BI GING MễN HC CễNG TRèNH GIAO THễNG PHN I PHN NG CHNG I THIT K KT CU O NG MM 1. Cỏc nguyờn tc thit k v tớnh toỏn kt cu ỏo ng mm. 1.1 Cỏc nguyờn tc thit k ỏo ng. Thit k ỏo ng bao gm mt s ni dung sau õy: - xut cỏc phng ỏn kt cu ỏo ng : mi phng ỏn cú tng mt, tng múng, s lp bng cỏc vt liu khỏc nhau, cu trỳc v cụng ngh thi cụng khỏc nhau; ụng thi phi cú th cú phng ỏn u t 1 ln, ngay t u ó cú th ỏp ng c yờu cu v cng chy xe thi im tớnh toỏn, nhng cng cú th cú phng ỏn cu to theo nguyờn tc phõn k u t. - Tớnh toỏn cng chung ca c kt cu v ti mi v trớ bt li trong mi tng, lp kt cu, lp kt cu; xỏc nh b dy mi tng, lp bo m t c yờu cu cng cn thit. B dy tớnh toỏn phi phự hp vi b dy theo yờu cu cu to, cu trỳc vt liu v theo yờu cu ca cụng ngh thi cụng, cụng ngh duy tu, bo dng. Ngc li, b dy phi m bo c yờu cu v cng cn thit. - Tớnh toỏn lun chng kinh t - k thut, so sỏnh phng ỏn, chn kt cu ỏo ng ti u trong iu kin c th ca tng on sao cho tha món c cỏc yờu cu núi chung i vi ỏo ng mt cỏch thớch ỏng. Yờu cu ca vic thit k cu to ỏo ng l chn ỳng v b trớ cỏc tng, lp vt liu trong kt cu ỏo ng sao cho phự hp vi nhim v chc nng ca mi tng, lp bo m c kt cu tha món nhng ũi hi m bo yờu cu chung i vi ỏo ng ng thi m bo kt cu tha món c cỏc iu kin v kh nng cung ng vt liu, kh nng thi cụng v kh nng khai thỏc, duy tu, sa cha sau ny. Cu to ca kt cu ỏo ng mm ng ụ tụ bao gm tng mt v tng múng, trong mi tng cú th cú mt hoc nhiu lp. Tng mt thng c lm t cỏc lp bờ tụng nha ht mn, ht trung, ht thụ hoc ỏ dm thm nhp nha, õy l cỏc lp vt liu cú cht kt dớnh. Tng múng cú th bao gm lp múng trờn v lp di. Vt liu cỏc lp múng cú th c lm t vt liu cú cht kt dớnh ( ỏ dm thm nhp, cỏt gia c xi mng) hoc t cỏc lp vt liu ri nh cp phi ỏ dm, ỏ thi, cp phi si i Cu to ỏo ng mm c th hin hỡnh 1.1. Kết cấu áo đuờng á o đuờng Tầng mặt Tầng móng Nền đất trong phạm vi biến dạng Nền đất đắp hoặc nền tự nhiên Lớp mặt trên (lớp hao mòn) Lớp mặt duới (lớp cơ bản) Lớp móng trên Lớp móng duới Lớp đáy áo đuờng Hỡnh 1.1. Cu to in hỡnh ỏo ng mm Một số quan điểm chung cần chú trọng khi thiết kế cấu tạo áo đường: 1- Chọn loại tầng mặt áo đường căn cứ vào ý nghĩa, cấp hạng kỹ thuật của đường, lưu lượng và tốc độ xe chạy thiết kế, đồng thời xem xét đến điều kiện khí hậu, khả năng cung cấp vật liệu, khả năng thi công và điều kiện duy tu bảo dưỡng sửa chữa. Vật liệu làm mặt cần dùng loại ít hoặc không thấm nước, có cường độ và tính ổn định về cường độ đối với nước, nhiệt cao và đặc biệt có khả năng chống tác dụng phá hoại bề mặt cũng như bào mòn tốt. Vì thế mặt đường dùng các vật liệu có cấu trúc liên kết tốt, có độ chặt lớn, có cốt liệu được chọn lọc về hình dạng và tình trạng bề mặt đảm bảo cường độ (c và φ ) cần thiết và kích cỡ hạt nhỏ để đảm bảo chống bong bật tốt. Trường hợp vật liệu làm lớp mặt trên không đủ các phẩm chất nói trên, đặc biệt là không đủ sức chịu phá hoại mặt đường, thì phải cấu tạo thêm lớp hao mòn và bảo vệ. Lúc này cần bố trí lớp dính bám tốt giữa lớp hao mòn và lớp mặt trên. Nếu lớp mặt trên là bê tông nhựa chặt và tạo nhám tốt thì không cần làm lớp hao mòn. Đối với đường cao tốc và các đường hiện đại có yêu cầu cao về chất lượng bề mặt, sử dụng lớp hao mòn đặc biệt dưới dạng: - Vữa nhựa hoặc lớp hỗn hợp nhựa cực mỏng (dày dưới 2cm), mực đích là tạo nhám và tạo phẳng. - Lớp hỗn hợp thoát nước dày 3-4 cm, lớp này được làm bằng cấp phối hở, hạt cứng (độ rỗng 15-20%) trộn với nhựa bitum cải tiến. Tác dụng của lớp hao mòn loại này là tạo điều kiện cho nước mưa tụt nhanh vào lỗ rỗng của hỗn hợp rồi thoát ra hai bên lề, nhờ đó giảm được bề dày màng nước tiếp xúc giữa lốp xe với bề mặt đường dẫn đến tăng sức bám, đồng thời giảm bụi nước gây cản trở tầm nhìn và giảm cả khả năng phát tiếng ồn. Tuổi thọ tối đa 5-8 năm. Đối với các trường hợp tầng mặt cấp cao A2 nên phổ cập sử dụng lớp láng nhựa chất lượng cao được bảo đảm bằng cac vật liệu đúng quy cách với công nghệ và trang thiết bị thi công hiện đại. 2 – Tầng móng gồm nhiều lớp được chọn tùy theo điều kiện nền đường, địa chất, thủy văn, thổ chất và tình hình vật liệu tại chỗ sẵn có, do đó kết cấu móng có thể thay đổi trên từng đoạn ngắn. Vật liệu tầng móng có thể dùng cả các loại cấu trúc rời rạc, kích cỡ lớn ít chịu được bào mòn như các lớp đá dăm, cấp phối, đất và đá gia cố chất liên kết vô cơ, sỏi cuội, đá ba, phế liệu công nghiệp, gạch vỡ … Cường độ lớp móng càng xuống dưới càng có thể dùng loại yếu hơn phù hợp với quy luật truyền ứng suất do hoạt tải. 3- Trừ trường hợp bố trí kết cấu ngược đối với mặt đường mềm, về mô đun và cường độ các lớp vật liệu trong kết cấu thì từ trên tầng phủ xuống dưới nền đất nên bố trí giảm dần để phù hợp với trạng thái phân bố ứng suất, như vậy sẽ giảm giá thành xây dựng. Tuy nhiên, cường độ các lớp trên không nên cao hơn lớp dưới liền nó quá 3 lần về mô đun đàn hồi và tỉ số mô đun đàn hồi của nền đất và tầng móng nên nằm trong khoảng 0,08 – 0,04; Thông thường mô đun của các lớp nên đạt các yêu cầu dưới đây: - Nền đường nên có mô đun đàn hồi Eo ≥ 200 daN/cm2 hoặc chỉ tiêu CBR ≥ 6-7%. - Lớp đáy áo đường nên có E ≥ 500 daN hoặc CBR = 10-15 - Lớp móng dưới nền có CBR ≥ 30 - Lớp móng trên nên có CBR ≥ 80 (chỉ số sức kháng nền đất) 4- Để đảm bảo cường độ và tính ổn định cường độ cao, khi thiết kế cấu tạo áo đường phải luôn nắm vững quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường và nguyên tắc cấu tạo một kết cấu kín, tức là luôn đề ra các biện pháp thích đáng để nâng cao cường độ và tính ổn định cường độ của nền đất phía dưới áo đường, tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực với áo đường đến mức tối đa, từ đó giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng áo đường. Khi chọn phương án kết cấu áo đường thì đồng thời phải xét tới việc áp dụng các biện pháp cải thiện chế độ thủy nhiệt nền đường: tăng cường đầm nén đất nền đường, nâng cao đáy áo đường so với mức nước ngầm, tăng bề rộng lề đường để mép áo đường cách đủ xa nước ngập hai bên, làm các lớp cách nước, cách hơi… tùy theo điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn. Hiệu quả của các các biện pháp ấy là giảm được độ ẩm tính toán nền đất tạo điều kiện cho nền đất biến cứng dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, do đó cường độ tính toán của nền đất biến cứng dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, do đó cường độ tính toán của nó sẽ tăng lên, dẫn đến giảm bề dày áo đường và phương án kết cấu tổng thể nền mặt đường được chọn sẽ là phương án có tổng giá thành xây dựng áo đường và nền đường ít nhất trong khi vẫn bảo đảm cường độ yêu cầu chung của cả kết cấu. Ngoài ra khi thiết kế còn chú ý đến các đặc trưng nhiệt lí của các lớp vật liệu và quy luật phân bố biến đổi nhiệt độ trong các lớp áo đường hàng ngày, hàng mùa và hàng năm. Để tránh cho áo đường khỏi bị nứt thì cần bố trí các lớp vật liệu kề nhau không quá chênh lệch về độ cứng và các đặc trưng nhiệt lí (hệ số dẫn nhiệt, hệ số truyền nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt). Mặt khác, tổng bề dày áo đường nên lớn hơn bề sâu tắt biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi dưới đáy áo đường làm ẩm ướt mặt nền đất dẫn đến giảm cường độ nền đất. 5- Thông qua phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng thông qua lời giải của hệ nhiều lớp đàn hồi người ta đã rút ra được một số nhận xét liên quan đến việc bố trí các lớp kết cấu áo đường: - Nếu mô đun đàn hồi của nền đất tăng 20% thì hiệu quả giảm độ võng chung của cả kết cấu sẽ tương đương với việc mô đun đàn hồi của tầng móng tăng thêm 100%. - Tăng mô đun của tầng móng là cần thiết nếu giảm ứng suất kéo – uốn ở đáy tầng mặt; nên bố trí bề dày tầng móng không dưới 2d và bề dày tầng mặt không nên nằm trong khoảng 0,5- 1,0d (d là bán kính của một vệt bánh trong cụm bánh đôi trục sau; với xe trục tiêu chuẩn 10 tấn thì d = 10,5 – 11 cm). - Không nên bố trí bề dày tầng mặt chỉ bằng 1 lớp bê tông nhựa dày 4 – 6 cm mà tổng bề dày các lớp mặt rải nhựa phải ít nhất là 15 cm với đường cao tốc và 10cm với các đường cấp 60 trở lên. - Việc tăng bề dày áo đường sẽ không làm giảm được ứng suất cắt lớn nhất max τ xuất hiện ở lớp mặt trên cùng; để tránh lớp mặt trên bị phá hoại do ứng suất loại này thì biện pháp chủ yếu dùng vật liệu lớp mặt đường có cường độ chống cắt trượt cao. 6- Bề dày các tầng, lớp trong kết cấu áo đường được quyết định thông qua tính toán, tuy nhiên về mặt cấu tạo cũng có những yêu cầu nhất định. - Vì đắt tiền nên các lớp càng ở trên càng nên làm mỏng đến mức tối thiểu trong khi các lớp dưới rẻ tiền nên tăng bề dày. - Bề dày mỗi lớp không nên vượt quá bề dày có thể lèn ép được. Nếu vượt quá thì cùng một lớp vật liệu lại phải thi công 2 lần. - Bề dày tối thiểu mỗi lớp vật liệu phải đảm bảo lớn hơn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất được sử dụng trong nó 1,25 – 1, 4 lần. Tóm lại để đảm bảo kết cấu áo đường đủ cường độ, đạt yêu cầu về tính ổn định nước và ổn định nhiệt cũng như các phẩm chất sử dụng khác, khi thiết kế cấu tạo cần nắm vững nhiệm vụ, chức năng của mỗi tầng, lớp kết cấu, đồng thời phải nắm vững các điều kiện thực tế cụ thể về khí hậu, địa chất thủy văn, vật liệu xây dưng, thời gian bất lợi và trạng thái bất lợi về ẩm nhiệt đối với nền, mặt đường. Khi thiết kế áo đường cũng phải chú trọng các quan điểm thiết kế tổng thể nền mặt đường, quan điểm phân kì đầu tư để nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, quan điểm tận dụng vật liệu tại chỗ để giảm chi phí vận chuyển và giảm mức sử dụng ngoại tệ, quan điểm tạo thuận lợi cho thi công và duy tu, sử chữa, cải tạo tăng cường áo đường trong quá trình khai thác sau này. 1.2 Tính toán kết cấu áo đường mềm 1.2.1 Khái niệm: Áo đường mềm là kết cấu với nhiều tầng, lớp đều có khả năng chịu uốn nhỏ; dưới tác dụng của tải trọng xe chạy chỉ chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu. 1.2.2 Tính toán kết cấu áo đường mềm - Kết cấu áo đường gồm nhiều tầng nhiều lớp nền xét về mặt cơ học, đây là bài toán cường độ của hệ nhiều lớp bán không gian và muốn giải quyết rõ ràng ta phải biết: Tính chất của tải trọng xe chạy tác dụng, đặc tính chịu tải của nền đất và vật liệu làm các lớp áo đường cũng như phải biết được mối quan hệ giữa cường độ và các trạng thái, các hình thức phá hoại của kết cấu áo đường, để định ra yêu cầu về cường độ. 1.2.2.1. Tính chất của tải trọng xe chạy tác dụng và đặc tính chịu tải của nền đất và vật liệu làm các lớp áo đường. 1.2.2.1.1. Tải trọng tác dụng lên mặt đường lớn hay nhỏ phụ thuộc vào trọng lượng của trục sau ô tô. Trục sau thường có trọng lượng chiếm 3/4 trọng lượng của toàn bộ xe. - Tải trọng một bánh xe phải chịu sẽ thông qua khối hơi ép ở trong săm truyền ra khỏi lốp rồi mới truyền đến mặt đường. Do đó, kích thước và độ cứng của lốp cũng là nhân tố quan trọng quyết định vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường. Vệt tiếp xúc này trên thực tế đo là hình elip. Để tiện tính toán áp lực bánh xe lên mặt đường, người ta xem tiếp xúc đó gần đúng là một hình tròn có diện tích bằng diện tích thực tế của hình elip tiếp xúc. Đường kính của đường tròn gần đúng này thường kí hiệu là D đối với trường hợp một bánh đôi có 2 vệt tiếp xúc đổi về một vòng tròn, hoặc kí hiệu là d đối với trường hợp mỗi vệt tiếp xúc quy đổi về một vòng tròn nhỏ được thể hiện trong hình 2-1. a) b) Hình 1-2. Vệt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. a – Bánh đôi có vệt tiếp xúc đổi về hai vòng tròn nhỏ đường kính d. b – Bánh đôi có vệt tiếp xúc đổi về một vòng tròn có đường kính D. Vì lốp xe có độ cứng nên áp lực truyền xuống mặt đường p (kG/cm 2 ) thực tế sẽ khác áp lực hơi ở trong săm p 0 do đó: 0 pp α = Trong đó: α là hệ số kể đến độ cứng của lốp xe. Vì p có thể xác định được bằng cách chia tải trọng bánh sau P (kG) của ô tô cho diện tích tiếp xúc thực tế đã đo được, còn 0 p cũng đo trực tiếp, do đó xác định được α ; thông thường 3,19,0 ÷ = α ; khi tính toán dùng 1.1 = α . Như vậy cũng có thể tính được D (cm): p P p P D 08,1 4 ≈= π Trong đó: P được tính bằng 2 1 tải trọng trục sau. Ta thấy D càng lớn thì áp lực bánh xe truyền xuống nền đường càng sâu, do đó các tầng phía dưới cũng như nền đường sẽ phải tham gia chịu lực nhiều. Tải trọng xe chạy trên mặt đường sinh ra lực thẳng đứng và ngang. Trong đó lực ngang chỉ ảnh hưởng và ảnh hưởng nghiêm trọng đến cường độ của tầng mặt, do tính toán cường độ chung của kết cấu áo đường chỉ tính với tác dụng của lực thẳng đứng truyền sau; còn chỉ xét đến tác dụng của lực ngang khi tính toán cường độ và độ ổn định của tầng mặt. 1.2.2.2.2 Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải trọng động, đột ngột tức thời và trùng phục nhiều lần. Khi xe chạy thì thời gian tác dụng của tải trọng trên vệt bánh xe rất ngắn. Do tác dụng phân bố của mặt đường nên thời gian tác dụng trên nền đất nền mỗi lần xe chạy qua có thời gian tác dụng trên nền đất mỗi lần xe chạy qua có dài hơn; trong thời gian tác dụng đó trị số này được đặc trưng bằng tốc độ thay đổi: tăng từ 0 đến p rồi lại giảm từ p đến 0. Sự thay đổi này đặc trưng bằng tốc độ thay đổi tác dụng. Như vậy, quá trình tác dụng trên mặt đường cứ lặp đi lặp lại nhiều lần với các xe nặng nhẹ khác nhau và với tầng xuất tác dụng không đều. Tải trọng xe chạy tác dụng với các đặc điểm kể trên có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của đất nền và các lớp áo đường, cụ thể là ảnh hưởng đến trị số biến dạng và khả năng chống biến dạng của chúng. Hiện tượng lưu biến là đặc trưng biến dạng của vật liệu có tính dính nhớt và hỗn hợp có chất liên kết hữu cơ, do đó khi thời gian tác dụng của tải trọng khác nhau thì biến dạng do nó gây ra trong đất và các loại vật liệu đó sẽ khác nhau như được mô tả ở hình 2-2. BiÕn d¹ng Thêi gian P 3 P 2 P 1 Hình 1-3. Hiện tượng lưu biến l = f(t) khi trị số tải trọng tác dụng thay đổi 321 PPP < < Qua các kết quả thực nghiệm thể hiện ở hình 1-3 có thể thấy cùng trị số tải trọng tác dụng nhưn g thời gian tác dụng lâu thì biến dạng càng lớn, hơn nữa nếu trị số tải trọng lớn nhỏ khác nhau thì quy luật biến dạng khác nhau: Khi tải trọng nhỏ (P1) thì tốc độ biến dạng càng giảm đi, các lỗ rỗng trong đất ngày càng giảm đi, lúc đó đất sẽ ở trạng thái biến cứng (ảnh hưởng của quá trình lu lèn tác dụng với tốc độ chậm để tăng cường độ chặt của đất); ngược lại khi P lớn (P3) thì sau khi tích lũy biến dạng đến một trị số nhất định tốc độ biến dạng đột ngột tăng lên và đất sẽ ở trạng thái phá hoại. Như vậy cường độ của đất là phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải trọng. Tải trọng tác dụng càng lâu thì cường độ của đất càng nhỏ đi tương đối. Tính chất động và trùng phục của tải trọng xe chạy trên mặt đường cũng có ảnh hưởng quan trọng đến cơ chế làm việc của vật liệu và đất nền. Dưới tác dụng của tải trọng động và trùng phục đất và vật liệu sẽ phát sinh hiện tượng mỏi và hiện tượng tích lũy biến dạng dư. Hiện tượng mỏi thể hiện ở các chỉ tiêu cường độ của vật liệu như sức chống cắt, sức kéo uốn… của chúng khi tải trọng động và trùng phục sẽ giảm đi so với khi chịu tác dụng tải trọng tĩnh 1 lần. Hiện tượng tích lũy biến dạng dư thể hiện ở chỗ: Bộ phận biến dạng không phục hồi được của đất hoặc vật liệu sẽ càng tăng thêm theo số lần tác dụng của tải trọng trùng phục có tính chu kì hình 1-4. Số lần tác dụng tải trọng Biến dạng thẳng đứng 1 2 3 Hỡnh 2-3. Quy lut bin dng ca vt liu hoc t nn khi chu ti trng trựng phc Trờn hỡnh 1-4 cho thy : trng thỏi cui cựng ca vt liu hay nn t khi chu ti trng trựng phc cú th xy ra khỏc nhau. Nu di tỏc dng ca mi ln trựng phc, trong t hoc vt liu phỏt sinh ng sut ct trt quỏ cng chng trt thỡ bin dng do s khụng ngng phỏt sinh v tớch ly li cho n khi bin dng do ú phỏt trin ra c trong mt phm vi ln thỡ vt liu i vo trng thỏi phỏ hoi nh trong trng hp ng 3 hỡnh 1- 4. ng 2 l ng vi trng thỏi phỏt sinh trt do nhng ch gii hn trong mt phm vi nht nh v sau ú do cỏc iu kin thun li li tr li nờn bin cng (bin dng khụng tớch ly thờm na dự s ln tỏc dng ti trng tip tc tng lờn). Khi bin cng, bin dng cng ó tớch ly n mt tr s ln nht nh vt quỏ bin dng do do vt liu b ộp cht thờm trng hp 1. Nh vy, di nh hng ca ti trng trựng phc trong t v vt liu (tc l trong kt cu ỏo ng ) luụn luụn tớch ly bin dng do. V trng thỏi lm vic ca kt cu mt ng (gm vt liu v nn t u cú tớnh n hi do - nht) vn cú th vo mt trong hai trng thỏi : n hi do v n hi. Nh vy khi tớnh toỏn cng , nu kt cu ỏo ng lm vic giai on n hi do thỡ phi k n hin tng tớch ly bin dng. Cũn nu lm vic giai on n hi thỡ phi tớnh toỏn theo cỏc s trờn c s lớ thuyt n hi nhm bo m khụng phỏt sinh ng sut trt to nờn bin dng do ti bt ki im no trong kt cu ỏo ng. 1.2.3. Cỏc hin tng phỏ hoi kt cu ỏo ng mm v nguyờn lớ tớnh toỏn cng ỏo ng mm. 1.2.3.1. Di tỏc dng ca ti trng xe chy, khi t n cng gii hn, trong kt cu ỏo ng mm s xy ra cỏc hin tng phỏ hoi trong Hỡnh 1-14. Truyền áp lực lên đất (đất bị nén) Trồi Kẽ nứt Cắt Lún Nén KéoKéo Kéo Hỡnh 1-5. Cỏc hin tng phỏ hoi ỏo ng mm trng thỏi gii hn di tỏc dng ca ti trng xe chy Lúc này, ngay dưới mặt tiếp xúc của bánh xe mặt đường và đất sẽ bị nén, xung quanh chỗ tiếp xúc sẽ phát sinh trượt dẻo (do ứng suất cắt) và trên mặt đường sẽ phát sinh ra các đường nứt hướng tâm bao tròn, xa hơn một chút vật liệu thường bị đẩy trồi lên, mặt đường có thể bị gẫy vỡ và phần đáy của mặt đường sẽ bị nứt do kéo. Ở trạng thái giới hạn như vậy về cường độ thì mặt đường sẽ biến dạng và trở nên kém phẳng. Để kết cấu áo đường đạt được các yêu cầu về mặt tính toán cường độ phải đảm bảo các hiện tượng phá hoại nói trên không được phép xảy ra trong suốt thời kỳ tính toán quy định, đồng thời phải đảm bảo không xảy ra tích lũy biến dạng dư (không phát sinh biến dạng dẻo) dưới tác dụng xe chạy trong quá trình khai thác đường; cụ thể là khi tính toán phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Ứng suất cắt ở mọi trong nền đất dưới áo đường và trong các lớp áo đường do tải trọng xe chạy tính toán gây ra tại các vị trí đó không vượt quá trị số ứng suất cắt giới hạn của đất và vật liệu. Điều kiện này đối với nền đất dưới áo đường có thể biểu diễn bằng quan hệ sau: τ τ cp tr K ≤ (1-1) Trong đó: cp τ là sức chống trượt cho phép của nền đất (kG/cm2); τ là ứng suất cắt do tác dụng của tải trọng tính toán gây ra (kG/cm2); K tr là hệ số cường độ về trượt trong kết cấu của nền đất. Hệ số này càng lớn thì độ bền vững và tin cậy về cường độ của áo đường càng cao. - Ứng suất kéo – uốn lớn nhất phát sinh ở đáy áo đường hoặc ở đáy các lớp vật liệu tầng mặt do tải trọng xe chạy tính toán gây ra ku σ không vượt quá trị số ứng suất kéo – uốn giới hạn cho phép R ku của vật liệu tại vị trí đó: ku ku ku R K σ = (1-2) Trong đó: K ku là hệ số cường độ về trạng thái giới hạn chịu kéo khi uốn. - Độ võng đàn hồi của cả kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán l dh không vượt quá độ võng đàn hồi giới hạn cho phép l gh . đ h gh đ v l l K = (1-3) Trong đó: K đv là hệ số cường độ của cả kết cấu áo đường về tiêu chuẩn giới hạn độ võng đàn hồi. Như vậy là 3 điều kiện (1-1), (1-2), (1-3) trở thành 3 trạng thái giới hạn mà kết cấu áo đường cần đạt được để chịu đựng được tải trọng và cường độ xe chạy tính toán và bảo đảm được yêu cầu cần sử dụng trong quá trình khai thác. 1.2.3.2 Dựa theo 3 trạng thái nói trên, để xây dựng phương pháp tính toán cường độ áo đường mềm, người ta còn phải tìm cách tính được các ứng suất τ , ku σ và độ võng l dh do tải trọng và cường độ xe chạy tính toán gây ra ở mọi điểm trong kết cấu áo đường, đồng thời phải xác định được các tiêu chuẩn giới hạn cp τ , ku R và yc E ; Khi xây dựng phương pháp tính ứng suất và biến dạng, hiện nay thường xem kết cấu áo đường (các vật liệu và nền đất) là làm việc trong giai đoạn có quan hệ bậc nhất giữa ứng suất và biến dạng. Việc xem xét kết cấu áo đường là hệ biến dạng tuyến tính đã cho phép sử dụng các lời giải của lí thuyết đàn hồi để tính ứng suất và biến dạng ở mọi điểm trong kết cấu bán không gian nhiều lớp chịu tải trọng đối xứng trục (là tải trọng bánh xe tính toán p phân bố đều trên vệt bánh xe có đường kính D hoặc có vệt đổi về hai vòng tròn nhỏ đường kính d theo sơ đồ như hình 1- 6. Hiện nay thế giới đã có kết quả lời giải lập thành toán đồ tiện dùng cho hệ 2 lóp (1 lớp áo đường và nền đất), hệ 3 lớp (2 lớp áo đường và nền đất). Về nguyên tắc, hiện người ta có thể giải ứng suất và biến dạng của hệ vô số lớp nhưng phải sử dụng máy tính có bộ nhớ lớn. Do đó với các kết cấu áo đường nhiều lớp hơn 3 hiện nay áp dụng các biện pháp đơn giản hơn khi tính toán cường độ chung, đó là biện pháp đổi hệ nhiều lớp về hệ 3 lớp trên cơ sở biến dạng tính được là không sai lệch nhau nhiều. E ch E ch ' 12 , µ 1 A B C , c 1 , f 1 , R ku 1 , µ 2 , c 2 , f 2 , R ku 2 , µ 3 , c 3 , f 3 E 2 E 3 E 1 Hình 1-6. Sơ đồ tính toán cường độ kết cấu áo đường mềm Trên hình 1- 6 thấy rõ các thông số phục vụ cho việc tính ứng suất và biến dạng trong hệ nhiều lớp gồm: E – môđun đàn hồi, µ - hệ số Poisson; c, φ – lực dính và góc ma sát trong của vật liệu hoặc đất; Như vậy, các tiêu chuẩn trạng thái giới hạn đều được xác định bằng thực nghiệp, quan trắc thực tế hay kinh nghiệm nhưng đều phải xét đến cơ chế làm việc của vật liệu áo đường và nền đất dưới ảnh hưởng của tải trọng động, trùng phục do xe chạy gây ra, đồng thời có xét đến cả yêu cầu dự trữ cường độ khác nhau đối với các loại áo đường. 1.2.3.3 Như vậy, một phương pháp tính toán cường độ áo đường mềm sẽ hình thành trên cơ sở nghiên cứu giải quyết được 3 vấn đề sau: - Trạng thái giới hạn và tiêu chuẩn giới hạn. - Lí thuyết tính toán và phương pháp đánh giá cường độ thực tế. - Thông số tính toán và phương pháp thử nghiệp xác thông số tính toán. 1.2.4 Tính toán cường độ áo đường mềm theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi giới hạn. 1.2.4.1 Nguyên lí tính toán ở đây là việc tính toán trị số Eyc và trị số Ech có thể dựa vào kết quả tính toán biến dạng đàn hồi của cả kết cấu (tại điểm giữa của vệt bánh xe ngay trên bề mặt áo đường) theo lời giải chính xác của lí thuyết đàn hồi đối với hệ bán không gian đàn hồi 2 lớp và 3 lớp với giả thiết không xảy ra sự dịch chuyển tương hỗ giữa các lớp tại mặt tiếp xúc của các lớp đó. Đối với hệ 2 lớp kết quả lời giải chính xác có thể lập thành toán đồ hình 1-7 (toán đồ Kôgan). Toán đồ lập với trị số 25.0 1 = µ và 35.0 2 = µ là trị số trung bình của hệ số Poisson đối với vật liệu và đất làm việc trong giai đoạn biến dạng hồi phục. Trên hình 1-7, ta tìm được Ech theo quan hệ sau:         = 11 , E E D h f E E och (1-4) Trong đó : h là bề dày lớp áo đường có môđun đàn hồi 1 E ; D là đường kính tương đương của vệt bánh xe; 0 E là môđun đàn hồi của nền đất Hình 1-7. Toán đồ để tính Ech của hệ 2 lớp. Đối với hệ 3 lớp như hình 1-6 thì theo kết quả lời giải chính xác có thể tính được độ võng đàn hồi đ h l của cả kết cấu theo công thức: đh đh l E pD l ξ 3 = (1-5) Trong đó:         = H h E E f 1 2 1 , ξ được tra theo bảng 1-1 và trị số độ võng đàn hồi trung bình đh l được tra theo toán đồ hình 1-8. Biết đh l thì ta có thể tính được ch E của hệ 3 lớp. Trên thực tế để đơn giản tính toán người ta thường tìm cách đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp để khi tính ch E vẫn có thể chỉ áp dụng toán đồ hình 1-6. Cơ sở đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp là: Độ võng đàn hồi đh l tính theo phương pháp đổi hệ dùng toán đồ hình 1-6 phải ít sai khác nhất với trị số độ võng đàn hồi tính trực tiếp theo kết quả lời giải chính xác của hệ 3 lớp. Việc đổi hệ như vậy rất cần thiết để mở rộng áp dụng cho việc tính toán ch E cho hệ nhiều lớp hơn nữa là những kết cấu áo đường mềm phổ biến trên thực tế hiện nay trong điều kiện chưa có các thuận tiện để áp dụng các kết quả giải chính xác 4 lớp, 5 lớp v.v… Hình 1-8. Toán đồ xác định độ võng đàn hồi trên mặt của kết cấu 3 lớp dưới tác dụng của tải trọng bánh xe. Để đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp có bề dày áo đường giữ nguyên H = h 1 + h 2 nhưng cả lớp áo đường dày H đó xem như có trị số môđun đàn hồi trung bình E tb xác định theo công thức sau: 3 3/1 2 1 1         + + = K Kt EE tb β (1-6) Trong đ ó: 2 1 h h K = ; 2 1 E E t = và β là h ệ s ố đ i ề u ch ỉ nh để kêt qu ả tính toán E ch sai s ố ít nh ấ t so v ớ i gi ả chính xác h ệ 3 l ớ p. H ệ s ố β có th ể tính theo công th ứ c sau: 12.0 114.1       = D H β (1-7) Đố i v ớ i h ệ nhi ề u l ớ p thì hi ệ n ch ư a có cách gi ả i chính xác ti ệ n d ụ ng nên b ắ t bu ộ c ph ả i đổ i t ầ ng v ề h ệ 2 l ớ p ho ặ c h ệ 3 l ớ p để tính toán c ườ ng độ áo đườ ng m ề m. - Có th ể đổ i 2 l ớ p m ộ t t ừ d ướ i lên theo trình t ự sau: đổ i 2 l ớ p m ộ t t ừ d ướ i lên thành m ộ t l ớ p có tr ị s ố Etb; c ụ th ể : hai l ớ p d ướ i cùng đổ i thành 1 l ớ p có 1 tb E ; v ớ i 1 tb E và l ớ p trên l ạ i tính đượ c 2 tb E … cho đế n khi t ấ t c ả các l ớ p áo đườ ng đượ c đổ i thành 1 l ớ p áo đườ ng. Sau khi ch ỉ còn l ạ i 1 l ớ p áo đườ ng tr ị s ố tb E cu ố i cùng tính đượ c m ớ i nhân thêm h ệ s ố β . Sau khi tính đượ c E ch c ủ a c ả k ế t c ấ u áo đườ ng, ta có th ể bi ế t áo đườ ng là đủ c ườ ng độ thì: ycđvch EKE ≥ (1-8) [...]... c tính toán trên đư ng có nhi u xe n ng lưu thông 1 Trên nh ng đư ng có lưu thông các lo i tr c xe n ng khác bi t nhi u so v i lo i tr c tiêu chu n B ng 1-2 (như các đư ng vùng m , đư ng công nghi p chuyên d ng…) thì k t c u áo đư ng ph i đư c tính v i t i tr ng tr c đơn n ng nh t có th có trong dòng xe Trong trư ng h p này tư v n thi t k ph i t đi u tra thông qua ch ng ch xu t xư ng c a xe ho c cân... như m t căn c đ xu t nhi m v thi t k k t c u áo đư ng (k c trong giai đo n thi t k cơ s ph c v cho vi c l p d án kh thi) đ tr n vi c đi u tra d báo năng lư ng giao thông Trong m i trư ng h p trư c h t đ u ph i ti n hành đi u tra d báo lư ng giao thông đ t đó xác đ nh ra tr s mô đun đàn h i yêu c u tuỳ theo s tr c xe tính toán như B ng 1-5 r i sau đó m i so sánh v i tr s B ng 1-6 và ch n tr s l n hơn... thay đ i k t c u đ tăng đ c ng c a các l p phía dư i Khi ki m tra các l p n m gi a thì c n đ i hai l p m t t dư i lên và t trên xu ng đ đưa h nhi u l p v h 3 láp Các trình t khác ti p t c như trên 1.3 Tính toán k t c u áo đư ng m m theo Quy trình thi t k áo đư ng m m 22TCN-211-06 1.3.1 Các nguyên t c tính toán 1.3.1.1 Các tiêu chu n cư ng đ N i dung tính toán chính là tính toán ki m tra 3 tiêu chu n cư... thi t k ph i t đi u tra thông qua ch ng ch xu t xư ng c a xe ho c cân đo đ xác đ nh đư c các đ c trưng p và D tương ng v i tr c đơn n ng nh t đó đ dùng làm thông s tính toán Cách cân đo xác đ nh p và D có th tham kh o th c hi n theo m c 2.1.5 Quy trình 22 TCN 251- 98 Đ i v i các xe có nhi u tr c thì vi c xác đ nh ra t i tr ng tr c n ng nh t tính toán 2 N u t i tr ng tr c đơn c a xe n ng nh t không... kN) 1.3.2.3 Quy đ i s t i tr ng tr c xe khác v s t i tr ng tr c tính toán tiêu chu n (ho c quy đ i v t i tr ng tính toán c a xe n ng nh t) M c tiêu quy đ i đây là quy đ i s l n thông qua c a các lo i t i tr ng tr c i v s l n thông qua c a t i tr ng tr c tính toán trên cơ s tương đương v tác d ng phá ho i đ i v i k t c u áo đư ng: 1.Vi c quy đ i ph i đư c th c hi n đ i v i t ng c m tr c trư c và c m... t k lo i tr c xe khác nhau v tr c xe tính toán s thông qua đo n đư ng thi t k trong m t ngày đêm trên c 2 chi u (tr c/ngày đêm); ni là s l n tác d ng c a lo i t i tr ng tr c i có tr ng lư ng tr c pi c n đư c quy đ i v t i tr ng tr c tính toán Ptt (tr c tiêu chu n ho c tr c n ng nh t) Trong tính toán quy đ i thư ng l y ni b ng s l n c a m i lo i xe i s thông qua m t c t ngang đi n hình c a đo n đư ng... k càng cao, th i h n thi t k càng dài thì ch n đ tin c y càng cao nhưng không đư c nh hơn tr s nh nh t B ng 1-4 Ngoài ra, ch đ u tư có th căn c vào yêu c u s d ng đ t l a ch n đ tin c y mu n có cho công trình B ng 1-4 : L a ch n đ tin c y thi t k tuỳ theo lo i và c p h ng đư ng (áp d ng cho c k t c u áo đư ng và k t c u áo có l gia c ) Lo i, c p h ng đư ng Đ tin c y thi t k 1 Đư ng cao t c 0,90 , 0,95... ng tr c trên 120 kN đư ng công nghi p ho c đư ng chuyên d ng) thì c n tính trư c theo đi u ki n ch u c t trư t và đi u ki n ch u kéo u n, sau đó quy đ i t t c các tr c xe ch y trên đư ng v xe tiêu chu n 120 kN đ tính theo đ võng đàn h i 5 Khi tính toán k t c u áo l có gia c thì ph i tính theo các tiêu chu n như đ i v i k t c u áo đư ng c a ph n xe ch y li n k 1.3.1.4 Các thông s tính toán cư ng đ... khu v c tác d ng c a n n đư ng giai đo n thi t k k thu t và thi t k b n v thi công đ i v i k t c u áo đư ng m i, tư v n thi t k ph i d tính và k p th i b trí đo ép t i hi n trư ng b ng b n ép đư ng kính 33cm đ xác đ nh tr s c a mô đun đàn h i E0 theo phương pháp ch d n Ph l c D ngay trên các đo n n n đư ng đi n hình v a thi công xong đ ki m nghi m l i tr s E0 đã dùng khi tính toán thi t k N u tr s E0... 7,0 1.3.5.5 Xác đ nh các thông s ph c v vi c tính toán theo đi u ki n ch u c t trư t 1 Vi c xác đ nh tr s mô đun đàn h i c a n n đ t và các l p v t li u cũng th c hi n 2 Đ i v i n n đ t và các v t li u kém dính, trong giai đo n thi t k cơ s có th tham kh o các tr s C, ϕ trong các b ng Ph l c B và Ph l c C đ tính toán nhưng sang giai đo n thi t k k thu t và thi t k b n v thi công đ u ph i thí nghi m . có nhiều xe nặng lưu thông 1. Trên những đường có lưu thông các loại trục xe nặng khác biệt nhiều so với loại trục tiêu chuẩn ở Bảng 1-2 (như các đường vùng mỏ, đường công nghiệp chuyên dụng…). đáy áo đường làm ẩm ướt mặt nền đất dẫn đến giảm cường độ nền đất. 5- Thông qua phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng thông qua lời giải của hệ nhiều lớp đàn hồi người ta đã rút ra được một. chuyển và giảm mức sử dụng ngoại tệ, quan điểm tạo thuận lợi cho thi công và duy tu, sử chữa, cải tạo tăng cường áo đường trong quá trình khai thác sau này. 1.2 Tính toán kết cấu áo đường mềm