GIÁO TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ (NXB GIAO THÔNG VẬN TẢI, 2016)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Xây dựng đường ô tô do Nhà xuất bản Giao thông Vận tải Hà Nội phát hành năm 2016, được biên soạn bởi tập thể giảng viên Trường Đại học Giao thông Vận tải (Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh). Đội ngũ tác giả gồm: PGS. TS. Lã Văn Chăm (chủ biên, biên soạn các chương 1, 2, 3), ThS. Trần Danh Hợi (biên soạn chương 4, 5), ThS. Nguyễn Huệ Chi (biên soạn chương 6, 7), ThS. Trần Thị Cẩm Hà (biên soạn chương 8) và TS. Nguyễn Anh Tuấn (biên soạn chương 9).

Tài liệu được xây dựng theo đề cương chương trình giảng dạy dành cho sinh viên ngành Kinh tế xây dựng, đồng thời đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (chuyên ngành Đường bộ và Cầu – Đường bộ).

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm cung cấp cho người học hệ thống kiến thức kỹ thuật thi công nền và mặt đường ô tô; phương pháp tính toán, tổ chức điều phối đất; nguyên tắc vận hành và phối hợp máy móc thi công cơ giới; cùng các quy trình kiểm tra, nghiệm thu chất lượng công trình theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Cấu trúc giáo trình gồm 9 chương, được biên soạn dựa trên cơ sở bài giảng môn học xây dựng nền - mặt đường của Bộ môn Đường bộ (Trường Đại học Giao thông Vận tải), tham khảo tài liệu của Trường Đại học Xây dựng và cập nhật các tiêu chuẩn thi công, nghiệm thu bê tông nhựa, cấp phối đá dăm. Nội dung được triển khai tuần tự từ các khái niệm cơ sở, tính chất cơ lý của đất đá, công nghệ thi công đào - đắp, đầm nén, điều phối đất, đến việc lựa chọn máy móc chuyên dụng và kỹ thuật thi công các tầng mặt đường.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

  • Chương 1: Các vấn đề chung về xây dựng đường ô tô
    Trình bày các yêu cầu cơ bản đối với công tác nền đường; phân loại công trình nền đường (công trình có tính chất tuyến và công trình tập trung có khối lượng đào đắp $\ge 3.000\text{ m}^3 / 100\text{ m}$ dài). Phân loại đất đá thi công thủ công thành 9 nhóm (từ Nhóm I dùng xẻng xúc đến Nhóm IX dùng xà beng, choòng búa) và phân loại đất theo 4 cấp máy thi công. Phân loại đá theo cường độ chịu nén (Đá cấp 1 $>100\text{ MPa}$ đến Đá cấp 4 $<60\text{ MPa}$). Phân tích cấu tạo kết cấu áo đường mềm, kết cấu áo đường cứng và 4 nguyên lý sử dụng vật liệu mặt đường: nguyên lý đá chèn đá (Macadam), nguyên lý lát xếp, nguyên lý cấp phối và nguyên lý gia cố đất (bằng vôi, xi măng, bitum, nhũ tương hoặc phụ gia SA44).

  • Chương 2: Công tác làm đất trong xây dựng nền đường
    Tập trung vào kỹ thuật thi công nền đào (các phương án đào ngang, đào dọc từng lớp, đào dọc thành luống, đào hỗn hợp); quy định chỉ số sức chịu tải CBR đối với nền đào và nền đắp; quy chuẩn chọn vật liệu đắp (loại bỏ đất bùn than mùn nhóm A-8, đất mùn hữu cơ $>10%$, đất sét có độ trương nở $>3%$, đất nhóm A-7-6 có chỉ số nhóm $\ge 20$ theo tiêu chuẩn AASHTO M145). Kỹ thuật xử lý nền tự nhiên theo độ dốc ngang ($<20%$, $20-50%$ đánh bậc cấp rộng $>2\text{ m}$, và $>50%$ có tường chắn). Phương pháp thí nghiệm đầm nén trong phòng Proctor (4 phương pháp: I-A, I-D, II-A, II-D) để xác định độ ẩm tốt nhất $W_{opt}$ và khối lượng thể tích khô lớn nhất $\gamma_{k,\max}$. Kỹ thuật lu lèn, tính toán năng suất máy lu và phương pháp kiểm tra độ chặt tại hiện trường (phương pháp dao đai đốt cồn, phao Côvalep). Thiết kế điều phối đất ngang và điều phối đất dọc bằng đường cong tích luỹ đất, xác định cự ly vận chuyển kinh tế $l_{kt}$.

  • Chương 3: Các phương pháp thi công nền đường
    Phân tích phương pháp thi công thủ công và thi công cơ giới. Nguyên tắc chọn máy chính và máy phụ dựa trên điều kiện thi công, chiều cao đào đắp, cự ly vận chuyển. Phân loại, thao tác và phạm vi ứng dụng của:

    • Máy ủi: Các phương thức xén đất (lớp mỏng, răng cưa, hình nêm), cự ly vận chuyển kinh tế $<100\text{ m}$.
    • Máy xúc chuyển (máy cạp): Loại kéo theo và tự hành; sơ đồ đào đất (đường thẳng, cài răng lược, hình bàn cờ); cự ly vận chuyển kinh tế phù hợp cho nền đắp cao $>1,5\text{ m}$ hoặc vận chuyển xa.
    • Máy đào (máy xúc): Máy đào gầu thuận (đào đổ ngang, đào đổ sau), máy đào gầu nghịch, gầu dây, gầu ngoạm; dung tích gầu từ $0,25\text{ m}^3$ đến trên $3,0\text{ m}^3$.
    • Máy san: Máy san tự hành; kỹ thuật điều chỉnh các góc của lưỡi san gồm góc đẩy $\alpha$ ($30^\circ - 90^\circ$), góc cắt $\gamma$ ($35^\circ - 90^\circ$, cố định $\gamma=40^\circ$ khi làm nền và $\gamma=60^\circ$ khi đầm chặt), và góc nghiêng $\varphi$ ($0^\circ - 65^\circ$).

  • Chương 4 đến Chương 9:
    Trình bày các giải pháp kỹ thuật chuyên sâu về công nghệ thi công tầng móng và tầng mặt đường (móng cấp phối đá dăm, móng gia cố chất liên kết, mặt đường bê tông nhựa, mặt đường bê tông xi măng), công tác hoàn thiện, nghiệm thu và an toàn lao động trong xây dựng đường ô tô.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Cơ học đầm nén đất: Mô hình quan hệ giữa khối lượng thể tích khô và độ ẩm: $$\gamma_k = \frac{\gamma_w}{1 + 0{,}01 \cdot w}$$ Quy luật tích luỹ biến dạng theo hàm số lôgarit dưới tác dụng của tải trọng trùng phục; ảnh hưởng của áp lực cực đại $\sigma_{\max} = \sqrt{\frac{4 \cdot q \cdot E_0}{\pi \cdot R}}$ đến giới hạn bền của đất.

  2. Cơ học kết cấu áo đường: Cơ chế truyền lực và phân bố ứng suất thẳng đứng $\sigma_z$, lực cắt ngang trong kết cấu áo đường mềm (truyền giảm dần qua các lớp tầng mặt, tầng móng, đáy móng) và cơ chế chịu uốn của tấm bê tông xi măng trong kết cấu áo đường cứng.

  3. Lý thuyết tối ưu hóa điều phối khối lượng đất: Nguyên lý cân bằng đào đắp dựa trên đường cong tích lũy khối lượng; xác định cự ly vận chuyển kinh tế bằng công thức đại số và phương pháp đồ giải để cực tiểu hóa tổng công vận chuyển: $$S = \int h , dl$$

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán và lập biện pháp kỹ thuật: Xác định các thông số kỹ thuật đầm lèn (bề dày rải, loại lu, tốc độ lu $2-4\text{ km/h}$, số lượt lu); tính toán năng suất ca của máy lu, máy ủi, máy xúc chuyển, máy đào theo công thức: $$N = \frac{T \cdot K_t \cdot Q}{t}$$
  • Kỹ năng thí nghiệm và kiểm soát chất lượng: Thực hiện quy trình thí nghiệm Proctor xác định $\gamma_{k,\max}$ và $W_{opt}$; tính toán hệ số đầm nén $K = \gamma_k / \gamma_{k,\max}$; kiểm tra độ chặt hiện trường bằng dao đai lấy mẫu nguyên dạng và phao Côvalep.
  • Kỹ năng tổ chức thi công: Phân đoạn thi công tuyến đường; vẽ và phân tích đường cong tích luỹ đất; lựa chọn phương án đào nền (đào ngang, đào dọc, hỗn hợp) và sơ đồ vận hành máy móc đồng bộ.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Phương pháp tiếp cận sư phạm: Giáo trình kết hợp giữa lý thuyết cơ sở công trình đường và các công thức tính toán định lượng cơ giới hóa. Nội dung bài học đi từ việc phân tích đặc tính vật liệu, thông số thiết bị đến quy trình vận hành và kiểm tra ngoài hiện trường.
  • Hệ thống câu hỏi và bài tập định lượng: Cuối mỗi chương đều có phần câu hỏi ôn tập và bài tập tình huống kỹ thuật (ví dụ: phân loại đất đá theo mức độ khó đào, xác định các thông số thí nghiệm Proctor, tính toán phân đoạn điều phối đất trên trắc dọc, tính toán góc xoay lưỡi máy san cho các tác vụ đào - san - đầm).
  • Gắn kết thực nghiệm: Nội dung giáo trình gắn trực tiếp với công tác thí nghiệm đất đá chuyên ngành đường bộ (thí nghiệm xác định giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ trương nở, chỉ số CBR, thí nghiệm đầm nén cối tiêu chuẩn/cải tiến).
  • Phương pháp đánh giá: Đánh giá thông qua việc giải quyết các bài toán tính năng suất máy móc, vẽ biểu đồ điều phối đất, xử lý số liệu thí nghiệm độ chặt và bài thi kết thúc học phần môn học Xây dựng đường ô tô.
  • Hướng dẫn tự học: Sinh viên sử dụng hệ thống bảng biểu định mức kỹ thuật trong giáo trình (Bảng 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5) để tra cứu chỉ số CBR, bề dày lớp rải theo loại lu, áp lực giới hạn của đất nhằm giải các bài tập thiết kế thi công cụ thể.

Điểm nổi bật và cập nhật kỹ thuật

Tiêu chí Nội dung chi tiết trong giáo trình
Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng Tích hợp hệ thống phân loại đất theo AASHTO M145 (phân nhóm từ A-1 đến A-8); quy định cụ thể về việc cấm sử dụng đất bùn A-8, đất sét A-7-6 có chỉ số nhóm $\ge 20$, đất bụi A-4, A-5 ở vùng ngập nước; cập nhật tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu cấp phối đá dăm, bê tông nhựa.
Quy chuẩn thí nghiệm đầm nén Hệ thống hóa 4 phương pháp thí nghiệm đầm nén Proctor gồm I-A, I-D (đầm nén tiêu chuẩn) và II-A, II-D (đầm nén cải tiến) với thông số chi tiết về khối lượng chày ($2{,}5\text{ kg}$ và $4{,}54\text{ kg}$), chiều cao rơi ($305\text{ mm}$ và $457\text{ mm}$), kích thước cối ($101{,}6\text{ mm}$ và $152{,}4\text{ mm}$).
Cơ giới hóa thi công hiện đại Chi tiết hóa thông số kỹ thuật của các tổ hợp máy làm đất tiên tiến: lu chân cừu, lu chấn động rung bánh cứng/dắt tay, máy xúc chuyển tự hành dung tích lớn, máy đào điều khiển thủy lực, máy san tự hành công suất cao.
Tính toán điều phối đất định lượng Cung cấp phương pháp giải tích và phương pháp đồ giải để xác định đường điều phối dọc kinh tế thông qua đường cong tích lũy đất (với số đoạn điều phối chẵn $\sum L_{\text{chẵn}} = \sum L_{\text{lẻ}}$ hoặc số đoạn lẻ $

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Giáo trình được thiết kế cho sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 ngành Kinh tế xây dựng để nắm vững kỹ thuật, định mức công tác đất và công nghệ mặt đường phục vụ lập dự toán, định mức kinh tế kỹ thuật. Đồng thời, đây là tài liệu tham khảo cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (Đường bộ, Cầu – Đường bộ).
  • Kiến thức tiên quyết: Người học cần hoàn thành các học phần: Cơ học đất, Trắc địa công trình, Địa chất công trình, Vật liệu xây dựng và Thiết kế hình học đường ô tô.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa môn học Xây dựng đường ô tô, biên soạn đề thi, đề tài đồ án môn học và hướng dẫn thực tập hiện trường.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu tra cứu tại hiện trường thi công về quy trình kiểm tra chất lượng đất đắp, lựa chọn thiết bị lu lèn, tính toán cự ly vận chuyển kinh tế và quy trình lấy mẫu nghiệm thu độ chặt nền móng đường.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn chủ yếu cho đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn chính thức theo đề cương chương trình đào tạo sinh viên ngành Kinh tế xây dựng của Trường Đại học Giao thông Vận tải, đồng thời là tài liệu tham khảo của sinh viên các chuyên ngành Đường bộ và Cầu – Đường bộ.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần nắm vững kiến thức về Cơ học đất (các chỉ tiêu độ ẩm, khối lượng thể tích, góc ma sát trong, lực dính), Địa chất công trình, Vật liệu xây dựng (bê tông, xi măng, nhựa đường, cấp phối đá dăm) và Trắc địa (cao độ, trắc dọc, trắc ngang).

3. Phân biệt phương pháp đầm nén tiêu chuẩn và cải tiến trong giáo trình?

Đầm nén tiêu chuẩn (Phương pháp I) sử dụng chày đầm nặng $2{,}5\text{ kg}$ với chiều cao rơi $305\text{ mm}$ qua 3 lớp đầm; trong khi đầm nén cải tiến (Phương pháp II) sử dụng chày đầm nặng $4{,}54\text{ kg}$ với chiều cao rơi $457\text{ mm}$ qua 5 lớp đầm. Việc lựa chọn loại cối (Cối A: đường kính $101{,}6\text{ mm}$ hay Cối D: đường kính $152{,}4\text{ mm}$) phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của vật liệu ($4{,}75\text{ mm}$ hoặc $19{,}0\text{ mm}$).

4. Nguyên tắc điều phối đất trong thi công nền đường được quy định như thế nào?

Giáo trình quy định khi trong cùng một đoạn tuyến có cả điều phối ngang và điều phối dọc thì bắt buộc ưu tiên điều phối ngang trước nhằm giảm cự ly vận chuyển. Điều phối dọc chỉ thực hiện trong phạm vi cự ly vận chuyển kinh tế $l_{kt}$, được xác định dựa trên tương quan chi phí đào, đắp đất mượn và giá thành vận chuyển.

5. Những phương pháp nào được sử dụng để kiểm tra độ chặt nền đất tại hiện trường?

Giáo trình hướng dẫn hai phương pháp hiện trường chính: phương pháp dao đai kết hợp đốt cồn (lấy mẫu đất nguyên dạng bằng dao đai, sấy khô bằng cồn để tính độ ẩm thực tế $W$ và khối lượng thể tích khô thực tế $\gamma_k$) và phương pháp dùng phao Côvalep (dựa vào lực đẩy Archimedes trong nước để xác định khối lượng thể tích tự nhiên và thể tích pha cứng của mẫu đất).

Kết luận

Giáo trình Xây dựng đường ô tô (NXB Giao thông Vận tải, 2016) cung cấp đầy đủ các cơ sở lý thuyết, thông số kỹ thuật định lượng và công nghệ thi công nền móng, mặt đường ô tô. Nội dung sách gắn kết chặt chẽ giữa tính toán cơ học đất, quy chuẩn thí nghiệm hiện hành (AASHTO, Proctor, CBR) với bài toán tổ chức cơ giới hóa thi công và quản lý kinh tế - kỹ thuật.

Lộ trình tiếp cận kiến thức đề xuất:

  1. Nắm vững nguyên lý kết cấu áo đường và phân cấp đất đá (Chương 1).
  2. Thực hành tính toán đầm nén, kiểm soát độ chặt và thiết kế điều phối đất trên trắc dọc (Chương 2).
  3. Lựa chọn và tính toán năng suất tổ hợp máy thi công nền đường (Chương 3).
  4. Khai thác các quy trình công nghệ thi công tầng móng, tầng mặt và nghiệm thu công trình (Chương 4 – 9).

Tài liệu bổ trợ khuyến nghị tham khảo kèm theo gồm: các Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) về thi công và nghiệm thu nền đường, mặt đường bê tông nhựa, cấp phối đá dăm; Giáo trình Thiết kế đường ô tô và Sổ tay Máy xây dựng.