ĐỒ án THIẾT kế nền mặt ĐƯỜNG 2

THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

SỐ LIỆU THIẾT KẾ

2.1.1 Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm

Kết cấu áo đường mềm trên các làn xe chạy và kết cấu phần lề gia cố cần được thiết kế đạt các yêu cầu mục 1.3.1 [5]:

Áo đường cần đảm bảo cường độ đủ mạnh và duy trì ổn định để giảm thiểu tối đa các trường hợp hư hại do xe cộ và các yếu tố tự nhiên gây ra.

Bề mặt áo đường cần phải được thiết kế sao cho bằng phẳng, có độ nhám phù hợp, dễ thoát nước và hạn chế bụi, nhằm đảm bảo an toàn giao thông, tạo cảm giác êm ái khi di chuyển, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.

2.1.1.1 Yêu cầu về độ bằng phẳng Áo đường phần xe chạy cho ô tô và lề gia cố có xe thô sơ phải đảm bảo bề mặt đạt độ bằng phảng yêu cầu ở thời điểm bắt đầu đưa đường vào khai thác, đánh giá bằng chỉ số IRI:

Bảng 2-1 Yêu cầu về độ bằng phẳng tùy thuộc vào tốc độ xe yêu cầu

Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h) Chỉ số IRI yêu cầu (m/km)

- đối với đường xây dựng mới

Độ bằng phẳng của mặt đường được đánh giá bằng thước dài 3m theo tiêu chuẩn 22TCN16-79 Cụ thể, mặt đường cấp cao A1 yêu cầu 70% khe hở dưới 3mm và 30% dưới 5mm; mặt đường cấp cao A2 yêu cầu tất cả khe hở dưới 5mm; trong khi đó, mặt đường cấp thấp B1 và B2 yêu cầu tất cả khe hở dưới 10mm Ngoài ra, áo phần lề gia cố cho xe máy và xe thô cũng cần đạt tiêu chuẩn về độ bằng phẳng tương tự như phần đường dành cho ô tô liền kề.

2.1.1.2 Yêu cầu về độ nhám

Bê tông nhựa cần đạt các yêu cầu tối thiểu theo các chỉ tiêu về chiều sâu rắc cát trung bình, điều này phụ thuộc vào tốc độ chạy xe yêu cầu như bảng dưới đây.

Bảng 2-2 Yêu cầu độ nhám mặt đường phụ thuộc vào tốc độ chạy xe

Tốc độ chạy xe yêu cầu (Km/h) Chiều sâu rắc cát trung bình Htb (mm)

Các loại đường cao tốc và đường cấp I, II, ngoại trừ những đoạn có biển hạn chế tốc độ, cần được thiết kế lớp mặt tạo nhám với chiều sâu rắc cát trung bình đạt Htb ≥ 0.55m.

Nếu không có biển báo hạn chế tốc độ, thì tốc độ tối đa cho phép khi lái xe sẽ là 1.25 lần tốc độ thiết kế tương ứng với cấp hạng của đường.

2.1.1.3 Yêu cầu về độ lún

Trong trường hợp kết cấu áo đường trên nền đất yếu có nguy cơ gây ra độ lún lớn và kéo dài, cần tuân thủ các yêu cầu thiết kế về độ lún cho phép để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình.

Đối với các kết cấu áo đường cấp cao A1 và các đường có vận tốc thiết kế ≤ 40 Km/h, chỉ xác định độ lún cho phép mà không đề cập đến độ lún cố kết còn lại khi thiết kế Các đường chỉ thiết kế áo đường mềm cấp A2 trở xuống thường được thiết kế theo nguyên tắc phân kỳ, cho phép xử lý lún trong giai đoạn đầu tư sau này, giúp giảm chi phí xử lý nền.

2.1.2.1 Số liệu đất nền Đất nền khu vực tuyến đi qua thuộc loại đất sét có chế độ thủy nhiệt thuộc loại

Khu vực II (ẩm vừa) có đất ẩm ướt theo mùa, với nước đọng bên đường nhỏ hơn 3 tháng Khoảng cách từ mép ngoài phần xe chạy đến mặt taluy ở mức nước ngập lớn nhất là 2.0m, trong khi mực nước ngầm cách mặt đất 0.5m Để xác định các đặc tính của loại đất này, có thể tham khảo mô đun đàn hồi, lực dính và góc ma sát tùy thuộc vào độ ẩm tương đối trong Bảng B-3.

Bảng 2-3 Các đặc trưng tính toán của đất nền

Loại đất Độ chặt Độ ẩm Mô đun đàn hồi E0

2.1.2.2 Số liệu hình học và tải trọng xe

Thiết kế sơ bộ kết cấu áo đường cho tuyến đường cấp III tại khu vực miền núi với hai làn xe cần được thực hiện dựa trên kết quả điều tra và dự báo trong năm cuối của thời hạn thiết kế 15 năm Theo bảng dữ liệu, tải trọng trục xe được xác định và hệ số tăng xe là 7%.

Bảng 2-4 Phân bố tải trọng các trục xe và dự báo lưu lượng xe năm thiết kế thứ 15

Số bánh xe mỗi cụm sau

Khoảng cách giữa các trục

Xe tải nhẹ 18 56 1 Bánh đôi < 3.0 400

Xe tải trung 25.8 69.6 1 Bánh đôi < 3.0 240

Xe tải nặng 48.2 100 1 Bánh đôi < 3.0 400

Tính số trục xe tính toán quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN

N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau, được tính toán dựa trên đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm theo cả 2 chiều (trục/ngđ) Ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục I với trọng lượng trục Pi, cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán 100 kN.

C1 – hệ số số trục, C1 = 1+1.2(m-1), m – số trục của cụm trục i C2 – hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm trục:

Cụm bánh chỉ có 1 bánh C2 = 6.4

Cụm bánh có 4 bánh C2 = 0.38 Kết quả tính thể hiện ở bảng dưới

Bảng 2-5 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

Loại xe Pi (kN) C1 C2 ni

- Số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe Ntt:

Trong đó: fi – hệ số phân phối trục xe tính toán (3.3.2 [5])

- Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế:

2.1.2.3 Phương án thiết kế kết cấu áo đường

Theo số liệu tính toán thiết kế hình học ta có:

+ Vận tốc thiết kế : 60 Km/h

+ Thời hạn thiết kế : 15 năm

+ Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế: Ne = 1.1×10 6

Theo Bảng 2-1 [6], lựa chọn tầng mặt đường cấp cao A1, chúng tôi đề xuất hai phương án đầu tư xây dựng tuyến đường nhằm phù hợp với chi phí đầu tư hiện tại và đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai.

Để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của khu vực mà tuyến đường đi qua, phương án đầu tư tập trung vào việc xây dựng mặt đường cấp cao A1 là giải pháp phù hợp.

Do chi phí đầu tư ban đầu không đủ cho việc xây dựng mặt đường cấp cao A1, phương án đầu tư phân kỳ được áp dụng Trong giai đoạn đầu, khi lưu lượng xe chưa lớn, sẽ sử dụng mặt đường cấp cao A2 Sau đó, khi lưu lượng xe tăng lên, sẽ chuyển sang xây dựng mặt đường A1 để đáp ứng nhu cầu giao thông.

THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.2.1 Phương án đầu tư tập trung

Trị số mô đun đàn hồi được xác định dựa trên số trục xe tính toán và loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế Theo Bảng 3.4 và Bảng 3.5 [5], chúng ta có thể xác định các thông số cần thiết cho việc thiết kế.

Bảng 2-6 Lựa chọn mô đun đàn hồi yêu cầu

Cấp đường Loại tầng mặt

Số trục xe tính toán

Mô đun đàn hồi yêu cầu

Mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiểu

Mô đun đàn hồi yêu cầu lựa chọn

2.2.1.1 Dự kiến kết cấu áo đường a Nguyên tắc thiết kế kết cấu áo đường - (2.1 [5])

Thiết kế kết cấu áo đường cần tập trung vào việc nâng cao cường độ và ổn định cường độ của khu vực tác dụng, nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực của nền đất cùng với áo đường Điều này không chỉ giúp giảm bề dày áo đường mà còn hạ thấp giá thành xây dựng.

Để đảm bảo hiệu quả cho kết cấu áo đường, cần lựa chọn và bố trí hợp lý các tầng, lớp vật liệu, phù hợp với chức năng của từng lớp Đồng thời, cần xem xét khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công và khả năng khai thác, bảo trì, duy tu sau này.

Nên đưa ra nhiều phương án thiết kế kết cấu áo đường nhằm đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn giao thông, cũng như bảo vệ sức khỏe và an toàn cho công nhân thi công.

Cần xem xét chiến lược đầu tư phân kỳ dựa trên quy hoạch phát triển tương lai nhằm nâng cao khả năng phục vụ đáp ứng sự gia tăng lưu lượng Đồng thời, nguyên tắc thiết kế và lựa chọn kết cấu tầng mặt cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu quả và tính bền vững.

Kết cấu áo đường bao gồm hai tầng: tầng mặt và tầng móng Tầng mặt được chia thành hai lớp, lớp mặt trên là Bê tông nhựa chặt với kích cỡ hạt lớn nhất danh định 9.5mm (BTNC 9.5) và lớp mặt dưới là Bê tông nhựa chặt với kích cỡ hạt danh định 12.5mm (BTNC 12.5) Để đáp ứng tiêu chuẩn số trục xe tích lũy trong 15 năm là 1.1×10^6, bề dày tối thiểu của tầng mặt được xác định là 9cm, với lớp mặt BTNC 9.5 dày 4cm và lớp mặt dưới BTNC 12.5 dày 5cm Do chi phí vật liệu cho tầng mặt cao, thiết kế được cố định và chiều dày các lớp dưới sẽ được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu.

Nền bố trí đa lớp với lớp trên sử dụng vật liệu có cường độ và khả năng chống biến dạng cao hơn lớp dưới, giúp tối ưu hóa phân bố ứng suất và giảm chi phí xây dựng Tỷ số mô đun đàn hồi của lớp trên so với lớp liền dưới nên nhỏ hơn 3 lần, trong khi tỷ số mô đun đàn hồi giữa lớp móng dưới và lớp nền tự nhiên cần nằm trong khoảng 2.5-10 lần.

+ Cỡ hạt vật liệu lớn nhất lớp móng phía trên nên nhỏ hơn so với cỡ hạt lớn nhất vật liệu lớp móng dưới

+ Kết cấu móng có thể thiết kế thay đổi từng đoạn phù hợp với điều kiện nền đất và tình hình vật liệu cung ứng sẵn có

- Tầng móng thiết kế theo 2 phương án :

+ Phương án 1: Móng trên lựa chọn cấp phối đá dăm loại I với cỡ hạt lớn nhất

Dmax ≤ 25mm và bề dày tối thiểu 15cm (Bảng 2-3 [5]) lớp móng dưới chọn cấp phối đá dăm loại II

Phương án 2 đề xuất sử dụng móng trên với cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% và lớp móng dưới với cấp phối đá dăm loại II Kết quả này dẫn đến việc lựa chọn thiết kế kết cấu áo đường mềm hiệu quả.

- Các thông số tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm (3.1.5 [5]):

Các thông số tính toán cần được xác định dựa trên thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thủy nhiệt, bao gồm thời kỳ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất Cụ thể, nhiệt độ tính toán là 30℃ cho các điều kiện cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi; đối với tiêu chuẩn chịu kéo uốn, nhiệt độ tính toán nằm trong khoảng từ 10 đến 15℃; và đối với điều kiện cân bằng trượt, nhiệt độ tính toán cho các lớp vẫn là 30℃, trong khi lớp nằm trên cùng được tính ở nhiệt độ 60℃.

Trị số mô đun đàn hồi E0, lực dính C và góc nội ma sát φ được xác định dựa trên độ ẩm tính toán bất lợi nhất của nền đất (Phụ lục B [5]).

+ Trị số tính toán của mô đun đàn hồi E, lực dính C và góc nội ma sát φ của các loại vật liệu làm áo đường (Phụ lục C [5])

+ Bề dày tối thiểu được xác định bằng 1.5 lần cỡ hạt lớn nhất trong lớp kết cấu và không vượt quá trị số ở Bảng 2-4 [5]

Bảng 2-7 Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu theo Phương án 1

Tính về kéo uốn Đất nền loại sét ∞ 42 - - - 0.032 24

Cấp phối đá dăm loại II 250 250 250 - - -

Cấp phối đá dăm loại I 300 300 300 - - -

Bảng 2-8 Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu theo Phương án 2

C MPa φ Tính về độ độ võng

Tính về kéo uốn Đất nền loại sét ∞ 42 - - - 0.032 24

Cấp phối đá dăm loại II 250 - - - - -

Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 - - 0.8 - -

Lưu ý : Cột số 2 thao khảo chiều dày dựa vào Bảng 2-4 [5]

Cột 3, 4, 5 của hàng 5, 6 tham khảo các thông số các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa Bảng C-1 [5]

Cột 3, 4, 5 của hàng 3, 4 tham khảo các thông số các đặc trưng tính toán của vật liệu làm mặt đường Bảng C-2 [5]

2.2.1.2 Xác định bề dày các lớp tầng móng theo các phương án sơ bộ

Theo tiêu chuẩn tính toán, một kết cấu được xem là đủ cường độ khi mô đun đàn hồi tổng thể của kết cấu nền áo đường Ech đạt hoặc vượt mức mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc, được nhân với hệ số dự trữ cường độ liên quan đến độ võng (3.4 [5]): dv ch cd yc.

Kcd dv – phụ thuộc vào hệ số tin cậy (Bảng 3-2 [5])

Kcd dv = 1.10 (hệ số tin cậy = 0.90)

Hình 2-1 Sơ đồ tính toán chiều dày các lớp kết cấu áo đường

- Nguyên lý tính toán: Sử dụng bài toán lan truyền tải trọng

Sau khi xác định các phương án móng và thu thập số liệu về mô đun đàn hồi của từng lớp đất, chúng ta có thông tin về bề dày các lớp nền móng và mô đun đàn hồi tổng quát Ech Đối với các lớp đất 1, 2, 3, 4 thuộc nền đất đắp, ta có thể thiết lập rằng Ech1 = E01 Từ đó, dựa vào mối quan hệ trên đồ thị Kogan, chúng ta có thể tính toán giá trị của Ech1 theo biểu thức đã được xác định.

, ch ch , ch ch , ch

Sau khi xác định được Ech1 tiếp tục làm tương tự để xác định Ech2 Coi lớp đất

Ech2 được xác định khi lớp đất đắp thuộc các lớp 2, 3, 4, với điều kiện là Ech2 = E02, tức là không cần xem xét lớp 1 trong tổng thể kết cấu áo đường Dựa vào mối quan hệ trong toán đồ Kogan, chúng ta có thể tính toán giá trị của Ech2 một cách chính xác.

, ch ch , ch ch , ch

Sau khi xác định Ech2 là của hệ kết cấu tầng móng, cần lựa chọn h3 và h4 sao cho Echtt ≥ Ech2 Dựa vào yêu cầu về bề dày các lớp trong kết cấu áo đường, ta khống chế bề dày h3 theo tiêu chuẩn và từ đó tính ngược ra h4 dựa trên Ech cần đạt cho lớp kết cấu Quy trình tính toán áp dụng tương tự như đối với hai lớp phía trên.

(2-9) a Xác định bề dày các lớp tầng móng theo phương án 1

Lớp 3 là cấp phối đá dăm loại I, lớp 4 là cấp phối đá dăm loại II

Bề dày h3 được xác định trong khoảng 15 đến 18 cm cho các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết, theo quy định tại 2.4.3 [5] và Bảng 2-4 [5] Bề dày h4 sẽ được chọn dựa trên h3 để đảm bảo thỏa mãn yêu cầu Ech2 Kết quả cụ thể được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 2-9 Tính toán lựa chọn bề dày các lớp tầng móng phương án 1

Giải pháp h3 Ech2/E3 h3/D Ech3/E3 Ech3 Ech3/E4 E0/E4 h4/D h4 Chọn h4

Lưu ý: Đơn vị của bề dày h là cm b Xác định bề dày các lớp tầng móng theo phương án 2

Lớp 3 là cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5%, lớp 4 là cấp phối đá dăm loại II

KIỂM TOÁN ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU ĐỀ XUẤT

Theo thiết kế sơ bộ ta có phương án đầu tư tập trung Theo đó ta cần đánh giá, kiểm tra kết cấu áo đường với ba điều kiện:

- Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép (3.4 [5])

- Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính (3.5 [5])

- Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối (3.6 [5])

2.3.1 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi Điều kiện tính toán: Kết cấu được coi là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu

Eyc nhân thêm với hệ số dự trữ cường độ về độ võng Kcddv được xác định tùy chọn theo độ tin cậy mong muốn:

Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp:

Để thực hiện quy đổi từ dưới lên, sau khi quy đổi hai lớp sẽ được coi như một lớp với thông số bề dày H’ = h1 + h2 và mô đun đàn hồi E’tb Sau khi quy đổi, cần nhân thêm với Etb và hệ số điều chỉnh β được xác định theo Bảng 3-6 [5] để có được giá trị Etb dc.

Xác định mô đun đàn hồi chung của hệ kết cấu theo quan hệ trên toán đồ Kogan (Hình 3-1 [5])

Trong đó: E1 là mô đun đàn hồi trung bìnhđã điều chỉnh E1 = Etb dc

Kết quả quy đổi hệ nhiều lớp về một lớp được thể hiện ở bảng dưới

Bảng 2-17 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tim E’tb

Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250

Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5%

Xét hệ số điều chỉnh: 51 1.545 1.182

Mô đun đàn hồi trung bình: E tb dc  E tb '  1.182 344.72 407.46    MPa 

Mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu:

Kết quả kiểm toán cho thấy: E  184.17  K E dv  184.11

184.17 dv ch cd yc dv cd yc

Như vậy kết cấu áo đường đã chọn đảm bảo yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

2.3.2 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất

Kết cấu nền áo đường có tầng mặt loại A1 được xem là đủ cường độ khi thỏa mãn điều kiện: tt ax av tr cd

Ứng suất cắt lớn nhất do tải trọng bánh xe gây ra trong nền đất hoặc lớp vật liệu kém dính được tính toán và xác định theo Mục 3.5.2 [5] và được đo bằng đơn vị Megapascal (MPa).

Tav là ứng suất cắt hoạt động được tạo ra do trọng lượng của các lớp vật liệu nằm trên nó tại điểm đang xem xét, được đo bằng đơn vị MPa, theo quy định trong Mục 3.5.3 [5].

Kcd tr – hệ số cường độ chịu cắt trượt (Bảng 3-7 [5]) 2.3.2.1 Xác định các đại lượng a Mô đun đàn hồi trung bình của các lớp kết cấu

Việc quy đổi tần về hệ 2 lớp được thực hiện như bảng dưới:

Bảng 2-18 Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên

Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250

Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 2.4 12 0.400 42 329.87

Xét hệ số điều chỉnh: 51 1.182

Mô đun đàn hồi trung bình của hệ: E tb  E tb '  1.182 270 383.38    MPa  b Ứng suất cắt hoạt động do tải trọng bánh xe tiêu chuẩn tính toán Tax

Theo biểu đồ Hình 3-3, với góc nội ma sát của đất nền φ = 24°, ta có thể xác định T ax = 0.015 p Với áp lực tính toán mặt đường p = 6 daN/cm² = 0.6 MPa, các giá trị liên quan được tính toán sẽ hỗ trợ trong việc đánh giá khả năng chịu tải của mặt đường.

Hình 2-2 minh họa toán đồ xác định ứng suất trượt từ tải trọng bánh xe tác động lên lớp dưới của hệ hai lớp Ứng suất cắt xuất hiện do trọng lượng bản thân các lớp kết cấu áo đường gây ra trong nền đất Tav.

Bề dày tổng cộng của các lớp trên lớp tính toán đạt 51cm, trong khi trị số góc ma sát trong của đất nền là 24° Tham khảo biểu đồ trong Hình 3-4 [5] để có thêm thông tin chi tiết.

Hình 2-3 Toán đồ tìm ứng suất cắt hoạt động Tav(Mpa) do trọng lượng bản thân mặt đường d Xác định Ctt, Kcd tr

Trị số Ctt được xác định theo biểu thức:

C = 0.032 MPa – Lực dính của đất nền Bảng 2-3

K1 = 0.6 – hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất chịu tải trọng động và gây dao động

K2 = 0.8 – hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu Lấy theo Bảng 3-8 [5]

Hệ số K3 = 1.5 được sử dụng để đánh giá sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất hoặc vật liệu kém dính khi chúng hoạt động trong điều kiện khác so với mẫu thử Đặc biệt, hệ số này áp dụng cho đất sét.

Hệ số cường độ về chịu cắt Kcd tr = 0.94 lấy theo Bảng 3-7 [5] đối với đường cấp III độ tin cậy lấy bằng 0.9

Với các giá trị các đại lượng đã xác định được ở trên ta có:

Như vậy ta có ax av tt tr cd

  K nên có thể kết luận kết cấu đảm bảo khả năng chịu cắt trượt trong nền đất

2.3.3 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp bê tông nhựa

Kết cấu được coi là đủ cường độ khi thỏa mãn điều kiện: ku u ku ku cd

Trong đó: σku - ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (3.6.2 [5])

Ru ku – cường độ chịu kéo uốn tính toán VL liền khối (3.6.3 [5])

Hệ số cường độ chịu kéo uốn Kcd ku phụ thuộc vào độ tin cậy, như được trình bày trong Bảng 3-7 Để xác định giá trị các đại lượng cần kiểm toán, trước tiên cần tính toán ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa Ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy lớp vật liệu liền khối σku được xác định bằng công thức ku ku p k b.

Áp lực bánh của tại trọng trục tính toán được xác định là p = 0.6 MPa Hệ số kb xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán có giá trị kb = 0.85 cho cụm bánh đôi (tải trọng trục tiêu chuẩn) và kb = 1.0 cho cụm bánh đơn (tải trọng trục đặc biệt nặng nhất).

ku - ứng suất kéo uốn đơn vị, xác định theo toán đồ Hình 3-5 [5]

H1 – tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp được kiểm tra kéo uốn trở lên đến bề mặt áo đường;

E1 – mô đun đàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm vi h1, 1

  h (Ei, hi là trị số mô đun đàn hồi và bề dày các lớp I trong phạm vi h1)

D – đường kính vệt bánh xe tính toán

Ech.m – mô đun đàn hồi chung của nền đất và các lớp nằm phía dưới đáy lớp vật liệu liền khối được kiểm tra

Bảng 2-19 Lớp kết cấu bê tông nhựa kiểm tra kéo uốn

- Đối với bê tông nhựa lớp trên:

Bảng 2-20 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp về 1 lớp từ dưới lên

Lớp kết cấu Ei t E2/E1 hi k h2/h1 Htb Etb

Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250

Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% 600 2.400 12 0.400 42 329.87

Xét đến hệ số điều chỉnh: ' 47  1.424  1.165

Mô đun đàn hồi trung bình điểu chỉnh:

Kogan ch m dc dc tb tb

Tìm  ku ở đáy bê tông nhựa lớp trên bằng cách tra toán đồ Hình 3-5 [5]

Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σku là:

- Đối với lớp bê tông nhựa dưới:

Bảng 2-21 Kết quả tính đổi tầng 2 lớp móng về 1 lớp

Lớp kết cấu Ei t = E2/E1 hi k = h2/h1 Htb Etb

Cấp phối đá dăm loại II 250 30 30 250

Cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5%

Xét đến hệ số điều chỉnh: ' 42  1.273  1.14

Mô đun đàn hồi trung bình điểu chỉnh của tầng móng:

Kogan ch m dc dc tb tb

Tìm  ku ở đáy lớp bê tông nhựa lớp dưới bằng cách tra toán đồ Hình 3-5 [5]

Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σku là:

      b Xác định cường độ kéo uốn của vật liệu

- Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối xác định theo công thức:

Rku là cường độ chịu kéo uốn tính toán ở nhiệt độ và tuổi mẫu cụ thể K2 là hệ số điều chỉnh cho sự suy giảm cường độ theo thời gian do ảnh hưởng của thời tiết, trong khi k1 là hệ số xem xét sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tải trọng trùng phục Đối với bê tông nhựa, công thức tính cường độ là 1 11.11 0.22 e k = N, trong đó Ne là số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời hạn thiết kế 15 năm cho lớp bê tông nhựa chặt loại I, với giá trị Ne = 1.1×10^6.

Bảng 2-22 Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối

- Hệ số cường độ về chịu kéo uốn Kcdku = 0.94 (hệ số tin cậy = 0.9)

- Đối với bê tông nhựa lớp trên:

0.94 ku tt ku ku cd

- Đối với bê tông nhựa lớp dưới:

0.94 ku tt ku ku cd

Như vậy kết cấu áo đường đạt điều kiện cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn kéo uốn đối với cả hai lớp bê tông nhựa

2.4 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TƯ PHÂN KỲ

2.4.1 Các yêu cầu chung khi lựa chọn phương án đầu tư phân kì

Trước khi xem xét các phương án phân kỳ đầu tư, cần căn cứ vào quy hoạch mạng lưới đường ô tô đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt để xác định cấp đường trong tương lai Đồng thời, việc tuân thủ TCVN 5729:2012 là cần thiết để thiết kế tổng thể hoàn chỉnh, đảm bảo các giải pháp thiết kế phân kỳ tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng giai đoạn sau Điều này cũng giúp các hạng mục công trình đã được phân kỳ thực hiện trước đó vẫn có thể sử dụng được trong giai đoạn sau.

Chỉ nên thực hiện thiết kế phân kỳ xây dựng nền đường ở những khu vực có điều kiện địa chất công trình ổn định Việc này đảm bảo rằng quá trình thi công mở rộng sau này sẽ không ảnh hưởng đến an toàn giao thông và hoạt động bình thường của đường ô tô.

Thời gian khai thác đường ô tô theo phương án đầu tư phân kỳ thường từ 5 đến 10 năm hoặc hơn, nhằm phục vụ cho việc điều tra và dự báo quy mô giao thông Khoảng thời gian này là cơ sở để thiết kế và tổ chức giao thông đường ô tô theo phương án phân kỳ Trong giai đoạn này, có thể chấp nhận tốc độ khai thác thấp hơn tốc độ thiết kế của đường ô tô trong tương lai và đề xuất hạn chế tải trọng trục xe nặng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong khai thác.

Kết cấu tầng mặt của áo đường mềm là phần tốn kém nhất trong xây dựng đường ô tô, thường chiếm từ 40-60% tổng kinh phí ở vùng đồng bằng và đồi núi, trong khi đó, tỷ lệ này giảm xuống còn 30-40% ở vùng núi.

TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG GIAI ĐOẠN II

2.5.1 Lựa chọn kết cấu áo đường giai đoạn II

Sau 5 năm cường độ của kết cấu áo đường Ech giảm đi 10%:

Mặc dù vẫn giữ nguyên kết cấu móng của phương án đầu tư tập trung, nhưng sẽ có sự gia tăng độ dày của tầng mặt cũ Kết cấu áo đường mới sẽ được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây.

Bảng 2-29 Các lớp áo đường cho đầu tư phân kỳ 10 năm còn lại

Bề dầy mỗi lớp (cm)

Module đàn hồi theo các điều kiện (MPa)

Góc ma sát trong 𝜑(độ)

Bê tông nhựa chặt loại

Bê tông nhựa chặt loại

2.5.2 Kiểm toán phương án kết cấu áo đường cho giai đoạn đầu tư xây dựng phân kỳ 10 năm còn lại

2.5.2.1 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn về độ võng đàn hồi cho phép

- Xác định module đàn hồi yêu cầu:

Bảng 2-30 Lựa chọn module đàn hồi yêu cầu

Cấp đường Loại tầng mặt

Số trục xe tính toán Ntt

Module đàn hồi yêu cầu

Module đàn hồi yêu cầu tối thiểu

Module đàn hồi yêu cầu lựa chọn

Theo tiêu chuẩn, kết cấu được coi là đủ cường độ khi mô đun đàn hồi chung của toàn bộ kết cấu nền áo đường (hoặc áo lề có gia cố) Ech phải lớn hơn hoặc bằng mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc, nhân với hệ số dự trữ cường độ về độ võng K cd dv, được xác định dựa trên độ tin cậy mong muốn.

 K cd dv : phụ thuộc vào hệ số độ tin cậy theo Bảng 3-2 - 22TCN-211-06, dv 1.10

Kcd  (hệ số độ tin cậy bằng 0.9);

- Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp với trị số module đàn hồi trung bình E tb ' với biểu thức:

 k=h2/h1, t=E1/E2, với h1 và h2 là chiều dày lớp trên và lớp dưới của áo đường, E1 và E2 là modun đàn hồi của vật liệu lớp trên và lớp dưới

Việc chuyển đổi từ hệ nhiều lớp sang hệ hai lớp được thực hiện từ dưới lên, với hai lớp vật liệu được quy đổi thành một lớp có bề dày H' = h1 + h2 Trị số mô đun đàn hồi E tb' được tính theo công thức (2-38).

Xem lớp H’ (với E tb ') là lớp dưới, chúng ta tiếp tục quy đổi nó cùng với lớp trên thành một lớp mới có bề dày H = H’ + h3 Tính toán E tb ' theo công thức (2-38), trong đó E tb ' đóng vai trò là E1, với K = h3/H’ và t = E3/E tb '.

Sau khi quy đổi nhiều lớp áo đường thành một lớp duy nhất, cần nhân với hệ số điều chỉnh β được xác định theo Bảng 3-6-22TCN-211-06 để tính toán trị số E tb.

 H: là bề dày toàn bộ của kết cấu áo đường;

 D: đường kính vệt bánh xe tính toán;

 Tỷ số H/D và tra theo theo Bảng 3-6-22TCN-211-06

- Xác định module đàn hồi chung của hệ kết cấu theo quan hệ trên toán đồ Kogan:

 E1: là mondule đàn hồi trung bình đã điều chỉnh E 1  E tb dc

Kết quả quy đổi từ hệ nhiều lớp về hệ hai lớp được trình bày trong bảng dưới đây: Bảng 2-31 Kết quả quy đổi hệ nhiều lớp về hai lớp từ dưới lên để tìm.

Bê tông nhựa chặt loại I

Bê tông nhựa chặt loại I

Xét hệ số điều chỉnh:

D     Module đàn hồi trung có điều chỉnh:

Module đàn hồi trung của cả kết cấu:

385.8 33 ch o dc dc tb tb

      b Kết luận và nhận xét

Kết quả kiểm toán: E ch 186.7K cd dv E yc 184.1(Mpa)

Kết luận cho thấy rằng cấu trúc của áo đường dự kiến đáp ứng đầy đủ yêu cầu về cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép.

2.5.2.2 Kiểm tra cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối trong các lớp betong nhựa

Kết cấu cần đảm bảo đủ cường độ theo tiêu chuẩn keo uốn trong các lớp vật liệu liền khối của bê tông nhựa, khi thỏa mãn các điều kiện cụ thể.

  ku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trong bánh xe;

 R u ku : cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp vật liệu liền khối;

Hệ số cường độ chịu kéo uốn K cd ku được xác định dựa trên độ tin cậy và có giá trị là 0.94 khi hệ số độ tin cậy là 0.9, theo bảng 3-7 của tiêu chuẩn 22TCN-211-06 Việc xác định giá trị các đại lượng là bước quan trọng trong quá trình này.

- Xác định ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp betong nhựa

+ Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối  ku được xác định theo biểu thức dưới đây: ku ku p kb

 p: áp lực bánh của tại trọng trục tính toán p = 0.6 Mpa;

Hệ số kp được xác định dựa trên đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác động của tải trọng tính toán Cụ thể, đối với cụm bánh đôi với tải trọng trục tiêu chuẩn, hệ số kb được quy định là 0.85 Trong khi đó, đối với cụm bánh đơn với tải trọng trục đặc biệt nặng nhất, hệ số kb là 1.0.

  ku : ứng suất kéo uốn đơn vị, xác định theo toán đồ Hình 3-5 theo 22TCN-211-06;

 h1: tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp được kiểm tra kéo uốn trở lên đến bề mặt áo đường;

 E1: module dàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm vi h1,

   (E i ,h i : là trị số module dàn hồi và bề dày các lớp i trong phạm vi h1);

 D: đường kính vệt bánh xe tính toán;

 Ech.m: module dàn hồi chung của nền đất và các lớp nằm phía dưới đáy lớp vật liệu liền khối được kiểm tra

+ Việc quy đổi tầng 2 lớp một đối với betong nhựa lớp trên được thực hiện dưới bảng sau:

Bảng 2-32 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '

Bê tông nhựa chặt loại I-

12.5mm (đá dăm 50%) 2200 7.410 8 0.19 50 453.8 + Xét hệ số điều chỉnh:

D     + Module đàn hồi trung bình của hệ:

E    E    Mpa + Xác định ứng suất kéo uốn đơn vị  ku :

(tra toán đồ Kogan hình 3-1 của 22TCN-211-06)

 Tra toán đồ Kogan ở hình 3-5 của 22TCN-211-06 với các chỉ số sau để tính  ku ở đáy lớp betong nhựa lớp trên:

+ Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σku là:

- Việc quy đổi tầng 2 lớp một đối với betong nhựa lớp dưới được thực hiện dưới bảng sau:

Bảng 2-33 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '

+ Xét hệ số điều chỉnh:

+ Module đàn hồi trung bình của hệ:

E   E    Mpa + Xác định ứng suất kéo uốn đơn vị  ku :

 Tra toán đồ Kogan ở hình 3-5 của 22TCN-211-06 với các chỉ số sau để tính  ku ở đáy lớp betong nhựa lớp trên:

+ Như vậy ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối σku là:

- Xác định cường độ kéo uốn của vật liệu

+ Cường độ kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối xác định theo công thức:

 Rku: cường độ chịu kéo uốn tính toán kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán và ở tuổi mẫu tính toán;

 k2: hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khi hậu thời tiết;

Hệ số k1 được sử dụng để xem xét sự suy giảm cường độ của vật liệu do mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục Đối với bê tông nhựa, k1 được tính bằng công thức: k1 = 11.11 / Ne, trong đó Ne là số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời gian thiết kế, được xác định cho một làn xe với thời gian thiết kế là 15 năm đối với lớp bê tông nhựa chặt loại I (Ne = 1.1 x 10^6).

Bảng 2-34 Kết quả quy đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tìm E tb '

Bê tông nhựa chặt loại

Bê tông nhựa chặt loại

0.521 1 2.8 1.459 b Kết luận và nhận xét

- Đối với betong nhựa lớp trên:

0.94 ku tt ku ku cd

=> Thỏa mãn điều kiện của biểu thức (2-41)

- Đối với betong nhựa lớp dưới:

0.94 ku tt ku ku cd

=> Thỏa mãn điều kiện của biểu thức (2-41)

Kết luận: Như vậy kết cấu áo được đạt điều kiện cường độ kết cấu theo tiêu chuẩn kéo uốn đối với cả hai lớp bê tông nhựa.