CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ KẾT CẤU NỀN ÁO ĐƯỜNG

+ Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn: Ptt = 10 tấn

+ Áp lực tính toán tác dụng lên mặt đường: p = 0,6Mpa

+ Đường kính vệt bánh xe tương đương: D = 33cm

7.1.4 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu cho phần xe chạy và cho phần gia cố lề

7.1.4.1 Xác định lưu lượng trục xe tính toán

- Tổng số trục xe tính toán quy đổi trong một ngày đêm trên cả 2 chiều ở năm

đưa công trình vào khai thác 2015:

4,4



P

N = ∑ C1.C2 .N i .  i ÷

i =1

 Ptt 

0

tk



k



Trong đó:

+ Ni: Lưu lượng của loại xe i theo cả 2 chiều ở năm đưa công trình vào khai

thác (xe/ng.đ), Ni = N2015*ai

+ N2015 = 380 xhh/ngđ

+ ai: Thành phần % dòng xe

+ Pi: Tải trọng của trục xe i, chỉ tính những trục ≥2,5 tấn

+ Ptt: Tải trọng trục của loại xe tính toán, Ptt = 10 tấn

+ C1: Hệ số xét đến số trục trong một cụm trục, C1 = 1 + 1,2(m-1)

+ m: Số trục của cụm trục

+ C2: Hệ số xét đến số bánh trong 1 cụm bánh

Cụm bánh xe có 1 bánh C2 = 6,4

Cụm bánh xe có 2 bánh C2 = 1,0

Bảng 1.7.1: Bảng tính toán lưu lượng trục xe tính toán quy đổi năm 2015

Vị trí

Ptt

Loại xe

C1

C2

tp %

Ni

Pi (T)

Ntt

trục

(T)

Xe con

18

68.4

10

Trục

1

6.4

22

83.6

2.5

10

1.20

Xe tải nhẹ trước

Trục sau

1

1

22

83.6

5

10

3.96

Trục

1

6.4

30

114

3

10

3.65

Xe

tải

trước

trung

Trục sau

1

1

30

114

6.5

10

17.13

Trục

1

6.4

20

76

6

10

51.39

trước

Xe tải nặng

133.4

Trục sau

2.2

1

20

76

9.5

10

2

Trục

1

6.4

10

38

3.8

10

3.44

trước

Xe bus

Trục sau

1

1

10

38

6

10

4.01

218.2

Tổng số trục xe tính toán ở năm 2015 (trục/ngđ)

1

45



- Số trục xe tiêu chuẩn ở năm cuối thời gian thiết kế 2030 được tính theo công

N tkt = N tk0 .(1 + q)t (trục/ngày đêm)



thức:



- Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe và trên kết cấu lề gia cố:

+ Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe:

Ntt = Ntk.fl (trục/làn.ngày đêm)

Vì đường thiết kế có 2 làn xe và không có dải phân cách giữa nên fl = 0,55

+ Theo 22TCN 211-06 thì số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề

gia cố trong trường hợp phần xe chạy có 2 làn và không có dải phân cách giữa thì

lấy bằng 35 ÷ 50% số trục xe tính toán của làn xe cơ giới

Nlềt = 0,5 × Nttt (trục/làn.ngày đêm)

- Kết quả tính toán được thể hiện ở bảng 1.7.2

Bảng 1.7.2: Bảng tính toán số trục xe tiêu chuẩn tại năm thứ 15

Trục xe tiêu chuẩn ở năm cuối thời kỳ khai thác

Trục xe tính toán ở

Nă

Ntkt=Ntk0(1+q)t (trục/ng.đ)

năm đầu tiên

Nttt=Ntkt.fl(trục/làn.ngàyđêm)

m

(trục/ng.đ)

(Ntk0)

2 làn xe (Ntkt)

1 làn xe (Nttt)

Lề gia cố (Nttt)

10

218.21

516.57

284.11

142.06

15

218.21

794.81

437.15

218.57

- Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán.

Ne =



[(1 + q )t − 1]

*365* Ntt0

q



+ Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán tính cho 1 làn

xe trong 1 ngày đêm:

Nett = Netk.fl

+Tổng số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 2 làn xe ở năm thứ 10 là:

N



10

e



 (1 + 0, 09)10 − 1

=

*365* 218, 21 = 1, 21.106

0,1

(trục/ng.đ)



+ Tổng số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe ở năm thứ 10 là:

N e10 = 0,55*2,1.106 = 0, 67.106 (trục/làn/ng.đ)



+Tổng số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 2 làn xe ở năm thứ 15 là:

(1 + 0, 09)15 − 1

N e15 = 

*365* 218, 21 = 2, 34.106

0,1

(trục/ng.đ)



+ Tổng số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe ở năm thứ 15 là:

N e15 = 0,55*2,34.106 = 1, 29.106 (trục/làn/ng.đ)



- Tuyến đường thiết kế là đường cấp IV, V TK = 60Km/h, thời hạn thiết kế là 15

năm, Ne15 = 1,29x106 < 4x106nên dựa vào Bảng 2-1 22TCN 211-06 thì ta chọn loại

tầng mặt là cấp cao A2. Tuy Ne10 = 0,67x106 nhưng do vận tốc thiết kế là 60Km/h



46



nên để đảm bảo an toàn ta chọn tầng mặt cho tuyến trong 10 năm đầu là bê tông

nhựa chặt, sau tăng cường thêm 1 lớp BTNC ở 5 năm cuối.

7.1.4.2 Xác định mô đun đàn hồi yêu cầu cho phần xe chạy và phần gia cố lề

min

llxc

E yc = max { E yc

, E yc

}



- Xác định trị số tối thiểu của mô đun đàn hồi yêu cầu Eycmin:

+ Đường ô tô cấp IV, VTK = 60Km/h

+ Áo đường cấp cao A2

Tra Bảng 3-5 22TCN 211-06 ta có:

+ Eycmin = 100Mpa

+ Eycmin (lề gia cố) = 80Mpa

- Xác định trị số mô đun đàn hồi yêu cầu theo số trục xe tính toán E ycllxc:

+ Loại tải trọng trục tiêu chuẩn: P = 10 tấn

+ Áo đường cấp cao A2

10

N 10 = 142, 06

+ Ntt = 284,11 (trục/làn/ng.đ), tt (lg c )

(trục/làn/ng.đ)

15

N 15 = 218,57

+ Ntt = 437,15 (trục/làn/ng.đ), tt (lg c )

(trục/làn/ng.đ)

Dựa vào Bảng 3-4 22TCN 211-06 và nội suy, ta có:

+ Eycllxc (năm thứ 10) = 140,05Mpa

+ Eycllxc (lề gia cố năm thứ 10) = 127,47Mpa

+ Eycllxc(năm thứ 15) = 149,23Mpa

+ Eycllxc (lề gia cố năm thứ 15) = 136,11Mpa

Vậy mô đun đàn hồi tối thiểu yêu cầu:

- Năm thứ10: + Phần xe chạy:

+ Phần lề gia cố:



lg c

E yc

= max { 80;127, 46} = 127, 47 MPa



- Năm thứ 15: + Phần xe chạy:

+ Phần lề gia cố:



E yc = max { 100;140, 05} = 140, 05MPa



E yc = max { 100;149, 23} = 149, 23MPa



lg c

E yc

= max { 80;136,11} = 136,11MPa



7.1.5 Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường

7.1.5.1 Thiết kế cấu tạo các phương án kết cấu áo đường

- Phương án 1:



47



Hình 1.7.1: Cấu tạo kết cấu áo đường phương án 1



- Phương án 2:



Hình 1.7.2: Cấu tạo kết cấu áo đường phương án 2

- Phương án 3:



48



Hình 1.7.3: Cấu tạo kết cấu áo đường phương án 3

- Phương án 4:



Hình 1.7.4: Cấu tạo kết cấu áo đường phương án 4

7.1.5.2 So sánh ưu nhược điểm của các phương án

 Phương án 1:

- Ưu điểm:

+ Tận dụng được nguồn vật liệu ở địa phương

+ Kết cấu chặt kín

+ Thi công đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi

công nên tốc độ thi công khá cao

- Nhược điểm:

+ Chịu lực ngang kém

+ Cường độ giảm nhiều về mùa mưa

+ Dễ sinh bụi trong quá trình thi công lớp móng

+ Tổng chiều dày lớn nhất

 Phương án 2:

- Ưu điểm:

49



+ Tận dụng nguồn vật liệu ở địa phương

+ Kết cấu chặt kín

+ Thi công đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi

công nên tốc độ thi công khá cao

+ Tổng chiều dày kết cấu nhỏ hơn phương án 1 và phương án 4

- Nhược điểm:

+ Chịu lực ngang kém

+ Cường độ giảm nhiều về mùa mưa

+ Dễ sinh bụi trong quá trình thi công lớp móng

 Phương án 3:

- Ưu điểm:

+ Cường độ tương đối cao nên chiều dày vật liệu nhỏ nhất

+ Kết cấu chặt kín, có khả năng chịu kéo khi uốn

+ Sử dụng được vật liệu đất tại chỗ

+ Độ bằng phẳng lớp móng cao

- Nhược điểm:

+ Yêu cầu phải có thiết bị thi công chuyên dụng

+ Thi công dễ gây ô nhiễm

+ Tốn thời gian hình thành cường độ lớp móng

+ Giá thành cao hơn các phương án khác

 Phương án 4:

- Ưu điểm:

+ Sử dụng được vật liệu địa phương

+ Có thể thi công bằng thủ công, thi công đơn giản không yêu cầu thiết bị

phức tạp

+ Ổn định nước, giá thành không cao

- Nhược điểm:

+ Độ rỗng lớn, kết cấu hở

+ Chịu lực ngang kém

+ Nhanh hư hỏng khi xe chạy nhiều

+ Kém bằng phẳng, dễ bị bong bật

+ Khó cơ giới hóa, tốn công lu lèn

Dựa vào ưu nhược điểm của các phương án như trên, ta chọn phương án 1 và

phương án 2 để tính toán cường độ kết cấu áo đường

7.2 Tính toán cường độ kết cấu áo đường cho phương án chọn

7.2.1 Xác định các thông số tính toán

- Phương án 1:

Bảng 1.7.3: Các thông số tính toán cho phương án 1

T

Lớp kết cấu

h

E (MPa)

Rku

C



φ

50



T

0

1

2

3



(từ dưới lên)

Nền đất K98

CPTN loại A

CPĐD loại I Dmax25

BTNC 12.5



(cm

)



36

15

7



Tính

về

kéo

uốn

57

200

300

1540



Tính

về Tính

độ

về

võn trượt

g

57

57

200 200

300 300

294 210



- Phương án 2:

Bảng 1.7.4: Các thông số tính toán cho phương án 2

E (MPa)

Tính

h

Tính

T

Lớp kết cấu

về Tính

(cm

về

T

(từ dưới lên)

độ

về

)

kéo

võn trượt

uốn

g

0 Nền đất K98

57

57

57

CPĐD

loại

II

1

30

250 250 250

Dmax37.5

2 CPĐD loại I Dmax25

12

300 300 300

3 BTNC 12.5

7

1540 294 210



(MPa)



(MPa)



(độ)



0.032

0.05



24

40



C

(MPa)



φ

(độ)



0.032



24



2.4



Rku

(MPa)



2.4



7.2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi

dv



- Điều kiện tính toán:Ech ≥ K cd . Eyc

+ Ech: môđun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đường

+ Eyc: môđun đàn hồi yêu cầu

dv

+ Hệ số cường độ về độ võng K cd được chọn tuỳ thuộc vào độ tin cậy thiết kế,

Với đường cấp IV, tốc độ thiết kế 60km/h, ta chọn độ tin cậy thiết kế là 0,9 do đó

dv

K cd

= 1,1 (theo Bảng 3-2 22TCN 211-06)



- Vì kết cấu áo đường có nhiều lớp nên cần quy đổi về hệ 2 lớp. Việc quy đổi

được thực hiện đối với 2 lớp một từ dưới lên. Từ đó xác định được E tb của các lớp

KCAĐ

- Sau khi quy đổi nhiều lớp vật liệu áo đường về một lớp thì cần nhân thêm E tb

dc

0,12

với hệ số điều chỉnh β = 1,114.( H / D) : E tb = β.E tb



Từ



H

 D

Ech

KOGAN

)u

 E Tra

uuuuutoan

uuuuudo

uuuu

uuuuuuuuuu(Hinh

uuuuuuu3-1

uuuuu

r E dc ⇒ Ech

tb

 dc0

 Etb



51



Với



+E0 : môđun đàn hồi của đất nền

+ Chiều dày của lớp tương đương: H = ht + hd

+ Đường kính vệt bánh xe tính toán D = 33cm

1 + k td .t td 1 3 

E = Ed 



 1 + k td 



3



td

tb



Trong đó :



k td =



ht

E

t td = t

hd ;

Ed



+ h t , h d : Là chiều dày lớp trên và lớp dưới của áo đường

+ E t , E d : Là môđun đàn hồi lớp trên và dưới của vật liệu.

- Phương án 1:

Bảng 1.7.5: Bảng quy đổi các lớp kết cấu về 1 lớp của phương án 1

h

Htb

TT Lớp kết cấu

E (MPa)

t

k

(cm)

(cm)

1 CPTN loại A

200

36

36

2 CPĐD loại I Dmax25

300

1.5

15

0.42

51

3 BTNC 12.5

294

1.30

7

0.14

58

Bảng 1.7.6: Bảng tính toán Ech và so sánh với Eyc của phương án 1

H

E'tb

Etbdc

E0/

Ech/

Ech

(cm H/D

β

Kcddv

dc

dc

(MPa)

(MPa) Etb

Etb

(MPa)

)

234.1

58 1.758 1.19 279.11 0.204 0.627 175.03

1.1

6

Kiểm tra: Ech



E'tb

(MPa)

200.00

226.64

234.16



Kcddv.Eyc

154.06



≥ K dv

cd .E yc ⇔

175.03 (MPa)>154.06(Mpa)



Vậy phương án 1 thỏa mãn tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi



- Phương án 2:

Bảng 1.7.7: Bảng quy đổi các lớp kết cấu về 1 lớp của phương án 2

E

h

Htb

TT Lớp kết cấu

t

k

(MPa)

(cm)

(cm)

1 CPĐD loại II Dmax37.5

250

30

30

2 CPĐD loại I Dmax25

300

1.2

12

0.40

42

3 BTNC 12.5

294

1.12

7

0.17

49

Bảng 1.7.8: Bảng tính toán Ech và so sánh với Eyc của phương án 2

E'tb

H

H/D

β

Etbdc

E0/

Ech/

Ech

Kcddv

(MPa) (cm

(MPa)

Etbdc

Etbdc

(MPa)



E'tb

(MPa)

250.00

263.67

267.87



Kcddv.Eyc

52



)

267.8

7



49



1.485 1.17



312.90



0.182 0.566



176.99



1.1



154.06



≥ K dv

cd .E yc ⇔

Kiểm tra: Ech

176.99 (MPa)>154.06(Mpa)



Vậy phương án 2 thỏa mãn tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi

7.2.3 Tính toán theo tiêu chuẩn cân bằng giới hạn trượt

D

P



E1=Etb



h



τax

Z



E 2 =E0, c, ϕ



Hình 1.7.5: Sơ đồ tính toán kiểm tra trượt các lớp vật liệu áo đường

Ctt

tr

- Điều kiện:

τ + τ ≤ K cd

ax



av



Trong đó:

+ τax: ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra

trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính (MPa)

 Etbdc



 E0

H

→



D



ϕ

τ ax



Từ các tỷ số: 

Tra toán đồ Hình 3-2 22TCN 211-06ta được p

+τav: ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp vật liệu nằm trên

nó gây ra cũng tại điểm đang xét (MPa)

H

 →

ϕ

Từ các tỉ số: 

Tra toán đồ Hình 3-4 22TCN 211-06 ta được τav

tr

+ K cd là hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tuỳ thuộc độ tin cậy thiết

tr



kế như ở Bảng 3-722TCN 211-06. Ta chọn độ tin cậy 0,9 => K cd = 0.94

+ Ctt : là lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính (MPa) ở trạng

thái độ ẩm, độ chặt tính toán. Trị số Ctt được xác định theo biểu thức:

53



Ctt=C.K1. K2. K3

Trong đó: - C: lực dính của đất nền hoặc vật liệu kém dính

- K1: Hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất hoặc vật

liệu kém dính chịu tải trọng động và gây dao động. Với kết cấu nền áo đường phần

xe chạy thì lấy K1=0,6

- K2 : Hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của

kết cấu, K2 tuỳ thuộc số trục xe quy đổi mà kết cấu phải chịu đựng trong 1 ngày

đêm (Tra bảng 3-8 22TCN 211-06)

- K3 : Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất hoặc vật

liệu kém dính trong điều kiện chúng làm việc trong kết cấu khác với trong mẫu thử.

K3= 1,5 đối với đất nền đường là á sét.

- Phương án 1:

+ Đối với đất nền:

Bảng 1.7.9: Bảng tính toán E’tb theo điều kiện trượt của phương án 1

E

h

Htb

E'tb

TT Lớp kết cấu

t

k

(MPa)

(cm)

(cm) (MPa)

1 CPTN loại A

200

36

36

200.00

2 CPĐD loại I Dmax25

300

1.5

15

0.417

51

226.64

3 BTNC 12.5

210

0.93

7

0.14

58

224.59

Bảng 1.7.10: Bảng xác định τax và τav đối với nền đất của phương án 1

E'tb

H

Etbdc

Etbdc/

H/D

β

τax/p

τax

τav

(MPa) (cm)

(MPa)

E0

224.5

58

1.758 1.19 267.71 4.697 0.018 0.0108 -0.0012

9



τax+τav

0.010



Bảng 1.7.11: Bảng xác định Ctt và kiểm tra điều kiện trượt nền đất của phương

án 1

K1

K2

K3

C (MPa)

Ctt (MPa)

Kcdtr

Ctt/ Kcdtr

0.6

0.8

1.5

0.032

0.023

0.94

0.025

Ctt

tr

Kiểm tra: τ + τ ≤ K cd ↔ 0.01 (Mpa) < 0.025 (Mpa)

ax



av



+ Đối với lớp cấp phối thiên nhiên loại A:

Bảng 1.7.12: Bảng xác định Echm và ETB23 đối với lớp CPTN loại A của phương án 1

E1

Echm

Etb23'

(h2+h3)

Etb23

h1/D

E0/E1 Echm/E1

β

(MPa)

(MPa)

(MPa)

/D

(MPa)

285.46

200

1.091 0.285 0.597 119.40 269.031 0.667 1.06

8



54



Bảng 1.7.13: Bảng xác định τax và τav đối với lớp CPTN loại A của phương án 1

Etb23/Echm

2.391



(h2+h3)/D

0.667



φ

40



τax/p

0.06



τax

0.036



τav

-0.001



τax+τav

0.035



Bảng 1.7.14: Bảng xác định Ctt và kiểm tra điều kiện trượt nền đất của phương

án 1

K1

K2

K3

C (MPa)

Ctt (MPa)

Kcdtr

Ctt/ Kcdtr

0.6

0.8

1.5

0.05

0.036

0.94

0.038

Ctt

tr

Kiểm tra: τ + τ ≤ K cd ↔ 0.035 (Mpa) < 0.038 (Mpa)

ax



av



Vậy phương án 1 thỏa mãn tiêu chuẩn cân bằng giới hạn trượt

- Phương án 2:

Bảng 1.7.15: Bảng tính toán E’tb theo điều kiện trượt của phương án 2

E

h

Htb

TT Lớp kết cấu

t

k

(MPa)

(cm)

(cm)

1 CPĐD loại II Dmax37.5

250

30

30

2 CPĐD loại I Dmax25

300

1.2

12

0.400

42

3 BTNC 12.5

210

0.80

7

0.17

49

Bảng 1.7.16: Bảng xác định τax vàτav của phương án 2

E'tb

H

Etbdc

Etbdc/

H/D

β

τax/p

τax

(MPa) (cm)

(MPa)

E0

255.5

49

1.485 1.17 298.45 5.236 0.022 0.0134

0



E'tb

(MPa)

250.00

263.67

255.50



τav



τax+τav



-0.001



0.012



Bảng 1.7.17: Bảng xác định Ctt và kiểm tra điều kiện trượt nền đất của phương

án 1

K1

K2

K3

C (MPa)

Ctt (MPa)

Kcdtr

Ctt/ Kcdtr

0.6

0.8

1.5

0.032

0.023

0.94

0.025

Ctt

tr

Kiểm tra: τ + τ ≤ K cd ↔ 0.012 (Mpa) < 0.025 (Mpa)

ax



av



Vậy phương án 2 thỏa mãn tiêu chuẩn cân bằng giới hạn trượt

7.2.4 Tính toán theo tiêu chuẩn kéo – uốn

Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi thoã mãn điều kiện.

Rttku

ku

σku = k.p. σ ku ≤ K cd



Trong đó:

55