CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN kết cấu áo ĐƯỜNG, ĐƯỜNG cấp 3 MIỀN núi tốc độ 60KM

CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
5.1. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG.
5.1.1,Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn,xác định cấp thiết kế áo đường.
Lưu lượng xe năm đầu thiết kế theo thống kê là 950 xe.
Hệ số tăng trưởng hàng năm là 7%
Tải trọng tiêu chuẩn tính toán là Ptc =10KN
Tải trọng trục các loại xe
Khoảng
Trọng lượng trục
Số
Số bánh ở
cách
Lượng xe
Pi(kN)
Loại xe
trục mỗi cụm bánh
Trục
Trục sau
giữa các ni xe/ngđ
sau
ở trục sau
trước
trục
Xe con
18.00
18.00
1
Cụm bánh
276
đơn

Xe bus nhỏ 26.40
45.20
1
Cụm bánh đôi
95
Xe bus lớn
56.00
95.80
1
Cụm bánh đôi
85
Xe tải nhẹ
18.00
56.00
1
Cụm bánh đôi
219
Xe tải trung 25.80
69.60
1
Cụm bánh đôi
200
Xe tải
48.20
100.00
1
Cụm bánh đôi
28
nặng1
Xe tải

45.40
90.00
2
Cụm bánh đôi <3m
28
nặng2
Xe tải
23.10
73.2
2
Cụm bánh đôi >3
19
nặng3
Theo số liệu thống kê loại về tỷ phần và thành phần xe qua tuyến đường , tải trọng
trục của các loại xe lớn nhất là 10T vì vậy kết cấu áo đường chỉ cần tính toán và kiểm
toán với tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc=10T
-Quy đổi tải trọng xe về về tải trọng trục tiêu chuẩn 10T để tính toán ,kiểm toán
kết cấu mặt đường.
Cơ sở qui đổi:
Phá hoại tương đương
đổi cụm trục về trục tính toán
Chỉ quy trục có tải trọng lớn hơn 25T
Các cụm trục có khoảng cách >3m thì quy đổi về trục đơn .
<3m quy đổi về cụm trục .
Công thức quy đổi:


Ntk=c1c2ni(Pi/Ptt)4,4
ni: Số trục thứ i = tổng số trục có tải trọng Pi
Pi: Tải trọng trục thứ i.

c1: Hệ số kể đến ảnh hưởng của các trục trong cụm trục khi quy đổi
c1=1+1,2(m-1) m là số trục.
c2: Hệ số kể đến số bánh trong cụm bánh
c2=0.38 ( 4 bánh trở lên)
1 (2 bánh Ptc)
6.4 ( 1 bánh với trục sau và trục trước)
Tải trọng trục của các loại xe như sau :
 Từ đây ta lập bảng tính số trục xe quy đổi về số trục xe tính toán tiêu
chuẩn ở năm hiện tại
Số trục tiêu chuẩn quy đổi ở năm hiện tại
Loại xe
Xe bus Trục trước
Trục sau
nhỏ
Xe bus Trục trước
Trục sau
lớn
Xe tải
Trục trước
Trục sau
nhẹ
Xe tải
Trục trước
Trục sau
trung
Xe tải
Trục trước
Trục sau
nặng 1
Xe tải

Trục trước
Trục sau
nặng 2
Xe tải
Trục trước
Trục sau
nặng 3

Pi(kN)
26.4
45.2
56.00
95.8
18
56
25.8
69.6
48.2
100
45.4
94.2
23.1
73.2

C1
1
1
1
1
1

1
1
1
1
1
1
2.2
1
2

C2
6.4
1
6.4
1
6.4
1
6.4
1
6.4
1
6.4
1
6.4
1

Ni
85
85
95

95
189
189
200
200
28
28
28
28
19
19

Ntc
2
3
47
79
15
3
41
7
28
5
47
10

Kết quả tính được N1=287 trục xe tiêu chuẩn / ngày đêm.

Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế.
+ Về nguyên tắc phải dựa vào kết quả dự báo hàng năm ở mục 1.5.2 tiêu chuẩn

này để tính ra số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế Ne tức là theo biểu
thức sau:
Ne


Trong đó:
Ni là số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn ở năm thứ i
t : là thời hạn thiết kế tuyến đường
+Trong trường hợp được dự báo về tỷ lệ tăng trưởng xe trung bình hàng nắm q
thì Ne có thể tính theo cong thức sau:

[(1 + q ) − 1] × 365 × N
=
t

Ne

q

1

Trong đó :
N1 là số trục xe quy đổi về số trục xe tiêu chuẩn ở năm đầu đưa đường vào khai
thác.
q : Hệ số tăng trưởng giao thong trung bình hàng năm
t : Thời hạn tính toán thiết kế của tuyến đường. Với đường cấp III miền núi lựa
chọn loại tầng mặt cấp cao A1, thời hạn thiết kế kết cấu áo đường là ≥15 năm.
Ta có :
Ne

[(1 + 0.07)
=

15

0.07

] × 365 × 287 = 2632391(truc )

−1

Số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe
N ett = f l × N e = 0.55 × 2632391 = 1447815(truc ) = 1.448.10 6
+Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 , mặt đường cấp cao A1 số trục xe tiêu chuẩn tích lũy
trong 15 năm thiết kế là >4.106 (trục). Nett =1.448.106 <<4. 106 .=> Thiết kế kết cấu mặt
đường cấp cao A2. Thời gian thiết kế của kết cấu áo đường t=10 năm.
Tính toán lại ta có :
 Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên một làn xe trong thời gian thiết kế là :

Ne =

[(1 + 0.07)

10

0.07

] × 365 × 287 = 1447342(truc / ngd )

−1

Số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe
N ett = f l × N e = 0.55 × 1447342 = 796038(truc / ngd / lan )

-Số tải trọng trục tính toán Ntt trên một làn đường.
N tt = f l × N TK
Trong đó: fl=1 đường 1 làn xe
=0.55 đường 2 làn xe không có dải phân cách
=0.35 đường 4 làn xe
=0.3 đường 6 làn trở lên


NTK: lưu lượng trục xe thiết kế qua một mặt cắt ngang trong một đơn vị
thời gian ( ngày đêm)
N TK = (1 + q )

( t − `)

× N 1 = (1 + 0.07 )

( 10−1)

× 287 = 528(truc / ngd )

N tt = 0.55 × 528 = 290(truc / ngd / lan )

Theo 22TCN211-06 với số trục xe tiêu chuẩn tính toán được quy đổi từ tải trọng
trục xe Ntt=290( trục/ngày đêm) và mặt đường là loại mặt đường cấp cao A2 =>
Eyc=140.4Mpa.
Trị số mô đun đàn hồi tối thiểu theo cấp đường là Eyc=120Mpa

Chọn Eyc=140.4Mpa
N lg c tt = 0.35 × N tt = 0.35 × 290 = 102(truc / ngd )

-Đối với lề gia cố
Theo 22TCN211-06 =>Eyc=122.2Mpa
5.1.2-Sơ bộ lựa chọn kết cấu áo đường gồm các lớp như sau.
+Kết cấu mặt đường
7cm bê tông nhựa trung
15cm cấp phối đá dăm loại I
28cm cấp phối đá dăm loại II
+ Kết cấu lề gia cố làm như kết cấu mặt đường
5.2 KIỂM TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

Kết cấu dự kiến và các đặc trưng tính toán

Lớp kết cấu ( từ dưới
lên)

Bề
dày
lớp
(cm)

E (Mpa)
Tính
Tính Tính về
Rku
về độ
về
kéo

(Mpa)
võng trượt
uốn

C
(MPa)

(đ
ộ)


-

-

Đất nền á cát , độ
ẩm tương đối 0.6

-

Cấp phối đá dăm
loại II

45

0,018

28

250

250

250

-Cấp phối đá dăm loại I

15

300

300

300

-Bê tông nhựa trung

7

350

250

1600

28

2.0

5.2.1.Kiểm toán kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi.

Công thức kiểm toán:
dv
Ech ≥ K cd
× E yc

Trong đó
Ech: Là mô đun đàn hồi chung trên lớp mặt của kết cấu áo đường
K cddv

: Hệ số dự trữ cường độ về độ võng phụ thuộc độ tin cậy khi thiết kế . Với
K cddv = 1.1

đường cấp III miền núi độ tin cậy khi thiết kế lựa chọn là 0.9 thì
Eyc: mô đun đàn hồi yêu kết cấu áo đường phải đạt được phụ thuộc vào số tải trọng
trục tính toán và cấp hạng kỹ thuật của đường.Eyc=140.4Mpa
+Ech : Mô đun đàn hồi chung quy đổi trên lớp mặt của kết cấu nền mặt đường được
xác định bằng cách tra toán đồ Kogan hình sau :


0.502

Toán đồ Kogan xác định Echcủ hệ hai lớp
Trong đó :
H : Chiều dày kết cấu áo đường : H=50cm
D : Đường kính vệt bánh xe qui đổi với áp lực p=0.6Mpa tương ứng với tải trọng
trục tiêu chuẩn 10T : D=33cm
E0 : Mô đun đàn hồi cua đất nền E0=45Mpa,

ϕ = 28 0

, C=0.018(Mpa)
E1 : Mô đun đàn hồi chung của các lớp kết cấu áo đường


Xác định E1
Sơ đồ tính toán
Quy đổi dần 2 lớp kết cấu áo đường về một lớp từ dưới lên trên

E1

H=h1+h2

h2

E2

h1

Etb

1

1 + k × t 3
Etb = E1 
 1+ k


k=

h2

h1

t=

E2
E1







3

Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :
Lớp kết cấu

Ei(Mpa)

t

h(cm)

k

Htb(cm

Etb(Mpa)

)
CPĐD loại II

250

28
1.2

CPĐD loại I

300

Etb=277.51Mpa

350

43

266.75

0.163

50

277.51

15
1.312

Bê tông nhựa trung

0.536

7


Mô đun đàn hồi trung bình của hai lớp còn được nhân với hệ số điều chỉnh β phụ
H tb
D

thuộc vào tỷ lệ
Trong đó Htb =50cm
D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T
⇒

H 50
=
= 1.515 → β = 1.179
D 33

⇒ E tbdc = β × E tb = 1.179 × 277.51 = 327.25Mpa

-Xác đinh Ech
E0
45
=
= 0.1375
E1 277.25
H 50
=

= 1.515
D 33

Ta có
Tra toán đồ Kogan (Hình 3-1,/T38-22TCN211-06)
E ch
= 0.502 → E ch = 0.502 × 277.25 = 164.28Mpa
E1

Ta có

E yc × K cddv = 140.4 × 1.1 = 154.44 < E ch = 164.28Mpa →

Đạt

5.2.2Kiểm toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn mặt trượt sụt nền đất và các lớp vật
liệu kém dính.
Công thức kiểm tra
C
τ ax + τ av ≤ tttr
K cd

Trong đó
τax: Lực cắt do tải trọng gây ra
τay: Lực cắt do trọng lượng bản thân gây ra
Ctt: Lực dính tính toán của đất nền
K cdtr

:Hệ số dự trữ cường độ về cắt trượt ,đường thiết kế với độ tin cậy 0.95
=> Kcdtr=1

+ Xác đinh Ctt
Ctt=k1k2k3C
Trong đó
-k1: Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ chống cắt trượt khi đất hoặc vật liệu chịu
tải trọng động và gây dao động, với kết cấu nền mặt đường trong phần xe chạy k 1=0.6
-k2: Hệ số xét đén các yếu tố tạo nên sự làm việc không đồng nhất của kết cấu. Các
yếu tố này gây ảnh hưởng nhiều khi lưu lượng xe lớn và ngược lại . Với số trục xe tiêu
chuẩn/ ngày đêm =290 <1000 thì k2=0.8
-k3: Hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất hoặc của vật liệu mặt
đường do điều kiện làm việc thực tế khác với điều kiện tiến hành thí nghiệm trong
phòng với tác dụng tương hỗ của môi trường đất xung quanh.Ngoài ra hệ số này còn
xét đến điều kiện tiếp xúc thực tế giữa các lớp vật liệu kết cấu áo đường và nền đất.
Trị số k3 phụ thuộc vào loại đất trong khu vực tác dụng của nền đường.
Đất nền là á cát => k3=1.5

C: Lực dính của đất nền C=0.018Mpa
Ctt = 0.6 × 0.8 × 1.5 × 0.018 = 0.013Mpa
Hệ số dự trữ cường độ về cắt trượt phụ thuộc vào độ tin cậy khi tính toán thiết kế.
Đường cấp III miền núi thiết kế với độ tin cậy 0.9 thì :
K cdtr = 1.0

+ Xác định lực cắt do tải trọng gây ra
Tra toán đồ

τax


0.016

Toán đồ tra ứng suất cắt trượt do tải trọng gây ra với hệ hai lớp với
(H/D=0-2)
Trong đó :
H : Chiều dày lớp kết cấu áo đường.H=50cm
D=33cm
E1 : Mô đun đàn hồi trung bình quy đổi của các lớp kết cấu áo đường
E2 : MMoo đun đàn hồi đất nền
Xác định E1

Mô hình tính toán
- Quy đổi các lớp kết cấu áo đường về một lớp tương tự như khi kiểm toán theo
điều kiện kéo uốn
Sơ đồ quy đổi hệ hai lớp về 1 lớp


E1

H=h1+h2

h2

E2

h1

Etb

1


1 + k × t 3
Etb = E1 
 1+ k


k=

h2
h1

t=

E2
E1







3

Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :
Lớp kết cấu

Ei(Mpa)

t

h(cm)

k

Htb(cm

Etb(Mpa)

)
CPĐD loại II

250

28
1.2

CPĐD loại I

300

250

43

266.75

0.163

50

264.36

15
0.937

Bê tông nhựa trung

0.536

7

Etb=264.36Mpa
Mô đun đàn hồi trung bình của hai lớp còn được nhân với hệ số điều chỉnh β phụ
H tb
D

thuộc vào tỷ lệ
Trong đó Htb =50cm
D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T


⇒

H 50
=
= 1.515 → β = 1.179
D 33

⇒ Etbdc = β × Etb = 1.179 × 264.36 = 311.74 Mpa

Ta có

 E1 311.74
 E = 45 = 6.928
 0

0
ϕ = 28
 H 50
 =
= 1.515
 D 33

Tra toán đồ (Hình 3-2/T43 ,22TCN211-06)
τ ax
= 0.016 → τ ax = 0.016 × 0.6 = 0.0096 Mpa
ta xác định được

p

+ Xác đinh lực cắt do trọng lượng bản thân gây ra .τav
+Tav
ϕ =5°
0.003
0.002

ϕ =10°

0.001

ϕ =13°
20

0

60

80

100

ChiÒu dÇy
mÆt
h= (cm)

ϕ =20°

0.001
0.002

40

0.0018

0.003
0.004

ϕ =30°

0.005

0.006
0.007
0.008

T av ( MPa )

ϕ =40°


Toán đồ tìm ứng suất cắt hoạt động .τav do trọng lượng bản thân mặt đường gây
ra
Chiều dày mặt đường 50cm và nền đường có φ=280
Tra toán đồ ta được τay=-0.0018Mpa
0.013
 C tt
 K tr = 1.0 = 0.013Mpa
 cd
τ + τ = 0.0096 − 0.0018 = 0.0076 Mpa
ay
 ax
⇒ τ ax + τ ay <
Vậy ta có

C tt
→ dat
K cdtr

5.2.3.Kiểm toán kết cấu mặt đường theo trạng thái giới hạn về ứng suất chịu kéo
uốn xuất hiện tại đáy các lớp vật liệu liền khối.
- Kiểm toán tại đáy lớp bê tông nhựa trung.

Công thức kiểm toán
σ ku

Rttku
≤ ku
K cd

Trong đó
K cdku

K

: Hệ số dự trữ cường độ , với đường cấp III độ tin cậy khi thiết kế là 0.9 thì = 1.0

ku
cd

Rttku = k1 k 2 Rku

Rku

-

Rku

: Sức chịu kéo khi uốn giới hạn

=2.0Mpa

-K1 : Hệ số kể đến sự suy giảm cường độ chịu kéo khi uốn dưới tác dụng của tải

trọng trùng phục
Với bê tông nhựa
K1 =

11.11
11.11
=
= 0.559
0.22
796038 0.22
( N ett )

-K2 :Hệ số xét đến sự suy giảm cường độ chịu kéo khi uốn dưới tác động của các
nhân tố thời tiết khí hậu.
Với bê tông nhựa K2=1.0


⇒ Rttku = 0.559 × 1.0 × 2.0 = 1.118Mpa

σ ku

-

: Ứng suất kéo khi uốn do tải trọng tác dụng gây ra tại đáy lớp vật liệu liền

khối.
σ ku = σ ku . p.k b

σ ku

+

: Ứng suất kéo uốn đơn vị

+p : Áp lực tính toán , với tải trọng trục tiêu chuẩn tính toán Ptc=10T thì
p=0.6Mpa
+ kb : Hệ số kể đến đặc điểm của tải trọng : kb=0.85
σ ku

-Xác định
Tra toán đồ


-

Toán đồ xác định ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy lớp vật liệu liền khối
Trong đó
H : Chiều dày kết cấu H=50cm
D=33cm
Ech.m : Mô đun đàn hồi chung ở đáy lớp kết cấu kiểm toán điều kiện về ứng suất
kéo uốn
Es : Mô đun đàn hồi đất nền Es=45Mpa
Xác định Echm
Các bước tính tương tự như khi tính toán Echm khi kiểm toán kết cấu theo tiêu
chuẩn về độ võng đàn hồi, gồm hai lớp CPĐD loại I và CPĐD loại II trên nền đất á
cát.
+Tính Ech của hai lớp cấp phối đá dăm
Tính theo phương pháp quy đổi hai lớp kết cấu về một lớp theo phương pháp đã
thực hiện như trên

Kết quả tính ta lập thành bảng như sau :
Lớp kết cấu

Ei(Mpa)

t

h(cm)

k

Htb(cm

Etb(Mpa)

)
Lớp CPĐD loại II

250

28
1.2

Lớp CPĐD loại I

300

0.536

43

266.75

15

Xét tới hệ số điều chỉnh
H
β = f 
D

Trong đó Htb =43cm
D =33cm là đường kính vệt bánh xe tương đương với tải trọng trục tiêu chuẩn 10T
⇒

H 43
=
= 1.303 → β = 1.142
D 33

⇒ Etbdc = β × Etb = 1.142 × 266.75 = 304.67 Mpa

+Xác đinh Ech
E0
45
=
= 0.148
E1 304.67
H 43
=

= 1.303
D 33

Ta có
Tra toán đồ Kogan (Hình 3-1,/T38-22TCN211-06)
E ch
= 0.47 → E ch = 0.47 × 304.74 = 143.195Mpa
E1
- E1=1600Mpa

σ ku

-Xác định
E1
1600
=
= 11.17
E chm 143.195
H
7
=
= 0.212
D 33


σ ku = 2.13

Tra toán đồ hình 3-29a ta được
σ ku = σ ku pk b = 2.13 × 0.6 × 0.85 = 1.086 Mpa

R tt ku = k1 k 2 Rku = 0.559 × 1 × 2.0 = 1.118Mpa
Rttku 1.118
=
= 1.118Mpa > σ ku = 1.086 ⇒ dat
1 .0
K cdku

Vậy kết cấu mặt đường đã chọn đủ khả năng chịu lực.