Tính toán thiết kế kết cấu áo đường

CHƯƠNG V THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Trong thiết kế cơ sở ta đã so sánh hai phương án kết cấu áo đường và chọn được phương án I với tổng chiều dày kết cấu áo đường H = 67 cm. Kết cấu này đã thỏa mãn điều kiện theo độ võng đàn hồi (xem trong phần thiết kế cơ sở). Nên trong phần thiết kế kỹ thuật chỉ cần tiến hành kiểm tra thêm hai điều kiện: kéo uốn cho những vật liệu toàn khối và kiểm tra điều kiện trượt đối với vật liệu có ghi các giá trị c, . đồ kết cấu như sau : BTN lớp trên E= 420 (MPa) BTN lớp dưới E= 350 (MPa) CP đá Sơ gia cố XM E= 600 (Mpa) CP TN loại A E= 200 (MPa) Đất nền á sét E= 41(MPa) ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ VẬT LIỆU VẬT LIỆU Mô đun đàn hồi E (MPa) Ru (MPa) C (MPa) j (độ) Võng (300c) Trượt (600c) Kéo, uốn (150c) 1. BTNC loại AI (15) 420 300 1800 28 - - 2. BTNC loại AII (25) 350 250 1600 2 - - 3. CP Đá gia cố XM 600 600 600 - - - 4. CP TN loại A 200 200 200 - 0.03 37 5. Đất nền á sét lẫn sỏi sạn 41 41 41 - 0.038 22 Kiểm tra điều kiện trượt ở 60oC Kết cấu nền áo đường có tầng mặt được xem là đủ cường độ khi thoả mãn biểu thức (3.7): tax + tav £ (3.7) trong đó: tax: ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng bánh xe tính toán gây ra trong nền đất . 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 . K: là hệ số cường độ về chịu cắt trượt được chọn tuỳ thuộc độ tin cậy thiết kế . ứng với đường cấp III chọn độ tin cậy Ktc = 0.9.Tra bảng 3.7 => K= 0.94 Ctt= C. k1.k2.k3 Theo mục 3.5.4 22TCN 211 – 06 có k1 = 0.6; k2 = 0.8 , và k3 = 1.5 (trang 49 ; 50) Vậy : - Đối với đất nền có C = 0.38 thì : Ctt = 0.038 x 0.6 x 0.8 x 1.5 = 0.0274 (MPa). = 0.0291 (MPa). - Đối với cấp phối sỏi cuội có C = 0.3 thì : Ctt = 0.03 x 0.6 x 0.8 x 1.5 = 0.0216 (MPa). = 0.0229 (MPa). - Đối với lớp bêtông nhựa có C = 2.8 thì : Ctt = 2.8 x 0.6 x 0.8 x 1.5 = 2.016 (MPa). = 2.14 (MPa). Kiểm tra điều kiện trượt đối với đất nền Ta chuyển hệ nhiều lớp về hệ 2 lớp bằng cách đổi các lớp kết cấu áo đường lần lượt từ dưới lên trên theo công thức như trên. Lớp vật liệu Etrượt (MPa) ti hi ki h tb Etb i (MPa) 1. BTNC loại AI 300 0.801 6 0.104 55 367 2. BTNC loại AII 250 0627 8 0.171 49 374 3. CP đá gia cố XM 600 300 24 1.412 41 399 4. CP TN loai A 200 17 17  200 Có = > Tra bảng 3.1 Quy trình 22TCN 211-06 ta dược β = 1.191 = > = b* Etb = 1.191*367 = 453.1 (MPa). Từ ,j = 220 , = 10.612 Tra toán đồ hình 3-2 (22 TCN 211-06) ta xác định được : 0.0167 => tax = 0.0167*0.6 = 0.01002 (MPa). p = 6 daN/cm2 (áp lực tính toán lên mặt đường đối với xe 10T). Từ H = 55 cm và j = 220 tra toán đồ 3-9 (22 TCN211-06) ta được : tav = - 0.0011 (MPa). = > ứng suất cắt chủ động t = tax + tav = 0.01002 – 0.0011 = 0.00892 (MPa). Vậy t = 0.00892 (MPa) < [t] == 0.023 (MPa) = > nền đất đảm bảo điều kiện chống trượt. Kiểm tra điều kiện trượt đối với lớp cấp phối TN Qui đổi hệ nhiều lớp thành hệ hai lớp ta có kết quả sau : STT Lớp vật liệu Ei (MPa) ti hi (cm) ki htbi (cm) Etbi (MPa) 1 BTNC hạt mịn 300 0.69 6 0.16 38 458 2 BTNC hạt trung 250 0.417 8 0.28 32 493 3 Cấp phối đá gia cố XM 600 24  600 Ta có : = 1.12 à Hệ số hiệu chỉnh : b = 1.12 = 1.12*458 = 512.96 (MPa) Dùng toán đồ H 3-3 xác định mođun đàn hồi chung trên mặt lớp cấp phối TN : Từ các tỷ số : = 0.516 và = 0.205 Dựa vào toán đồ ta tra được : = 0.3465 => Ech = 0.3465*E1 = 0.3465*200 = 69.3 (MPa) Dùng toán đồ H 3-3 ta tính ứng suất cắt do bánh xe gây ra: Từ các tỷ số : = 1.12 và = 7.402 Lớp CP thiên nhiên loại j = 370 và c = 0.03 MPa Tra toán đồ H 3 –3 với j = 370 xác định được : 0.017 => tax = 0.017*0.6 = 0.0102 (MPa). Tra toán đồ H 3–4 với j = 370 và H = 38 cm ta được : tav = -0.002(MPa) - ưng suất cắt trong lớp lớp sỏi cuội : t = tax + tav = 0.0102 - 0.002 = 0.0082 MPa [t]= = 0.229 (MPa) Ta thấy t < [t] : lớp CP TN đảm bảo chống trượt. Kiểm tra điều kiện chống trượt của lớp bê tông nhựa Quy đổi hai lớp bê tông nhựa về một lớp tương đương có mođun đàn hồi chung được xác định theo công thức : Bảng kết quả tính toán Bảng 6.1 Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tính Etb STT Lớp kết cấu E (Mpa) hi (cm) Htb (cm) Etb (Mpa) 1 Cấp phối TN loại A 200 17 17 200 2 Cấp phối đá gia cố XM 600 3.000 24 1.412 41 399 3 Bê tơng nhựa lớp dưới 250 0.627 8 0.195 49 371 4 Bê tơng nhựa lớp trên 300 0.808 6 0.122 55 363 Ta có : =1.67 à Hệ số hiệu chỉnh : b = 1.191 = 1.191*363 = 432.33 (MPa) Từ các tỷ số : =1.67 và = 0.095 Dựa vào toán đồ Kogan 3 - 3 ta tra được : = 0.454 => Ech = 0.454*432.33 = 196.28 (MPa) Xác định ứng suất cắt trong lớp bê tông nhựa : Ta có : = 0.424 và = 2.203 Tra toán đồ H 3-2 ta xác định được : 0.271 => tax = 0.271*0.6 = 0.1626 (MPa) Ưùng suất cắt cho phép trong lớp bê tông nhựa : [t] == 2.14 Þ t = tax < [t] = 2.14 nên lớp BTNC hạt mịn, đảm bảo chống trượt. Kiểm tra theo điều kiện chịu uốn của lớp BTNC a. Tính ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy các lớp bê tơng nhựa Đối với bê tơng nhựa lướp dưới h1 = 14 cm E1=(Mpa) (Mpa) Trị số E'tb của 2 lớp mĩng cấp phối đá dăm II, cấp phối đá dăm I được tính ở bảng 5.1 là E'tb = 399 Mpa Với chiều dày 3 lớp là: H= 17+24= 41 cm Hệ số điều chỉnh b = 1.242 Tra Quy trình 22 TCN211-06 bảng 3-6 ta cĩ β= 1.135 = 1.135*399 = 452.76 (Mpa) E'chm = = 151.72( Mpa) Ứng suất kéo uốn ở lớp đáy lớp bê tơng nhựa lớp dưới Trong đĩ P là áp lực tính tốn lên mặt đường lấy bằng 0.6 Mpa kb là hệ số xét đến đặc điểm phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính tốn 0.85 được tính theo cơng thức = 1.124 (Mpa) sku = 0.624 Mpa Bảng kết quả tính toán Bảng 7.1 Tính đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tính E'tb STT Lớp vật liệu Ei (MPa) ti hi (cm) ki htbi (cm) Etbi (MPa) 1 Cấp phối TN loai A 200 17 17 200 2 Cấp phối đá gia cố XM 600 3.00 24 1.412 41 399 3 Bê tơng nhựa lớp dưới 160 4.01  8 0.195   49  525 Hệ số điều chỉnh H' = 49 = 1.485 b = 1.177 D 33 Þ = b x E'tb = 1.177*525 = 618.37 (Mpa) Echm = 205.33 (Mpa) = 1.024 Mpa sku = 0.522 Mpa .b, Kiểm tốn theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp bê tơng nhựa Cường độ chịu kéo uốn tính tốn của các lớp bê tơng nhựa 5.7.KẾT CẤU LỀ GIA CỐ 5.7.1 Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên một làn xe Vì phần xe chạy chính và lề không có giải phân cách nên : Công thức tính : Lấy N= 40%*625= 250 (trục/làn.ngày đêm) 5.7.2 Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán 15 năm : Công thức : (trục/ngày đêm) Trong đó : + q = 0.1 : tỷ lệ tăng xe hằng năm. + t = 15 năm : thời hạn tính toán. + Nt : số trục xe dự báo ở năm cuối của thời hạn thiết kế (N15). Thay số : 0.763 x10^-6(trục/ngày đêm) 5.7.3 Môđun đàn hồi yêu cầu Eyc - Tải trọng trục xe tiêu chuẩn 10T, mặt đường cấp A2 tầng mặt là bê tông nhựa rải nóng. Theo Bảng 3-4 22 TCN 221-06 (trang 40) : Ntt = 200 => Eyc = 135 (MPa) Ntt = 500 => Eyc = 153 (MPa) Ntt = 361 tiến hành nội suy ta được : Eyc = 138 (MPa) Theo Bảng 3-4 22 TCN 211-06 (trang 41) thì đối với đường cấp III. Loại áo đường cấp cao A2 là = 140 (MPa). Vậy ta chọn = 140 (MPa). - Đường cấp III, theo bảng 3-3, chọn độ tin cậy thiết kế là 0.90, do vậy theo bảng 3-2 xác định được => =154 (MPa). ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ VẬT LIỆU VẬT LIỆU Mô đun đàn hồi E (MPa) Ru (Mpa) C (MPa) j (độ) Võng (300c) Trượt (600c) Kéo, uốn (150c) 1. BTNC loại AI (15) 420 300 1800 28 - - 2. BTNC loại AII (25) 350 250 1600 2 - - 3. CP Đá gia cố XM 600 600 600 - - - 5. Đất nền á sét lẫn sỏi sạn 41 41 41 - 0.3 22 1. Kiểm tra kết cấu lề gia cố vừa chọn theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi ở 30oC - Quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách đổi các lớp vật liệu làm lề gia cố lần lượt hai lớp một theo thứ tự từ dưới lên trên theo công thức : Trong đĩ: và Với h1 là chiều dày lớp dưới áo đường h2 là chiều dày lớp trên áo đường E1 là modun đàn hồi lớp dưới áo đường E2 là modun đàn hồi lớp trên áo đường Bảng kết quả tính toán Lớp vật liệu Ei ti hi ki htbi Etbi Cấp phối đá gia cố XM 600 12 0.667 12 600 Bê tơng nhựa lớp dưới 350 0.583 8 0.300 20 489 Bê tơng nhựa lớp trên 420 0.859  6  26  473 b. Xét đến hệ số điều chỉnhb = f H : với H = 26 = 0.82 D D 33 Tra bảng 3.6 Quy trình 22TCN 211-06 ta được b =1.08 đưa về kết cấu 2 lớp với lớp trên dày 26 cm cĩ trị số modun đàn hồi trung bình: = b x E'tb =473 x 1.08 = 510.84 (Mpa) Tính Ech: 0.82 Tra toán đồ H 3 – 1(trang 42) được: => Ech/E1 = 0.302 =>Ech = 0.302*510.84 = 154.27 (MPa). Ta thấy Ech = 154.27 (MPa) > (MPa). nên kết cấu trên đạt yêu cầu về độ võng đàn hồi. 2. Kiểm tra cường độ của lề gia cố theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất - Công thức kiểm tra : (*) 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 (Mpa). + Ctt : lực dính tính toán của đất nền hoặc vật liệu kém dính (Mpa). + : hệ số cường độ vè chịu cắt trượt được chọn tùy thuộc độ tin cậy thiết kế. Tính Etb của cả 3 lớp phía trên : (E lớp trên cùng lấy ở 60oC, các E khác lấy ở 30oC) Bảng kết quả tính toán STT Lớp kết cấu E (Mpa) hi (cm) Htb (cm) Etb (Mpa) 2 Cấp phối đá gia cố XM 600 12 12 600 3 Bê tơng nhựa lớp dưới 250 0.417 8 0.667 20 436 4 Bê tơng nhựa lớp trên 300 0.689 6 0.300 26 401 Co ù 0.78 = > = 1.1 = > = b* Etb = 1.1*4013 = 431.4 (Mpa). Từ ù 0.78,j = 220 , = 10.552 Tra toán đồ hình 3-2 (22 TCN 211-06) ta xác định được : 0.4 => tax = 0.035*0.6 = 0.024 (MPa). p =0.6 MPa (áp lực tính toán lên mặt đường đối với xe 10T). Từ H = 26 cm và j = 220 tra toán đồ 3-9 (22 TCN211-06) ta được : tav = - 0.0011 (MPa). = > ứng suất cắt chủ động t = tax + tav = 0.024 – 0.0011 = 0.0229 (daN/cm2). Ctt= C. k1.k2.k3 Theo mục 3.5.4 22TCN 211 – 06 có k1 = 0.6; k2 = 0.8 , và k3 = 1.5 (trang 49 ; 50) Vậy : - Đối với đất nền có C = 0.03thì : Ctt = 0.03 x 0.6 x 0.8 x 1.5 = 0.0216(MPa). = 0.023 (MPa). Vậy t = 0.0229 (MPa)< [t] == 0.023 (MPa) = > nền đất đảm bảo điều kiện chống trượt. 3 Trượt trong lớp BTN Tính ứng suất tại đáy lớp BTN Đối với BTN lớp dưới: , (MPa) Trị số môđun đàn hồi của lớp đá gia cố XM: 600 (MPa) =>1 x 600 = 600 (MPa) Tính Ech của kết cấu áo đường theo công thức: E'chm ==178.62(MPa) E'chm=178.62(MPa) Ưng suất kéo uốn của lớp bêtong nhựa lớp dưới: Trong đó: P là áp lực tính toán lấy băng 0.6 (MPa) là hệ số xét đến đặc điểm phân bố của kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng tính toán 0.85 Đựoc tính theo công thức : =1.472(MPa) => (MPa) Bảng 7.1 Tính đổi tầng 2 lớp một từ dưới lên để tính E'tb STT Lớp kết cấu E (Mpa) hi (cm) Htb (cm) Etb (Mpa) 2 Cấp phối đá gia cố XM 600 12 12 600 4 Bê tơng nhựa lớp dưới 1600 2.667 8 0.667 20 924 Hệ số điều chỉnh H' = 20 = 0.606 b =1.055 D 33 => = b x E'tb = 1.055 x 924 = 974.54 (Mpa) Echm = 131.22 (Mpa) = 1.024 Mpa sku = 0.522 Mpa b, Kiểm tốn theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở đáy các lớp bê tơng nhựa Cường độ chịu kéo uốn tính tốn của các lớp bê tơng nhựa = 11.11 = 0.564 [ 0.763*10^6 ] 0.22 K2 = 1 Cường độ chịu kéo uốn tính tốn của lớp bê tơng nhựa lớp dưới E = 1600 Mpa Û Rku = 2 = 0.564 x 1 x 2 = 1.129 Mpa Cường độ chịu kéo uốn tính tốn của lớp bê tơng nhựa lớp trên E = 1800 Mpa Û Rku = 2.8 = 0.564 x 1 x 2.8 = 1.580 Mpa Kết cấu được xem là đủ cường độ khi thỏa mãn điều kiện: Đường cấp III với độ tin cậy là 0.95 ta cĩ hệ số tin cậy K = 1 Bê tơng nhựa lớp dưới sku = 0.750 < = 1.129 = 1.1287 Þ Thỏa mãn điều kiện 1 Bê tơng nhựa lớp trên sku = 0.522 < = 1.580 = 1.5802 Þ Thỏa mãn điều kiện 1 Þ Vậy kết cấu thiết kế dự kiến đạt đủ cường độ