Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI: 1. Phương pháp tính toán kết cấu áo đường theo Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06: [9] 1. Nội dung, phương pháp: - Thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường: Chọn và bố trí hợp lý các lớp vật liệu phù hợp với chức năng và yêu cầu của các tầng, lớp áo đường.
- 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 theo, 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 chổ (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 - Cần đề xuất từ hai đến ba 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 Học viên: VÕ BÁ HUY Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Luận án Thạc sỹ Khoa học Kỹ Thuật Trang 13 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 độ, bề dày để tăng khả năng phục vụ của áo đường phù hợp với yêu cầu xe chạy tăng dần theo thời gian.
Riêng đối với áo đường cao tốc và đường cấp I hoặc cấp II thì không nên xét đến phương án phân kỳ xây dựng áo đường. - Nội dung phương pháp: Tính toán kiểm tra 3 tiêu chuẩn sau: + Kiểm toán ứng suất cắt ở trong nền đất và các lớp vật liệu chịu cắt trượt kém so với trị số giới hạn cho phép để đảm bảo trong chúng không xảy ra biến dạng dẻo (hoặc hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo). + Kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm hạn chế sự phát sinh nứt dẫn đến phá hoại lớp đó. + Kiểm toán độ võng đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi Ech của cả kết cấu nền áo đường so với trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc.
- Cơ sở của phương pháp tính toán theo ba tiêu chuẩn giới hạn nêu trên là lời giải của bài toán hệ bán không gian đàn hồi nhiều lớp có điều kiện tiếp xúc giữa các lớp là hoàn toàn liên tục dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (được mô hình hóa là tải trọng phân bố đều hình tròn tương đương với diện tích tiếp xúc của bánh xe trên mặt đường), đồng thời kết hợp với kinh nghiệm sử dụng và khai thác đường trong nhiều năm để đưa ra các quy định về các tiêu chuẩn giới hạn cho phép. Các thông số tính toán cường độ, bề dày áo đường mềm: - Tải trọng trục tính toán, số trục xe tính toán, thông số xe chạy: Tải trọng xe chạy được quy đổi về loại xe tiêu chuẩn (100kN, 120kN) với các loại xe khác tiêu chuẩn thì việc quy đổi dựa trên cơ sở gây hiệu ứng tương đương. Sơ đồ tải trọng tính toán là sơ đồ một vòng tròn có diện tích tương đương D (cm) và áp lực tác dụng xuống mặt đường p (MPa) Lưu lượng xe chạy cuối thời kỳ khai thác tính theo công thức: Học viên: VÕ BÁ HUY Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Luận án Thạc sỹ Khoa học Kỹ Thuật Trang 14 Ni =Nl x (1 + r ) t Trong đó: Ni: Lưu lượng xe chạy cuối kỳ khai thác (xe/ ngày đêm). Nl: Lưu lượng xe năm đầu tính toán (xe/ ngày đêm).
r: Tốc độ tăng trưởng xe. t: Thời gian tính toán t=20 năm với đường làm mới và t=15 năm với đường cải tạo năng cấp. - Các thông số tính toán của đất nền như mô đun đàn hồi E0, lực dính C, góc nội ma sát , được xác định ở các điều kiện bất lợi nhất về chế độ thủy nhiệt. Để xác định được các thông số này cần tiến hành thông qua các thí nghiệm trong các điều kiện bất lợi nhất.
Khi thiết kế, các thông số này thường dựa vào các bảng tra tham khảo từ nước ngoài mà chưa có các nghiên cứu quy mô trong điều kiện Việt Nam - Trên quan điểm thiết kế tổng thể mặt đường, các thông số nền đất là các chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tính toán bởi vậy cần phải xác định chính xác các thông số này. Nhận xét về phương pháp hiện hành của Bộ Giao thông Vận tải 22TCN 211-06: - Thiết kế kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 do Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam phát hành, sử dụng để thiết kế kết cấu áo đường mềm. - Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 là phương pháp kế thừa và thay phương pháp thiết kế kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93, vì thế đã kế thừa những kinh nghiệm của phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93 qua thực tiễn, từ đó thiết kế áo đường chất lượng hơn, giá thành hợp lý hơn, đồng thời, đáp ứng được xu thế đa dạng hóa các loại tải trọng thực tế đang sử dụng để quy đổi về tải trọng tính toán chính xác hơn. Tuy nhiên, cũng do kế thừa phương pháp thiết kế áo đường 22TCN 211 -93 nên để nâng cao hiệu quả thiết kế của phương pháp cần phải quan tâm các hạn chế dưới đây: - Phương pháp tính toán cường độ và chiều dày các lớp vật liệu trong kết cấu áo Học viên: VÕ BÁ HUY Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Luận án Thạc sỹ Khoa học Kỹ Thuật Trang 15 đường mềm trên cơ sở của ba tiêu chuẩn trạng thái giới hạn, lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết đàn hồi, các thông số thực nghiệm và kinh nghiệm, kết quả tính phụ thuộc vào các tham số đầu vào như lưu lượng xe, tải trọng xe, đặc trưng tính toán vật liệu của đất nền nên việc xác định các thông số phù hợp là vấn đề cần nghiên cứu kỹ và thống nhất.
Sự ảnh hưởng của chế độ thủy nhiệt để tính toán cần cụ thể trong từng điều kiện. - Cơ sở lý thuyết của bài toán là hệ đàn hồi đặt trên bài toán không gian vô hạn đàn hồi như thực tế vật liệu kết cấu áo đường và nền đất không phải là vật liệu đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng mà là vật liệu đàn hồi dẻo nhớt. Do đó kết quả tính chỉ là gần đúng với sự làm việc thực tế của áo đường. - Các toán đồ được lập với hệ hai lớp, nếu có nhiều hơn hai lớp thì phải dùng công thức tính quy đổi lớp trên nguyên tắc độ cứng tương đương, việc tính đổi và hệ số thêm vào chỉ là gần đúng.
Hiện nay, một số quy trình Trung Quốc, Liên Bang Nga và sách đã có kết quả giải hệ đàn hồi ba lớp, việc tính đổi sẽ chính xác hơn. Mặt khác, với sự phát triển máy tính điện tử thì việc giải bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp không còn là vấn đề phức tạp nữa. - Chưa có cách tính toán trực tiếp cường độ và độ ổn định của tầng mặt áo đường dưới tác dụng của nhiệt độ và chế độ thay đổi nhiệt độ. Phương pháp tính toán kết cấu áo đường theo Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95: [10] Trình tự tính toán như sau: - Thiết kế cấu tạo nhằm chọn và bố trí hợp lý kích thước tấm, các khe và liên kết giữa các khe tấm, chọn vật liệu lớp móng, vật liệu chèn khe, vật liệu lớp tạo phẳng và bố trí mặt cắt ngang của kết cấu áo đường, chọn các biện pháp tăng cường cường độ và sự ổn định cường độ của nền đất dưới lớp móng.
- Tính toán chiều dày tấm bêtông ximăng: Khi tính toán phải kiểm tra cả ba trường hợp tải trọng tác dụng ở giữa tấm, cạnh tấm và góc tấm để chọn trường hợp bất lợi nhất, chiều dày tính được không nhỏ hơn chiều dày tối thiểu quy định trong quy trình. Học viên: VÕ BÁ HUY Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Luận án Thạc sỹ Khoa học Kỹ Thuật Trang 16 - Kiểm toán chiều dày tấm bêtông dưới tác dụng của xe nặng cá biệt. - Kiểm toán với ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ ở mặt trên và mặt dưới tấm bê tông gây ra. - Tính toán cốt thép tăng cường ở cạnh tấm.
- Xác định mô đun đàn hồi chung trên mặt lớp bê tông xi măng: Tấm bê tông mặt đường và nền đất được xem như một hệ bán không gian đàn hồi hai lớp, việc tính toán mô đun đàn hồi chung được tính toán tương tự như trong áo đường mềm. - Tính chiều dày lớp móng của đường bê tông xi măng: Dưới tác dụng lặp lại của tải trọng, đất nền đường có thể bị biến dạng dẻo, lớp móng dưới mặt đường bê tông xi măng phải đảm bảo sao cho đất nền đường phía dưới không xuất hiện biến dạng dẻo.