Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2)
CHƯƠNG 5
THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM
5.1.KHÁI NIỆM CHUNG:
1.1.1.Khái niệm:
Kết cấu áo đường mềm (hay gọi là áo đường mềm) gồm có tầng mặt làm bằng
các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường và tầng móng
làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực tác dụng của nền đường
hoặc trên lớp đáy móng.
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2)
![Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2) Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2)](https://s1.tailieuvn.net/xb70nb5jd4llaq8g/thumb/2021/12/03/giao-trinh-thiet-ke-duong-o-to-phan-2_7YTyVKCIay.jpg)
84 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM 5.1.KHÁI NIỆM CHUNG: 1.1.1.Khái niệm: Kết cấu áo đường mềm (hay gọi là áo đường mềm) gồm có tầng mặt làm bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường và tầng móng làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng. TÇ n g m Æ t TÇ n g m ã n g Líp mãng trªn (Base) Líp mãng d-íi (Sub-base) Líp ®¸y mãng (Capping layer) K h u v ù c t ¸ c d ô n g 8 0 -1 0 0 c m (S u b g ra d e ) (K Õ t c Ê u t æ n g t h Ó n Ò n m Æ t ® - ê n g ) ¸ o ® - ê n g (h a y k Õ t c Ê u ¸ o ® - ê n g ) (P a v e m e n t st ru c tu re ) K Õ t c Ê u n Ò n ¸ o ® - ê n g Líp mÆt (Surfacing) Líp t¹o nh¸m (nÕu cã) Hình 1-1: Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền - áo đường Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm lớp tạo nhám, tạo phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại bề mặt và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường) rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm. Tầng móng cũng thường gồm lớp móng trên và lớp móng dưới (các lớp này cũng có thể kiêm chức năng lớp thoát nước). Tùy loại tầng mặt, tuỳ cấp hạng đường và lượng xe thiết kế, kết cấu áo đường có thể đủ các tầng lớp nêu trên nhưng cũng có thể chỉ gồm một, hai lớp đảm nhiệm nhiều chức năng. 85 1.1.2.Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm và lề gia cố: Áo đường là công trình được xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau, trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng xe chạy và sự phá hoại thường xuyên của các nhân tố thiên nhiên như mưa, gió, sự thay đổi nhiệt độ, Do đó khi thiết kế và xây dựng áo đường phải đạt được các yêu cầu sau đây: - Trong suốt thời hạn thiết kế, áo đường phải có đủ cường độ và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm nhập của các nguồn ẩm). - Mặt đường phải đảm bảo đạt được độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cản lăn, giảm sóc khi xe chạy. - Bề mặt của áo đường phải có đủ độ nhám nhất định để nâng cao hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường, tạo điều kiện tốt cho xe chạy an toàn với tốc độ cao và trong trường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng. - Áo đường càng sản sinh ít bụi càng tốt. Vì bụi sẽ làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa và gây ô nhiễm môi trường. 5.2.PHÂN LOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: 1.2.1.Phân loại tầng mặt: Tuỳ theo mức độ đảm bảo được các yêu cầu nêu trên là cao hay thấp, tầng mặt kết cấu áo đường mềm được phân thành 4 loại như sau: - Tầng mặt cấp cao A1: Là loại tầng mặt có lớp mặt trên bằng bê tông nhựa chặt loại I trộn nóng (theo “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa”, 22 TCN 249). - Tầng mặt cấp cao thứ yếu A2: Là loại tầng mặt có lớp mặt bằng bê tông nhựa chặt loại II trộn nóng (theo “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa”, 22 TCN 249) hoặc bê tông nhựa nguội trên có láng nhựa, đá dăm đen trên có láng nhựa hoặc bằng lớp thấm nhập nhựa (theo "Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường đá dăm thấm nhập nhựa", 22 TCN 270) hay lớp láng nhựa (theo "Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường láng nhựa", 22 TCN 271). - Tầng mặt cấp thấp B1: Là loại tầng mặt có lớp mặt bằng cấp phối đá dăm, đá dăm nước, cấp phối tự nhiên với điều kiện là phía trên chúng phải có lớp bảo vệ rời rạc được thường xuyên duy tu bảo dưỡng (thường xuyên rải cát bù và quét đều phủ kín bề mặt lớp). - Tầng mặt cấp thấp B2: Là loại tầng mặt có lớp mặt bằng đất cải thiện hay bằng đất, đá tại chỗ gia cố hoặc phế thải công nghiệp gia cố chất liên kết vô cơ với điều kiện là phía trên chúng phải có lớp hao mòn và lớp bảo vệ được duy tu bảo dưỡng thường xuyên. 1.2.2.Phân loại theo vật liệu và cấu trúc vật liệu: 86 - Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối. - Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi,): nhờ có chất kết dính nên cường độ và tính ổn định nước của các loại mặt đường này được tăng lên rõ rệt. - Các tầng lớp áo đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất kết dính hữu cơ (bi tum, guđrông. 1.2.3.Phân loại theo đặc điểm tính toán cường độ áo đường Có hai loại: áo đường cứng và áo đường mềm. - Áo đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có khả năng chịu kéo khi uốn rất lớn, làm việc theo nguyên lý tấm trên nền đàn hồi, tức là phân bố được áp lực của tải trọng bánh xe xuống nền đất trên một diện tích rộng làm cho nền đất phía dưới ít phải tham gia chịu tải. (Hình 5.2b) - Áo đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp không có khả năng chịu uốn hoặc có khả năng chịu uốn nhỏ, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe chúng chịu nén và chịu cắt trượt là chủ yếu. Do đó nền đất cũng tham gia chịu tải cùng với mặt đường ở mức độ đáng kể. (Hình 5.2a) Thuộc về áo đường mềm là tất cả các loại áo đường làm bằng các vật kiệu khác nhau, trừ mặt đường bê tông xi măng. a. Phân bố ứng suất áo đường mềm b. Phân bố ứng suất áo đường cứng Hình 5.2 5.3.CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG: 1.3.1.Cấu tạo tầng mặt: Bảng 1-1: Chọn loại tầng mặt 87 Cấp thiết kế đường (theo TCVN 4054) Loại tầng mặt Vật liệu và cấu tạo tầng mặt Thời hạn thiết kế (năm) Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (trục xe tiêu chuẩn/làn) Cấp I, II, III và cấp IV Cấp cao A1 Bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ, hạt trung làm lớp mặt trên; hạt trung, hạt thô (chặt hoặc hở loại I hoặc loại II) làm lớp mặt dưới 10 > 4.106 Cấp III, IV và cấp V Cấp cao A2 - Bê tông nhựa chặt loại II, đá dăm đen và hỗn hợp nhựa nguội trên có láng nhựa - Thấm nhập nhựa - Láng nhựa (cấp phối đá dăm, đá dăm tiêu chuẩn, đất đá gia cố trên có láng nhựa) 8-10 5-8 4-7 > 2.106 > 1.106 > 0.1.106 Cấp IV, V và VI Cấp thấp B1 Cấp phối đá dăm, đá dăm nước, hoặc cấp phối thiên nhiên trên có lớp bảo vệ rời rạc (cát) hoặc có lớp hao mòn cấp phối hạt nhỏ 3-4 0,1.106 Cấp V và cấp VI Cấp thấp B2 - Đất cải thiện hạt - Đất, đá tại chỗ, phế liệu công nghiệp gia cố (trên có lớp hao mòn, bảo vệ) 2-3 < 0,1.106 Tầng mặt cấp cao A1: Bố trí các lớp trong tầng mặt cấp cao A1: Đây là các lớp chủ yếu cùng với tầng móng và khu vực tác dụng của nền đất tạo ra cường độ chung của kết cấu nền áo đường. Trong trường hợp tầng mặt cấp cao A1, các lớp này đều phải bằng các hỗn hợp vật liệu hạt có sử dụng nhựa đường và lớp trên cùng phải bằng bê tông nhựa chặt loại I trộn nóng. Các lớp phía dưới có thể làm bằng bê tông nhựa loại II, bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, bê tông nhựa nguội (trộn nhựa lỏng hoặc nhũ tương nhựa) và cả thấm nhập nhựa. Trường hợp đường cao tốc, đường cấp I, cấp II hoặc đường cấp III có quy mô giao thông lớn thì tầng mặt cấp cao A1 có thể bố trí thành 3 lớp hoặc 2 lớp. Trường hợp bố trí thành 3 lớp thì có thể bố trí lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ ở trên cùng với bề dày từ 3,0 - 4,0cm rồi đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung và 5,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt lớn. Hoặc cũng có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông 88 nhựa chặt loại I hạt trung dày 4,0 – 5,0cm rồi đến 2 lớp bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0 – 6,0cm và 6,0 – 8,0cm ở dưới. Trường hợp bố trí thành 2 lớp thì có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ dày 3,0 – 4,0cm rồi đến 4,0 -5,0cm bê tông nhựa hạt trung hoặc trên cùng là 4,0 – 5,0cm bê tông nhựa chặt loại I hạt trung rồi đến 6,0-8,0 cm bê tông nhựa hạt lớn. Bề dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1: xem tiêu chuẩn 22 TCN 211-06. Tầng mặt cấp cao A2: - Lớp mặt bằng bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, bê tông nhựa nguội thường bố trí bề dày 4,0 -8,0cm; - Lớp mặt thấm nhập nhựa bề dày phải tuân theo 22 TCN 270; - Lớp mặt bằng các loại vật liệu hạt không gia cố hoặc có gia cố chất liên kết vô cơ thường có bề dày từ 15,0-18,0cm; Tầng mặt mặt đường cấp thấp: Bố trí lớp hao mòn hoặc lớp bảo vệ trên mặt đường cấp thấp: Trên các loại tầng mặt cấp thấp B1 ở bảng 5-1 phải bố trí lớp hao mòn bằng cấp phối hạt nhỏ hoặc lớp bảo vệ rời rạc; đối với các đường quan trọng hơn có thể bố trí cả lớp hao mòn và lớp bảo vệ. Trên mặt đường cấp phối thiên nhiên thường rải lớp hao mòn; trên mặt đường đá dăm nước và cấp phối đá dăm thường rải lớp bảo vệ rời rạc. Các lớp này phải được duy tu bằng cách bổ sung vật liệu thường xuyên, san gạt phủ kín bề mặt tầng mặt để hạn chế tác dụng phá hoại của xe cộ đối với tầng mặt và để tạo phẳng cho mặt đường; Lớp hao mòn thường dày từ 2 – 4cm được làm bằng cấp phối hạt nhỏ có thành phần hạt như loại C, D, E trong 22 TCN 304 nhưng nên có chỉ số dẻo từ 15-21. Có thể trộn đều cát và sỏi để tạo ra cấp phối hạt loại này; Lớp bảo vệ thường dày 0,5-1,0cm bằng cát thô, cát lẫn đá mi, đá mạt với cỡ hạt lớn nhất là 4,75mm; Dù làm tầng mặt loại này bằng vật liệu gì đều nên loại bỏ các hạt có kích cỡ lớn hơn 50mm và trong mọi trường hợp cỡ hạt lớn hơn 4,75mm đều nên chiếm tỷ lệ trên 65%. 1.3.2.Cấu tạo tầng móng: Chức năng của tầng móng là truyền áp lực của bánh xe tác dụng trên mặt đường xuống đến nền đất sao cho trị số áp lực truyền đến nền đất đủ nhỏ để nền đất chịu đựng được cả về ứng suất và biến dạng, đồng thời tầng móng phải đủ cứng để giảm ứng suất kéo uốn tại đáy tầng mặt cấp cao bằng bê tông nhựa ở phía trên nó. Do vậy việc bố trí cấu tạo tầng móng nên tuân theo các nguyên tắc sau: - Nên gồm nhiều lớp, lớp trên bằng các vật liệu có cường độ và khả năng chống biến dạng cao hơn các lớp dưới để phù hợp với trạng thái phân bố ứng suất và hạ giá thành xây dựng. Tỷ số mô đun đàn hồi của lớp trên so với lớp dưới liền nó nên dưới 3 lần (trừ trường hợp lớp móng dưới là loại móng nửa cứng) và tỷ số mô đuyn đàn hồi của lớp móng dưới với mô đuyn đàn hồi của nền đất nên trong phạm vi 2,5 – 10 lần. Số lớp cũng không nên quá nhiều để tránh phức tạp cho thi công và kéo dài thời gian khai triển dây chuyền công nghệ thi công. 89 - Cỡ hạt lớn nhất của vật liệu làm các lớp móng phía trên nên chọn loại nhỏ hơn so với cỡ hạt lớn nhất của lớp dưới. Vật liệu hạt dùng làm lớp móng trên cần có trị số CBR 80 và dùng làm lớp móng dưới cần có CBR 30. - Kết cấu tầng móng (về vật liệu và về bề dày) nên thay đổi trên từng đoạn tuỳ thuộc điều kiện nền đất và tình hình vật liệu tại chỗ sẵn có. Trong mọi trường hợp đều nên tận dụng vật liệu tại chỗ (gồm cả các phế thải công nghiệp) để làm lớp móng dưới. Chọn loại tầng móng theo chỉ dẫn ở bảng 5-3: Bảng 1-3: Chọn loại tầng móng Lớp vật liệu làm móng Phạm vi sử dụng thích hợp Điều kiện sử dụng Vị trí móng Loại tầng mặt 1. Cấp phối đá dăm nghiền loại I (22 TCN 334 -06) - Móng trên - Móng dưới Cấp cao A1, A2 Cấp cao A1 Nếu dùng làm lớp móng trên thì cỡ hạt lớn nhất Dmax 25mm và bề dày tối thiểu là 15cm (khi số trục xe tiêu chuẩn tích luỹ trong 15 năm nhỏ hơn 0,1.106 thì tối thiểu dày 10cm) 2. Cấp phối đá dăm nghiền loại II (22 TCN 334 -06) - Móng dưới - Móng trên Cấp cao A1 Cấp cao A2 và cấp thấp B1 Nếu dùng làm lớp móng trên thì Dmax=25mm; Nếu dùng làm lớp bù vênh thì Dmax=19mm 3. Cấp phối thiên nhiên (22 TCN 304 - 03) - Móng dưới - Móng trên - Móng trên (mặt) và móng dưới Cấp cao A1, A2 Cấp cao A2 Cấp thấp B1, B2 Như quy định ở 22 TCN 304 - 03 4. Đá dăm nước (22 TCN 06 -77) - Móng dưới - Móng trên (mặt ) Cấp cao A2 Cấp thấp B1, B2 Phải có hệ thống rãnh xương cá thoát nước trong quá trình thi công và cả sau khi đưa vào khai thác nếu có khả năng thấm nước vào lớp đá dăm; Nên có lớp ngăn cách (vải địa kỹ thuật) giữa lớp móng đá dăm nước với nền đất khi làm móng có tầng mặt cấp cao A2; Không được dùng loại kích cỡ mở rộng trong mọi trường hợp. 5. Bê tông nhựa rỗng theo 22 TCN 249; hỗn hợp nhựa trộn nguội, lớp thấm nhập nhựa (22 TCN 270) - Móng trên - Móng trên (mặt ) Cấp cao A1 Cấp cao A2 Với các loại hỗn hợp cuội sỏi, cát, trộn nhựa nguội hiện chưa có tiêu chuẩn ngành 90 Lớp vật liệu làm móng Phạm vi sử dụng thích hợp Điều kiện sử dụng Vị trí móng Loại tầng mặt 6. Cấp phối đá (sỏi cuội) gia cố xi măng theo 22 TCN 245; cát gia cố xi măng theo 22 TCN 246 - Móng trên - Móng trên (mặt ) Cấp cao A1 Cấp cao A2 Cỡ hạt lớn nhất được sử dụng là 25mm Cường độ yêu cầu của cát gia cố phải tương ứng với yêu cầu đối với móng trên 7. Đất, cát, phế liệu công nghiệp (xỉ lò cao, xỉ than, tro bay) gia cố chất liên kết vô cơ, hữu cơ hoặc gia cố tổng hợp - Móng trên (mặt) - Móng dưới Cấp cao A2 Cấp cao A1 và A2 Trường hợp gia cố chất kết dính vô cơ có thể tuân thủ 22 TCN 81- 84; Các trường hợp gia cố khác hiện chưa có tiêu chuẩn ngành 5.3.3.Bề dày cấu tạo các lớp trong kết cấu áo đường: Bề dày tầng mặt và các lớp móng của kết cấu áo đường phải được xác định thông qua các yếu sau: - Đạt được các trạng thái giới hạn về cường độ. - Bảo đảm điều kiện làm việc tốt và đảm bảo thi công thuận lợi. Bề dày tối thiểu được xác định bằng 1,5 lần cỡ hạt lớn nhất có trong lớp kết cấu và không được vượt quá trị số ở Bảng 5-4. Loại lớp kết cấu áo đường Bề dày tối thiểu (cm) Bề dày thường sử dụng (cm) Bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa Hạt lớn Hạt trung Hạt nhỏ 5 4 3 5 – 8 4 – 6 3 - 4 Cát trộn nhựa 1,0 1 – 1,5 Thấm nhập nhựa 4,5 4,5 – 6,0 Láng nhựa 1,0 1,0 – 3,5 Cấp phối đá dăm Dmax=37,5mm Dmax 25mm 12 (15) 8 (15) 15 – 24 Cấp phối thiên nhiên 8 (15) 15 – 30 Đá dăm nước 10 (15) 15 – 18 5.3.ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY TÁC DỤNG LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM: 91 Độ lớn của tải trọng trục tính toán P (T, KN): Tải trọng tính toán P được lấy bằng ½ trọng lượng của trục sau. Các xe tải thường có trọng lượng trục sau chiếm ¾ trọng lượng toàn bộ xe. Diện tích vệt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường (cm2): Diện tích vệt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào độ cứng và kích thước của lốp xe. Vệt tiếp xúc này thực tế đo được là hình elip, để đơn giản cho tính toán người ta xem gần đúng như một hình tròn có diện tích (S) bằng diện tích thực tế. (Hình 5.3) Đường kính vệt bánh xe tương đương (D): 92 Đặc điểm tải trọ ... KHKT) dựa trên quan hệ Lgc/b và Hxói/H. Trong đó: H: chiều sâu nước dâng trước công trình, ở đây lấy H =2 hc = 2.356 m b : khẩu độ công trình, b = 2.0 m Hxói = 5.45.20.2 0.2 356.22 = 1.83 m - Chiều sâu chân tường chống xói : Ht Hxói + 0.5 m Ht 1.83 + 0.5 = 2.23 m, chọn Ht =2.3 m 2.20.2.5. Gia cố chống xói rãnh: Nói chung việc gia cố chống xói rãnh được chọn trên cơ sở của kết quả tính toán thủy lực. Tuy nhiên cũng có thể dựa vào độ dốc lòng rãnh để chọn vật liệu gia cố. Bao gồm một số biện pháp sau đây: 148 1) Lát cỏ: dùng khi đáy rãnh rộng trên 1m. Khi đáy rãnh nhỏ hơn 1m thì lòng rãnh gia cố bằng đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố 8 – 10cm; còn cỏ chỉ lát 2 bên bờ ta luy. 2) Lát đá: Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố có thể lấy như sau: 12 – 14cm với đá loại nhỏ; 14 – 16cm với đá loại vừa; 16 – 18cm với đá loại lớn; Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, các khe hở phải chèn kín bằng đá con và phải được đầm lèn chặt. 3) Bê tông đất sét: làm bằng đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn. Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm. 4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát hoặc cát pha sét. Chiều dày lớp gai cố từ 5 – 10m. 5) Gia cố bằng bê tông: khi tốc độ nước chảy trong rãnh lớn, có thể dùng tấm bê tông kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố. Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh còn dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa của kênh rãnh và điều kiện vật liệu tại chỗ. 2.20.3. Rãnh đỉnh: Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ về đường lớn hoặc khi chiều cao taluy đào 12 m thì phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước chảy về phía đường và dẫn nước về công trình thoát nước, về sông suối hay chỗ trũng cạnh đường, không cho phép nước đổ trực tiếp xuống rãnh biên. Rãnh đỉnh phải có quy hoạch hợp lý về hướng tuyến, độ dốc dọc và mặt cắt thoát nước. Rãnh đỉnh thiết kế với tiết diện hình thang, chiều rộng đáy rãnh tối thiểu là 0,50 m, bờ rãnh có taluy 1 : 1.5, chiều sâu rãnh xác định theo tính toán thuỷ lực và đảm bảo mực nước tính toán trong rãnh cách mép rãnh ít nhất 20 cm nhưng không nên sâu quá 1,50 m. Khi rãnh đỉnh có chiều dài đáng kể thì cần chia rãnh thành các đoạn ngắn. Lưu lượng nước chảy tính toán của mỗi đoạn lấy bằng lưu lượng nước chảy qua mặt cắt cuối cùng của mỗi đoạn, tức lưu lượng từ phần lưu vực chảy trực tiếp về đoạn rãnh tính toán cộng với tất cả các lưu lượng nước chảy từ lưu vực ở các đoạn rãnh từ phía trên chảy về. Độ dốc của rãnh đỉnh thường chọn theo điều kiện địa hình để tốc độ nước chảy không gây xói lòng rãnh. Trường hợp do điều kiện địa hình bắt buộc phải thiết kế rãnh đỉnh cố độ dốc lớn thì phải có biện pháp gia cố lòng rãnh thích hợp, tốt nhất là gia cố bằng đá hộc xây hay bằng tấm bê tông hoặc thiết kế rãnh có dạng dốc nước hay bậc nước. Để tránh ứ đọng bùn cát trong rãnh, độ dốc của rãnh không được nhỏ hơn 3 0/00 5 0/00. 149 Ở những nơi địa hình sườn núi dốc, diện tích lưu vực lớn, địa chất dễ sụt lở thì có thể làm hai hoặc nhiều rãnh đỉnh. Ngược lại, nếu độ dốc ngang sườn đồi nhỏ và diện tích lưu vực nước chảy về rãnh dọc không lớn thì có thể không làm rãnh đỉnh, nhưng phải kiểm tra khả năng thoát nước rãnh biên. Vị trí của rãnh đỉnh phải cách mép taluy nền đường đào ít nhất là 5 m và đất thừa do đào rãnh đỉnh được đắp thành một con trạch (đê nhỏ) về phía dốc đi xuống của địa hình (phía thấp); bề mặt con trạch có độ dốc ngang 2 % về phía rãnh và chân của nó cách mép taluy nền đường đào ít nhất là 1 m. (Hình 8.6) Trường hợp cần bố trí rãnh đỉnh để ngăn nước chảy về nền đường đắp thì vị trí rãnh đỉnh phải cách mép rãnh biên ít nhất là 5 m nếu có làm rãnh biên, và cách chân taluy nên đắp ít nhất là 2 m nếu không có rãnh biên và đất đào rãnh đỉnh được đắp thành một con trạch về phía nền đường, bề mặt con trạch có độ dốc ngang 2 % về phía rãnh. Rãnh đỉnh không nên bố trí cách xa nền đường quá vì như vậy sẽ hạn chế tác dụng của rãnh đỉnh. >5m 2%Con traïch Raõnh doïc Raõnh ñænh Hình 8.7 Cấu tạo rãnh đỉnh 2.20.4. Rãnh dẫn nước: Rãnh dẫn nước được thiết kế để dẫn nước từ các nơi trũng cục bộ về một công trình thoát nước gần nhất hoặc từ rãnh dọc, rãnh đỉnh về chỗ trũng hay về cầu cống, hoặc để nối tiếp giữa sông suối với thượng và hạ lưu cống. (Hình 8.8) Rãnh dẫn nước không nên thiết kế dài quá 500 m. Đất đào từ rãnh được đắp thành con đê nhỏ dọc theo rãnh. Nếu rãnh dẫn nước bố trí dọc theo nền đường thì mép rãnh phải cách chân taluy nền đường ít nhất là 3 m – 4 m và giữa rãnh và nền đường có đê bảo vệ cao 0,50 m – 0,60 m. Hướng của rãnh nên chọn càng thẳng càng tốt. ở những nơi chuyển hướng, bán kính đường cong nên lấy bằng từ 10 lần đến 20 lần chiều rộng đáy trên của rãnh và không được nhỏ hơn 10 m. Tiết diện của rãnh xác định theo tính toán thuỷ lực nhưng chiều sâu của rãnh không nên nhỏ hơn 0,50 m và đáy rãnh không nhỏ hơn 0.40m, mép bờ rãnh phải cao hơn mực nước chảy trong rãnh ít nhất là 0,20 m. Tần suất tính lưu lượng của rãnh dẫn nước lấy bằng tần suất của công trình thoát nước liên quan. 150 2.20.5. Dốc nước và bậc nước: 2.20.5.1. Khái niệm: Ở những nơi rãnh thoát nước có độ dốc lớn, để đảm bảo công trình không bị xói lở do dòng nước phải làm dốc nước (hình 8.11) hoặc bậc nước. Chọn công trình thoát nước loại nào phải được giải quyết trên cơ sở so sánh các phương án phụ thuộc vào 151 điều kiện cụ thể. Dốc nước và bậc nước thường được sử dụng ở các đoạn rãnh có dốc lớn nối tiếp giữa thượng lưu và hạ lưu cống với lòng suối tự nhiên, ở những đoạn rãnh thoát nước từ các công trình thoát nước đổ dọc theo taluy đường đào hay đường đắp, đoạn nối tiếp từ rãnh đỉnh về sông suối hoặc cầu cống. Hình 8.11a Mặt cắt dọc theo tim dốc nước Hình 8.11b Mặt bằng dốc nước Hình 8.11c Mặt cắt ngang dốc nước Mặt cắt ngang của dốc nước thường được thiết kế có dạng hình chữ nhật, với chiều rộng và chiều sâu được tính toán theo thuỷ lực phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế, độ dốc của dốc nước, tốc độ cho phép không xói của vật liệu làm dốc nước và tùy thuộc vào kích thước công trình nối tiếp với dốc nước. 152 Cấu tạo của dốc nước có thể làm bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá xây. Để giảm tốc độ nước chảy ở dốc nước, đáy dốc nước có tạo các gờ nhám và ở cuối dốc nước thường làm bể (giếng) tiêu năng hay tường tiêu năng. Bậc nước có bể tiêu năng thường dùng khi rãnh, kênh thoát nước có độ dốc rất lớn. Bậc nước thường có tiết diện hình chữ nhật, làm bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá xây. Chiều rộng, chiều cao của bậc nước, chiều sâu, chiều dài của bể tiêu năng, chiều cao và chiều dày của tường tiêu năng được tính toán theo các công thức thuỷ lực và tùy thuộc vào kích thước công trình nối tiếp với dốc nước. (Hình 8.12) Hình 8.12a Mặt cắt dọc theo tim bậc nước Hình 8.12b Mặt bằng bậc nước Hình 8.12c Mặt cắt ngang bậc nước Cấu tạo của dốc nước và bậc nước được thiết kế theo các thiết kế điển hình. Trường hợp không có các thiết kế điển hình phù hợp thì có thể tham khảo theo các quy định sau đây: 153 - Chiều cao dốc nước và bậc nước cao hơn mực nước tính toán tối thiểu là 0,20 m; - Để chống trượt, mặt dưới của đáy dốc nước cứ cách 2,5 m – 4,0 m phải thiết kế chân khay cắm sâu vào đất 0,30 m – 0,50 m; - Độ dốc của dốc nước không nên dốc quá 1 : 1,5. Nếu lớn hơn độ dốc trên thì phải thiết kế bậc nước; - Bậc nước thường thiết kế có chiều cao mỗi bậc 0,30 m – 0,60 m và độ dốc mặt bậc 2 % – 3%. Tần suất tính toán lưu lượng thiết kế dốc nước, bậc nước lấy theo tần suất tính toán lưu lượng tính toán của công trình liên quan tới dốc nước, bậc nước. 2.20.5.2. Tính toán dốc nước: Dốc nước là rãnh, kênh có độ dốc lớn hơn độ dốc phân giới (i > ik). Mặt cắt ngang dốc nước thường dùng có dạng hình chữ nhật. Đáy và tường dốc nước thường làm bằng bê tông, đá, gạch xây, Để giảm tốc độ nước chảy ở cuối dốc nước thường làm tường tiêu năng hay giếng tiêu năng (Hình 8.13). H hk d h2=h0'' h i < i k i > i k i < i k ho lg Hình 8.13 Sơ đồ tính dốc nước có giếng tiêu năng Trình tự tính toán dốc nước như sau: 1) Xác định chiều rộng của dốc nước: 2/5 0 2/3 a 4/3 v.n Qi b trong đó: na – hệ số nhám của dốc nước có xét đến hiện tượng lẫn khí: na = n.a n – hệ số nhám, lấy theo vật liệu làm dốc nước (tra bảng); a – hệ số lẫn khí (tra bảng); i – độ dốc của dốc nước; v0 – tốc độ cho phép không xói của vật liệu làm dốc nước; 154 2) Xác định chiều sâu nước chảy ở cuối dốc nước: 0 0 b.v Q h 3) Xác định chiều sâu nước chảy ở đầu dốc nước: được lấy bằng chiều sâu nước chảy phân giới hk: 2/3 k b Q 0,47h 4) Xác định điều kiện ngập ở hạ lưu dốc nước: Cần tính chiều sâu liên hợp sau bước nhảy thủy lực: 1/2 00 0 0 '' 02 .h0,45.v g 2h vhh h0 – chiều sâu nước chảy trong dốc nước Xác định chiều sâu nước chảy của suối sau dốc nước h của Sêdi-Maning. Nếu '' 0δ 1,1hh thì có hiện tượng chảy ngập và tốc độ sau dốc nước xác định theo h Nếu '' 0δ 1,1hh thì sau dốc nước phải làm giếng tiêu năng để giảm tốc độ nước chảy. Chiều sâu của giếng tiêu năng xác định theo công thức: δ '' 0 h1,1hd Chiều dài của giếng tiêu năng tính từ cuối dốc nước tới thành biên cuối tính theo công thức: 0 '' 0g hh3l Dựa vào tốc độ nước chảy tính toán để chọn vật liệu làm dốc nước. 2.20.5.3. Tính toán bậc nước: Bậc nước có giếng tiêu năng thường dùng khi rãnh, kênh rất dốc. Bậc nước thường có tiết diện hình chữ nhật, làm bằng bê tông, đá xây, Trình tự tính toán bậc nước như sau (Hình 8.14): 155 hk lg P hk H d lT Hình 8.14 Sơ đồ tính toán bậc nước có giếng tiêu năng 1) Chọn chiều rộng bậc nước b: thường lấy bằng khẩu độ công trình thoát nước, hoặc lấy theo tiêu chuẩn lưu lượng 0,5 – 1m3/s cho 1 mét chiều rộng bậc nước. 2) Định số bậc nước và xác định chiều sâu nước đổ xuống bằng cách chia chiều cao nước đổ toàn bộ trong đoạn thiết kế bậc nước cho số bậc nước đã giả thiết. 3) Xác định chiều sâu nước chảy tại cửa vào bậc nước: lấy bằng chiều sâu nước chảy phân giới hk: 2/3 k b Q 0,47h 4) Xác định chiều sâu sau bước nhảy thủy lực: k '' c '' c hεh '' c ε - xác định theo đồ thị. 5) Xác định chiều sâu nước trước tường tiêu năng: h = H + d = 1,7hk + d 6) Kiểm tra điều kiện nước chảy ngập: '' c h1,1h Nếu điều kiện này không được thỏa mãn thì phải giả định lại d và lập lại tính toán cho đến khi thỏa mãn. 7) Xác định chiều dài tối thiểu cho phép của giếng: lg = l1 + l2 l1 – độ xa của dòng nước đổ xuống đáy: g y2 .vl k1 156 vk – tốc độ nước chảy tại cửa vào: k k h.b Q v g – gia tốc rơi tự do; y – chiều cao nước đổ xuống của dòng chảy: 2 h dPy k l2 – chiều dài bước nhảy thủy lực: c '' c2 hh3l hc – chiều sâu tại tiết diện thắt hẹp trong giếng được xác định theo đồ thị tương tự như khi xác định '' c h : hc = ec.hk 8) Xác định chiều dày tường tiêu năng theo công thức: lT = 3hk 9) Kiểm tra điều kiện bố trí bậc nước tại nơi thiết kế: bằng cách xác định độ dốc đặt bậc nước. gT b ll P i Độ dốc ib không được nhỏ hơn độ dốc địa hình nơi làm bậc nước, nếu không thỏa mãn thì phải giả thiết lại số bậc, xác định lại kích thước của bậc nước. Còn nếu ib lớn hơn độ dốc địa hình thì tăng chiều dài bậc nước, như vậy cải thiện điều kiện ngập của dòng chảy và xem như các bước tính toán trên là thỏa mãn. Chiều dài của giếng xác định lại theo độ dốc i của địa hình: T ' g l i P l 2.21. HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC NGẦM: 2.21.1. Tác dụng và phân loại rãnh ngầm: - Nước ngầm là phần nước nằm dưới đất và dưới tác dụng của trọng lực chảy theo dốc của các lớp đất không thấm nước. - Tác dụng của rãnh ngầm là hạ thấp mức nước ngầm. - Tùy theo vị trí và tác dụng của rãnh ngầm có thể phân loại chúng như sau: 1) Rãnh ngầm làm dưới đáy rãnh dọc hay dưới nền đường để hạ thấp mức nước ngầm dưới phần xe chạy 157 2) Rãnh ngầm đặt sau ta luy nền đường đào để làm cho ta luy khô ráo và ngăn chặn không cho nước ngầm từ mái dốc đường đào đổ ra mặt đường. 3) Rãnh ngầm đặt sau tường chắn đất, mố cầu. 4) Rãnh ngầm thoát nước dưới các lớp áo đường (rãnh xương cá). 2.21.2. Cấu tạo của rãnh thoát nước ngầm: Rãnh thoát nước ngầm có thể cấu tạo theo kiểu rãnh hở hoặc kín. Rãnh loại hở chỉ dùng khi mực nước ngầm cao, rãnh loại kín thường sử dụng khi mực nước ngầm nằm sâu. Chiều rộng đáy của rãnh ngầm từ 0,30 m đến 1 m tuỳ theo chiều sâu của rãnh và điều kiện thi công. Cấu tạo của rãnh thoát nước ngầm loại kín được thiết kế theo sơ đồ tổng quát như sau: Phía trên cùng của rãnh đắp bằng vật liệu (đất) không thấm nước và được lèn chặt để giữ không cho nước mưa ngấm xuống rãnh; sau đó là hai lớp cỏ lật ngược để giữ không cho đất rơi xuống các lớp vật liệu lọc nước bên dưới, dưới lớp cỏ này là lớp cát và sau đó là lớp đá dăm hay sỏi cuội, dưới cùng để tăng khả năng thoát nước của rãnh thường có một ống thoát nước hoặc hầm thoát nước. (Hình 8.9) Trường hợp sử dụng rãnh thoát nước ngầm ở các taluy dương đường đào để ngăn chặn nước ngầm không cho chảy ra phía ngoài thì cần sử dụng loại rãnh thoát nước ngầm một bên có tường chắn không thấm nước chạy dọc theo rãnh ngầm, một bên theo nguyên tắc tầng lọc ngược. Đá dùng để lấp rãnh phải là loại không bị phong hóa và tan rã trong môi trường nước, ống thoát nước ở rãnh ngầm thường dùng là ống bê tông đường kính thoát nước nhỏ nhất là 15 cm – 20 cm hoặc có thể bằng sành, bằng gạch hay đá xây có đường kính 30 cm – 50 cm chiều dài mỗi đốt ống thoát nước 0,3 m – 0,6 m; ống thoát nước đặt giáp nhau, khe hở 1 cm – 0,5 cm để cho nước có thể chảy vào ống thoát nước. Ñaát ñaàm chaët Lôùp coû laät ngöôïc Ñöôøng cong nöôùc thaám Lôùp caùt Lôùp ñaù OÁng thoaùt nöôùc MN ngaàm T h o a ùt n ö ô ùc n g a àm Lôùp ñaát khoâng thaám nöôùc Hình 8.9 Cấu tạo rãnh thoát nước ngầm kiểu kín 158 Đá dùng để lấp rãnh phải là loại không bị phong hóa và tan rã trong nước. 2.21.3. Các trường hợp tính toán rãnh ngầm: MN ngaàm Raõnh ngaàm lr H h r Hình 8.10 Sơ đồ tính toán rãnh ngầm 1) Xác định khoảng cách cần thiết giữa hai rãnh ngầm lr nếu biết yêu cầu hạ mức nước ngầm S và chiều sâu rãnh tính từ mực nước ngầm H. 2) Xác định chiều sâu hạ mức nước ngầm S nếu biết khoảng cách giữa hai rãnh ngầm lr và chiều sâu rãnh tính từ mực nước ngầm H. 3) Xác định chiều sâu rãnh ngầm cần thiết nếu biết yêu cầu hạ mức nước ngầm S và cự ly giữa hai rãnh ngầm lr. 159 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô 4054-05. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 211-06. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95. Tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị TCXDVN 104 2007. Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô 273-01. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 274-01. Sổ tay thiết kế đường ôtô – Nguyễn Xân Trục. Thiết kế đường, tập 1,2,3 – nhà xuất bản giao thông vận tải. Khảo sát thiết kế đường ôtô 263-2000. Khảo sát thiết kế đường ôtô qua vùng đất yếu 262-2000.
File đính kèm:
giao_trinh_thiet_ke_duong_o_to_phan_2.pdf