Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 6

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

Thêm vào BST

Báo xấu

692
lượt xem 133
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 1. Bình đồ tuyến, những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ 2. Những nguyên tắc cơ bản khi vạch tuyến, định tuyến 3. Thiết kế các đoạn tuyến nằm trên đường thẳng 4. Phân tích đặc điểm của sự chuyển động của ô tô trong đường cong tròn 5. Lực ngang và lựa chọn hệ số lực ngang tính toán trong thiết kế đường ô tô 6. Siêu cao, tác dụng và các phương pháp nâng siêu cao. Trình tự tính toán đoạn nối siêu cao. ...

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 6

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 1. Bình đồ tuyến, những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ 2. Những nguyên tắc cơ bản khi vạch tuyến, định tuyến 3. Thiết kế các đoạn tuyến nằm trên đường thẳng 4. Phân tích đặc điểm của sự chuyển động của ô tô trong đường cong tròn 5. Lực ngang và lựa chọn hệ số lực ngang tính toán trong thiết kế đường ô tô 6. Siêu cao, tác dụng và các phương pháp nâng siêu cao. Trình tự tính toán đoạn nối siêu cao. 7. Mở rộng phần xe chạy trong đường cong tròn, bố trí đoạn nối mở rộng. 8. Nguyên tắc lựa chọn bán kính đường cong tròn. 9. Sự nối tiếp giữa các đường cong tròn 10. Đường cong chuyển tiếp: Tác dụng, dạng hình học, các dạng nối tiếp, tính toán và bố trí. 11. Đảm bảo tầm nhìn trên đường cong nằm, các phương pháp xác định phạm vi cần phá bỏ trong đường cong nằm 12. Đánh giá mức độ an toàn khi thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô. 127
128
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ TRẮC DỌC VÀ TRẮC NGANG 4.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ DỐC DỌC CỦA ĐƯỜNG 4.1.1 Xác định độ dốc dọc của đường – Bài toán kinh tế-kỹ thuật Trong thiết kế đường ô tô, việc định tiêu chuẩn độ dốc dọc phải được tính toán dựa trên nguyên tắc tổng chi phí xây dựng và vận doanh là nhỏ nhất, phải xét một cách tổng hợp những ảnh hưởng của độ dốc tới giá thành xây dựng đường và tới các chỉ tiêu khai thác vận tải như tốc độ xe chạy, mức tiêu hao nhiên liệu, tận dụng sức chở của ô tô, … Độ dốc dọc của đường có ảnh hưởng tới giá thành xây dựng và chủ yếu là đối với khối lượng công tác nền đường. Độ dốc dọc càng lớn, chiều dài tuyến đường ở vùng đồi và núi càng rút ngắn, khối lượng đào đắp càng giảm, giá thành xây dựng do đó cũng hạ thấp. Ngược lại, khi độ dốc dọc càng lớn thì xe chạy càng lâu, tốc độ xe chạy càng thấp, tiêu hao nhiên liệu càng lớn, hao mòn săm lốp càng nhiều tức là giá thành vận tải càng cao. Mặt khác, khi độ dốc dọc lớn thì mặt đường càng nhanh hao mòn (do lốp xe và nước mưa bào mòn), rãnh dọc mau hư hỏng, công tác duy tu bảo dưỡng càng nhiều. Tức là khi độ dốc càng lớn thì chi phí vận doanh càng tốn kém, lưu lượng xe chạy càng nhiều thì chi phí này càng tăng. Độ dốc dọc tối ưu là độ dốc ứng với tổng chi phí xây dựng và khai thác là nhỏ nhất. Đường quan hệ độ dốc dọc – chi phí Chi phÝ C : Chi phí xây dựng E : Chi phí vận doanh Σ : Tổng chi phí xây dựng và vận doanh Σ C E Độ dốc dọc iopt được xác định căn cứ vào địa hình, dòng xe, khả năng xây dựng, khả năng duy tu bảo dưỡng, tổng kết các kinh nghiệm,... i (%) iopt Hình 4.1 Quan hệ độ dốc dọc i (%) và chi phí 129
4.1.2 Quy định khi xác định độ dốc và chiều dài đoạn dốc: Tiêu chuẩn thiết kế đường hiện hành TCVN 4054-05 [1], quy định về độ dốc và chiều dài đoạn dốc như sau: - Độ dốc dọc lớn nhất imax : Tuỳ theo cấp hạng đường, độ dốc dọc tối đa được quy định trong bảng 1.14 và bảng 4.1. Khi gặp khó khăn có thể đề nghị tăng lên 1% nhưng độ dốc dọc lớn nhất không vượt quá 11%. Đường nằm trên cao độ 2000m so với mực nước biển không được làm dốc quá 8%. Bảng 4.1 Độ dốc dọc lớn nhất các cấp đường [1] Cấp hạng I II III IV V VI Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Địa hình Núi Núi bằng, Núi bằng, Núi bằng, bằng, bằng bằng đồi đồi đồi đồi Độ dốc dọc lớn 3 4 5 7 6 8 7 10 9 11 nhất % - Đường đi qua khu dân cư, đường có nhiều xe thô sơ chạy : không nên làm dốc dọc quá 4%. - Dốc dọc trong hầm : không dốc quá 4% và không nhỏ quá 0,3% (thoát nước). - Trong đường đào : để đảm bảo thoát nước và rãnh dọc không phải đào quá sâu thì độ dốc dọc tối thiểu là 0,5% (Khi khó khăn là 0,3% và đoạn dốc này không kéo dài quá 50m). - Độ dốc nên dùng : không nên lớn hơn 3% để nâng cao chất lượng vận tải, khi trên đường có nhiều xe nặng, xe kéo moóc chạy thì phải căn cứ vào tính toán đặc tính động lực theo lực kéo để xác định imax Bảng 4.2 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m)[1] Vtt (km/h) 20 30 40 60 80 100 120 Độ dốc (%) 4 1200 1100 1100 1000 900 800 - 5 1000 900 900 800 700 - - 6 800 700 700 600 - - - 7 700 600 600 500 - - - 8 600 500 500 - - - - 9 400 400 - - - - - 10 và 11 300 - - - - - - - Chiều dài đoạn dốc lớn nhất lmax : Chiều dài đoạn có dốc dọc không được quá dài, khi vượt quá quy định trong bảng 4.2 phải có các đoạn chêm dốc 2,5% và có 130
chiều dài đủ bố trí đường cong đứng (tối thiểu 50m). Các đoạn chêm còn làm chỗ tránh xe cho đường có 1 làn xe Đối với đường vùng núi, dốc lớn quanh co hiểm trở có thể bố trí đường cứu nạn theo 22TCN 218-94 Bảng 4.3 Chiều dài dốc tối đa với các độ dốc khác nhau trên đường cao tốc[2] Độ dốc dọc Chiều dài dốc tối đa (m) % Cấp 120 Cấp 100 Cấp 80 Cấp 60 2 1500 - - - 3 800 1000 - - 4 600 800 900 1000 5 - 600 700 800 6 - - 500 600 - Chiều dài đoạn dốc nhỏ nhất lmin : Chiều dài tối thiểu đoạn đổi dốc phải đủ để bố trí đường cong đứng và không nhỏ hơn các quy định ở bảng 4.3 Bảng 4.4 Chiều dài tối thiểu đoạn đổi dốc [1] Tốc độ thiết kế, km/h 120 100 80 60 40 30 20 Chiều dài tối thiểu đổi 200 150 120 100 60 300 250 dốc, m (150) (100) (70) (60) (50) Ghi chú : Trị số trong ngoặc được dùng cho các đường cải tạo nâng cấp khi khối lượng bù vênh mặt đường lớn. Đối với đường cao tốc chiều dài dốc tối thiểu là 300m, 250m, 200m, 150m tương ứng với các cấp 120, 100, 80, 60 và phải đủ bố trí chiều dài đường cong đứng. 4.1.3 Chiết giảm độ dốc dọc trong đường cong bằng có bán kính nhỏ: Trong đường cong bằng có bán kính nhỏ, độ dốc dọc thực tế sẽ tăng lên, bởi vì: - Trong đường cong có bố trí siêu cao, tổng hình học của độ dốc siêu cao và độ dốc dọc sẽ lớn hơn độ dốc dự định áp dụng Ihîp thµnh Id - Cùng khắc phục độ chênh cao độ nhưng chiều dài ở bụng đường cong ngắn hơn ở tim đường nên độ dốc dọc ở mép trong sẽ lớn hơn độ dốc dọc tim đường Bảng 4.5 quy định chiết giảm độ dốc dọc trong các đường Isc cong có bán kính nhỏ Như vậy độ dốc dọc tối đa có thể áp dụng trong các đường cong có bán kính R≤50m là : Iad-max = Imax – Icg , (%) Bảng 4.5 Lượng chiết giảm dốc dọc trong đường cong nằm có bán kính nhỏ [1] Bán kính cong nằm, m 20 - 25 25 - 30 30 - 35 35 - 50 Dốc dọc phải chiết giảm, Icg ,% 2,5 2 1,5 1 131
4.2 ĐƯỜNG CONG ĐỨNG. Lâm Låi Để đảm bảo tầm nhìn tính toán, trắc dọc lượn đều không gãy khúc, - i2 + i2 xe chạy an toàn êm thuận, ở những - i1 + i1 chỗ đổi dốc trên trắc dọc phải thiết + i2 kế đường cong đứng lồi hoặc lõm + i2 dạng đường cong tròn hoặc parabol bậc 2. + i1 Điều kiện bố trí đường cong đứng: + i1 Khi hiệu đại số tuyệt đối giữa 2 độ dốc - i1 - i1 Δi = /i1-i2/ ≥ 1% khi Vtt ≥ 60 km/h - i2 ≥ 2% khi Vtt < 60 km/h - i2 phải nối tiếp bằng các đường cong đứng . Chú ý : dấu của i là dấu đại số, lên dốc mang dấu “+” xuống dốc mang dấu “-“ 4.2.1 Xác định bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi được xác định từ điều kiện đảm tầm nhìn của người lái xe trên trắc dọc (Hình 4.2). Theo hình vẽ ta có tam giác vuông S ABD có AC là đường cao thuộc l1 l2 cạnh huyền : B 2 d1 d2 AC = BC.CD C A vì độ dốc dọc của đường i rất nhỏ, R bán kính đường cong đứng R rất lớn so với d1 và d2 nên có thể xem: AC ≈ l1; BC ≈ d1; CD ≈ 2R - d1 ≈ 2R 0 Với d1 và d2 là chiều cao tầm mắt của người lái xe đến mặt đường, m. Do đó ta có: l1 = 2R.d 1 D Hình 4.2 Sơ đồ tính toán bán kính đường cong đứng lồi Tương tự ta cũng có: 132
l 2 = 2R.d 2 Do đó: ( ) S = l1 + l 2 = d1 + d 2 2R S2 R min = Từ đó suy ra: (4.1) ,m ( ) 2 d1 + d 2 2 - Khi hai ô tô cùng loại gặp nhau, ta có d1 = d2 = d; S= S2 (tầm nhìn hai chiều), do đó: S2 2 R min = (4.2) ,m 8d - Đối với trường hợp đảm bảo tầm nhìn một chiều thì: d2 = 0; S = S1 (tầm nhìn một chiều), do đó: S12 R min = (4.3) ,m 2d 4.2.2 Xác định bán kính tối thiểu của đường cong đứng lõm: Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lõm được xác định từ điều kiện đảm bảo không gây khó chịu đối với hành khách và vượt tải chịu được của lò xo ô tô bởi lực ly tâm (Hình 4.3). Gọi b là gia tốc ly tâm cho phép, theo [1,2] thì b = 0,5–0,7m/s2, ta có: v2 v2 b= ⇒ R min = v – tốc độ xe chạy, m/s. ; R b Hình 4.3 Sơ đồ xác định bán kính đường cong đứng lõm Nếu V tính bằng km/h và b = 0,5m/s2 thì: V2 R min = (4.4) ,m 6,5 * Xác định bán kính đường cong đứng lõm theo điều kiện tầm nhìn ban đêm Về ban đêm pha đèn của ô tô chiếu được trong đường cong đứng lõm một chiều dài nhỏ hơn so với trong đường thẳng. 133
Gọi hp là chiều cao của pha đèn ( hp =0,75 m đối với xe con). α là góc mở rộng của pha đèn. ( thường α=10). Thì S12 ≈ 2.R.(hp+S1.sinα) 2 S1 ⇒R= (4.5) 2.(h p + S1 .sin α) với S1 là tầm nhìn một chiều yêu cầu 4.2.3 Lựa chọn bán kính đường cong đứng Trong thiết kế trắc dọc việc lựa chọn bán kính đường cong đứng nhằm tạo điều kiện tốt cho xe chạy đảm bảo an toàn êm thuận, mặt khác đường cong đứng phải bám sát địa hình để đảm bảo cho khối lượng công trình ít và công trình ổn định lâu dài, vì vậy công việc lựa chọn bán kính đường cong đứng phải thoả mãn hai điều kiện trên, trong trường hợp không tránh được mới vận dụng các giới hạn tính toán theo công thức trên. Bán kính đường cong đứng chọn cho bao tốt với địa hình, tạo thuận lợi cho xe chạy và mỹ quan cho đường nhưng không nhỏ hơn các trị ghi trong bảng 4.6, 4.7. Bảng 4.6 Bán kính tối thiểu của đường cong đứng lồi và lõm [1] Tốc độ thiết kế, km/h 120 100 80 60 40 30 20 Bán kính đường cong đứng lồi, m Tối thiểu giới hạn 11000 6000 4000 2500 700 400 200 Tối thiểu thông thường 17000 10000 5000 4000 1000 600 200 Bán kính đường cong đứng lõm, m Tối thiểu giới hạn 4000 3000 2000 1000 450 250 100 Tối thiểu thông thường 6000 5000 3000 1500 700 400 200 Chiều dài đường cong đứng tối 100 85 70 50 35 25 20 thiểu, m Bảng 4.7 Bán kính và chiều dài tối thiểu của đường cong đứng trên đường cao tốc [2] Các chỉ tiêu Cấp 120 Cấp 100 Cấp 80 Cấp 60 Bán kính đường Tối thiểu, (m) 12000 6000 3000 1500 cong đứng lồi Tối thiểu thông 17000 10000 4500 2000 thường, (m) (20000) (16000) (12000) (9000) Bán kính đường Tối thiểu, (m) 5000 3000 2000 1000 cong lõm Tối thiểu thông 6000 4500 3000 1500 thường, (m) (12000) (10000) (8000) (6000) Chiều dài đường cong đứng tối 100 85 70 50 thiểu, (m) Ghi chú : Các trị số trong ngoặc ở bảng 4.7 là các trị số bán kính đường cong đứng đạt yêu cầu về thu nhận thị giác và khi có điều kiện thì nên thiết kế đường cong đứng với bán kính đó. 134
4.3 TÍNH TOÁN VÀ CẮM ĐƯỜNG CONG ĐỨNG 4.3.1 Các công thức tính toán cơ bản Vì các độ dốc i1 và i2 rất nhỏ nên ta có các công thức ω = Δi = /i1-i2/ (4.6) Chiều dài đường cong đứng K≈ R.ω=R.Δi (4.7) Tiếp tuyến đường cong đứng K R.Δi T= = (4.8) 2 2 Xác định toạ độ các điểm trên đường cong đứng: Vì các góc φ và ω rất nhỏ nên: D ω T T B d P x y E K ϕ C TD TC i1 i2 R ϕ ω O Hình 4.4 Sơ đồ tính toán đường cong đứng x2 1 1 1 1x BC = x. sin ϕ ≈ x. tan ϕ = x. ⇒ y = ± y = BE = (4.9) 2 2 2 2R 2R T2 K2 Phân cự d khi x=T là d = = (4.10) 2 R 8R 135
x2 Phương trình y = ± là cơ sở để tính toán đường cong đứng, dấu “+” với 2R đường cong đứng lõm, dấu “-“ với đường cong đứng lồi 4.3.2 Trình tự tính toán và cắm đường cong đứng Các công thức từ (4.6) đến (4.10) và hình 4.5 là cơ sở tính toán và cắm đường cong đứng. 1. Xác định vị trí cọc (đỉnh) của đường cong đứng : Thường đỉnh đường cong đứng rơi vào các vị trí cọc, nếu không thì phải chêm cọc và cũng dễ dàng xác định được đỉnh giao của 2 đường thẳng có độ dốc i1 và i2 2. Từ (4.6), (4.7) và (4.8) xác định được chiều dài K và tiếp tuyến T của đường cong đứng. Từ các giá trị T, đo sang 2 bên đỉnh theo phương ngang sẽ xác định được điểm bắt đầu (TD) và điểm kết thúc (TC) của đường cong đứng . K x D ω T T HT d P y HTK TD TC yE i1 i2 x R ω O Hình 4.5 Sơ đồ tính toán đường cong đứng 3. Xác định phân cự d theo (4.10) , xác định điểm giữa P của đường cong đứng 4. Tính toán nhánh 1 đường cong đứng : - Dùng TD làm gốc toạ độ, trục x nằm ngang, trục y thẳng đứng 136
- Xác định các cọc rơi vào phạm vi nhánh 1 và khoảng cách x của chúng x2 Tính toán tung độ y của các cọc theo công thức y = ± - 2R - Tính toán cao độ thiết kế các cọc HTK = HT + y Trong đó HT là cao độ theo đường tang - Tính toán cao độ đào đắp : h=HTK-HTN 5. Tính toán nhánh 2 đường cong đứng : Tương tự, với TC là gốc toạ độ, trục x hướng sang trái, trục y thẳng đứng 6. Ghi các cao độ thiết kế lên trắc dọc: Trong phạm vi đường cong đứng bao giờ cũng phải ghi 2 cao độ: Cao độ HT và cao độ HTK Các quan hệ và trình tự tính toán trên được lập với giả thiết chiều dài tiếp tuyến, chiều dài cung, chiều dây cung là hầu như bằng nhau. Giả thiết này hoàn toàn có thể chấp nhận được khi tính toán các yếu tố đường cong đứng vì góc ngoặt tại đỉnh đường cong đứng Δi rất nhỏ. 4.4 NHỮNG YÊU CẦU VÀ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI THIẾT KẾ TRẮC DỌC. 4.4.1 Các yêu cầu và nguyên tắc cơ bản khi thiết kế trắc dọc Thiết kế đường đỏ hay thiết kế trắc dọc là xác định vị trí của mặt đường trên trắc dọc so với mặt đất tự nhiên. Khi thiết kế đường đỏ cần tuân theo các yêu cầu và nguyên tắc sau đây: - Trắc dọc có ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu khai thác của đường như tốc độ xe chạy, khả năng thông xe, tiêu hao nhiên liệu và an toàn giao thông,… có ảnh hưởng lớn đến khối lượng công tác và giá thành xây dựng, do đó khi thiết kế đường đỏ phải đảm bảo tuyến lượn đều, ít thay đổi dốc, nên dùng độ dốc bé. Chỉ ở những nơi địa hình khó khăn mới sử dụng các tiêu chuẩn giới hạn như imax, imin, Lmax, Lmin, Rmin, Kmin,...Khi thiết kế trắc dọc cần phối hợp chặt trẽ thiết kế bình đồ, trắc ngang, phối hợp giữa đường cong nằm và đường cong đứng, phối hợp tuyến với cảnh quan đảm bảo đường không bị gẫy khúc, rõ ràng và hài hoà về mặt thị giác, chất lượng khai thác của đường như tốc độ xe chạy, năng lực thông xe, an toàn xe chạy cao, chi phí nhiên liệu giảm. - Đảm bảo cao độ các điểm khống chế theo suốt dọc tuyến đường - Đảm bảo thoát nước tốt từ nền đường và khu vực hai bên đường. Cần tìm cách nâng cao tim đường so với mặt đất tự nhiên vì nền đường đắp có chế độ thủy nhiệt tốt hơn so với nền đường đào. Chỉ sử dụng nền đường đào ở những đoạn tuyến khó khăn như qua vùng đồi núi, sườn dốc lớn,… 137
- Độ dốc dọc tại các đoạn nền đường đào hoặc đắp thấp (cần phải làm rãnh dọc) không được thiết kế nhỏ hơn 0,5% (cá biệt là 0,3%) để đảm bảo thoát nước tốt từ rãnh dọc và lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát. - Khi thiết kế đường đỏ cần chú ý đến điều kiện thi công. Hiện nay chủ yếu thi công bằng cơ giới nên trắc dọc đổi dốc lắt nhắt sẽ không thuận lợi cho thi công, cho duy tu bảo dưỡng và khai thác đường - Trắc dọc trên những công trình vượt qua dòng nước cần thiết kế sao cho đảm bảo cao độ, độ dốc, chiều dài đoạn dốc, các đường cong nối dốc hợp lý đảm bảo thoát nước tốt và ổn định chung của toàn công trình 4.4.2 Xác định các điểm khống chế khi thiết kế đường đỏ - ảnh hưởng của điều kiện địa hình khi thiết kế trắc dọc. 4.4.2.1 Xác định các điểm khống chế khi thiết kế đường đỏ: Các điểm khống chế là các điểm ở đó cao độ của nền đường đã được xác định. Có hai loại điểm khống chế: loại đã được xác định chính xác như cao độ của nền đường ở những chỗ giao nhau cùng mức với đường sắt, với các đường ô tô khác. Các điểm khống chế khác được xác định theo trị số chiều cao đắp tối thiểu so với mặt đất tự nhiên như cao độ mặt cầu, cao độ nền đắp tại khu vực ngập nước, cao độ nền đắp trên cống,… Cao độ đường đỏ tại những điểm khống chế được quy định như sau: - Cao độ thiết kế mép nền đường ở những đoạn ven sông, đầu cầu nhỏ, cống, các đoạn qua các cánh đồng ngập nước phải cao hơn mức nước ngập theo tần suất tính toán (có xét đến mức nước dềnh và chiều cao sóng vỗ) ít nhất là 0,5. Tần suất thiết kế nền đường được quy định : + Đường cao tốc : 1% + Đường cấp I, II : 2% + Đường các cấp khác : 4% - Cao độ nền đường đáp tại vị trí cống tròn phải đảm bảo chiều cao đất đắp tối thiểu là 0,5m để cống không bị vỡ do lực va đập của lốp xe ô tô. Khi chiều dầy áo đường dầy hơn 0,5 m, độ chênh cao này phải đủ để thi công được chiều dầy áo đường.. Nếu không thỏa mãn yêu cầu trên thì dùng cống chịu lực như cống bản, cống hộp,… - Cao độ đáy áo đường phải cao hơn mực nước ngầm tính toán (hay mực nước đọng thường xuyên) một trị số cao độ ghi trong bảng 4.8 - Cao độ đường đỏ tại vị trí cầu được quy định như sau (Hình 4.6): 138
Hmc k MNTK t Hình 4.6 Sơ đồ xác định cao độ đường đỏ tại vị trí cầu Hmc ≥ MNTK + t + k, m (4.11) trong đó: MNTK – mức nước thiết kế; t – tĩnh không dưới cầu; + nếu sông có thông thuyền thì lấy bằng khổ thông thuyền; + nếu sông có cây trôi thì lấy bằng khoảng cách cây trôi; k – chiều cao cấu tạo của cầu (gồm chiều cao dầm cầu, bản mặt cầu, chiều dày mặt đường). Bảng 4.8 Chiều cao tối thiểu tính từ mực nước ngầm tính toán (hoặc mức nước đọng thường xuyên) tới đáy áo đường Số ngày liên tục duy trì mức Loại đất đắp nền đường nước trong 1 năm Trên 20 ngày Dưới 20 ngày Cát bụi, cát nhỏ, cát pha sét nhẹ. 50 30 Cát bột, cát pha sét nặng 70 40 Cát pha sét bụi 120 – 80 50 Sét pha cát bột, sét pha cát nặng, sét béo, sét nặng 100 – 120 40 4.4.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện địa hình khi thiết kế trắc dọc. Có 2 phương pháp thiết kế là thiết kế theo phương pháp đường bao và thiết kế theo phương pháp đường cắt, việc áp dụng phương pháp nào sẽ tuỳ thuộc vào từng loại địa hình. - Vùng đồi và vùng núi : ở những vùng này thông thường độ dốc địa hình thường lớn hơn độ dốc lớn nhất cho phép đối với đường, vì vậy nối chung là thiết kế theo phương pháp hình cắt, tức là đường đỏ đi cắt đường mặt đất tự nhiên và tạo thành những đoạn đào đắp xen kẽ. Trong trường hợp này cần cân bằng giữa đào và đắp để tận dụng vận chuyển dọc, lấy đất từ nền đào chuyển sang nền đắp. Khi thiết kế cũng cần tránh để tạo thành những đoạn đường đào luôn bị ẩm ướt (nền đào cắt ngang mực nước ngầm), dễ bị sụt lở và do đó phải sử dụng các công trình chặn nước ngầm hoặc gia cố mái ta luy đắt tiền. 139
Để đảm bảo nền đường ổn định, hạn chế sử dụng tường chắn đất, tốt nhất dùng dạng đường đào có mặt cắt ngang chữ L. Phương pháp này thường dùng cho đường cấp cao. - Địa hình tương đối thoải của vùng đồi và vùng núi, đường đỏ được thiết kế theo phương pháp hình bao. Ngoài ra phương pháp này còn dùng thiết kế đường cải tạo nâng cấp, đường cấp thấp. 4.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TRẮC DỌC ĐƯỜNG ÔTÔ Thiết kế trắc dọc đường ô tô tức là vạch đường đỏ (đường nối các cao độ thi công) trên mặt cắt dọc địa hình tự nhiên vẽ theo trục đường. Đường đỏ thiết kế vạch khác nhau thì độ cao thi công ở các điểm (các cọc) cũng khác nhau, dẫn đến khối lượng đào đắp khác nhau và giải pháp kỹ thuật thiết kế các công trình chống đỡ và các công trình cầu cống cũng có thể khác nhau. Vì thế khi thiết kế đường đỏ, ngoài việc cần bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật đối với các yếu tố trắc dọc quy định trong quy phạm thiết kế (nhằm bảo đảm xe chạy an toàn, êm thuận) còn cần phải chú ý cải thiện hơn nữa điều kiện chạy xe và chất lượng vận doanh, cũng như phải cố gắng đạt tới phương án rẻ nhất về tổng chi phí xây dựng và vận doanh, khai thác. Để đạt được tối ưu về kinh tế-kỹ thuật như vậy trong quá trình thiết kế cần chú ý cân nhắc kỹ khi bố trí từng mỗi đoạn dốc, mỗi đường cong đứng ở chỗ đổi dốc. Chú ý phối hợp các yếu tố bình đồ, trắc ngang với các rặng cây trông dọc theo tuyến… để tạo được sự phối hợp không gian đều đặn, chú ý thiết kế tạo thuận lợi cho các công trình nền mặt đường. Công trình chống đỡ và thoát nước (bảo đảm thoát nước nhanh và thoát hết nước mặt, bảo đảm chiều cao đắp trên mực nước ngập và chế độ thuỷ nhiệt thuận lợi, bảo đảm chiều cao đắp trên nền cống),. Chú ý tạo thuận lợi cho quá trình thi công (thuận lợi cho máy làm việc đạt năng suất cao…). Tương tự như đối với bình đồ tuyến, việc thiết kế trắc dọc liên quan và có ảnh hưởng đến hầu hết các yếu tố và các công trình khác trên đường vì thế không thể dễ dàng biết và đánh giá một phương án đường đỏ vạch thế nào là hợp lý, là đạt yêu cầu. Điều này gây lúng túng cho những người mới bắt tay vào công việc thiết kế và còn thiếu kinh nghiệm. Do đó để giảm bớt số phương án phải đưa ra so sánh, ngay từ đầu cần có phương án trắc dọc đảm bảo gạt bỏ được các phương án không hợp lý cũng như bảo đảm chủ động vạch được đường đỏ có cơ sở kinh tế- kỹ thuật nhất định. Một phương pháp thiết kế như vậy có thể tiến hành theo trình tự sau: 1. Trước hết cần nghiên cứu xác định độ cao khống chế và độ cao mong muốn (cũng gọi là các điểm khống chế và các điểm mong muốn) ở mỗi điểm (hay mỗi cọc chi tiết) trên mặt cắt dọc địa hình tự nhiên. 140
Hình 4.7 Điểm mong muốn trên trắc ngang và kẻ đường đỏ xuyên qua tập hợp các điểm mong muốn trên trắc dọc. Độ cao không chế hay điểm khống chế là những điểm đường đỏ thiết kế bắt buộc phải phải đi qua theo yêu cầu nhiệm vụ thiết kế (điểm đầu, điểm cuối, điểm qua các thành phố, thị trấn…) hoặc bắt buộc phải đi qua để đảm bảo các yêu cầu của công trình khác trên đường (cao độ đắp trên cống, trên mực nước ngầm, cao độ vào cầu, khống chế do mực nước dâng và chiều cao sóng…) hoặc bắt buộc phải đi qua do cắt nhau với các công trình khác (chỗ giao nhau với đường sắt, đường bộ khác), chỗ đi men theo vành hồ thuỷ lợi, thuỷ điện..). Để xác định các cao độ khống chế nói trên cần điều tra thu thập số liệu ngoài thực địa và ở các cơ quan quản lý các công trình có liên quan (ví dụ quy hoạch san nền thị trấn và thành phố tuyến đi qua…) Đồng thời phải nghiên cứu quy trình quy phạm, định hình thiết kế cũng như phải tiến hành tính toán về thuỷ văn (tại các công trình cầu, cống). Độ cao mong muốn hay điểm mong muốn là những điểm tuy không bắt buộc, nhưng đường đỏ thiết kế nên đi qua để bảo đảm một yêu cầu nào đó (hay một quan điểm thiết kế nào đó) về kỹ thuật, kinh tế hoặc về điều kiện thi công. Để xác định các điểm mong muốn cần tiến hành phân tích trên từng trắc ngang tương ứng với từng cọc chi tiết để cắm và đo vẽ trên thực địa, hoặc tương ứng 141
với từng đoạn tuyến có mặt cắt ngang giống nhau (ví dụ đoạn tuyến đi trên sườn núi có độ dốc ngang ít thay đổi) trên mỗi trắc ngang sẽ tiến hành thiết kế thử nền đường và công trình. Đồng thời tính toán phân tích kinh tế kỹ thuật các phương án có chiều sâu đào và chiều sâu đắp khác nhau để rút ra các phương án hợp lý hoặc tốt nhất tại vị trí đó. Độ cao thiết kế nền đường tương ứng với phương án hợp lý hoặc tốt nhất chính là độ cao mong muốn (điểm mong muốn) tuỳ theo quan điểm chủ đạo, khi thiết kế có thể xác định vị trí điểm mong muốn trên trắc dọc theo một trong các cách dưới đây: - Xuất phát từ việc xác định chiều cao đào đắp kinh tế hay vị trí đạt trục đường rẻ nhất tương ứng với mỗi trắc ngang . Theo quan điểm này, người thiết kế cho vị trí đặt tuyến thay đổi và tương ứng tính được khối lượng đào đắp và khối lượng xây dựng công trình chống đỡ (nếu có) và giá thành các công trình chống đỡ. Theo kinh nghiệm phân tích so sánh đối với trường hợp tuyến đi sườn núi ở nước ta thì thông thường khi độ dốc ngang sườn núi 50% thì nên dùng giải pháp đào nền đường vừa đủ (nền đường chữ L) là rẻ nhất. Khi độ dốc ngang từ 30-50%thì nên thiên về đào hơn đắp. Kinh nghiệm này có thể vận dụng trong thiết kế trắc dọc sơ bộ. Đối với các tuyến đường vùng đồng bằng giải pháp chính là đắp nền đường. Chiều cao đắp kinh tế nhất trong trường hợp này có thể xác định theo quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường, trên cơ sở phân tích tính toán quan hệ giữa chế độ thuỷ nhiệt với cường độ của đất nền đường (thay đổi tuỳ thuộc vào sự phân bổ độ ẩm trong nền đường). - Xuất phát từ quan điểm tạo thuận lợi cho việc xây dựng đường hoặc thoả mãn các yêu cầu hay hạn chế về mặt thi công. Chẳng hạn tuyến đi sườn núi, những người khảo sát thiết kế đường ở nước ta thương có quan điểm thiết kế thiên về nền đào, nghĩa là cố gắng vạch đường đỏ sao cho bảo đảm được điều kiện tạo được nền đào vừa đủ (nền đường chữ L) để tránh giải pháp xây tường chắn hoặc đắp một phần trên sườn dốc. Đối với vùng sườn núi dốc gắt thì quan điểm này cũng có nghĩa là thiết kế đường đỏ như thế nào để tránh được kè hoặc hạn chế tới mức thấp nhất việc xây dựng tường chắn để chống đỡ nền đường. Những người có quan điểm này cho rằng nền đào ở vùng núi là thuận lợi nhất cho máy thi công, tốc độ thi công sẽ nhanh vì không phải làm kè, không phải đắp thêm một phần trên sườn dốc, tiết kiệm được vật tư xây dựng đường là loại hiếm và phải chở từ xa đến (ximăng, sắt thép..), đồng thời nền đường sẽ bảo đảm ổn định. Tuy nhiên theo quan điểm này, trên thực tế thường dẫn tới chiều cao taluy đào khá cao và như vậy thì có thể dễ gây sụt lở ta luy (ta luy không đảm bảo ổn định). Do đó khi xác định điểm mong muốn trong trường hợp này, nên chú ý đảm bảo chiều cao ta luy đào không vượt quá chiều cao giới hạn bảo đảm ta luy ổn định về mặt cơ học. Để tính toán 142
kiểm tra nhanh, việc xác định chiều cao taluy giới hạn cùng với các loại đất đã biết chỉ tiêu cơ lý (c, ϕ, γ) có thể trực tiếp tra theo toán đồ. Khi thiết kế, cứ mỗi trắc ngang được áp thử Gabarit nền đường để đạt được yêu cầu đào đủ bề rộng nền đường. Kiểm tra nhanh chóng chiều cao ta luy và tương ứng tìm được chiều sâu đào mong muốn và xác định độ cao mong muốn. Ngoài ra để thuận lợi cho việc lấy đất khi thi công (không phải đào thùng đấu, khi tuyến đi qua vùng đất canh tác) có thể vạch đường đỏ theo quan điểm cân bằng khối lượng đào đắp (đoạn đào 2 bên vừa đủ để vận chuyển dọc đến đoạn đắp ở giữa). Vận dụng quan điểm này phù hợp hơn cả là khi tuyến đi qua vùng đồi. - Xác định điểm mong muốn xuất phát từ quan điểm thiết kế phối hợp không gian các yếu tố tuyến về mặt quang học. Lúc này, trên cơ sở dựng hình phối cảnh các đoạn tuyến, phát hiện các chỗ bị bóp méo hoặc không đảm bảo sự phối hợp đều đặn trên ảnh, từ đó thiết kế điều chỉnh trên ảnh và xác định được toạ độ mới của các điểm cần điều chỉnh đường thiết kế. Tung độ mới cần phải điều chỉnh là điểm mong muốn trên trắc dọc. 2. Sau khi xác định được điểm mong muốn và điểm khống chế ở các trắc ngang khác nhau, thiết kế ghi các điểm đó lên trắc dọc. Nhờ tập hợp các điểm mong muốn ghi được này, chúng ta đã biến những quan điểm thiết kế trừu tượng thành những dấu hiệu cụ thể chỉ dẫn cho việc vạch đường đỏ trên trắc dọc một cách chủ động. Lúc này việc vạch đường đỏ thiết kế cần cố gắng đạt được hai yêu cầu sau: - Bám sát tập hợp các điểm mong muốn và đi qua các điểm khống chế. - Thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật khác về bố trí các đoạn dốc (chiều dài dốc lớn nhất và nhỏ nhất) về độ dốc dọc lớn nhất và về các đường cong đứng ở điểm đổi dốc đồng thời thoả mãn vị trí tương hỗ giữa các đường cong đứng và đường cong nằm trên bình đồ theo quan điểm bảo đảm độ đều đặn không gian của tuyến cũng như bảo đảm điều kiện chạy xe an toàn. Hai yêu cầu này thường mẫu thuẫn với nhau, do đó khi vạch đường đỏ thiết kế phải nghiên cứu để giải quyết trước các mâu thuẫn này tại từng đoạn/vị trí cụ thể trên trắc dọc. Trong trường hợp không thể dung hoà được thì người thiết kế trước hết xem xét lại tuyến đã thiết kế (đã cắm) trên bình đồ, tức là vấn đề chỉnh tuyến để thoả mãn được nhiều nhất cả hai yêu cầu trên. Chỉ khi không thể chỉnh tuyến hoặc chỉnh tuyến cũng không mang lại hiệu quả thì mới cân nhắc để quyết định thiết kế nặng theo một yêu cầu nào đó. Việc thiết kế đường đỏ theo tập hợp các điểm mong muốn như trên (xem là các biến số) có thể giúp thiết kế vạch được một đường đỏ thoả mãn một mục tiêu hạn chế nhất định về mặt giá thành và điều kiện xây dựng đường (hàm mục tiêu) trong điều kiện đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường theo quy phạm thiết 143
kế (điều kiện bắt buộc). Mặc dù bảo đảm được các chỉ tiêu kỹ thuật tức là đã thoả mãn được các yêu cầu về mặt chất lượng vận doanh của tuyến ở một mức độ nào đó nhưng mô hình toán học của phương pháp thiết kế nói ở trên rõ ràng đã không thể hiện và đánh giá được chất lượng vận doanh một cách định lượng (cụ thể là hàm mục tiêu đã không xét được giá thành vận doanh và khai thác đường) đây chính là nhược điểm. Rõ ràng là với phương pháp thiết kế này có thể đảm bảo được điều kiện giá thành xây dựng nhỏ nhất (khi đường đỏ cố gắng bám sát các điểm mong muốn xác định, với quan điểm đó trong điều kiện vị trí tuyến ở bình đồ được xem là duy nhất không còn thay đổi được nữa). Nhưng không đảm bảo được tổng giá thành xây dựng và vận doanh, khai thác đường nhỏ nhất. Tuy nhiên kinh nghiệm thực tế cho thấy với cách thiết kế nói trên thường vẫn giúp cho việc thiết kế đường đỏ chủ động hơn, có căn cứ và hợp lý hơn-Nhất và hiện chưa có một phương pháp nào bảo đảm thiết kế tuyến (bao gồm cả bình đồ và trắc dọc tuyến) đạt tối ưu về xây dựng và khai thác. Hiện nay mới chỉ bảo đảm có thể so sánh kinh tế-kỹ thuật để chọn được phương án tốt nhất trong số các phương án đề cập tới. Nhưng hiện chưa có phương pháp nào bảo đảm không để lọt mất phương án có nghĩa là vẫn có thể có tình trạng phương án tối ưu không nằm trong các phương án đưa ra so sánh vì ta đã không phát hiện được nó. Về mặt vận doanh, khi vạch đường đỏ nên tránh các đoạn lên xuống dốc thay đổi thường xuyên, tránh vạch trắc dọc răng cưa mà nên dùng các đoạn dốc dài hoặc dùng các đường cong bằng bán kính lớn. Đặc biệt trong địa hình vượt đèo nên tránh thiết kế các đoạn dốc gây tổn thất cao độ. 4.6 PHƯƠNG PHÁP LẬP ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ XE CHẠY VÀ TÍNH THỜI GIAN XE CHẠY. Tốc độ và thời gian xe chạy là các chỉ tiêu rất quan trọng nói lên chất lượng sử dụng một tuyến đường. Tốc độ và thời gian xe chạy cũng cho phép xác định các chi phí vận tải, là chỉ tiêu quan trọng để làm bài toán so sánh kinh tế kỹ thuật khi chọn phương án. Ngoài ra, nó còn dùng cho việc lập kế hoạch chạy xe và tổ chức giao thông. 4.6.1 Lập đồ thị vận tốc xe chạy - Đồ thị tốc độ xe chạy được lập cho một vài loại xe đại diện cho thành phần xe chạy trên đường. - Đồ thị tốc độ xe chạy được vẽ trực tiếp trên trắc dọc, trục hoành trùng với trục ngang của trắc dọc và có cùng tỉ lệ, trục tung là tốc độ xe chạy vẽ với tỉ lệ 1cm=5-10km/h. - Đồ thị tốc độ xe chạy được vẽ cho cả chiều đi lẫn chiều về. - Trình tự lập đồ thị tốc độ xe chạy như sau: 144
1. Xác định tốc độ xe chạy trên từng đoạn dốc theo điều kiện cân bằng sức kéo. Tức là ứng với 1 đoạn dốc có độ dốc dọc id và có hệ số ma sát f tìm được nhân tố động lực D = f ± id, tra biểu đồ nhân tố động lực ứng với loại ô tô đang xét sẽ tìm được vận tốc v (Hình 4.8). 2. Xác định tốc độ hạn chế ở các điều kiện: + Đường cong nằm có bán kính bé: V = 127 R(μ + i sc ), km / h (4.12) V,km/h 60 50 Sgt Stt 40 Sgt 30 L, m 0 i1 i3 i2 Ñöôøng ñoû Hình 4.8 Biểu đồ tốc độ xe chạy từ đặc tính động lực của xe + Tại các đường cong đứng lồi có tầm nhìn hạn chế : Từ công thức tính bán kính đường cong đứng tính được S1 = 2dR tính ngược ra vận tốc Vhc. + Tại các đường cong đứng lõm V = 6,5R (km/h) + Tại những điểm gãy của trắc dọc mà không bố trí đường cong đứng, để đảm bảo không bị sóc mạnh, tốc độ cho phép được tính theo công thức kinh nghiệm: 26Pg V= (km/h) ; với P độ vượt tải của lò xo cho phép, P=0,05-0,15 ω + Tại các nơi có độ dốc lớn càng hạn chế tốc độ để đảm bảo an toàn giao thông. Bảng 4.9 Tốc độ hạn chế khi xuống dốc Độ dốc xuống (%) 0,11 0,09 0,07 0,06 0,05 0,04 Vhc (Km/h) 20-25 40 60 80 100 120 + Đoạn qua khu dân cư, các chỗ giao nhau : Theo các quy định hiện hành của luật giao thông đường bộ 145
+ Theo chất lượng mặt đường : Mặt đường cấp thấp B1 và B2 vận tốc Vhc=40- 60Km/h; mặt đường cấp cao A2 Vhc=80-100km/h; mặt đường cấp cao A1 không hạn chế. 3. Định tốc độ tối đa cho phép trên toàn tuyến. Tốc độ này do độ bằng phẳng mặt đường, bề rộng phần xe chạy, các trang thiết bị an toàn, loại xe... quyết định. 4. Dựa vào các trị số về tốc độ cân bằng và tốc độ hạn chế, vẽ đồ thị tốc độ xe chạy gồm những đoạn tốc độ đều. 5. Xác định đoạn chuyển tiếp giữa hai đoạn có tốc độ khác nhau, để nối các đoạn tốc độ đều đã có với nhau. Có hai trường hợp: + Chiều dài đoạn tăng tốc hay giảm tốc : xác định theo điều kiện về cân bằng sức kéo: V22 − V12 =± S t,g ,m (4.13) 254[D tb − (f ± i )] trong đó: V1 và V2 – tốc độ trước và sau khi tăng hoặc giảm tốc, km/h; Dtb – trị số trung bình nhân tố động lực tính ứng với V1 và V2 1 (D1 + D 2 ) D tb = (4.14) 2 Dấu trước biểu thức khi tăng tốc dùng dấu (+) và khi giảm tốc dùng dấu (-). + Trường hợp cần phải hãm xe: khi xe đang chạy với tốc độ cao, nhưng do điều kiện về đường xe phải giảm tốc độ để đảm bảo an toàn. Chiều dài đoạn đường hãm xe cần thiết: V12 − V22 Sh = k. ,m (4.15) 254(ϕ ± i ) Trường hợp chiều dài đoạn tăng hoặc giảm tốc tính được lớn hơn chiều dài thực tế để tốc độ đạt tới tốc độ cân bằng động lực thì phải dựa vào chiều dài đoạn đường thực tế để tính ngược lại tốc độ V2. 4.6.2 Vận tốc trung bình và thời gian xe chạy trung bình Trên các đoạn coi là đồng nhất có chiều dài li có tốc độ xe chạy ở đầu đoạn vi-1 và cuối đoạn vi . Ta có v i +vi −1 - Tốc độ trung bình : vitb = (4.16) 2 li - Thời gian xe chạy trung bình : t itb = vitb 146