Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công trình Giao thông (Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình Giao thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh) của sinh viên Nguyễn Công Đông Dương, dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Ngọc Vân (thực hiện tháng 6 năm 2020), tập trung vào nhiệm vụ thiết kế tuyến đường mới kết nối hai điểm A và B thuộc địa bàn thị trấn Gia Ray, huyện Xuân Lộc, tỉnh Đồng Nai.
Tỉnh Đồng Nai nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, giữ vai trò đầu mối giao thương kết nối Đông Nam Bộ với Nam Tây Nguyên và cực Nam Trung Bộ. Địa bàn tỉnh có mạng lưới giao thông huyết mạch đi qua gồm Quốc lộ 1A, Quốc lộ 20, Quốc lộ 51, Quốc lộ 56, Quốc lộ 1K và tuyến đường sắt Bắc - Nam. Khu vực nghiên cứu trực tiếp là thị trấn Gia Ray (huyện Xuân Lộc) có diện tích 13,96 km², quy mô dân số năm 2015 đạt 23.547 người (mật độ 889 người/km²), nằm trên trục Quốc lộ 1A. Mặc dù mạng lưới giao thông khu vực đã từng bước được nâng cấp, nhu cầu lưu thông hàng hóa phục vụ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ du lịch đang gia tăng nhanh chóng, đòi hỏi việc đầu tư xây dựng các tuyến đường mới nhằm hoàn thiện mạng lưới hạ tầng kỹ thuật.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung:
- Đánh giá điều kiện tự nhiên (địa hình, địa chất, khí hậu, thủy văn) và tình hình kinh tế - xã hội vùng dự án để xác lập các căn cứ kỹ thuật.
- Xác định cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường dựa trên dự báo lưu lượng xe thiết kế ở năm tương lai (năm thứ 15) theo quy chuẩn.
- Lập và so sánh các phương án tuyến trên bình đồ, trắc dọc, trắc ngang và phương án kết cấu áo đường ở bước Thiết kế cơ sở.
- Triển khai Thiết kế kỹ thuật chi tiết cho đoạn tuyến từ Km0+000 đến Km1+100, bao gồm thiết kế bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, công trình thoát nước và kiểm toán chi tiết kết cấu áo đường mềm theo ba trạng thái giới hạn.
- Thiết kế tổ chức thi công cho đoạn tuyến Km0+000 đến Km1+100, xác lập biện pháp thi công nền đường, công trình cống thoát nước và dây chuyền thảm bê tông nhựa mặt đường.
Đối tượng nghiên cứu là công trình tuyến đường giao thông mới qua hai điểm A - B và đoạn tuyến kỹ thuật Km0+000 - Km1+100. Phạm vi không gian thuộc huyện Xuân Lộc, tỉnh Đồng Nai; phạm vi thời gian tính toán chu kỳ khai thác công trình là 15 năm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đường bộ hiện hành của Việt Nam:
- TCVN 4054-05: Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô, làm căn cứ xác định cấp kỹ thuật, vận tốc thiết kế, kích thước hình học mặt cắt ngang, các yếu tố bình đồ, trắc dọc và tầm nhìn xe chạy.
- 22TCN 211-06: Quy trình thiết kế áo đường mềm, áp dụng để tính đổi dòng xe ra trục tiêu chuẩn 100 kN, xác định mô đun đàn hồi yêu cầu ($E_{yc}$) và kiểm toán kết cấu áo đường theo 3 trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi ($E_{ch}$), chịu cắt trượt trong nền đất ($C_{tt}$) và chịu kéo uốn tại đáy các lớp bê tông nhựa/lớp gia cố ($\sigma_{ku}$).
- TCVN 8859-2011: Móng cấp phối đá dăm trong kết cấu áo đường ô tô – Yêu cầu thi công và nghiệm thu.
- TCVN 8819-2011: Mặt đường bê tông nhựa nóng – Yêu cầu thi công và nghiệm thu.
Các phương pháp kỹ thuật thực tế được triển khai bao gồm:
- Phương pháp quy đổi dòng xe: Chuyển đổi thành phần xe hỗn hợp ở năm đầu ($N_1 = 700$ xe/ngđ) sang lưu lượng xe năm tương lai ($N_{15} = 1582,63$ xe/ngđ), tương đương $N_{15} = 2959$ xe con quy đổi/ngày đêm, từ đó tính toán lưu lượng giờ cao điểm ($N_{gcđ}$) và số trục xe tiêu chuẩn tích lũy ($N_e$).
- Phương pháp cơ học nửa không gian đàn hồi nhiều lớp: Áp dụng hệ thống toán đồ và công thức giải tích trong 22TCN 211-06 để xác định mô đun đàn hồi chung và ứng suất nội tại của từng lớp vật liệu.
- Phương pháp phân tích kinh tế - kỹ thuật so sánh phương án: Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật (hệ số triển tuyến, hệ số chiều dài ảo, bán kính cong trung bình) kết hợp tính toán tổng chi phí xây dựng và chi phí vận doanh khai thác quy đổi ($P_{tđ}$).
- Phương pháp tổ chức thi công dây chuyền chuyên môn hóa: Phân tích các thông số nhịp dây chuyền, thời gian triển khai, ổn định và hoàn tất thi công nền, móng, mặt đường.
Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm số liệu khảo sát địa hình, địa chất, mạng lưới thủy văn lưu vực sông Đồng Nai - La Ngà, chuỗi số liệu khí tượng khu vực Đông Nam Bộ, cùng số liệu thống kê kinh tế - xã hội tỉnh Đồng Nai.
Thiết kế và triển khai
Chỉ tiêu kỹ thuật hình học tuyến đường
Dựa trên lưu lượng xe con quy đổi năm thứ 15 đạt $2959 \text{ xcqđ/ngđ}$ và địa hình thuộc vùng đồng bằng xen đồi lượn sóng, tuyến được xác định đạt cấp thiết kế Đường cấp IV theo TCVN 4054-05 với các thông số cơ sở:
- Vận tốc thiết kế ($V_{tk}$): $60 \text{ km/h}$.
- Xe thiết kế: Xe tải 3 trục.
- Số làn xe: 2 làn ($n_{lx} = 2$).
- Chiều rộng một làn xe ($B_1$): $3,50 \text{ m}$.
- Chiều rộng phần xe chạy ($B_{mặt}$): $7,00 \text{ m}$.
- Chiều rộng lề đường ($B_{lề}$): $2 \times 1,00 \text{ m} = 2,00 \text{ m}$ (lề gia cố hoàn toàn).
- Chiều rộng nền đường ($B_{nền}$): $9,00 \text{ m}$.
Thiết kế và kiểm toán kết cấu áo đường
Tác giả đề xuất và so sánh hai phương án kết cấu áo đường mềm trên nền đất á sét có mô đun đàn hồi $E_0 = 46 \text{ MPa}$, góc nội ma sát $\varphi = 28^\circ$:
| Hạng mục / Lớp kết cấu | Phương án 1 (Áo đường mềm tầng móng CPĐD) | Phương án 2 (Áo đường bán cứng móng gia cố XM) |
|---|---|---|
| Lớp mặt trên | Bê tông nhựa chặt C12.5 dày $5 \text{ cm}$ ($E = 1800 \text{ MPa}$) | Bê tông nhựa chặt C12.5 dày $5 \text{ cm}$ ($E = 1800 \text{ MPa}$) |
| Lớp mặt dưới | Bê tông nhựa chặt C19 dày $7 \text{ cm}$ ($E = 1600 \text{ MPa}$) | Bê tông nhựa chặt C19 dày $7 \text{ cm}$ ($E = 1600 \text{ MPa}$) |
| Lớp móng trên | Cấp phối đá dăm loại I dày $18 \text{ cm}$ ($E = 300 \text{ MPa}$) | CPĐD gia cố xi măng dày $12 \text{ cm}$ ($E = 600 \text{ MPa}$) |
| Lớp móng dưới | Cấp phối đá dăm loại II dày $28 \text{ cm}$ ($E = 250 \text{ MPa}$) | Cấp phối đá dăm loại II dày $28 \text{ cm}$ ($E = 250 \text{ MPa}$) |
| Tổng chiều dày | $H = 58 \text{ cm}$ | $H = 52 \text{ cm}$ |
| Độ võng đàn hồi | $E_{ch} \ge K_{cđ}^{dv} \cdot E_{yc}$ (Thỏa mãn) | $E_{ch} \ge K_{cđ}^{dv} \cdot E_{yc}$ ($198,24 \ge 178,24 \text{ MPa}$ - Thỏa mãn) |
| Chịu cắt trượt đất nền | $T_{ax} - T_{av} \le C_{tt} / K_{cđ}^{tr}$ (Thỏa mãn) | $T_{ax} - T_{av} \le 0,022 \le 0,023 \text{ MPa}$ (Thỏa mãn) |
| Kéo uốn đáy lớp BTN | $\sigma_{ku} \le R_{ku}^{tt} / K_{cđ}^{ku}$ (Thỏa mãn C12.5 và C19) | $\sigma_{ku} \le R_{ku}^{tt} / K_{cđ}^{ku}$ (Thỏa mãn BTN và CPĐD gia cố XM) |
Qua phân tích kinh tế - kỹ thuật và điều kiện thi công thực tế tại địa phương, Phương án 1 được chọn để triển khai thiết kế kỹ thuật chi tiết.
Thiết kế công trình thoát nước và tổ chức thi công đoạn Km0+000 - Km1+100
- Thoát nước: Thiết kế hệ thống rãnh biên hình thang thu nước mặt đường và taluy nền đào; bố trí cống tròn bê tông cốt thép đường kính $D = 2,0 \text{ m}$ tại vị trí cọc S1 (Km0+363) và cống cọc H10 (Km1+000).
- Tổ chức thi công: Ứng dụng phương pháp thi công dây chuyền chuyên môn hóa, tiến hành điều phối đất đào đắp dọc và ngang, đắp nền đường đầm nén đạt $K = 0,95$ và lớp sát đáy móng đạt $K = 0,98$. Quá trình thi công mặt đường được chia ca nhịp nhàng từ công tác lu lèn lòng khuôn đường, rải 2 lớp móng cấp phối đá dăm, tưới nhựa thấm bám ($1,0 \text{ kg/m}^2$), rải thảm BTN C19, tưới nhựa dính bám ($0,5 \text{ kg/m}^2$) đến thảm lớp mặt BTN C12.5.
Nội dung chính theo từng chương
Đồ án được cơ cấu hoàn chỉnh thành 3 phần với 21 chương chuyên môn:
PHẦN I: THIẾT KẾ CƠ SỞ (Trang 1 - 86)
- Chương 1: Giới thiệu tình hình chung của tuyến: Trình bày tổng quan kinh tế, địa bàn huyện Xuân Lộc, khí hậu nhiệt đới gió mùa 2 mùa mưa - khô rõ rệt, địa hình đồi lượn sóng chiếm đa số ($82,09%$ đất có độ dốc $< 8^\circ$), địa chất nhóm đất đỏ bazan và phù sa cổ, hiện trạng mạng lưới đường bộ tỉnh Đồng Nai.
- Chương 2: Xác định cấp hạng và các yếu tố kỹ thuật của tuyến: Tính toán lưu lượng xe năm thứ 15 đạt $2959 \text{ xcqđ/ngđ}$, xác định đường cấp IV ($V_{tk} = 60 \text{ km/h}$), tính toán bề rộng làn xe $3,5 \text{ m}$, bề rộng nền $9 \text{ m}$, độ dốc dọc lớn nhất $i_{dmax} = 5% - 6%$, tầm nhìn xe chạy và bán kính đường cong đứng, đường cong nằm.
- Chương 3: Thiết kế tuyến trên bình đồ: Thiết lập nguyên tắc vạch tuyến, so sánh hướng tuyến của 2 phương án bình đồ đi qua các điểm khống chế địa hình và xác định các yếu tố trắc địa.
- Chương 4: Thiết kế kết cấu áo đường: Tính toán số trục xe quy đổi 100 kN tích lũy 15 năm ($N_e$), xác định $E_{yc}$, đề xuất sơ bộ 2 phương án áo đường mềm và kiểm toán theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06.
- Chương 5: Thiết kế thoát nước: Tính toán lưu lượng thủy văn dòng chảy mặt, khẩu độ cống cọc S1 và hệ thống cống rãnh thoát nước dọc tuyến.
- Chương 6: Thiết kế trắc dọc tuyến: Thiết kế đường đỏ đảm bảo cao độ khống chế, cân bằng đào đắp và bố trí đường cong đứng lồi, lõm cho 2 phương án.
- Chương 7: Thiết kế trắc ngang tuyến: Xác định mặt cắt ngang điển hình nền đào, nền đắp, tính toán diện tích và khối lượng đào đắp sơ bộ.
- Chương 8: Phân tích kinh tế kỹ thuật và so sánh lựa chọn phương án tuyến: Đánh giá tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật (chiều dài tuyến, góc ngoặt, bán kính trung bình, chiều dài ảo) và chỉ tiêu kinh tế (chi phí xây dựng nền, mặt đường, công trình thoát nước, chi phí vận doanh $P_{tđ}$) để chọn phương án tuyến tối ưu.
PHẦN II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT (Đoạn Km0+000 - Km1+100, Trang 87 - 133)
- Chương 1: Tình hình chung của đoạn thiết kế kỹ thuật từ Km0+000 đến Km1+100: Khái quát địa hình, địa mạo và các thông số cơ sở đoạn tuyến 1,1 km.
- Chương 2: Thiết kế tuyến trên bình đồ: Chi tiết hóa bán kính đường cong nằm, cắm cọc đường cong chuyển tiếp, đường cong tròn, tính toán độ mở rộng và độ dốc siêu cao.
- Chương 3: Thiết kế trắc dọc – trắc ngang: Thiết kế chi tiết cao độ đường đỏ trắc dọc và các mặt cắt ngang cọc chi tiết trên tuyến.
- Chương 4: Thiết kế chi tiết kết cấu áo đường: Kiểm toán chuyên sâu 3 trạng thái giới hạn cho phương án áo đường lựa chọn (BTN C12.5 + BTN C19 + CPĐD I + CPĐD II).
- Chương 5: Thiết kế thoát nước: Tính toán thủy lực rãnh biên thu nước mặt đường, lưu lượng sườn đồi taluy đào và kiểm tra khả năng thoát nước của cống cọc S1 (Km0+363), cống cọc H10 (Km1+000).
- Chương 6: Tính toán khối lượng đào đắp: Thiết lập bảng tổng hợp khối lượng đào đắp chi tiết cho toàn bộ các cọc từ Km0+000 đến Km1+100.
PHẦN III: THIẾT KẾ TỔ CHỨC THI CÔNG (Trang 134 - 211)
- Chương 1: Tình hình chung khu vực xây dựng tuyến: Khảo sát nguồn cung cấp vật liệu (mỏ đá, trạm trộn bê tông nhựa, bãi đúc cấu kiện), nguồn nhân công, bố trí mặt bằng, lán trại, công trình phụ trợ và phòng hộ taluy.
- Chương 2: Phương án thi công: Lựa chọn phương pháp thi công dây chuyền chuyên môn hóa, xác định hướng tiến độ thi công chính từ đầu tuyến đến cuối tuyến.
- Chương 3: Công tác chuẩn bị: Trình tự khôi phục hệ cọc định vị, dọn dẹp mặt bằng, đắp đường tạm công vụ, đào rãnh thoát nước tạm và lên khuôn đường.
- Chương 4: Tổ chức thi công cống: Biện pháp thi công cống tròn điển hình $D = 2,0 \text{ m}$ tại Km0+363 (đào hố móng, đổ bê tông đệm, hạ đốt cống, xây tường đầu - tường cánh, đắp đất móng cống và định mức ca máy).
- Chương 5: Tổ chức thi công nền đường: Tính toán năng suất tổ hợp máy đào - lu - ủi, vẽ biểu đồ phân bố khối lượng đào đắp, đường cong tích lũy và bảng điều phối đất dọc/ngang.
- Chương 6: Tổ chức thi công mặt đường: Lập tiến độ dây chuyền chi tiết cho công tác thi công khuôn đường, móng CPĐD loại II ($28 \text{ cm}$), móng CPĐD loại I ($18 \text{ cm}$), tưới nhựa thấm bám, thảm BTN C19 ($7 \text{ cm}$), tưới nhựa dính bám và thảm BTN C12.5 ($5 \text{ cm}$) theo TCVN 8859-2011 và TCVN 8819-2011; xác định các thông số dây chuyền ($T_{tk}, T_{ht}, T_{hđ}, T_{ođ}, K_{hq}, K_{tc}$).
- Chương 7: Công tác hoàn thiện: Quy trình đắp lề, gia cố mái taluy, lắp đặt cọc tiêu, biển báo hiệu đường bộ và sơn kẻ vạch tín hiệu giao thông.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán kỹ thuật từ giai đoạn quy hoạch tuyến đến giải pháp thi công thực địa:
- Xác lập hồ sơ thiết kế hình học đồng bộ: Hoàn thiện bình đồ, trắc dọc và trắc ngang tuyến đường cấp IV ($V_{tk} = 60 \text{ km/h}$, $B_{nền} = 9 \text{ m}$, $B_{mặt} = 7 \text{ m}$) tuân thủ đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật của TCVN 4054-05, đảm bảo an toàn tầm nhìn và độ êm thuận khi lưu thông.
- Kiểm toán chính xác kết cấu áo đường mềm: Tính toán và chứng minh phương án áo đường mềm 4 lớp tổng chiều dày $58 \text{ cm}$ hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện chịu lực theo 22TCN 211-06, tối ưu hóa vật liệu địa phương và giảm giá thành xây dựng.
- Giải pháp thoát nước và khối lượng đào đắp: Định cỡ chính xác hệ thống rãnh dọc, cống tròn $D = 2,0 \text{ m}$ tại Km0+363 và cống cọc H10; cân bằng khối lượng đào đắp thông qua biểu đồ điều phối đất tối ưu.
- Quy trình tổ chức thi công khả thi: Thiết lập biểu đồ tiến độ dây chuyền chi tiết cho đoạn Km0+000 - Km1+100, xác định định mức ca máy và nhân lực thi công theo đúng tiêu chuẩn công nghệ rải thảm bê tông nhựa nóng TCVN 8819-2011.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án tập trung bước Thiết kế kỹ thuật và Thiết kế tổ chức thi công chi tiết trên đoạn tuyến đại diện dài $1,1 \text{ km}$ (từ Km0+000 đến Km1+100); các đoạn tuyến còn lại của dự án mới dừng ở mức độ Thiết kế cơ sở.
- Hướng phát triển tiếp: Triển khai thiết kế kỹ thuật, lập bản vẽ thi công và dự toán chi tiết cho toàn bộ chiều dài tuyến; tích hợp mô hình thông tin công trình (BIM) trong quản lý xung đột hạ tầng và điều hành tiến độ thi công thực địa.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Cầu đường, Hạ tầng kỹ thuật đô thị khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế đường ô tô, Đồ án Tổ chức thi công đường hoặc Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Tài liệu cung cấp trình tự mẫu mực về việc tính đổi lưu lượng xe, áp dụng toán đồ 22TCN 211-06 trong kiểm toán áo đường và phương pháp thiết kế tổ chức thi công dây chuyền mặt đường bê tông nhựa.
Câu hỏi thường gặp
1. Tuyến đường được thiết kế theo cấp hạng nào và vận tốc thiết kế là bao nhiêu?
Tuyến đường được thiết kế đạt tiêu chuẩn Đường cấp IV (vùng đồng bằng và đồi) theo TCVN 4054-05, với vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60 \text{ km/h}$.
2. Quy mô mặt cắt ngang của tuyến đường gồm những kích thước nào?
Mặt cắt ngang có bề rộng nền đường $B_{nền} = 9,00 \text{ m}$, bề rộng phần xe chạy $B_{mặt} = 7,00 \text{ m}$ (gồm 2 làn xe, mỗi làn $3,50 \text{ m}$), và bề rộng lề đường $B_{lề} = 2 \times 1,00 \text{ m} = 2,00 \text{ m}$ được gia cố hoàn toàn.
3. Kết cấu áo đường lựa chọn trong thiết kế kỹ thuật gồm những lớp nào và chiều dày bao nhiêu?
Kết cấu áo đường mềm được chọn có tổng chiều dày $58 \text{ cm}$, bao gồm: lớp mặt trên BTN C12.5 dày $5 \text{ cm}$, lớp mặt dưới BTN C19 dày $7 \text{ cm}$, lớp móng trên CPĐD loại I dày $18 \text{ cm}$, và lớp móng dưới CPĐD loại II dày $28 \text{ cm}$.
4. Kết cấu áo đường được kiểm toán theo tiêu chuẩn nào và gồm các trạng thái giới hạn gì?
Áo đường được kiểm toán theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 dựa trên ba trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi của toàn bộ kết cấu ($E_{ch} \ge K_{cđ}^{dv} \cdot E_{yc}$), điều kiện chịu cắt trượt trong nền đất ($T_{ax} - T_{av} \le C_{tt} / K_{cđ}^{tr}$), và điều kiện chịu kéo uốn tại đáy các lớp bê tông nhựa ($\sigma_{ku} \le R_{ku}^{tt} / K_{cđ}^{ku}$).
5. Công trình cống điển hình tại lý trình Km0+363 (cọc S1) có thông số kỹ thuật ra sao?
Tại vị trí cọc S1 (Km0+363), công trình là cống tròn bê tông cốt thép có khẩu độ đường kính $D = 2,0 \text{ m}$, được thiết kế đầy đủ móng cống, đốt cống, sân cống, tường đầu và tường cánh.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư của sinh viên Nguyễn Công Đông Dương đã hoàn thành đầy đủ khối lượng nghiên cứu và thiết kế tuyến đường mới qua hai điểm A - B tại huyện Xuân Lộc, tỉnh Đồng Nai theo đúng các quy trình, quy phạm kỹ thuật ngành đường bộ. Các giải pháp bình đồ, trắc dọc, kết cấu áo đường mềm 4 lớp và hệ thống thoát nước được tính toán chi tiết, đảm bảo khả năng chịu tải và an toàn khai thác. Phương án tổ chức thi công dây chuyền cho đoạn Km0+000 - Km1+100 thể hiện tính khả thi cao về mặt công nghệ, cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh và chuẩn mực cho công tác đào tạo kỹ sư công trình giao thông.