xe N−íc ,bïn Tèc ®é giã §é s¸ng L−îng l−u Sù ®¬n Giã th«ng ®iÖu 40
1.5 CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA NÓ. Tiêu chuẩn thiết kế là quy định về đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý dùng làm chuẩn để phân loại, đánh giá việc thiết kế nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các công trình thiết kế. Tiêu chuẩn kỹ thuật phải bảo đảm nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác đường trong mạng lưới đường bộ quốc gia, phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế của khu vực và thế giới trong thời đại hội nhập. Tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật phải đáp ứng yêu cầu về an toàn, phù hợp môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên. Tiêu chuẩn kỹ thuật mang tính pháp lý buộc phải tuân thủ khi thiết kế đường bộ nhưng phải được hiểu là các giá trị giới hạn tối thiểu, khi thiết kế phải cố gắng sử dụng các chỉ tiêu kỹ thuật tốt hơn đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế. Việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phải: - Dựa trên tiến bộ khoa học và công nghệ, kinh nghiệm thực tiễn, nhu cầu hiện tại và xu hướng phát triển kinh tế - xã hội; - Sử dụng tiêu chuẩn quốc tế, tiêu chuẩn khu vực, tiêu chuẩn nước ngoài làm cơ sở để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, trừ trường hợp các tiêu chuẩn đó không phù hợp với đặc điểm về địa lý, khí hậu, kỹ thuật, công nghệ của Việt Nam hoặc ảnh hưởng đến lợi ích quốc gia; - Bảo đảm tính thống nhất của hệ thống tiêu chuẩn và hệ thống quy chuẩn kỹ thuật của Việt Nam. Hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế đường bộ. Các tiêu chuẩn hiện hành bao gồm 2 loại là tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và tiêu chuẩn ngành (TCN) - TCVN 4054-05 : Phân loại đường ô tô công cộng - TCVN 5729-97 : Phân loại đường ô tô cao tốc - 22TCN 273-01 : Phân loại cấp hạng đường theo hướng dẫn AASHTO - TCXD 104-07 : Phân loại đường đô thị Trong phạm vi giáo trình này chỉ nghiên cứu đường ngoài đô thị, tiêu chuẩn áp dụng là TCVN 4054-05; TCVN 5729-97 và 22TCN 273-01 đồng thời cũng cập nhật các tiến bộ trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc, CHLB Đức và Mỹ. 1.6 MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ Môn học thiết kế đường ô tô là môn KHKT nghiên cứu các nguyên lý và phương pháp thiết kế tuyến đường và các công trình trên đường (nền đường, mặt đường, cầu cống, các công trình phục vụ khai thác đường và tổ chức giao thông trên đường) để đảm bảo cho đường ô tô thực hiện được các vai trò của nó trong hệ thống giao thông vận tải. Nội dung chủ yếu của môn học gồm những phần sau: 41
Phần 1: Thiết kế yếu tố hình học đường - Đường ô tô và các yếu tố của đường ô tô - Nghiên cứu những lý thuyết (mô hình) sử dụng trong thiết kế hình học đường để từ đó thiết kế các yếu tố hình học của đường đáp ứng được yêu cầu xe chạy an toàn, êm thuận và kinh tế Phần 2: Thiết kế nền đường và các công trình trên đường - Phân tích những hư hỏng của nền đường và nguyên nhân hình thành biến dạng của nền đường. - Thiết kế mặt cắt ngang của nền đường thông thường. - Phương pháp kiểm toán sự ổn định của nền đường. Các biện pháp phòng hộ và gia cố nền đường - Tính toán ổn định và các giải pháp thiết kế của nền đường đắp trên đất yếu. - Cấu tạo của các loại tường chắn đất, đặc điểm, nội dung kiểm toán và ứng dụng của các loại tường chắn đất. - Những yêu cầu và phương pháp thiết kế hệ thống thoát nước đường ô tô, tính toán được khẩu độ công trình thoát nước. Phần 3: Thiết kế mặt đường ô tô Thiết kế mặt đường ô tô bao gồm những khái niệm, bản chất và các phương pháp tính toán cường độ và độ ổn định của kết cấu tổng thể nền - mặt đường ô tô, các yêu cầu đối với môn học là: - Tìm hiểu các dạng phá hoại chủ yếu của kết cấu áo đường và mối liên hệ giữa các dạng phá hoại đó với các chỉ tiêu thiết kế - Xác lập các khái niệm cơ bản về lý thuyết, nguyên lý tính toán thiết kế kết cấu áo đường - Nắm chắc các nguyên tắc và cách ứng dụng để thiết kế bố trí kết cấu áo đường. Hiểu rõ và áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường hiện hành. Nắm được các phương pháp thiết kế kết cấu đường băng sân bay Phần 4: Khảo sát thiết kế đường ô tô Phần này bao gồm các kiến thức về công tác điều tra, khảo sát phục vụ thiết kế đường ô tô, các khái niệm và cách tính toán các chỉ tiêu đánh giá phương án thiết kế đường ô tô, các đặc điểm của khảo sát và thiết kế đường ô tô qua các vùng địa chất đặc biệt, các đặc điểm của thiết kế đường cao tốc. Tính chất của môn học như vậy nên khi nghiên cứu cần có một quan điểm tổng hợp, không chỉ nặng về tính toán mà còn quan tâm đến cấu tạo và các biện pháp thực hiện, không chỉ nặng về phân tích cơ học mà còn chú ý phân tích vật lý, tâm sinh lý của con người trên đường, không chỉ chú trọng kỹ thuật mà còn nghiên cứu xã hội học về người sử dụng đường, không chỉ để ý đến con đường mà còn ảnh hưởng của con đường tới môi trường và ngược lại. Luôn luôn đảm bảo cho 42
con đường phục vụ giao thông theo các chỉ tiêu chủ yếu : AN TOÀN - THUẬN LỢI – KINH TẾ. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 1. Các khái niệm về đường bộ và mạng lưới đường bộ. Tầm quan trọng của mạng lưới đường bộ trong đời sống xã hội. 2. Phân tích những đặc điểm của mạng lưới đường bộ Việt Nam hiện nay và những định hướng quy hoạch phát triển. 3. Các bộ phận của đường bộ. 4. Các khái niệm về giao thông và tổ chức giao thông đường bộ. 5. Phân loại đường và cấp hạng kỹ thuật đường bộ, những ảnh hưởng của nó đến sự hình thành mạng lưới đường quốc gia. 6. Các yêu cầu đối với thiết kế hình học đường. Phân tích những lý thuyết sử dụng trong thiết kế hình học đường. 7. Hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế đường bộ. 8. Các nội dung của môn học thiết kế đường bộ. 43
44
CHƯƠNG 2 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG 2.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG KHI XE CHẠY Chuyển động của ô tô trên đường là một chuyển động phức tạp - tịnh tiến trên đường thẳng, quay trên đường cong đứng, lượn trên đường cong nằm và dao động khi chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng. Tất cả những đặc điểm chuyển động đó hiện nay chưa vận dụng hết vào việc xác định các yếu tố tuyến đường, vì vậy trong thiết kế đường, người ta giả định là ô tô chuyển động không dao động trên mặt đường hoàn toàn phẳng, rắn và không biến dạng. Khi xe chạy trên đường động cơ phải tiêu hao năng lượng để khắc phục các lực cản trên đường. Các lực cản khi xe chạy bao gồm: sức cản lăn, sức cản không khí, sức cản quán tính và sức cản do dốc (Hình 2.1). Điều kiện để xe chạy được là lực kéo do động cơ sinh ra phải khắc phục được tất cả các lực cản : Pk ≥ ∑ Pcản . Pk Pw Pj Pi Pf Pf α Hình 2.1 Các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; Pw - Lực cản không khí Pi – Lực cản lên dốc; Pj – Lực cản quán tính 2.1.1 LỰC CẢN 2.1.1.1 Lực cản lăn Pf: Khi xe chạy, tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện lực cản lăn. Lực này ngược chiều chuyển động của xe, cản trở sự chuyển động của ô tô. Lực cản lăn sinh ra là do ma sát giữa bánh xe với mặt đường, sinh ra do biến dạng của lốp xe và biến dạng của mặt đường, do xe bị xung kích và chấn động trên mặt đường không bằng phẳng và do ma sát trong các ổ trục của xe khi xe chạy. 45
Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn trên tất cả các bánh xe Pf tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) của ô tô: Pf = f.G (kG) (2.1) 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 2.1). (Thường lấy f=0,02 khi tính toán thiết kế các yếu tố hình học đường). Bảng 2.1 Hệ số lực cản lăn f phụ thuộc loại mặt đường Loại mặt đường H ệ số f Loại mặt đường H ệ số f + Bê tông xi măng 0,01 – 0,02 + Lát đá 0,04 – 0,05 và bê tông nhựa + Đất khô và bằng 0,04 – 0,05 + Đá dăm đen 0,02 – 0,025 phẳng 0,07 – 0,15 + Đá dăm 0,03 – 0,05 + Đất ẩm và không bằng phẳng 0,15 – 0,30 + Đất cát rời rạc Thực nghiệm thấy rằng dưới tốc độ 50Km/h hệ số cản lăn thực tế không thay đổi, còn trong khoảng tốc độ 50-150Km/h tăng theo công thức sau: fv = f.[1+0,01(V-50)]; với vận tốc tính bằng Km/h. Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ số cản lăn với vận tốc của ô tô và áp suất lốp xe 2.1.1.2 Lực cản do không khí Pw Khi xe chạy, lực cản không khí gây ra do phản lực của khối không khí phía trước, do ma sát của thành xe với không khí hai bên và do khoảng chân không phía sau ô tô hút lại. Theo khí động học, lực cản không khí khi không có gió được xác định theo công thức: 46