Đồ án Thiết kế đường miền núi Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 7.1. QUY ĐỊNH CHUNG: 7.1.1. Cấu tạo: Cấu tạo áo đường mềm hoàn chỉnh gồm có tầng mặt và tầng móng, mỗi tầng có thể có nhiều lớp. Tầng mặt ở trên chịu tác dụng trực tiếp của xe (lực thẳng đứng và lực ngang) và tác dụng của các nhân tố tự nhiên (nắng, mưa, nhiệt độ, …). Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độ nhám, chống thấm nước, chống được biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, chống được nứt, chống bong bật, phải có khả năng chịu bào mòn tốt, và đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Tầng móng ở dưới có tác dụng phân bố ứng suất do tải trọng xe xuống nền đường. Vật liệu tầng móng có thể dùng loại rời rạc nhưng phải bảo đảm độ cứng nhất định và có thể có cường độ giảm dần theo chiều sâu. 7.1.2. Các yêu cầu cơ bản: Tuyến đường được xây dựng vừa phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật vừa phải đảm bảo các yêu cầu kinh tế trong đầu tư lẫn trong quá trình khai thác. Vật liệu sử dụng ở tầng mặt là loại vật liệu đắt tiền nên khi thiết kế cần phải tính toán sao cho chiều dày các lớp là nhỏ nhất mà vẫn bảo đảm các yêu cầu kĩ thuật. Đối với tầng móng, có thể bố trí nhiều lớp khác nhau với loại có cường độ thấp hơn ở dưới. Ta có thể tận dụng vật liệu sẵn có ở địa phương. 7.2. CHỌN LOẠI TẦNG MẶT : Theo 22 TCN 211-06 Bảng 2-1 trang 110, với thời hạn thiết kế 15 năm, cấp thiết kế của đường là cấp III thì ta chọn tầng mặt là cấp cao A1 7.3. TÍNH SỐ TRỤC XE TÍNH TOÁN: 7.3.1. Số liệu ban đầu: Thời gian khai thác :15 năm Thành phần xe chạy: P%  No(xe/ng.đ)  Loại xe  Ký hiệu xe  Thành phần %   5.6  1050  Xe gắn máy   5     Xe con  M - 21  10     Xe tải nhẹ  GaZ - 51A  13     Xe tải vừa  Zil - 130  32     Xe tải nặng  MaZ - 500  21     Xe tải 3 trục  KraZ - 257  10     Xe buýt lớn  Zil - 127  9   Lưu lượng xe cuối thời kỳ khai thác: Nt = N0x(1+P)15-1 Nt = 1050x(1+5.6%)15-1 =2253 (Xe/ng.đ) ( xem mục 2.1 ) Dự báo thành phần giao thông ở năm cuối sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng: Loại xe  Trọng lượng trục Pi (kN)  Số trục sau  Số bánh của mỗi cụm bánh ở trục sau  Khoảng cách giữa các trục sau (m)  Thành phần xe chạy pi(%)  Lượng xe ni 2 chiều (xe/ngđ)            Trước  Sau        Xe máy       5  113   Xe con M – 21  8.976  9.418  1  Cụm bánh đơn  --  10  225   Xe tải nhẹ 2 trục GAZ – 51A  15.696  36.788  1  Cụm bánh đôi  --  13  293   Xe tải vừa 2 trục ZIL – 130  25.261  68.180  1  Cụm bánh đôi  --  32  721   Xe tải nặng 2 trục MAZ – 500  41.447  98.100  1  Cụm bánh đôi  --  21  473   Xe tải loại 3 trục KRAZ - 257  45.837  91.000  2  Cụm bánh đôi  1.4  10  225   Xe buýt lớn ZIL-127  47.775  79.755  1  Cụm bánh đôi  --  9  203   Tổng  100  2253   * Loại xe tải nặng 3 trục KRAZ – 257 có các chỉ tiêu sau: Khoảng cách giữa 2 trục sau 1.4m Áp lực vệt bánh xe p = 5.4daN/cm2 Đường kính vệt bánh xe D = 33cm Trọng lượng xe có hàng P = 23225 Kg x 9.81/ 1000 = 227.837 kN Từ đó, ta tính được tải trọng trục trước và trục sau như sau: Trục trước: Ptructruoc = P – Ptrucsau = 227.837 – 2 x 91.00 = 45.837 kN 7.3.2. Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100kN : Mục tiêu quy đổi ở đây là quy đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i về số lần thông qua của tải trọng trục tính toán trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại đối với kết cấu áo đường. Theo 22 TCN 211-06 điều 3.2.3 trang 128 thì : Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở nay hàng. Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25kN trở lên. Khi khoảng cách giữa các trục < 3m (giữa các trục của cụm trục) thì quy đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như một trục với việc xét đến hệ số trục C1 Tổng số trục xe quy đổi từ loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều :
(trục/ngđ) (CT 3-1 trang 128 _ 22 TCN 211-06) C1 là hệ số trục được xác định như sau :
m : số trục của cụm trục i C2 : hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh C2 = 6,4 với các cụm bánh chỉ có 1 bánh C2 = 1,0 với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) Ptt = 100 kN : tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn ni : số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục Pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn. Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN : Loại xe  Pi (kN)  C1  C2  ni  N   Tải nhẹ  Trục trước  15.696  1  6.4  293  ---    Trục sau  36.788  1  1  293  4   Tải vừa  Trục trước  25.261  1  6.4  721  11    Trục sau  68.180  1  1  721  134   Tải nặng  Trục trước  41.447  1  6.4  473  63    Trục sau  98.100  1  1  473  435   Xe 3 trục  Trục trước  45.837  1  6.4  225  47    Trục sau  91.000  2.2  1  225  327   Xe buýt lớn  Trục trước  47.775  1  6.4  203  50    Trục sau  79.755  1  1  203  75   Tổng  1145  
(TXTC/2làn/ngđ)
Đường có 2 làn xe, không dải phân cách

(điều 3.3.2 trang 129 _ 22 TCN 211-06)

(TXTC/1 làn/ngđ/làn) 7.3.3. Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế: Theo 22 TCN 211-06 phụ lục A (mục A.2.2 trang 151) ta có: với N1 = N = 631 (TXTC/ngđ/làn) p = 5.6% → - Chiều dày BTNN :
Chiều dày BTNN = 10,531cm Chọn chiều dày 11cm. → - Hệ số suy giảm cường độ do vật kiệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục: K1 =
7.4. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ:
(1) Với tải trọng trục 10T (100kN), dựa vào 22 TCN 211-06 Bảng 3.4 trang 131 ta có : N1làn = 500 (TXTT/ngđ/làn) thì
(MPa) N1làn = 1000 (TXTT/ngđ/làn) thì
(MPa) Thay các giá trị trên vào (1), giải hệ phương trình này ta được : a = 52,48 ; b = 46,51 Với N1làn = 631(TXTT/ngđ/làn) :
(MPa) >
(MPa) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán 15 năm kể từ khi đưa mặt đường vào khai thác trên một làn xe là Ne = 2,425.106 (TXTC/làn)
Bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 là 10cm (22 TCN 211-06 Bảng 2-2 trang 113). Ta chọn bề dày là 11cm. Module đàn hồi chung của cả kết cấu áo đường phải thỏa điều kiện :
(CT 3-1 trang 128 _ 22 TCN 211-06)

: hệ số dự trữ cường độ về độ võng Theo 22TCN 251-98, với đường thiết kế cấp III thì hệ số suất đảm bảo K = 1,3 nên độ tin cậy thiết kế là 90%

= 1,1 (theo 22 TCN 211-06 Bảng 3-2 trang 130)

(MPa) 7.5. THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: (Phương án I) 7.5.1. Chọn sơ bộ kết cấu áo đường: Theo yêu cầu kĩ thuật của áo đường cấp cao A1 và điều kiện thi công thực tế, chọn kết cấu áo đường như sau : 7.5.1.1. Tầng mặt : + Bê tông nhựa chặt hạt trung rải nóng, có độ rỗng còn dư 3% - 6% thể tích, có hạt lớn nhất danh định là 20mm (BTNC20), có hàm lượng đá dăm 50% - 57% (loại A), chất lượng loại I. + Nhựa lỏng dính bám MC 250 (0,5 lít/m2) + Bê tông nhựa chặt hạt trung rải nóng, có độ rỗng còn dư 3% - 6% thể tích, có hạt lớn nhất danh định là 25mm (BTNC25), có hàm lượng đá dăm 50% - 57% (loại A), chất lượng loại II. + Nhựa lỏng dính bám MC 250 (0,5 lít/m2) Thành phần cấp phối các cỡ hạt của hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng : Bộ lỗ sàng tròn (mm) (*)  Tỉ lệ lọt sàng % theo khối lượng    BTNC20 (Dmax = 20mm)  BTNC25(Dmax = 25mm)   40     31,5   100   25  100  95 – 100   20  95 – 100  -   15  81 - 89  76 – 84   10  65 – 75  60 – 70   5  43 – 57  43 – 57   2,5  31 – 44  31 – 44   1,25  22 – 33  22 – 33   0,63  16 – 24  16 – 24   0,315  12 – 18  12 – 18   0,14  8 – 13  8 – 13   0,071  5 – 10  5 – 10   (*) Bộ sàng lỗ tròn tiêu chuẩn gồm các sàng lỗ tròn từ 0,63mm trở lên, sàng lỗ vuông từ 0,315mm trở xuống 7.5.1.2. Tầng móng : Đá mạt (0,5x1) rải phủ 10 lít /m2. Tưới nhựa lỏng thấm bám MC 70 (1,2 lít/m2). Móng trên : cấp phối đá dăm có cỡ hạt lớn nhất danh định là 25mm theo mắt sàng vuông – CPĐD 0-4, chất lượng loại I. Móng dưới : cấp phối thiên nhiên loại B Thành phần hạt của hai lớp cấp phối : Cấp phối đá dăm (Dmax = 25mm) (theo 22 TCN 334-06)  Cấp phối thiên nhiên loại B (theo 22 TCN 304-03)   Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)  Tỉ lệ lọt sàng % theo khối lượng  Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)  Tỉ lệ lọt sàng % theo khối lượng   50      37,5  100     25  79 – 90  50,0  100   19  67 – 83  25,0  -   9,5  49 – 64  9,5  30 - 65   4,75  34 – 54  4,75  25 - 55   2,36  25 – 40  2,0  15 - 40   0,425  12 – 24  0,425  8 - 20   0,075  2 – 12  0,075  2 - 8   7.5.1.3. Đất nền tự nhiên : Nền á sét có độ ẩm tương đối
% ; độ chặt K = 95% W : độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên. Wnh : độ ẩm giới hạn nhão hay chảy (từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão) xác định bằng thí nghiệm Casagrande. 7.5.2. Đặc trưng cường độ vật liệu: Theo Bảng B-3 trang 155, C-1 trang 160 và C-2 trang 161 của 22 TCN 211-06 ta có các đặc trưng của vật liệu làm đường như sau : Vật liệu  Chiều dày  Module đàn hồi (MPa) ở  Ru (MP)  c (MP)  φ (độ)     60oC  30oC  15oC(*)      BTNC 20 loại IA  h4  300  420  1800  2,8     BTNC 25 loại IIA  h3  300  420  1800  2,4     CPĐD (Dmax = 25mm)  h2  300  300  300      CP thiên nhiên loại B  h1  187.5  187.5  187.5   0,0425  40   Đất nền á sét   42  42  42   0,032  24   Ru : cường độ chịu kéo khi uốn của vật liệu. c : lực dính φ : góc ma sát trong (*) Dùng trị số tương ứng với nhiệt độ 15oC vì tầng mặt là lớp bê tông nhựa có bề dày tổng cộng là 11cm > 7cm 7.5.3. Giải bài toán móng kinh tế: Trình tự giải như sau : a/ Chọn cố định bề dày các lớp BTNC theo điều kiện bề dày tối thiểu. Ta chọn chiều dày để thi công lớp bê tông nhựa thành 2 lớp : h4 = 4cm , h3 = 7cm b/ Cho trước trị số h2. Bằng cách quy tất cả các lớp áo đường, từng cặp một, từ dưới lên trên, rồi hiệu chỉnh thành một lớp tương đương, thử dần giá trị h1 để đảm bảo
theo công thức :
và sơ đồ sau :
 c/ Xác định Gmin, từ đó suy ra chiều dày của lớp 1 và lớp 2 tương ứng. Cụ thể như sau : cho trước h2 = 20cm Chiều dày (cm)  Etbk  hk  Etbk  hk  Etbk  H  Etbk (Mpa)   h4  4  420  4  420  4  420  83  237.343   h3  7  420  7  420  79  229.868     h2  20  300  72  215.269       h1  52  187.5         Xét đến hệ số điều chỉnh β :
Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 83cm có module đàn hồi trung bình :
(MPa) Tính Ech của cả kết cấu : Ta có :

cm


Tăng dần giá trị h2, tiến hành tương tự như trên ta được bảng sau :
(MPa) h2 (cm)  h1 (cm)  H (cm)  Etbk (MPa)  Etbhc (MPa)  Htd  Ech (MPa)   20  52  83  237.343  295.344  175.019  201.174   21  50  82  239.366  297.429  173.316  201.045   22  49  82  240.738  299.134  173.646  201.797   23  47  81  242.848  301.312  171.944  201.658   24  45  80  245.024  303.559  170.242  201.508   25  43  79  247.268  305.877  168.541  201.346   26  41  78  249.584  308.270  166.841  201.172   27  39  77  251.975  310.742  165.141  200.985   Bảng tính toán giá thành (được tính theo đơn giá XDCB khu vực thành phố Hồ Chí Minh năm 2008) : Cấp phối thiên nhiên : Chiều dày (cm)  Phân lớp  Mã hiệu  Vật liệu  Nhân công  Máy  G1 (VND)   52  18  AD21227  1028000  111350  575521  4952554    18  AD21227  1028000  111350  575521     16  AD21226  914000  103904  504908    50  18  AD21227  1028000  111350  575521  4760495    16  AD21226  914000  103904  504908     16  AD21226  914000  103904  504908    49  17     971000  107627  540214.5  4664466    16  AD21226  914000  103904  504908     16  AD21226  914000  103904  504908    47  16  AD21226  914000  103904  504908  4479936    16  AD21226  914000  103904  504908     15     856800  100350.5  477161    45  15     856800  100350.5  477161  4302935    15     856800  100350.5  477161     15     856800  100350.5  477161    43  15     856800  100350.5  477161  4125934    14  AD21225  799600  96797  449414.0     14  AD21225  799600  96797  449414.0    41  14  AD21225  799600  96797  449414.0  3914105    14  AD21225  799600  96797  449414.0     13  AD21225  742600  93074  386809.4    39  13  AD21225  799600  96797  449414.0  3852933    13  AD21225  799600  96797  449414.0     13  AD21224  685600  89351.0  386360    Cấp phối đá dăm : Giá tiền được tính với tỷ lệ chiều dày lớp so với 10cm. Chiều dày (cm)  Mã hiệu  Vật liệu  Nhân công  Máy  G2 (VNĐ)   10  AD22311  1187100  127477  145745  1460322   Bảng tổng hợp giá thành :
(MPa) h1 (cm)  G1 (VND)  h2 (cm)  G2 (VND)  G1 + G2 (VND)  Ech (MPa)   52  4952554  20  2920644.000  7873198  201.174   50  4760495  21  3066676.200  7827171  201.045   49  4664466  22  3212708.400  7877173  201.797   47  4479936  23  3358740.600  7838676  201.658   45  4302935  24  3504772.800  7807707  201.508   43  4125934  25  3650805.000  7776738  201.346   41  3914105  26  3796837.200  7710942  201.172   39  3852933  27  3942869.400  7795802  200.985   * Chú thích : đơn vị tiền ở các bảng trên là VNĐ/100m2 Dựa vào bảng trên ta chọn được Gmin =7710942 (VNĐ/100m2) ứng với h1 =41cm ; h2 = 26cm Vậy kết cấu thỏa điều kiện
với chi phí xây dựng nhỏ nhất là : BTNC 20 loại IA dày 4cm BTNC 25 loại IIA dày 7cm Cấp phối đá dăm dày 26cm Cấp phối thiên nhiên dày 41cm 7.6. THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: (Phương án II) Trình tự thiết kế tương tự như trình tự thiết kế ở phương án I. 7.6.1. Chọn sơ bộ kết cấu áo đường: Tầng mặt : Bê tông nhựa chặt hạt nhỏ rải nóng, có độ rỗng còn dư 3% - 6% thể tích, có hạt lớn nhất danh định là 20mm (BTNC20), có hàm lượng đá dăm 50% - 57% (loại A), chất lượng loại I Nhựa lỏng dính bám MC 250 (0,5 l/m2) Bê tông nhựa chặt hạt trung rải nóng, có độ rỗng còn dư 3% - 6% thể tích, có hạt lớn nhất danh định là 25mm (BTNC25), có hàm lượng đá dăm 50% - 57% (loại A), chất lượng loại II Nhựa lỏng dính bám MC 250 (0,5 l/m2) Tầng móng : Móng trên : bê tông nhựa rỗng rải nóng có độ rỗng còn dư từ lớn hơn 6% đến 10% thể tích, có hạt lớn nhất danh định là 25mm (BTNR25) Nhựa lỏng thấm bám MC 70 (1,0 l/m2) Móng dưới : cấp phối thiên nhiên loại B Đất nền tự nhiên : Nền á sét có độ ẩm tương đối
% ; độ chặt K = 95% W : độ ẩm của đất ở trạng thái tự nhiên. Wnh : độ ẩm giới hạn nhão hay chảy (từ trạng thái dẻo sang trạng thái nhão) xác định bằng thí nghiệm Casagrande. Thành phần cấp phối các cỡ hạt của hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng : Bộ lỗ sàng tròn (mm) (*)  Tỉ lệ lọt sàng % theo khối lượng    BTNC20 (Dmax = 15mm)  BTNC25 (Dmax = 25mm)  BTNR25 (Dmax = 31.5mm)   40      31,5   100  100   25  100  95 – 100  95 – 100   20  95 – 100  -  -   15  81 - 89  76 – 84  -   10  65 – 75  60 – 70  50 – 70   5  43 – 57  43 – 57  30 – 50   2,5  31 – 44  31 – 44  20 – 35   1,25  22 – 33  22 – 33  13 - 25   0,63  16 – 24  16 – 24  9 – 16   0,315  12 – 18  12 – 18  6 – 13   0,14  8 – 13  8 – 13  4 – 9   0,071  5 – 10  5 – 10  0 – 4   (*) Bộ sàng lỗ tròn tiêu chuẩn gồm các sàng lỗ tròn từ 0,63mm trở lên, sàng lỗ vuông từ 0,315mm trở xuống Thành phần hạt của lớp cấp phối thiên nhiên loại B : Kích cỡ mắt sàng vuông(mm)  Tỉ lệ lọt sàng % theo khối lượng   50,0  100   25,0  -   9,5  30 - 65   4,75  25 - 55   2,0  15 - 40   0,425  8 - 20   0,075  2 - 8   7.6.2. Đặc trưng cường độ vật liệu: Theo Bảng B-3 trang 155, C-1 trang 160 và C-2 trang 161 của 22 TCN 211-06 ta có các đặc trưng của vật liệu làm đường như sau : Vật liệu  Chiều dày  Module đàn hồi (MPa) ở  Rku (MP)  c (MP)  φ (độ)     60oC  30oC  15oC (*)      BTNC 20 loại IA  h4  300  420  1800  2,8     BTNC 25 loại IIA  h3  300  420  1800  2,4     BTNR 25  h2  250  320  1200  1.6     CP thiên nhiên loại B  h1  187.5  187.5  187.5   0,0425  40   Đất nền á sét   42  42  42   0,032  24   Rku : cường độ chịu kéo uốn của vật liệu. c : lực dính φ : góc ma sát trong (*) Dùng trị số tương ứng với nhiệt độ 15oC vì tầng mặt là lớp bê tông nhựa có bề dày tổng cộng là 11cm > 7cm 7.6.3. Giải bài toán móng kinh tế
 Công thức tính Etb :
Chọn chiều dày để thi công lớp bê tông nhựa thành 2 lớp : h4 = 4cm h3 = 7cm Cho trước h2 = 5cm Chiều dày (cm)  Etbk  hk  Etbk  hk  Etbk  H  Etbk (Mpa)   h4  4  420  4  420  4  420  96  214.275   h3  7  420  7  420  92  207.323     h2  5  320  85  194.028       h1  80  187.5         Xét đến hệ số điều chỉnh β :
Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 96cm có modun đàn hồi trung bình :
(MPa) Tính Ech của cả kết cấu : Ta có :
C cm



(MPa) Tăng dần giá trị h2, tiến hành tương tự như trên ta được bảng sau :
(MPa) h2 (cm)  h1 (cm)  H (cm)  Etbk (MPa)  Etbhc (MPa)  Htd  Ech (MPa)   5  80  96  214.275  271.336  196.790  201.089   ---  ---  ---  ---  ---  ---  ---   10  70  91  222.505  279.955  188.495  201.480   11  68  90  224.287