Thiết kế kết cấu áo đường

Chương 7: THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Áo đường mềm là một kết cấu nhiều lớp. Chọn lựa và bố trí các lớp kết cấu một cách hợp lý để tạo được một hệ kết cấu nền mặt đường vừa có thể chịu được tải trọng xe chạy và tác dụng của các yếu tố môi trường, vừa có thể phát huy đầy đủ khả năng lớn nhất của các tầng lớp lại vừa hợp lý về mặt kinh tế. Vấn đề này chính là một nội dung quan trọng của việc thiết kế kết cấu mặt đường và cũng là tất yếu phải giải quyết trước tiên đó là việc thiết kết cấu tạo các lớp áo đường và tính toán chiều dày của các lớp áo đường dựa trên tiêu chuẩn 22TCN 211-06, sau đó so sánh lựa chọn kết cấu áo đường cũng như việc chọn phương án đầu tư thích hợp. 7.1. CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG (KCAĐ). 7.1.1. Quy trình tính toán - tải trọng tính toán. Áo đường mềm được tính toán thiết kế theo quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211-06. 7.1.1.1. Tải trọng tính toán: Tải trọng trục (trục đơn) tính toán tiêu chuẩn, P = 100 (kN). Áp lực tính toán lên mặt đường, p = 0,6 (Mpa). Đường kính vệt bánh xe D = 33 (cm). 7.1.2. Xác định lưu lượng xe chạy tính toán. Lưu lượng xe chạy tính toán ở năm tương lai được xác định theo công thức: *Lưu lượng xe con qui đổi ở năm đầu tiên Nxcqđ0: Nxcqđ0=460 xcqđ/ng.đ (I.7.1) * Lưu lượng xe tính toán hỗn hợp ở năm đầu tiên Nhh0: Có (xcqđ/ng.đ) (I.7.2). Trong đó : + a : Hệ số qui đổi các loại xe thứ i về xe con theo bảng 2 tài liệu [1] +N : Lưu lượng của loại xe thứ i có trong dòng xe hỗn hợp Ni = Pi.Nhhi (I.7.3). + Pi : Thành phần % của loại xe thứ i có trong dòng xe hỗn hợp => (xe/ngđ). * Lưu lượng xe hỗn hợp ở năm tính toán thứ t N được xác định theo công thức: Nhht = Nhh0 (1+q)t -1 (xe/ngđ) (I.7.4) Trong đó: + N: Lưu lượng xe hỗn hợp ở năm tính toán thứ t (xe/ngđ). +: Lưu lượng xe tính toán hỗn hợp ở năm đầu tiên công trình được đưa vào khai thác (xe/ngđ). + t: Số năm khai thác (tính từ năm đầu trở đi). + q: hệ số tăng trưởng xe hàng năm :q = 10%. Nhh4 = 241,47 x (1+0,1)4-1 = 321,4 Nhh10 = 241,47 x (1+0,1)10 -1 = 569,37 Bảng - Dự báo thành phần giao thông ở năm thứ 4. Bảng 1.7.1 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) Lượng xe ni xe/ngày đêm Trục trước Trục sau Tải trung 25,8 69,6 1 Cụm bánh đôi 163,914 Tải nhẹ 18,0 56,0 1 Cụm bánh đôi 73,922 Tải nặng 45,2 94,2 2 Cụm bánh đôi 1,4 35,354 Bảng - Dự báo thành phần giao thông ở năm cuối của thời hạn thiết kế 10 năm Bảng 1.7.2 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) Lượng xe ni xe/ngày đêm Trục trước Trục sau Tải trung 25,8 69,6 1 Cụm bánh đôi 290,38 Tải nhẹ 18,0 56,0 1 Cụm bánh đôi 130,96 Tải nặng 45,2 94,2 2 Cụm bánh đôi 1,4 62,63 7.1.2.1.Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN: Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (hoặc quy đổi về tải trọng tính toán của xe nặng nhất) 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: Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau: Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 ); Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25 kN trở lên; Bất kể loại xe gì khi khoảng cách giữa các trục ³ 3,0m thì việc quy đổi được thực hiện riêng rẽ đối với từng trục; Khi khoảng cách giữa các trục < 3,0m (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 như ở biểu thức (3.1) và (3.2). Theo các quy định trên, việc quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau: Ntk = ; (I.7.5) Trong đó: + N là tổng số trục xe quy đổi từ k 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/ngày đêm); + ni là 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 Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất). Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy; + C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức (3-2): C1=1+1,2 (m-1); (I.7.6) Với m là số trục của cụm trục i (xem điểm 1 của mục 3.2.3); + C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2=6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2=1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2=0,38 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN ở năm thứ 4 Bảng 1.7.3: Loại xe Pi (kN) C1 C2 ni C1.C2.ni.()4,4 Tải trung Trục trước 25,8 1 6,4 163,914 3 Trục sau 69,6 1 1 163,914 34 Tải nhẹ Trục trước 18,0 1 6,4 73,922 * Trục sau 56,0 1 1 73,922 6 Tải nặng Trục trước 45,2 1 6,4 35,354 7 Trục sau 94,2 2,2 1 35,354 60 Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN ở năm 10 Bảng1. 7.4: Loại xe Pi (kN) C1 C2 ni C1.C2.ni.()4,4 Tải trung Trục trước 25,8 1 6,4 290,38 5 Trục sau 69,6 1 1 290,38 59 Tải nhẹ Trục trước 18,0 1 6,4 130,96 * Trục sau 56,0 1 1 130,96 10 Tải nặng Trục trước 45,2 1 6,4 62,63 13 Trục sau 94,2 2,2 1 62,63 106 7.1.2.2. Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên kết cấu lề gia cố. 7.1.2.2.1. Số trục xe tính toán trên một làn xe. Ntt = Ntkxfl (trục/làn.ngày đêm); (I.7.7) Trong đó: Ntk: là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế. Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (I.7.5) nhưng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều được lấy số liệu ở năm cuối của thời hạn thiết kế và được lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùa mưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm (nếu ni trung bình cả năm lớn hơn ni trung bình trong mùa mưa) ; fl: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe. fl = 0,55 * Số trục xe tính toán trên một làn xe ở năm thứ 4. Ntt = Ntk x fl = (3+34+6+7+60)x0,55 = 60,5 (trục/làn.ngày đêm) * Số trục xe tính toán trên một làn xe ở năm thứ 10. Ntt = Ntk x fl = (5+59+10+13+106)x0,55 = 106,15 (trục/làn.ngày đêm) 7. 1.2.2.2. Số trục xe tính toán trên trên kết cấu lề gia cố. * Số trục xe tính toán trên kết cấu lề gia cố ở năm thứ 4. Nltt = 50% Ntt = 30,25 (trục/làn.ngày đêm) * Số trục xe tính toán trên kết cấu lề gia cố ở năm thứ 10. Nltt = 50% Ntt = 53,075 (trục/làn.ngày đêm) 7. 1.2.2.3 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán 10 năm: Ne = Ne = = 0,261.106 (trục) 7.1.3. Xác định môđun đàn hồi yêu cầu: Eyc = max (Eycmin, Eyctt) 7.1.3.1. Xác định môđun đàn hồi tối thiểu Eycmin: Căn cứ vào : - Cấp thiết kế của đường : Cấp IV vận tốc thiết kế Vtk = 40 km/h. - Loại mặt đường : A2 hoặc B1 Tra bảng 3-5 của tài liệu[4] ta có giá trị Eyc tương ứng. Kết quả thể hiện ở bảng 7.5 7.1.3.2. Xác định môđuyn đàn hồi theo số trục xe tính toán E : Căn cứ vào: - Tải trọng trục tính toán : 10T - Loại mặt đường : A2 hoặc B1 -Số trục xe tính toán trong một ngày đêm trên một làn xe. Tra bảng 3-4 của tài liệu[4] ta có giá trị Eyc tương ứng. Kết quả thể hiện ở bảng 1.7.5 Bảng1.7.5 Loại mặt đường Eycmin (Mpa) Eyctt (Mpa) Eycchọn (Mpa) Mặt Lề GC Mặt Lề GC Mặt Lề GC A2 100 80 122,3 110,73 223 111 B1 75 75 82,42 70,15 83 75 7.1.4. Xác định phân kỳ đầu tư: Hiện nay do nguồn vốn đầu tư cho các ngành xây dựng cơ bản còn hạn hẹp mặt khác các công trình xây dựng giao thông đang cần được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều nên việc tập trung vốn một lúc là rất khó khăn. Để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu và khắc phục hiện tượng trên ta có thể xét phân kỳ đầu tư công trình theo từng giai đọan. Việc đầu tư xây dựng phân kỳ theo từng giai đoạn sẽ đáp ứng được cường độ xe chạy trên tuyến tăng dần theo thời gian và khả năng thông xe cũng như Eyc của kết cấu áo đường trong thời kỳ sử dụng. Khi thiết kế nên chọn kết cấu và bề dày áo đường hợp lý để kết cấu làm trước có thể tận dụng sau này. Dựa vào lưu lượng xe chạy vào các năm tương lai và thời gian trung tu, đại tu của các loại tầng mặt áo đường ta đề xuất tính toán các phương án kết cấu áo đường như sau: - Phương án I: Đầu tư xây dựng 1 lần 10 năm (mặt đường cấp cao A2). - Phương án II: Đầu tư xây dựng 2 lần:4 năm đầu là mặt đương cấp thấp B1, 6 năm sau tăng cường lên mặt đường cấp cao A2. 7.1.5. Xác định các điều kiện cung cấp vật liệu, bán thành phẩm, cấu kiện: Qua điều tra khảo sát trên địa bàn tuyến đi qua huyên Cam Lộ có nhiều mỏ vật liệu có thể đáp ứng được yêu cầu xây dựng mặt đường cũng như các bộ phận công trình, cụ thể đá lấy tại xí nghiệp mỏ đá cách chân công trình 4km; nhựa đường hay bê tông nhựa lấy tại công ty cơ sở hạ tầng cách chân công trình 10 km; các bán thành phẩm và cấu kiện đúc sẵn được lấy tại nhà máy bê tông cách chân công trình 10 km; dùng đất từ nền đào sang đắp nền đắp,nếu thiếu sẽ lấy đất từ thùng đấu hay mỏ để đắp hoặc có thể khai thác tại các chân đồi dọc tuyến; cát có thể lấy ở dọc sông ... Tất cả các vật liệu đều có thể khai thác vận chuyển đến chân công trình bằng đường bộ một cách thuận lợi. 7.1.6. Xác định các điều kiện thi công: - Các đơn vị thi công giàu kinh nghiệm cũng như đội ngũ công nhân lành nghề đã từng tham gia nhiều công trình tương tự đạt chất lượng cao. Ngoài ra các đơn vị thi công có đầy đủ các loại máy móc, trang thiết bị phục vụ thi công góp phần nâng cao năng suất rút ngắn thời gian thi công, đảm bảo hoàn thành công trình đúng tiến độ và đạt chất lượng. - Thời gian thi công vào các tháng 6,7,8; trời nắng nóng,khí hậu khô ráo, mực nước ngầm không biến đổi. - Các điều kiện khác phục vụ cho đời sống như cung cấp nhu yêú phẩm, thông tin liên lạc, y tế đáp ứng đầy đủ. 7.2. THIẾT KẾ CẤU TẠO: 7.2.1. Quan điểm thiết kế cấu tạo: - Phải tuân theo nguyên tắc thiết kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp phải chú trọng các biện pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng để tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng. - Đồng thời, còn phải sử dụng các biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vật liệu và tổ hợp các thành phần vật liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bị nước xâm nhập…) để hạn chế các tác dụng của ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết cấu áo đường và đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp mặt trên cùng do xe chạy gây ra. - Phải chọn và bố trí đúng các tầng, lớp vật liệu trong kết cấu áo đường sao cho phù hợp với chức năng của mỗi tầng, lớp và bảo đảm cả kết cấu đáp ứng được những yêu cầu cơ bản, đồng thời phù hợp với khả năng cung ứng vật liệu, khả năng thi công và khả năng khai thác duy tu, sửa chữa, bảo trì sau này. Phải sử dụng tối đa các vật liệu và phế thải công nghiệp tại chỗ (sử dụng trực tiếp hoặc có gia cố chúng bằng chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ). Ngoài ra, phải chú trọng vận dụng các kinh nghiệm về xây dựng và khai thác áo đường trong điều kiện cụ thể của địa phương đường đi qua. - Cần đề xuất từ 2 đến 3 phương án cấu tạo kết cấu áo đường. Khi đề xuất các phương án thiết kế cần phải chú trọng đến yêu cầu bảo vệ môi trường, yêu cầu bảo đảm an toàn giao thông và cả yêu cầu về bảo vệ sức khoẻ, bảo đảm an toàn cho người thi công. - Cần xét đến phương án phân kỳ đầu tư trong thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường. Trên cơ sở phương án cho quy hoạch tương lai cần dự tính biện pháp tăng cường bề dày để tăng khả năng phục vụ của áo đường phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian. 7.2.2. Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường. 7.2.2.1. Các phương án đầu tư một lần: Phương án đầu tư xây dựng một lần có thời gian đại tu là 10 năm. Kết cấu áo đường là loại cấp cao A2 gồm các loại sau: - Phương án Ia: Kết cấu mặt đường và lề gia cố. 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E3 = 300 (MPa). 3) CPĐD loại II – Dmax37,5 dày 24cm E4 = 250 (MPa). - Phương án Ib: 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E2 = 300 (MPa). 3) Cấp phối thiên nhiên loại A dày 30 cm E3= 200 (MPa). - Phương án Ic: 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1=280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E2 = 300 (MPa). 3) Cát vàng gia cố xi măng dày 15cm E3 = 300 (MPa). 7.2.2.1.1 Chọn phương án kết cấu. + Kết cấu lớp mặt : Kết cấu lớp mặt loại mặt đường cấp cao AII nên có thể dùng các loại sau: . Bê tông nhựa loại II . Đá dăm thấm nhập nhựa. . Cấp phối đá dăm , đất đá gia cố chất kết dính vô cơ, trên có láng nhựa. * Trong các loại vật liệu làm lớp mặt nêu trên, xét thấy mặt đường Bê tông nhựa có tính ưu việt hơn các loại mặt đường khác, vì bêtông nhựa có các ưu điểm sau: - Cường độ cao, có khả năng chịu nén, kéo và chịu cắt . Đặc biệt chịu lực ngang rất tốt và hạn chế gây bong bật của bánh xe do có chất atphan. - Mặt đường sử dụng vật liệu theo nguyên lý cấp phối, do đó kết cấu mặt đường đặc chắc kín nước hạn chế nước thấm xuống nền đường. - Mặt đường dễ tạo phẳng, độ cứng không quá lớn cho phép xe chạy với tốc độ cao mà vẫn êm thuận, ít gây tiếng ồn. - Mặt đường có độ bào mòn nhỏ, ít sinh bụi. -Có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công. - Công tác duy tu, sửa chửa it. - Thời gian sử dụng tương đối dài Từ những ưu điểm trên chọn kết cấu lớp mặt là lớp Bê tông nhựa. +Kết cấu lớp móng : Kết cấu lớp móng áo đường gồm các loại sau: . Cấp phối đá dăm . Cấp phối thiên nhiên. .Cát gia cố xi măng * Cấp phối đá dăm : +Ưu điểm: Kết cấu chặt kín, cường độ cao Tân dụng được nguyên liệu tại chổ, giá thành hạ. Thi công đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công nên tốc độ thi công cao Tương đối ổn định nước + Nhược điểm: Chịu lực ngang kém, khi khô hanh cường độ giảm nhiều. Hao mòn sinh bụi nhiêu khi khô hanh * Cấp phối thiên nhiên: + Ưu điểm: Kết cấu chặt kín chịu lực ngang tương đối tốt. Sử dụng các vật liệu địa phương. Thi công đơn giản, công đầm nén nhỏ, có thể cơ giới hóa toàn bộ quá trình thi công. Giá thành thấp. + Nhược Điểm: Cường độ không cao. Không ổn định về cường độ, về mùa mưa cường độ giảm, mặt đường trơn trượt, về mùa mưa hao mòn, sinh bụi nhiều. * Cát gia cố xi măng: + Ưu điểm: Cường độ tương đối cao, có khả năng chịu kéo khi uốn, rất ổn định nhiệt và nước. Sử dụng các loại vật liệu rẻ tiền là cát nên giá thành rẻ Có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công Độ bằng phẳng cao, độ nhám mặt đường tương đối cao, ít thay đổi khi bị ẩm ướt. + Nhược điểm: Chịu tải trọng động kém. Yêu cầu phải có thiết bi thi công chuyên dụng, khống chế thời gian thi công Không thông xe được ngay sau khi thi công. *Kết luận: - Loại móng áo đường gia cố chất vô cơ như cát gia cố ximăng yêu cầu về thời gian bảo dưỡng dài và đòi hỏi các thiết bị thi công hiện đại, không phù hợp với điều kiện thi công của các đơn vị trong khu vực do đó không chọn các loại này làm lớp móng. - Cấp phối đá dăm có cường độ cao hơn cấp phối tiêu chuẩn, là một cấp phối liên tục, ổn định nước hơn vì thành phần hạt mịn là bột đá ít hút nước, ngoài ra công nghệ thi công được tiêu chuẩn hóa, cơ giới hóa cao, và sử dụng được vật liệu địa phương. Vậy chọn lớp cấp phối đá dăm làm lớp móng cho phương án đầu tư 1 lần. Từ đó phương án IA chọn cho phương án đầu tư 1 lần : 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E3 = 300 (MPa). 3) CPĐD loại II – Dmax37,5 dày 24cm E4 = 250 (MPa). 7.2.2.2. Các phương án đầu tư phân kỳ: Kết cấu cho 4 năm đầu: - Phương án IIa: 1) Láng nhựa 2 lớp dung nhũ tương nhựa dày 2 cm 2) CPĐD loại I – Dmax25dày 15cm E2 = 300 (MPa). - Phương án IIb: 1) Láng nhựa 2 lớp dung nhũ tương nhựa dày 2 cm 2) Cấp phối thiên nhiên loai A dày 30cm E2=200(MPa) - Phương án IIc: 1) Láng nhựa 2 lớp dung nhũ tương nhựa dày 2cm 2) Cát vàng gia cố xi măng dày 15cm E2 = 300 (MPa). 7.2.2.2.1. Chọn phương án kết cấu. - Tư nhưng ưu nhược điểm của kết câu chon đã nêu ở phương án đầu tư 1 lần và khả năng cung cấp nguyên vật liệu đia phương. Vậy chọn phương án IIa cho kết cấu 4 năm đầu Kết cấu cho 6 năm sau: 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E3 = 300 (MPa). 7.3. TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: 7.3.1. Xác định các đặc trưng tính toán của nền đường và của các lớp vật liệu mặt đuờng: Các thông số tính toán của nền đường và các lớp mặt đường xác định bằng cách tra bảng B.3 (phụ lục B) bảng C.1 ; C.2 (phụ lục C) theo tài liệu [4]. Kết quả ghi ở bảng sau: Bảng các thông số tính toán kết cấu áo đường của các lớp vật liệu Bảng1.7.6 Lớp kết cấu E (Mpa) Rku (Mpa) C (Mpa) φ (độ) Tính về độ võng Tính về trược Tính về kéo uốn - Đất nền á sét lẫn sỏi sạn ở độ ẩm tương đối tính toán 0,6 57 0,032 24 - BTN chặt hạt vừa loại 2 280 200 1600 1,6 - CPĐD loại 2 250 250 250 - CPĐD loại 1 300 300 300 - Cấp phối thiên nhiên loại A 200 200 200 - Cát vàng gia cố xi măng 8% 300 300 300 7.3.2. Tính toán cường độ kết cấu áo đường. Trong mỗi phương án tiến hành tính toán theo 3 tiêu chuẩn sau. 7.3.2.1Tính toán cường độ kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép Vì kết cấu áo đường mềm thường có nhiều lớp nên cần quy đổi về hệ 2 lớp để áp dụng dạng toán đồ Hình 3.1 tài liệu [4] . Việc quy đổi được thực hiện đối với 2 lớp một từ dưới lên theo sơ đồ ở Hình 1.7.1 và biểu thức (1.7.8) + Hình 1.7.1: Sơ đồ đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp (Các lớp ký hiệu số thứ tự tăng dần từ dưới lên) E= E1 (1.7.8) Trong đó: k =; t = với h2 và h1 là chiều dày lớp trên và lớp dưới của áo đường; E2 và E1 là mô đun đàn hồi của vật liệu lớp trên và lớp dưới. Việc đổi hệ nhiều lớp và hệ 2 lớp được tiến hành từ dưới lên, có hai lớp vật liệu quy đổi về một lớp bề dày H’ = h1 + h2 và có trị số mô đun đàn hồi E’tb tính theo (1.7.8). Sau đó lại xem lớp H’ (với E’tb ) là lớp dưới và tiếp tục quy đổi nó cùng với lớp trên nó thành một lớp có bề dày H = H’+ h3 và E’tb tính theo (1.7.8) nhưng với E’tb lớp này đóng vai trò E1 và K = , t=. Sau khi quy đổi nhiều lớp áo đường về một lớp thì cần nhân thêm với Etb một hệ số điều chỉnh β xác định theo Bảng 1.7.7 để được trị số : = βxE với β =1,114x (1.7.9) Hệ số điều chỉnh β Bảng 1.7.7: Tỷ số H/D 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Hệ số β 1,033 1,069 1,107 1,136 1,178 1,198 1,210 Chú thích Bảng 1.7.7 và biểu thức 1.7.9 : - H là bề dày toàn bộ của kết cấu áo đường; D là đường kính vệt bánh xe tính toán. Khi H/D >2 thì có thể tính β theo biểu thức (1.7.9). - Trường hợp kết quả tính theo (1.7.9) cho kết quả lớn hơn cả trị số môđun đàn hồi lớn nhất của vật liệu trong các lớp kết cấu đem quy đổi thì chỉ được lấybằng trị số môđun đàn hồi lớn nhất đó. Trị số tính theo (1.7.9) dùng để tính toán tiếp trị số Ech của cả kết cấu theo toán đồ Hình 3.1 tài liệu [4] . 7.3.2.2 Tính toán cường độ theo điều kiện cân bằng giới hạn trượt giữa các lớp vật liệu rời rac, nền đất và trong các lớp bê tông nhựa: Để đảm bảo không phát sinh biến dạng dẻo cục bộ trong nền đất và các lớp vật liệu rời rạc, kết cấu áo đường phải thoả mãn điều kiện: Tax + Tav ≤ (1.7.10) Trong đó: Tax : ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính (MPa). Tav : ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp vật liệu nằm trên nó gây ra cũng tại điểm đang xét (MPa). K là hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tuỳ thuộc độ tin cậy thiết kế . Ctt : Lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính (MPa) ở trạng thái độ ẩm, độ chặt tính toán. - Xác định trị số Ctt theo công thức: Ctt= C.K1.K2.K3 Trong đó: C : lực dính của nền hoặc vật liệu kém dính K1 : hệ số xét đến sự suy giảm sức chống cắt trượt khi đất hoặc vật liệu kém dính chịu tải trọng động và gây dao động K2 : hệ số xét đến các yếu tố tạo ra sự làm việc không đồng nhất của kết cấu; các yếu tố này gây ảnh hưởng nhiều khi lưu lượng xe chạy càng lớn. K3 : hệ số xét đến sự gia tăng sức chống cắt trượt của đất hoặc vật liệu kém dính trong điều kiện chúng làm việc trong kết cấu khác 7.3.2.3. Tính kiểm tra cường độ kết cấu dự kiến theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu toàn khối. Điều kiện tính toán:Theo tiêu chuẩn này, kết cấu được xem là đủ cường độ khi thoả mãn điều kiện dưới đây: sku £ ; (1.7.11) Trong đó: sku : ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (xác định theo mục 3.6.2); : cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối : hệ số cường độ về chịu kéo uốn được chọn tuỳ thuộc độ tin cậy thiết kế giống như với trị số ở Bảng 3-7 tài liệu [4]. Việc chọn độ tin cậy thiết kế cũng theo chỉ dẫn ở Bảng 3-2 tài liệu [4] Chỉ phải tính toán kiểm tra điều kiện (1.7.11) đối với các lớp bê tông nhựa, hỗn hợp đá trộn nhựa, các lớp đất, cát gia cố, đá gia cố chất liên kết vô cơ sử dụng trong kết cấu áo đường cấp cao à A2. Riêng đối với lớp thấm nhập nhựa và các lớp đất, đá gia cố nhựa lỏng thì không cần kiểm tra. * Xác định sku Ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối sku được xác định theo biểu thức (3.10) tài liệu [4] sku = ; (1.7.12) Trong đó: p : áp lực bánh của tải trọng trục tính toán p=0,6 (Mpa). kb : hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán là bánh đôi hoặc bánh đơn; khi kiểm tra với cụm bánh đôi (là trường hợp tính với tải trọng trục tiêu chuẩn) thì lấy kb = 0,85, còn khi kiểm tra với cụm bánh đơn của tải trọng trục đặc biệt nặng nhất (nếu có) thì lấy kb = 1,0. : ứng suất kéo uốn đơn vị; trị số này được xác định theo toán đồ Hình 3-5 cho trường hợp tính ở đáy các lớp liền khối trong tầng mặt tuỳ thuộc vào tỷ số h1/D và E1/Echm và xác định theo toán đồ 3-6 cho trường hợp tính ở đáy các lớp liền khối trong tầng móng =f(h1/D, E1/E2, E2/E3). Các ký hiệu trong đó có ý nghĩa như sơ đồ tính ghi ở mỗi góc toán đồ cụ thể là: h1 là tổng bề dày các lớp kết cấu kể từ đáy lớp được kiểm tra kéo uốn trở lên đến bề mặt áo đường. E1 là mô đun đàn hồi trung bình của các lớp nằm trong phạm vi h1; E1 có thể được tính theo biểu thức (3.6) phụ lục [2] hoặc tính với nguyên tắc bình quân gia quyền theo bề dày, tức là E1 = (Ei , hi là trị số mô đun đàn hồi và bề dày các lớp i trong phạm vi h1). D là đường kính vệt bánh xe tính toán D=33cm Ech.m là mô đun đàn hồi chung của nền đất và các lớp nằm phía dưới đáy lớp vật liệu liền khối được kiểm tra. Trị số Ech.m được xác định theo cách quy đổi nền đất và các lớp nằm phía dưới lớp đang xét nêu trên về hệ hai lớp từ dưới lên rồi áp dụng toán đồ ở Hình 3-1 tài liệu [4] * Xác định : Cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu liền khối được xác định theo biểu thức sau: = k1 . k2 . Rku ; (1.7.13) Trong đó: Rku : cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán k2 : hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian so với các tác nhân về khí hậu thời tiết. Với các vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ lấy k2 = 1,0; còn với bê tông nhựa loại II, bê tông nhựa rỗng và các loại hỗn hợp vật liệu hạt trộn nhựa lấy k2 = 0,8; với bê tông nhựa chặt loại I và bê tông nhựa chặt dùng nhựa polime lấy k2 = 1,0. k1 : hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục; k1 được lấy theo các biểu thức dưới đây: Đối với vật liệu bê tông nhựa: k1 = ; (1.7.14) - Đối với vật liệu đá (sỏi cuội) gia cố chất liên kết vô cơ. k1 = ; (1.7.15) - Đối với vật liệu đất gia cố chất liên kết vô cơ. k1 = ; (1.7.16) Trong các biểu thức trên Ne là số trục xe tính toán tích luỹ trong suốt thời hạn thiết kế thông qua trên một làn xe (xác định như chỉ dẫn ở Khoản A.2 của Phụ lục A). Với các lớp bê tông nhựa chặt loại I và bê tông nhựa polime, thời hạn thiết kế lấy bằng 15 năm; còn với các loại bê tông nhựa và hỗn hợp nhựa khác lấy bằng 10 năm. Đối với các lớp móng gia cố chất liên kết vô cơ, thời hạn thiết kế được lấy bằng thời hạn thiết kế của tầng mặt đặt trên nó. 7.3.3. Tính toán kiểm tra các lớp áo đường cho từng phương án 7.3.3.1. Các phương án đầu tư một lần: Phương án Ia: 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(Mpa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E3 = 300 (Mpa). 3) CPĐD loại II – Dmax37,5 dày 24cm E4 = 250 (Mpa). 7.3.3.1.1Tính toán và kiểm tra độ võng đàn hồi Ech: a/ Quy đổi tầng hai lớp một từ dưới lên được thực hiện theo biểu thức (1.7.8) Kết quả quy đổi tầng hai lớp phương án Ia ở bảng 7-8 Bảng 1.7.8: Lớp kết cấu Ei (Mpa) t = E2/E1 hi (cm) k = h2/h1 Htb (cm) E'(Mpa) CPĐD loại II – Dmax37,5 250 24 24 250 CPĐD loại I – Dmax25 300 1.200 15 0.625 39 269 BTN chặt hạt vừa loại 2 Dmax20 280 1.043 8 0.205 47 270 b/ Xét đến hệ số điều chỉnh: Với = Tra bảng 3.6 được = 1,165. Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên có chiều dày 37 cm có mô đun đàn hồi trung bình: c/ Tính Ech của cả kết cấu: sử dụng toán đồ Hình 3.1 tài liệu [4] Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ Hình 3-1 tài liệu [2] được: = 0,54996; Vậy Ech= 0,54996x314,55= 172,98 Mpa d/ Nghiệm lại điều kiện (3-4) theo mục 3.4.1 tài liệu [4]; phải có: Ech³ - Đường cấp IV, 2 làn xe nên theo Bảng 3-3, chọn độ tin cậy thiết kế là 0,85 do vậy, theo Bảng 3-2tài liệu [2] xác định được =1,06. .Eyc=1,06 x 123 = 130,38MPa Kết quả nghiệm toán: Ech= 172,98 > = 130,38MPa Cho thấy với cấu tạo kết cấu dự kiến bảo đảm đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép. Nhận xét: Ta thấy Eyc mặt đường và Eyc lề gia cố tương đương nhau chỉ hơn kém nhau 10(MPa) do đó để thuận lợi cho quá trình thi công và đầu tư mở rộng thêm bề rộng làn xe trong tương lai ta chọn kết cấu áo đường mềm của lề đường giống với kết cấu mặt đường. để giảm chi phí xây dựng ta chọn lề gia cố tối thiểu. 7.3.3.1.2 Tính toán cường độ áo đường theo điều kiện trượt trong nền đất và trong lớp bêtông nhựa: a.Kiểm tra điều kiện trượt trong nền đất: Để đảm bảo không phát sinh biến dạng dẻo cục bộ trong nền đất và các lớp vật liệu rời rạc, kết cấu áo đường phải thoả mãn điều kiện:τ Tax + Tav ≤ (1.7.10) Trong đó: Tax : ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất hoặc trong lớp vật liệu kém dính (MPa). Tav : ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân các lớp vật liệu nằm trên nó gây ra cũng tại điểm đang xét (MPa). K là hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tuỳ thuộc độ tin cậy thiết kế . Ctt : Lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính (MPa) ở trạng thái độ ẩm, độ chặt tính toán. - Tính Etb của cả 3 lớp kết cấu + Việc đổi tầng về hệ 2 lớp được thực hiện như ở bảng sau: Bảng 1.7.9: Lớp kết cấu Ei (Mpa) t = E2/E1 hi (cm) k = h2/h1 Htb (cm) E'(MPa) CPĐD loại II – Dmax37,5 250 24 24 250 CPĐD loại I – Dmax25 300 1.200 15 0.625 39 269 BTN chặt hạt vừa loại 2 Dmax20 200 0.745 8 0.205 47 256 Xét đến hệ số điều chỉnh: Với = Tra bảng 3.6 được = 1,165. Do vậy: = β. Etb’=1,165 x 256= 295,936 (MPa) - Xác định Tax : =; = = Tra biểu đồ hình 3-2 [tài liệu 2], với góc nội ma sát của đất nền φ=240 ta tra được =0,023. Vì áp lực trên mặt đường của bánh xe tiêu chuẩn tính toán p=0,6 Mpa Tax=0,023x0,6 = 0,014MPa - Xác định Tav: Tra toán đồ hình 3-4 [tài liệu 2] ta được Tav = -0,0012 MPa - Xác định trị số Ctt theo công thức: Ctt= C.K1.K2.K3 C = 0,032 MPa K1 = 0,6; K2 = 0,8 vì số trục xe tính toán < 1000 trục, và K3 = 1,5 (đất nền là á sét) Vậy Ctt = 0,032 x 0,6 x 0,8 x 1,5 = 0,023 MPa - Kiểm toán lại điều kiện tính toán cường độ theo tiêu chuẩn chịu căt trượt trong nền đất Đường cấp IV, 2 làn xe nên theo Bảng 3-3 tài liệu [4], chọn độ tin cậy thiết kế là 0,85 , do vậy, theo Bảng 3-7 tài liệu [4], xác định được: Kcdtr=0,9 và với các trị số Tax và Tav tính được ở trên ta có: Tax + Tav = 0,014 – 0,0012 = 0,0128MPa = MPa Kết quả tính toán cho thấy 0,0128<0,023 nên điều kiện 1.7.10 được đảm bảo b.Kiểm tra điều kiện ổn định trượt của bêtông nhựa: Để kiểm tra điều kiện ổn định trượt của bêtông nhựa, đưa các lớp móng của mặt đường về một lớp có Etb như hình vẽ và tính Echm đối với đất nền và các lớp móng. Hình 7-11: Sơ đồ tính ổn định trượt lớp bêtông nhựa. * Xác định : Tính được ở phần 3.3.1.2.a là = 269 (MPa), đó là chưa kể đến hệ số . Để xác định hệ số, tính tỉ số H/D: Þ (MPa). Đất nền có E0 = 57 (MPa). Tính toán Ech.m. - Từ các tỷ số: Tra toán đồ h.3.3 của của tài liệu [5], xác định được Echchm: Þ Echchm = 0,5058´303,432 = 153,475(MPa). - Từ các tỷ số: Tra toán đồ h.3.13 của của tài liệu [5]: => Þ = 0,15´0,6 = 0,09 (MPa). * Xác định : = 0. * Xác định K’: Đối với bêtông nhựa có: - Lực dính C = 2 (MPa); Hệ số tổng hợp: K’ = 1,1 Vậy: (MPa). Kết luận: lớp bêtông nhựa đảm bảo điều kiện chống trượt. 7.3.3.1.3. Tính kiểm tra cường độ kết cấu dự kiến theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp bê tông nhựa. a/ Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa. * Đối với bê tông nhựa lớp trên: h1 =8 cm; E1 = 1600 (MPa) Trị số của 2 lớp phía dưới được xác định như sau: Bảng1. 7.10 Lớp kết cấu Ei (Mpa) t = E2/E1 hi (cm) k = h2/h1 Htb (cm) E'(MPa) CPĐD loại II – Dmax37,5 250 24 24 250 CPĐD loại I – Dmax25 300 1,200 15 0,625 39 269 Với tra bảng 3-6 phụ lục [2] được = 1,128. (MPa) Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ Hình 3-1 tài liệu [4] được: = 0,5058; Vậy Echm= 0,5058x303,432 = 153,475Mpa Tìm ở đáy lớp bê tông nhựa lớp trên bằng cách tra toán đồ Hình 3.5 tài liệu [4] Với ; tra được = 1,93 Ta tính được ứng suất kéo uốn phát sinh lớn nhất ở đáy lớp bê tông nhựa. =1,93 x 0,6 x 0,85 = 0,9843(MPa). b/ Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp bê tông nhựa theo biểu thức (1.7.11). Xác định cường độ chịu kéo uốn tính toán của các lớp bê tông nhựa K1 = = =0,735 trong trường hợp này lấy k2=0,8; - Vậy cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa là: = 0,735 x 0,8 x 1,6 = 0,941MPa Kiểm toán điều kiện theo biểu thức (1.7.11) với hệ số =0,9 lấy theo Bảng 3-7 tài liệu [4] cho trường hợp đường cấp IV ứng với độ tin cậy 0,85. = 0,9843MPa < =1,046 MPa Kết luận: Kết cấu thiết kế dự kiến đạt được điều kiện (1.7.11). 7.3.3.2. Các phương án đầu tư phân kỳ: 7.3.3.2.1Tính toán và kiểm tra độ võng đàn hồi Ech: Phương án IIa: 1) Láng nhựa 2 lớp dung nhũ tương nhựa dày 2 cm 2) CPĐD loại I – Dmax25dày 15cm E2 = 300 (MPa). Vì lớp láng nhựa chỉ có chức năng là lớp bảo vệ bề mặt nên không tính. Lớp vật liệu còn lại là lớp cấp phối đá dăm nên E chính bằng môđun đàn hồi của lớp vật liệu đó. Vậy xác định được E = 300 (MPa). Bảng1 .7.11 Lớp kết cấu Ei (Mpa) t = E2/E1 hi (cm) k = h2/h1 Htb (cm) E'(MPa) CPĐD loại I – Dmax25 300 15 15 300 a/ Tính Ech của cả kết cấu: sử dụng toán đồ Hình 3.1 tài liệu [4] =; = Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ Hình 3-1 tài liệu [4] được: = 0,30985; Vậy Ech= 300x0,30985 = 92,955 MPa b/ Nghiệm lại điều kiện (3-4) theo mục 3.4.1 tài liệu [2]; phải có: Ech³ - Đường cấp IV, 2 làn xe nên theo Bảng 3-3, chọn độ tin cậy thiết kế là 0,85 do vậy, theo Bảng 3-2tài liệu [4] xác định được =1,06. .Eyc=1,06 x 83 =87,98MPa Kết quả nghiệm toán: Ech= 92,955 > = 87,98MPa Cho thấy với cấu tạo kết cấu dự kiến bảo đảm đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép. Kết cấu 6 năm sau: 1) BTN chặt hạt vừa loại 2 – Dmax20 dày 8cm E1= 280(MPa). 2) CPĐD loại I – Dmax25 dày 15cm E3 = 300 (MPa). - Quy đổi tầng hai lớp một từ dưới lên được thực hiện theo biểu thức (1.7.8) - Kết quả quy đổi tầng hai lớp kết cấu 5 năm sau ở bảng 7-11 Bảng 1.7.12: Lớp kết cấu Ei (Mpa) t = E2/E1 hi (cm) k = h2/h1 Htb (cm) E'(MPa) - CPĐD loại 1 Dmax25 300 15 15 300 BTN chặt hạt vừa loại 2 Dmax20 280 0,933 8 0.533 23 293 Xét đến hệ số điều chỉnh β=f(): với = Tra Bảng 1.7.7 được β =1,061. Vậy kết cấu nhiều lớp được đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 20 cm có mô đun đàn hồi trung bình = β. Etb’=1,061 x 293 = 310,873 (MPa) - Tính Ech của cả kết cấu: sử dụng toán đồ Hình 3.1 tài liệu [4] =; = Enc= 0,9 Ech = 0,9x92,955= 83,66MPa Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ Hình 3-1 được = 0,48104 Vậy : Ech= 310,873x0,48104 = 149,542MPa - Kiểm nghiệm theo điều kiện Ech³ Đường cấp III, 2 làn xe nên theo Bảng 3-3 tài liệu [4], chọn độ tin cậy thiết kế là 0,95 , do vậy, theo Bảng 3-2 tài liệu [2], xác định được: =1,06 và .Eyc=1,06 x 119 = 126,14MPa Kết quả nghiệm toán: Ech= 149,542> = 126,14 MPa Cho thấy với cấu tạo kết cấu dự kiến bảo đảm đạt yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép. 7.3.3.2.2 Tính toán cường độ áo đường theo điều kiện trượt trong nền đất và trong lớp bêtông nhựa: a.Kiểm tra trượt của áo đường trong giai đoạn khai thác 4 năm đầu: Đối với áo đường cấp thấp B1 không yêu cầu kiểm tra điều kiện trượt. b.Kiểm tra điều kiện ổn định trượt của áo đường 6 năm sau: Kiểm tra điều kiện ổn định trượt của bêtông nhựa như hình vẽ và tính Ech.m đối với đất nền (mặt đường cũ) và lớp móng CPĐD loại I Dmax25 tăng cường thêm. Hình: Sơ đồ tính ổn định trượt lớp bêtông nhựa * Xác định : Ta có: Etb= E2= 300 (MPa). Từ các tỷ số: Tra toán đồ hình 3-3 của tài liệu [5], xác định môđuyn đàn hồi chung của móng đường: Echchm = 0,41175 ´ ETB = 0,41175 ´ 300 = 123,525 (MPa). - Từ các tỷ số: Tra toán đồ h.3.13 của của tài liệu [5]: => 0,19 Þ = 0,19´ 0,6 = 1,114 (MPa). * Xác định : = 0 * Xác định K’: Đối với bêtông nhựa hạt vừa có: - Lực dính C = 2 (MPa); Hệ số tổng hợp: K’ = 1,1 Vậy: (MPa). Kết luận: lớp bêtông nhựa đã đảm bảo điều kiện chống trượt. 7.3.3.1.3. Tính kiểm tra cường độ kết cấu dự kiến theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp bê tông nhựa. a/ Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tông nhựa. * Đối với bê tông nhựa lớp trên: h1 =8 cm; E1 = 1600 (MPa) Tìm ở đáy lớp bê tông nhựa lớp trên bằng cách tra toán đồ Hình 3.5 tài liệu [4] Với ; = = 11,95 tra được = 2,01 Ta tính được ứng suất kéo uốn phát sinh lớn nhất ở đáy lớp bê tông nhựa. =2,01 x 0,6 x 0,85 = 1,025(MPa). b/ Kiểm toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp bê tông nhựa theo biểu thức (1.7.11). Xác định cường độ chịu kéo uốn tính toán của các lớp bê tông nhựa K1 = ==0,735 trong trường hợp này lấy k2=0,8; - Vậy cường độ chịu kéo uốn tính toán của lớp bê tông nhựa là: = 0,735 x 0,8 x 1,6 = 0,941MPa Kiểm toán điều kiện theo biểu thức (1.7.11) với hệ số =0,9 lấy theo Bảng 3-7 tài liệu [4] cho trường hợp đường cấp IV ứng với độ tin cậy 0,85. = 1,025MPa < =1,046MPa Kết luận: Kết cấu thiết kế dự kiến đạt được điều kiện (1.7.11). 7.4. LUẬN CHỨNG SO SÁNH CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: Để luận chứng đánh giá chọn phương án tối ưu về mặt kinh tế người ta dựa vào các chỉ tiêu sau: - Giá thành xây dựng ban đầu: K0. - Chi phí sửa chữa thường xuyên: Ct. - Chi phí hàng năm do công tác vận chuyển: Cvct. - Hiệu quả kinh tế mang lại cho nền kinh tế quốc dân do việc làm đường mới. - Tổng chi phí xây dựng và khai thác tính đổi về năm gốc: Ptđ. - Các chỉ tiêu về khối lượng của các vật liệu đắt tiền như sắt thép, ximăng, nhựa đường... - Mức độ phức tạp khi thi công và tính năng kỹ thuật của các phương án . - Khả năng cơ giới hoá thi công... Trong các chỉ tiêu trên thì chỉ tiêu Ptđ là chỉ tiêu tổng quát nhất ; nó phản ánh được tất cả các chỉ tiêu khác. Do vậy ở đây ta chỉ luận chứng và so sánh hai phương án đã chọn thông qua Ptđ. 7.4.1. Xác định tổng chi phí xây dựng và khai thác quy đổi về năm gốc: 7.4.1.1. Công thức tính toán : Để so sánh các phương án ta phải tính đổi các chi phí bỏ ra trong các năm khác nhau về cùng một năm gốc bằng cách nhân số vốn đầu trong một năm nào đó với hệ số tính đổi r được xác định như sau: -Nếu vốn đầu tư ở những năm sau năm gốc: rt = (1 + Etd)-t (I.7.10). -Nếu vốn đầu tư ở những năm trước năm gốc: rt = (1 + Etd)t (I.7.11). Trong đó: + t: Là khoảng thời gian tính từ năm gốc tới năm bỏ vốn đầu tư. + E: Là hệ số hiệu quả kinh tế tiêu chuẩn khi tính đổi. Đối với các công trình đường thường lấy E = 0,1 a)Tổng chi phí và khai thác tính đổi về năm gốc Ptđ: Công thức tính toán: (I.7.12). Trong đó : + T : Thời gian so sánh, đối với kết cấu áo đường lấy bằng thời gian giữa 2 lần đại tu của phương án đắt tiền. + K: Tổng các chi phí tập trung cho xây dựng, sửa chữa định kỳ và cải tạo 1km kết cấu áo đường tính đổi về năm gốc (đồng). (I.7.13). Trong đó: K: Chi phí đầu tư xây dựng ban đầu 1km kết cấu áo đường được xác định theo dự toán (đồng). Kc: Chi phí cải tạo áo đường (nếu có) trong khoảng thời gian khai thác tính toán (đồng), xác định theo dự toán. K: Chi phí một lần đại tu áo đường xác định theo dự toán. K: Chi phí một lần trung tu áo đường xác định theo dự toán. t, t, t: Thời gian kể từ năm gốc đến lúc cải tạo, đại tu, trung tu áo đường xác định tùy theo từng loại tầng mặt. n, n : Số lần tiến hành đại tu và trung tu trong khoảng thời gian khai thác tính toán (xác định theo bảng 5-1/108 tài liệu [4]). + : Tổng chi phí khai thác tính đổi về năm gốc + (I.7.14). Trong đó: + : Tổng chi phí thường xuyên cho đường. (I.7.15). - C: Chi phí hàng năm cho việc duy tu sửa chữa nhỏ 1 km kết cấu áo đường xác định theo bảng 5-1 tài liệu [4]. + : Tổng chi phí vận chuyển (I.7.16). - St:Chi phí vận chuyển một tấn hàng đi 1km ở năm thứ t được xác định theo công thức:( S = S =... = S = S) - P: Chi phí biến đổi trung bình cho một hành trình của xe ô tô bao gồm các chi phí về nhiên liệu, hao mòn xăm lốp, sữa chữa bảo dưỡng định kì; đồng/xekm. Pbđ = e . r . l (âäöng/xe.km). (I.7.18). Với: e: Lượng tiêu hao nhiên liệu trung bình cho 1 km (lít/xe.km) lấy theo trắc dọc các phương án. : Tỷ lệ giữa chi phí biến đổi so với chi phí nhiên liệu = 2,7 r: Giaï nhiãn liãûu, r = 10000â/lêt - P: Chi phí cố định trung bình trong một giờ cho 1 xe ô tô (đồng/xe giờ) xác định không phụ thuộc vào hành trình, chi phí này gồm các khoản khấu hao xe máy, lương trả cho lái xe và các khoản chi phí cho quản lý phương tiện, được xác định theo định mức ở các xí nghiệp vận tải ô tô.` - : Hệ số sử dụng hành trình, = 0,65. - : Hệ số lợi dụng tải trọng, = 0,95. - : Tốc độ xe chạy trên đường (km/h), lấy bằng 0,7 tốc độ kỹ thuật. =0,7 .V (Km/h) - G: Trọng tải trung bình trên các ôtô tham gia vận chuyển (T). Gtb = (T) (I.7.19). Gi : Trọng tải của xe i p : Thành phần xe i trong dòng xe( không kể xe con và xe buýt). - Q: Lượng hàng hoá cần vận chuyển ở năm thứ t Qt = 365..Gtb.Nt. (T/nàm) (I.7.20). Trong đó: - Nt: Là lưu lượng xe chạy trong 1 ngày đêm ở cuối thời kỳ tính toán (xehh/ng.đêm). -.,Gtb : Xác đinh như trên. 7.4.1.2. Phương án đầu tư 1 lần: 7.4.1.2.1. Các chi phí tập trung K 0 K tr 1 K d 1 4 8 10 K tr 2 t Xác định Ko:theo phụ lục 3 + Chi phí đầu tư xây dựng phần mặt đường rộng 5,5m và phần lề gia cố tối thiểu rộng 2x0,5 m: K0 = 11621129,53x Ko = 755373419,45 (đồng /km) Xác định Kc: do đường không có cải tạo nâng cấp trong quá trình khai thác nên giá trị Kc = 0. Xác định K: Với mặt đường bêtông nhựa ta có: Kd = 0,487.K0 = 0,487x 755373419,45= 367866855,27(đồng/km) Xác định K: Với mặt đường bêtông nhựa ta có: K = 0,079.K = 0,079 x 755373419,45= 59674500,14(đồng/km). Xác định: nct, nd, ntr: nct = 0; nd = 1; ntr = 2. Xác định: td, ttr: tđ =10 ; ttr =4 và 8 Þ Ktd = 965799098,17(đồng/km). 7.4.1.2.2. Các chi phí trong thời gian khai thác: 4.1.2.2.1. Xác định các chi phí thường xuyên : Xác định Cđt : Theo bảng 5.1 của [4] ta có Cđt =0,0098.K0 = 7402659,51(đồng/km) =>= 7402659,51= 45486138,12(đồng/km). Xác định S: Våïi : + b = 0,65; g = 0,95 + Gtb = 0,23´7,4 + 0,51´9,54 + 0,11´13,94 = 8,1 (T). + = 0,7Vtb =0,735 = 24,5(km/h) Với cấp đường cấp IV,mặt đường A2,địa hình đồng bằng:Vtb=35(km/h) + Pcđ = 45.000 âäöng/xe.h + l = 2,7. + e = 0,35. + r = 10.000 (âäöng/lêt). + Pbđ = l.e.r = 2,7´0,35´100.00= 9.450 (âäöng/xe.km). Þ=2256,56(âäöng/T.km). * Xác định chí phí vận chuyển tính đổi: Có Qt = 365.Gtb.Nt Þ= = Våïi q = Etđ = 0,1 ; Ts = 10 Þ=[ S 365 GtbN0hh]10 = [2256,56 365 0,95 0,65 8,1 241,47] 10 = 9947751158,13(đồng/km). => Tổng chi phí khai thác tính đổi về năm gốc: = 45486138,12+ 9947751158,13= 9993237296,25 (âäöng/km). 7.4.1.2.3. Tổng chi phí xây dựng và khai thác quy đổi về năm gốc của phương án đầu tư xây dựng một lần: Ptd = 965799098,17+ 9993237296,25= 10959036394,42 (đồng/km). 7.4.1.3. Phương án đầu tư phân kỳ: t K tr 02 8 3 1 K tr 01 K 0 1 K 0 2 4 7.4.1.3.1Lần đầu tư thứ nhất (4 năm đầu): *Xác định các chi phí tập trung: Xác định K01: - Chi phí đầu tư xây dựng phần lòng đường rộng 6,5m: (đồng/km). Xác định Kc: do đường không có cải tạo nâng cấp trong quá trình khai thác nên giá trị Kc = 0. Xác định Kđ: Với mặt đường cấp phối đá dăm trên láng nhựa dày 2cm: Thời gian đại tu của 5 năm đầu thì đường đã nâng cấp đường từ cấp B1 lên cấp A2 từ năm thứ 4 => Kd=0 Xác định Ktr: Với mặt đường cấp phối đá dăm trên láng nhựa dày 2cm: Ktr =0,09.K0 = 0,09 ´ 382233322,25= 34400999(đồng/km). Xác định nct, nđ, ntr: nct = 0; nđ = 0; ntr = 1 Xác định ttr: ttr = 3 Þ Þ Ktd = 408079301,96(đồng/km). * Xác định các chi phí thường xuyên: Theo bảng 5-1 của 22TCN 211-93, ta có: Ctd = 0,016.K0 = 0,016 ´ 382233322,25= 6115733,156 (đồng/km). =>= 6115733,156= 19386051,21(đồng/km). Xác định S: Trong đó: + = 30x0,7=21 (km/h) với mặt đường B1, vùng đồng bằng:. Với cấp đường cấp IV,mặt đường B1,địa hình đồng bằng:Vtb=30(km/h) + Pcđ = 45.000 âäöng/xe.h + l = 2,7. + e = 0,35. + r = 10.000 (âäöng/lêt). + Pbđ = l.e.r = 2,7´0,35´100.00= 9.450 (âäöng/xe.km). + Các kí hiệu khác đựơc xác định như trên. Þ Þ S = 2318 (đồng/T.km). * Xác định chí phí vận chuyển tính đổi: Có Qt = 365GtbNt Þ= = Với q = Etđ = 0,1 ; Ts = 4 => =[ S 365 GtbN1hh]4 = [2318365 0,95 0,65 8,1 241,47] 4 = 4087440561,66(đồng/km). ==> Tổng chi phí khai thác tính đổi về năm gốc: = 19386051,21+ 4087440561,66= 4106826612,87 (đồng/km). * Tổng chi phí xây dựng và khai thác quy đổi về năm gốc. P1td = 408079301,96+ 4106826612,87= 4514905914,83 (đồng/km). 7.4.1.3.2.Lần đầu tư thứ hai (6 năm sau): *Xác định các chi phí tập trung: Xác định Ko: Chi phí đầu tư xây dựng phần lòng đường rộng 6,5m. Ko2 = 8871081,85xx =393839437,37(đồng/km) Chi phí đầu tư xây dựng tập trung lần thứ 2 qui đổi về năm gốc: Xác định Kc: Do đường không có cải tạo nâng cấp trong quá trình khai thác nên giá trị Kc = 0, nct = 0. Xác định Ktr: ntr = 1, ttr = 8. Với mặt đường thời gian đại tu 10 năm thì: Ktr = 0,079.K0 = 0,079 ´ 393839437,37= 31113315,55(đồng/km). = + = 408354028,69(đồng/km) *Xác định các chi phí thường xuyên: Theo bảng 5-1 của 22TCN 211-93 ta có: Ctd = 0,0098.K0 = 0,0098´ 393839437,37= 3859626,49(đồng/km). =>= 3859626,49= 11481237,31(đồng/km). Xác định St: Våïi : + b = 0,65; g = 0,95 + Gtb = 0,23´7,4 + 0,51´9,54 + 0,11´13,94 = 8,1 (T). + = 0,7Vtb =0,735 = 24,5(km/h) Với cấp đường cấp IV,mặt đường A2,địa hình đồng bằng:Vtb=35(km/h) + Pcđ = 45.000 âäöng/xe.h + l = 2,7. + e = 0,35. + r = 10.000 (âäöng/lêt). + Pbđ = l.e.r = 2,7´0,35´100.00= 9.450 (âäöng/xe.km). Þ=2256,56(âäöng/T.km). *Xác định chí phí vận chuyển tính đổi: Có Qt = 365.Gtb.Nt Þ= = Våïi q = Etđ = 0,1 ; Ts = 6 => =[ S 365 GtbN1hh]6 = [2256,56365 0,95 0,65 8,1 241,47] 6 = 5968650694,88(đồng/km). => Tổng chi phí khai thác tính đổi về năm gốc: = 11481237,31+ 5968650694,88= 5980131932,19 (đồng/km). *Xác định tổng chi phí xây dựng và khai thác qui đổi về năm gốc: = 408354028,69+ 5980131932,19 = 6388485960,88 (đồng/km) 7.4.1.4. Xác định tổng chi phí đầu tư và khai thác của phương án đầu tư phân kỳ qui đổi về năm gốc: Ptđ =Ptđ1 +Ptđ2 Ptđ =4514905914,83 + 6388485960,88= 10903391875,71 (đồng/km) 7.4.2. So sánh chọn phương án: 7.4.2.1. Phân tích ưu nhược điểm của 2 phương án: + Về giá thành: Qua phân tích tổng chi phí xây dựng và khai thác tính đổi về năm gốc ta thấy: Phương án đầu tư xây dựng một lần có giá là : 10.959.036.394.42 (đồng/km). Phương án đầu tư xây dựng phân kỳ có giá là : 10.903.391.875.71 (đồng/km). + Về mặt thi công: Ta nhận thấy phương án đầu tư xây dựng phân kỳ phải phân ra nhiều lần thi công. Khi xây dựng lần sau gây trở ngại về việc tổ chức giao thông, khó thông suốt, diện thi công thu hẹp, do đó việc tổ chức thi công, điều động máy móc, nhân lực sẽ gặp khó khăn khi tuyến đường đã đưa vào sử dụng. +Về kết cấu: Qua tính toán cường độ ở trên ta thấy, môđuyn đàn hồi của phương án đầu tư một lần sẽ lớn hơn phương án đầu tư xây dựng phân kỳ.Do vậy, cùng một E thì phương án đầu tư xậy dựng một lần có bề dày các lớp kết cấu mỏng hơn phương án đầu tư xây dựng phân kỳ. Ngoài ra, phương án đầu tư xây dựng phân kỳ có khối lượng công tác chính trong cả hai giai đoạn đầu tư lớn hơn phương án đầu tư một lần, mức độ phức tạp trong thi công sẽ khó khăn hơn do hai lần thi công, khả năng cung cấp vật liệu không tập trung bằng phương án đầu tư một lần, các tính năng kỹ thuật của mặt đường như tốc độ xe chạy trung bình, lượng tiêu hao nhiên liệu . . .. sẽ lớn hơn phương án đầu tư một lần. 7.4.2.2. Đề xuất phương án: Qua phân tích ở trên kiến nghị chọn phương án đầu tư xây dựng một lần để thiết kế kỹ thuật thi công.