Chương VII :thiết kế và lựa chọn phương án kết cấu áo đường mềm.

Mỗi giảI pháp có tầng mặt và tầng móng với số lớp làm bằng các vật liệu

khác nhau. Tính toán cờng độ (biến dạng) chung của cả kết cấu theo điều kiện

bất lợi nhất trong mỗi tầng lớp kết cấu, xác định bề dầy mỡi lớp để đảm bảo

yêu cấu về cờng độ, cấu tạo phảI kinh tế phù hợp với công nghệ thi công và

duy tu bảo dỡng

- So sánh lựa chọn phơng án đầu t tối u của 2 phơng án đầu t theo phơng

pháp tính tổng chi phí xây dựng và khai thác quy đổi.

I. Tính toán lu lợng xe

I.1 Tải trọng tính toán

Theo 22 TCN-211-06 với đờng cấp 60 có các thông số tính toán tải trọng

nh sau:

Tải trọng trục là 100 KN = 10 tấn

áp lực tính toán lên mặt đờng là P = 0.6 Mpa

Đờng kính vệt bánh xe D = 33 cm

I.2 Số liệu tính toán

Lu lợng xe tính toán năm thứ 1: N1 = 1250 xe/ng.đ

Thành phần dòng xe:

+ Xe con (Volga): 20% . 1250 = 250 xe/ng.đ

+ Xe tải 2 trục (Zil-150): 40% . 1250 = 500 xe/ng.đ

+ Xe tải 3 trục (Maz-200): 20% .1250 = 250 xe/ng.đ

+ Xe máy: 20% . 1250 = 250 xe/ng.đ

Tỷ lệ tăng trởng xe hàng năm: q = 7%

Để phục vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu áo đờng cầc quy đổi số

trục khai thác về trục xe tính toán tiêu chuẩn loại 100KN (10 tấn)



49



Bảng A-1: Thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đa đờng vào khai

thác sử dụng

Loại

xe

Tải 2

trục

Tải 3

trục



Trọng

Trọng lợng

lợng

trục Pi (KN)

các trục Trục Trục

trớc

sau

82,5

21

61,5



Số

trục

sau



Số bánh

của mỗi

cụm bánh



1



136,25



2



Cụm bánh

đôi

Cụm bánh

đôi



35,65



50.3



Khoảng

cách

giữa các



Lợng xe

ni

(xe/ng.đ)

500



< 3,0



250



I.3 Số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 KN

4, 4



N1 =



P

c . c . n . i

100

k



i =1



1



2



i



Trong đó :

+ N1 là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe

tính toán sẽ thông qua đoạn đờng thiết kế trong 1 ngày đêm trên cả 2 chiều

(trục/ng.đ) ở năm thứ nhất

+ ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục I có trọng lợng trục pi cần

quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt = 100 KN

+ c1 là hệ số trục đợc xác định theo biểu thức:

c1 = 1 + 1,2.( m-1 )

với m là số trục sau



+ c2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh với các

cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy c2 = 6,4; với các cụm bánh đôI thì lấy c2 = 1,0

Chú ý: Khi tính toán trục dới 25KN thì không xét đến khi quy đổi

Bảng A-2: Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 KN



50



Loại xe



Zil-150

Maz-200



Pi

(KN)



C2



ni



21

61.5

35.65

50.3



Trục trớc

Trục sau

Trục trớc

Trục sau



C1



1

1

1

2.2



6.4

1

6.4

1



500

500

250

250



4, 4



P

c1.c2.ni . i

100

Không tính

59

17

27



Vậy số trục xe tiêu chuẩn cho cả 2 chiều ở năm thứ nhất là:

N1 = 59 + 17 + 27 = 103 (trục xe tiêu chuẩn/ng.đ)

Số trục xe tiêu chuẩn trên 1 làn xe năm thứ nhất N1tt là:

N1tt = N1. fL (trục/làn.ngđ)

Với fL là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên một làn xe, với trên

phần xe chạy có 2 làn xe và không có dải phân cách thì lấy fL =0,55

N1tt = 103. 0,55 = 57 (trục/làn.ngđ)



Biểu thức quy đổi số trục xe năm thứ nhất về các năm tiếp theo là



Nttt = N1tt.



(1+ 0,07)



( t 1)



(trục/làn.ngđ)



+ N5tt = 57. 1,074 = 75 (trục/làn.ngđ)

+ N7tt = 57. 1,076 = 86 (trục/làn.ngđ)

+ N8tt = 57. 1,077 = 92 (trục/làn.ngđ)

+ N10tt = 57. 1,079 = 105 (trục/làn.ngđ)

+ N15tt = 57. 1,0714 = 147 (trục/làn.ngđ)

+ N20tt = 57. 1,0719 = 206 (trục/làn.ngđ)

I.4 Số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong thời hạn tính toán ( 15 năm )

Theo biểu thức (A-3) ở phụ lục A của 22 TCN-211-06



(1+0,07) 1

=

0,07 x (1+ 0,07 )

15



N15e



14



. 365. 147 = 0,52. 106 ( trục )



51



 Số trục xe tích luỹ trên 1 làn xe là: 0,55. 0,52. 106 = 0,29. 106 (trục)



I.5 Xác định môđun đàn hồi yêu cầu

Dựa vào bảng 3.4; 3.5 của 22 TCN-211-06 ta có bảng xác định môđun

đàn hồi :

Năm



Ntt



5

7

8

10

15

20



75

86

92

105

147

206



Loại mặt

đờng

A2

A2

A2

A2

A1

A1



Ey/cầu

(Mpa)

116

118.64

120.08

122.65

153.11

160.36



Emin

(Mpa)

100

100

100

100

130

130



Echọn

(Mpa)

116

118.64

120.08

122.65

153.11

160.36



II. Tính toán chọn kết cấu

II.1 Xác định các thông số tính toán của nền đất

- Nền đất là á sét, chế độ thuỷ nhiệt loại 1

- Tra bảng ở phụ lục B của 22 TCN-211-06 ta có

Loại đất



độ chặt



độ ẩm tơng

đối A



E

(Mpa)



Lực dính

C (Mpa)



á sét



0,95



0,6



42



0,032



Góc ma

sát

độ)

24



II.2 Các đặc trng của vật liệu kết cấu áo đờng

Theo phụ lục C ta có:



STT



Tên vật liệu

tính độ



E (Mpa)

tính trợt tính kéo



52



RKU

(Mpa)



C

(Mpa)



đ

ộ)



1

2

3

4

5

6



BTN hạt mịn

BTN hạt thô

CPĐD loại I

CPĐD loại II

Cát vàng gia cố

6%XM

Nền đất á sét



võng

420

350

300

250

280



300

250

300

250

280



uốn

1800

1600

300

250

280



42



2,8

2.0



0,032



24



III. thiết kế các phơng án kết cấu mặt đờng

Ta chọn 2 phơng án đầu t để so sánh:

- Phơng án đầu t tập trung một lần.

- Phơng án đầu t phân kỳ.

A. Phơng án đầu t tập trung (15 năm)

Phơng án đầu t tập trung 1 lần là phơng án cần một lợng vốn ban đầu lớn

để có thể làm con đờng đạt tiêu chuẩn với tuổi thọ 15 năm. Do yêu cầu thiết

kế đờng là nối hai trung tâm kinh tế, đờng cấp kỹ thuật 60 có Vtt=60 (km/h),

Ntt15= 147 (trục/làn.ngđ) và Eyc15 = 153.11 (Mpa), cho nên ta dùng mặt đờng

cấp cao A1 có lớp mặt bê tông nhựa với thời gian sử dụng là 15 năm.

1. Lựa chọn tầng mặt

Tầng mặt gồm hai lớp BTN là hai lớp vật liệu đắt tiền nên khi thiết kế

quá dày sẽ không kinh tế.

Căn cứ vào môdun đàn hồi yêu cầu năm thứ 15, kết hợp bảng 2-2 của 22

TCN-211-06,bề dày vật liệu tối thiểu ta có:

Kết cấu tầng mặt của áo đờng đợc chọn nh sau:

Lớp 1: BTN hạt mịn E4 = 420 Mpa, h4 = 5 cm.

Lớp 2: BTN hạt thô E3 = 350 Mpa, h3 = 7 cm.



53



Từ các số liệu trên ta tính đợc mô đun đàn hồi chung của tầng móng và

đất nền Ech2

Ta có sơ đồ tính:

Lớp



Loại vật liệu



Eyc=153.11 Mpa



hi (cm)



E (Mpa)



4



BTN hạt mịn



E4



5



420



3



BTN hạt thô



E3



7



350



Ta có sơ đồ tính:



h





5

= 0,152



E ch4

D 33



= 0.345

Từ toán đồ Kôgan:

E yc 153.11

E4



=

= 0,365



E 4 420



4



=



Ech4=0.345x420= 145 Mpa



h





7

= 0.212

E ch3

D 33



= 0.36

Từ toán đồ Kôgan:

E4 145

E3

=

= 0.414



E3 350



3



=



Ech3 =0.36x 350= 126 Mpa

( Cách tính tra theo toán đồ hình 3-3[2] xác định môđuyn E ch của hệ hai

lớp). Nh vậy tầng móng có Ech3= 126 Mpa

2. Cấu tạo tầng móng và chọn phơng án móng

Lớp móng phải đảm bảo các yêu cầu về cờng độ, công nghệ thi công đơn

giản, tập trung đợc vật liệu tại chỗ, hạ giá thành, phù hợp với cấp áo đờng và

tầng mặt.

Từ đó ta đề xuất 2 phơng án áo đờng nh sau:



54



2.1 Phơng án 1

Lớp

2

1



Loại vật liệu

CP đá dăm loại I

CP đá dăm loại II

Nền đất



Ech3 = 126 Mpa



hi (cm)

h2

h1



Ei Mpa

300

250



E0 =42 Mpa



Bảng tính toán chiều dày các lớp vật liệu phơng án móng 1

Bảng I.9.6

Giải



h2



Pháp (cm)

1

13

2

14

3

15

4

16



Ech2/E2

0.42

0.42

0.42

0.42



h2/D Ech2/E2

0.394

0.424

0.455

0.485



0.32

0.30

0.288

0.278



Ech2

(Mpa)

96

90

86.4

83.4



Ech2/E1 E0/E1

0.384

0.360

0.346

0.334



h1/D



0.168 0.82

0.168 0.727

0.168 0.675

0.168 0.65



h1

(cm)

26

24

23

22



Bảng tính giá thành phơng án móng I

Với 100m3 CPĐD loại I là 13951420 (đ) và 100m 3 CPĐD loại II là

12689702 (đ)



55



Bảng I.9.7,

Giải pháp



h2 (cm)



1

2

3

4



13

14

15

16



giá thành

( đ/100m2 )

1813685

1953199

2092713

2232227



h1 (cm)

26

24

23

22



giá thành

( đ/100m2 )

3299323

3045528

2918631

2791734



Tổng

( đ/100m2 )

5113008

4998727

5011344

5023961



Kiến nghị chọn giải pháp 3 có h2=14 cm, h1= 24 cm có giá thành nhỏ hơn

là 4998727 (đ/100m2) để đa vào so sánh.

2.2 Phơng án 2

Lớp

2

1



Loại vật liệu

CPĐD loại I

Cát vàng gia cố 6%XM

Nền đất



Ech3 = 126 Mpa



hi (cm)

h2

h1



Ei Mpa

300

280



E0 =42 Mpa



Bảng tính toán chiều dày các lớp vật liệu phơng án móng 2

Bảng I.9.6

Giải h2

Ech2

h1

Ech3/E2 h2/D Ech2/E2

Ech2/E1 E0/E1 h1/D

Pháp (cm)

(Mpa)

(cm)

1.

10

0.42 0.303 0.34

102

0.364 0.15 0.793 26

2.

12

0.42 0.364 0.32

96

0.343 0.15 0.74 24

3.

14

0.42 0.424 0.307

92.1

0.329 0.15 0.67 22

Bảng tính giá thành phơng án móng 2

Với 100m3 cát vàng gia cố 6%xi măng là 18153860 (đ) và 100m 3 CPĐD

loại I là 13951420 (đ)



56



Bảng I.9.7

Giải pháp



h2 (cm)



giá thành



h1 (cm)



giá thành



2



1

2

3



10

12

14



2



( đ/100m )

1395142

1674170

1953199



( đ/100m )

4720004

4356926

3993849



26

24

22



Tổng

( đ/100m2 )

6115146

5752068

5947048



Kiến nghị chọn giải pháp 2 có h2=12 cm, h1= 24 cm có giá thành nhỏ hơn

là 5752068 (đ/100m2) để đa vào so sánh.

Kết luận chọn phơng án móng

Qua so sánh giá thành các phơng án móng chọn phơng án móng 1 có giá

thành nhỏ nhất là 4998727 (đ/100m 2) với chiều dầy lớp CPĐD loại I là 14

(cm) và chiều dầy lớp CPĐD loại II là 24 (cm)

Kết cấu áo đờng phơng án đầu t tập trung 15 năm

STT

1

2

3



Loại vật liệu

BTN hạt mịn

BTN hạt thô

CP Đá dăm loại I



4



CP Đá dăm loại II

Nền đất



Eyc=153.11 (Mpa)



hi (cm)

5

7

14



Ei (Mpa)

420

350

300



24



250



E0 =42 ( Mpa )



3. Tính toán kiểm tra kết cấu áo đờng

3.1. Kiểm tra điều kiện độ võng đàn hồi

Chuyển hệ nhiều lớp thành hệ 2 lớp bằng cách đổi nhiều lớp kết cấu áo

đờng lần lợt 2 lớp 1 từ dới lên theo công thức:

h2

E2

1 + k.t 1/3

E tb = E 4

k = ; t = ; htb = h1 + h2 ;



h1

E1

1+ k



Kết quả tính toán:

Bảng I.9.15



57



3



Lớp VL



Ei (Mpa)



t



hi(cm)



k



htb(cm)



BTN hạt mịn

BTN hạt thô

CPĐD loại I

CPĐD loại II



420

350

300

250



1.5

1.31

1.2



5

7

14

24



0.11

0.184

0.583



50

45

38

24



Etb

(Mpa)

291.84

279.64

267.71



H 50

=

= 1.52 nên trị số =1.18 theo bảng 3-6[2]:

D 33



Vậy Edctb = 1.18 x 291.84= 344.37 (Mpa)

Dùng toán đồ hình 3-3[2] xác định môđun đàn hồi chung của mặt đờng.

H 50

=

= 1.52 ;

D 33



Eo

dc



E



=



tb



42

= 0.122 Ta có : Ech/ Edctb = 0.49

344.37



Ech = 0.49x 344.37= 168.74 (Mpa)

Kiểm tra điều kiện:

+ Ech Kdvcd. Ey/c

Với Kdvcd là hệ số cờng độ về độ võng phụ thuộc độ tin cậy

- Với đờng cấp IV ta chọn độ tin cậy là R = 0,90 tra bảng 3-3[2]



Kdvcd = 1,1

Kdvcd. Ey/c = 1,1x 153.11 = 168.42 (Mpa) < Ech = 168.74 (Mpa)

Nh vậy kết cấu áo đờng thoả mãn điều kiện độ võng đàn hồi

3.2. Kiểm tra điều kiện trợt của nền đờng

Kết quả tính toán



Bảng I.9.16

Lớp VL



Ei

(Mpa



t



hi(cm)



58



k



htb(cm)



Etb (Mpa)



BTN hạt mịn

BTN hạt thô

CPĐD loại I

CPĐD loại II



)

420

350

300

250



1.5

1.31

1.20



5

7

14

24



0.11

0.184

0.583



50

45

38

24



291.84

279.64

267.71

250



H 50

=

= 1.52 nên trị số =1.18 theo bảng 3-6[2]:

D 33



Vậy Edctb = 1.18 x 291.84= 344.37(Mpa)

H/D = 50/33 = 1.52; E



dc



Sơ đồ tính:



tb



E0



=



344.37

= 8.2

42



Kết hợp với góc ma sát = 240. Tra toán đồ H3-2[2] xác định đợc ứng

suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán gây ra trong nền

đất :

ax

=0.02 ax =0.6x0.02 =0.012 (Mpa)

p



Từ H = 50 cm, = 240 Tra toán đồ H3-4[2] xác định đợc ứng suất cắt do trọng lợng

bản thân các lớp kết cấu áo đờng gây ra trong nền đất :



av = - 0,0012 (Mpa)

ứng suất cắt hoạt động trong đất:

+ ax + av =0.012 - 0.0012 = 0.0108 (Mpa)



ứng suất cắt cho phép của nền đất:

[] =



C

K



tt

tr

cd



59