Bài giảng môn học thiết kế đường ô tô: Chương 7 - Thiết kế áo đường cứng

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>CHƯƠNG 7 </b>

<b>THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG </b>

<b>2.1 Đặc điểm và cấu tạo kết cấu áo đường cứng </b>
<i><b>2.1.1 Đặc điểm kết cấu áo đường cứng: </b></i>

- Áo đường cứng là kết cấu áo đường có lớp mặt hoặc lớp móng làm bằng
bê tơng xi măng – loại vật liệu có độ cứng rất cao.

- Ưu điểm chủ yếu của mặt đường bê tông xi măng là có cường độ cao,
thích hợp với xe tải trọng nặng, có độ bằng phẳng, độ nhám tốt, ổn định nhiệt
tốt hơn so với mặt đường nhựa, niên hạn sử dụng dài (từ 30 – 40 năm hoặc lâu
hơn).

- Nhược điểm chủ yếu của mặt đường bê tông xi măng là phải làm nhiều
khe, thi công phức tạp, dễ bị thấm nước và hư hỏng ở vị trí khe, dễ bị nứt gãy.

- Áo đường cứng được thiết kế dựa theo lý thuyết “tấm trên nền đàn hồi”
đồng thời có xé tới sự thay đổi của nhiệt độ và của các nhân tố khác gây ra đối
với tấm bê tông.

- Nội dung thiết kế áo đường cứng bao gồm:

+ Thiết kế cấu tạo nhằm chọn và bố trí hợp lý kích thước tấm, các khe và
liên kết giữa các tấm, chọn vật liệu tầng móng, vật liệu chèn khe.

+ Tính tốn kiểm tra cường độ (bề dày) tấm bê tơng xi măng và lớp móng
dưới tác dụng của tải trọng và của nhiệt độ.

<i><b>2.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường cứng: </b></i>

Kết cấu mặt đường bê tông xi măng đổ tại chỗ gồm các lớp như hình 2.1.

B/2
C

b

Bm/2
d

1
3
2
4

1:m

1,5-2%

<b>Hình 2.1 Mặt cắt ngang áo đường bê tông xi măng đổ tại chỗ </b>

1. Lớp mặt (tấm bê tơng); 2. Lớp tạo phẳng; 3. Lớp móng; 4. Nền đất

B: bề rộng phần xe chạy; b: dải an toàn hoặc gia cố lề;
C: Bề rộng lề; Bm: bề rộng móng;

d: Bề rộng thêm của lớp móng so với lớp mặt.

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

- Bề rộng của lớp móng Bm nên rộng hơn lớp mặt B mỗi bên từ 0,3 –

0,5m.

- Lớp móng có tác dụng giảm áp lực tải trọng ô tô lên nền đất, hạn chế
nước ngấm qua khe xuống nền đất, giảm tích lũy biến dạng ở góc và cạnh tấm,
đảm bảo độ bằng phẳng cho mặt đường, đảm bảo ô tô và máy rải bê tơng chạy
trên lớp móng trong thời gian thi cơng.

- Lớp móng có thể làm bằng bê tơng nghèo, đá gia cố xi măng, cát gia cố
xi măng, đất gia cố xi măng hoặc vôi. Bề dày lớp móng tùy theo tính toán
nhưng tối thiểu phải bằng 14cm nếu là bê tông nghèo, 15 – 16cm nếu bằng đất,
cát hoặc đá gia cố và bằng 20cm nếu bằng cát hạt to hoặc hạt trung.

- Lớp tạo phẳng có thể bằng giấy dầu, cát trộn nhựa dày 2 – 3cm hoặc cát
vàng dày 3 – 5cm. Lớp này có tác dụng đảm bảo độ bằng phẳng của lớp móng,
đảm bảo tấm dịch chuyển dễ dàng khi nhiệt độ thay đổi.

- Tấm bê tơng xi măng có thể có hoặc khơng có cốt thép. Chiều dày của
tấm được xác định thơng qua tính tốn nhưng khơng nhỏ hơn các trị số quy định
(xem bảng 2.1 Tr.43).

- Các tấm bê tông được liên kết với nhau bởi các khe: khe dọc và khe
ngang, khe ngang có hai loại: khe dãn và khe co. Mục đích của việc bố trí khe
nhằm giảm ứng suất nhiệt trong tấm khi nhiệt độ thay đổi. Cấu tạo của các loại
khe được thể hiện như hình vẽ 2.2 và 2.3.

1 ₂

3

3,

5-3,

75

m

l l

<b>Hình 2.2 Sơ đồ bố trí khe trong mặt đường bê tơng xi măng </b>

1. Khe dãn; 2. Khe co; 3. Khe dọc

- Khe dọc thường bố trí theo tim đường hoặc song song với tim đường.
Khoảng cách giữa các khe dọc không vượt quá 4,5m, thường bằng bề rộng một
làn xe.

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

- Vật liệu chèn khe đảm bảo tính đàn hồi lâu dài, có thể dính bám chặt
với bê tông, không thấm nước, không dòn khi trời lạnh, trời nóng khơng bị
chảy.

2,5

h/

2 8

50

Mattit _{Gỗ đệm} _{Mạc cưa tẩm nhựa}
Quét nhựa

h/

2

Mattit
Quét nhựa 0,8-1,2

. h/4

50
Quét nhựa

a

b

c

4

d

a) b)

c)

Mattit

<b>Hình 2.3 Các loại khe </b>

a. Khe dãn có thanh truyền lực; b. Khe co giả; c. Khe dọc kiểu ngàm
<i>Ghi chú: các kích thước a, b, c, d phụ thuộc chiều dày tấm. </i>
<b>7.2 Các tham số thiết kế áo đường cứng </b>

<i><b>7.2.1 Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn: đối với kết cấu áo đường cứng được quy </b></i>
định thống nhất như khi thiết kế áo đường mềm nhưng khi tính tốn tải trọng
bánh xe được nhân thêm với hệ số xung kích như bảng 2.1.

<b>Tải trọng tính tốn tiêu chuẩn và hệ số xung kích Bảng 2.1 </b>
<i><b>Tải trọng trục tiêu </b></i>

<i><b>chuẩn, daN </b></i>

<i><b>Tải trọng bánh xe </b></i>
<i><b>tiêu chuẩn, daN </b></i>

<i><b>Hệ số xung kích </b></i> <i><b>Tải trọng bánh xe </b></i>
<i><b>tính toán, daN </b></i>
10.000

12.000
9.500

5.000
6.000
4.750

1,2
1,15

1,2

6.000
6.900
5.700
<i><b>7.2.2 Hệ số chiết giảm cường độ n: </b></i>

Khi tính tốn cường độ kết cấu áo đường cứng, cường độ chịu kéo uốn
cho phép của bê tông xi măng được xác định bằng cường độ chịu uốn giới hạn
nhân với hệ số chiết giảm cường độ n quy định tùy thuộc tổ hợp tải trọng tính
tốn như bảng 2.2.

<b>Hệ số chiết giảm cường độ n Bảng 2.2 </b>
<i><b>Tổ hợp tải trọng tính tốn </b></i> <i>Hệ số chiết giảm </i>

<i>cường độ n </i>

<i>Hệ số an </i>
<i>tồn k = 1/n </i>
- Tính với tải trọng thiết kế

- Kiểm toán với xe nặng

0,5
0,59-0,63

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

- Kiểm tốn với xe xích

- Tác dụng đồng thời của hoạt tải và ứng
suất nhiệt

0,65
0,85-0,90

1,54
1,18-1,11

<i><b>7.2.3 Cường độ của bê tông xi măng: </b></i>

Các chỉ tiêu về cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông được quy định
như bảng 2.3.

<i><b>Bảng 2.3 </b></i>
<i>Cường độ giới hạn sau 28 ngày, daN/cm2</i>

<i>Các lớp kết cấu </i>

<i>Cường độ chịu kéo uốn Cường độ chịu nén </i>

<i>Mô đun đàn hồi </i>
<i>E, daN/cm2</i>
<b>Lớp mặt </b>

50
45
40

400
350
300

35.104

33.104

31,5.104

Lớp móng của
mặt đường bê

tông nhựa

35
30
25

250
200
170

29.104

26,5.104

23.104

<b>7.3. Tính tốn bề dày tấm BTXM: </b>

<i>7.3.1. Các hiện tượng phá hoại của mặt đường BTXM: </i>

Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, do sự thay đổi của nhiệt độ, mặt
đường BTXM có thể gặp những hư hỏng sau:

+ Tại vị trí các khe nối, mặt đường bị vỡ dưới tác dụng của tải trọng xe
chạy, do đó nước sẽ dễ dàng thấm vào các khe hở làm cường độ đất nền giảm
xuống, điều kiện tiếp xúc giữa tấm BTXM và đất nền không tốt.

+ Để khắc phục hiện tượng này khi thiết kế chiều dày của tấm BTXM nếu
chịu tác dụng của bánh xe đặt ở giữa tấm thì có thể chọn chiều dày nhỏ hơn so
với trường hợp bánh xe đặt ở cạnh tấm.

+ Dưới tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ, ứng suất trong tấm BTXM sẽ đổi
dấu liên tục, sự chênh lệch nhiệt độ này có thể là theo mùa hoặc theo chu kỳ
ngày đêm gây nên hiện tượng mỏi do nhiệt độ làm tấm dễ bị phá hoại. Như
vậy, tấm BTXM được xem là phá hoại khi trong suốt thời kỳ khai thác, sử dụng
tấm bị nứt, bị mất tính tồn khối ban đầu dẫn đến năng lực chịu tải giảm xuống
đến dưới mức cần thiết.

<i>7.3.2. Các tiêu chuẩn tính tốn về cường độ: </i>
7.3.2.1. Trường hợp đối với tấm BTXM:

[ ]

.

<i>ku</i> <i>n Rku</i> <i>ku</i>

σ ≤ = σ (7 – 3)

Trong đó: σku – ứng suất kéo uốn do tải trọng bánh xe tính tốn gây ra.

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

n – hệ số chiết giảm về cường độ (hệ số dự trữ về cường độ).

Khi kiểm toán với tổ hợp tải trọng là xe tiêu chuẩn và sự thay đổi của nhiệt
độ.

Điều kiện: σ<i>_ku</i> =σ<i>_xe</i>+σ<i>_t</i> ≤<i>n R</i>. <i>_ku</i>

(

<i>n</i>=0.85 0.9÷

)

Nếu σ<i>_xe</i>=0.5<i>R_ku</i>⇒σ<i>_t</i>=

₍

0.35 0.4÷

₎

<i>R_ku</i>

Như vậy, đây là điều kiện khống chế để tính chiều dày của tấm BTXM.
7.3.2.2. Kiểm tốn đối với lớp móng của mặt đường BTXM:

Lớp móng được coi là đảm bảo về mặt cường độ khi tại bất kỳ điểm nào
trong nền đất cũng không được phát sinh biến dạng dẻo.

Điều kiện: τ<i>_a</i> =τ<i>_am</i>+τ<i>_ab</i>≤<i>k c</i>.

Trong đó: τam – ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính

tốn gây ra trong nền đất.

τab – ứng suất cắt chủ động do trọng lượng bản thân của các lớp phía trên

gồm tấm BTXM, lớp móng và lớp đất đến độ sâu cần kiểm tra.
k – hệ số: k = k’.k1

c – lực dính tính tốn của đất nền.

<b>7.4 Tính tốn chiều dày (cường độ) tấm bê-tơng xi-măng đổ tại chỗ </b>
<i>7.4.1. Ngun lý tính tốn:</i>

Kiểm tốn kết cấu mặt đường BTXM theo lý thuyết tấm trên nền đàn hồi. Với
giả thiết khác nhau về sự làm việc của nền đàn hồi dưới đáy tấm, đó là <i>mơ hình </i>
<i>nền Winkler </i>và <i>mơ hình nền bán khơng gian vơ hạn đàn hồi</i>.

7.4.2. Tính tốn theo phương pháp Westergard:

Công thức đầu tiên sử dụng để tính chiều dày tấm BTXM mặt đường do
tstecgat tìm ra năm 1926 lúc đó ơng sử dụng mơ hình hệ số nền K (<i>Winkler</i>)
và ơng tính được ứng suất kéo uốn lớn nhất cho 3 trường hợp tải trọng tác dụng
tải trọng điển hình có thể xảy ra trên mặt đường BT đó là vị trí ở giữa tấm, ở
góc tấm và ở cạnh tấm.

1. Tải trọng tác dụng ở giữa tấm: thì ứng suất kéo uốn lớn nhất sinh ra
ở mặt đáy của tấm ngay ở vị trí tác dụng tải trọng, tính được như sau:

4
3
2
max
.
.
.
.
.

).
1
.(
275
,
0
<i>R</i>
<i>K</i>
<i>h</i>
<i>E</i>
<i>g</i>
<i>l</i>
<i>h</i>
<i>p</i>
µ
σ = +

2. Tải trọng tác dụng ở cạnh tấm: thì ứng suất kéo lớn nhất sinh ra ở
mặt đáy của tấm ngay dưới vị trí tác dụng tải trọng có thể tính được là:

]
71
,
0
.
.
.
.
.[
).

54
,
0
1
.(
529
,
0 ₄
3
2

max = + −

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

d (cm): đường kính vịng trịn nội tiếp ở trong tấm BT. (đường kính của tấm
trịn, hoặc cạnh ngắn của tấm hình chữ nhật, hoặc bằng hai cạnh của tấm 6
cạnh)

Nếu S tính được >10 thì tấm đó ta gọi thuộc loại mềm và tính tốn giống
như tấm vơ hạn.

0,5≤ S ≤ 10 ta nói tấm có độ cứng hữu hạn.
S < 0,5 tấm tuyệt đối cứng.

•Đối với tấm có độ cứng hữu hạn thì momen uốn ở giữa tấm do hoạt tải
gây ra được tính theo cơng thức:

Mtt = P(<i>MA</i> +<i>MB</i> )

P: Tải trọng tính toán (kG)

<i>A</i>

<i>M</i> ,<i>M_B</i> : các trị số được thiết lập thành bảng tra phụ thuộc trị số S và
<i>d</i>
<i>D</i> _,

baûng 5.1, <i>M_A</i> = f(S), <i>M_B</i> = f(D/d).

D: đường kính của vệt tiếp xúc của bánh xe tính tốn (cm)
•Đối với tấm tuyệt đối cứng:

Mtt =

4
.

2 <i>_p</i>

<i>d</i>
<i>M</i>

<i>M</i> : trị số tra bảng phụ thuộc
<i>d</i>

<i>D</i> _{, baûng 5.2.}

p: áp lực của bánh xe tính tốn, daN/cm2_.

* Ngồi việc tính momen uốn do hoạt tải gây ra khi tính các tấm lắp ghép
cần phải chú ý tới ảnh hưởng của các tấm lân cận. Momen uốn ở giữa tấm

do ảnh hưởng của lực cắt Q và nếu tính theo chu vi của tấm ta có thể sử
dụng cơng thức sau đây:

2
.
.<i>Q</i> <i>d</i>
<i>M</i>
<i>M_Q</i> =− <i>_Q</i>

<i>Q</i>

<i>M</i> : trị số tra bảng phụ thuộc S, bảng 5.3.

Như vậy đầu tiên ta phải xác định lực cắt Q do ảnh hưởng của các tấm lân
cận, Q được xác định như sau:

1

.
<i>L</i>

<i>P</i>
<i>Q</i>
<i>Q</i>=

<i>Q</i>: trị số xác định theo bảng lập sẵn phụ thuoäc

1

.

2<i>L</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

L1= 3

.
2

1
.

2 <i>S</i>

<i>d</i>

-Momen uốn tổng cộng do tải trọng tính tốn và do tải trọng của các tấm
lân cận truyền sang được tính như sau:

M = Mtt + MQ

=> chiều dày của tấm lắp ghép: h =

[ ]

σ

<i>M</i>
.
6

[ ]

σ : Cường độ kéo uốn cho phép của BT, kG/cm2.

Ta không cần phải kiểm tra ứng suất nhiệt trong tấm lắp ghép là vì trong

các tấm có kích thước nhỏ ứng suất nhiệt sẽ không nguy hiểm nhưng ta cần phải
kiểm tra ứng suất trong tấm BT khi cẩu tấm để lắp ghép hoặc cẩu để vận
chuyển khi đó tấm được xem như 1 dầm giản đơn đặt trên 2 gối tựa và chịu tải
trọng phân bố của trọng lượng bản thân tấm. Lúc đó momen uốn sẽ được tính
theo cơng thức:

Mcẩu = <i>Kd</i>

<i>l</i>
<i>q</i>

.
8
. 2

q: tải trọng phân bố đều do trọng lượng bản thân tấm.

<i>l</i>
<i>F</i>
<i>h</i>
<i>q</i> = . .γ

h: chiều dày của tấm (cm).
F: diện tích của tấm (cm2_).

γ: dung trọng của BT (kg/cm3_).

l: chiều dài của tấm (cm)

Kd: hệ số động (xung kích) thường lấy Kd= 1,5.

</div>

<!--links-->