Tính toán cường độ (bề dày) kết cấu tăng cường hoặc cải tạo

Tính toán cường độ (bề dày) kết cấu tăng cường hoặc cải tạo

Việc tính toán cường độ (bề dày) kết cấu tăng cường hoặc cải tạo mặt đường cũ vẫn phải tuân theo các yêu cầu và nguyên tắc nêu trong Khoản 3.1 và các chỉ dẫn khác nêu ở các Khoản 2.3, 3.3, 3.4, 3.5 và 3.6.

Tính toán bề dày tăng cường trên mặt kết cấu áo đường cũ trước hết được thực hiện theo toán đồ Hình 3-1 với trị số mô đun đàn hồi chung đặc trưng cho kết cấu cũ của mỗi phân đoạn E_ch cũ đóng vai trò là E_o trong sơ đồ tính của toán đồ này. Sau đó, lần lượt kiểm tra nền đất và các lớp kết cấu khác theo chỉ dẫn ở Khoản 3.5 và 3.6.

1. 
   : VÍ DỤ TÍNH TOÁN QUY ĐỔI SỐ TRỤC XE KHÁC VỀ SỐ TRỤC XE TÍNH TOÁN, TÍNH SỐ TRỤC XE TIÊU CHUẨN TÍCH LŨY VÀ CÁCH TÍNH TẢI TRỌNG TRỤC TƯƠNG ĐƯƠNG NẶNG NHẤT CỦA XE NHIỀU TRỤC
   

A.1.1. Số liệu ban đầu

Dựa vào kết quả điều tra giao thông đã dự báo được thành phần xe ở năm thứ nhất sau khi đường được đưa vào khai thác sử dụng như ở Bảng A-1. Để phục vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu áo đường cần quy đổi số trục khai thác về trục xe tính toán tiêu chuẩn loại 100 kN (10 tấn)

Bảng A-1 : Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng

Việc tính toán quy đổi được thực hiện như mục 3.2.3 theo biểu thức (3.1) và (3.2); cụ thể là:

Với C₁ = 1+1,2(m-1) và C₂ = 6,4 cho các trục trước và trục sau loại mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh và C₂ = 1,0 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)

Việc tính toán được thực hiện như ở Bảng A -2. Kết quả tính được N = 1032 trục xe tiêu chuẩn / ngày đêm.

Bảng A-2: Bảng tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

* Vì tải trọng trục dưới 25 kN (2,5 tấn) nên không xét đến khi quy đổi (xem mục 3.2.3)

** Vì khoảng cách các trục sau lớn hơn 3,0 m nên việc quy đổi được thực hiện riêng từng trục, tức là C₁=2,0 (xem mục 3.2.3).

A.2.Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế

A.2.1. Về nguyên tắc phải dựa vào kết quả dự báo hàng năm ở mục 1.5.2 tiêu chuẩn này để tính ra số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế N_e tức là tính theo biểu thức sau:

trong đó:

N_i là số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn ở năm i và t là thời hạn thiết kế (khi áp dụng quy định ở Bảng 2-2 lấy t=15 năm)
A.2.2. Trong trường hợp dự báo được tỷ lệ tăng trưởng lượng giao thông trung bình năm q (bao gồm các lượng giao thông nêu ở điểm 4 mục 1.5.2) thì có thể tính N_e theo biểu thức sau:

; (A-2)

trong đó:

N₁ là số trục xe tiêu chuẩn trung bình ngày đêm của năm đầu đưa đường vào khai thác sử dụng (trục/ngày đêm):

Trường hợp biết số trục dự báo ở năm cuối của thời hạn thiết kế N_t (trục/ngày đêm) thì cũng có thể tính N_e theo biểu thức (A-3):

A.2.3. Ví dụ: Với số liệu ở ví dụ I.1 ta có thể tính được N_e tương ứng với tỷ lệ tăng trưởng lượng giao thông trung bình năm q=0,1 (10%) và t =15 năm là:

Nếu đường có 2 làn xe thì theo mục 3.3.2 f_L = 0,55 và ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe là: 6,582.10⁶ trục.

Tải trọng trục tính toán của xe nặng (rơ mooc nặng) P_tt được xác định gần đúng theo biểu thức A-4 để xét ảnh hưởng của các trục khác trên cùng một cụm trục:

P_tt = P_n.k_c ; (A-4)

trong đó:

P_n là tải trọng trục nặng nhất trong số các trục trên cùng một cụm trục (kN); P_n có thể được xác định thông qua chứng chỉ xuất xưởng của ­­­xe hoặc cân trực tiếp; k_c là hệ số xét đến ảnh hưởng của các trục khác được xác định theo biểu thức (A-5):

; (A-5)

Trong (A-5) các ký hiệu được xác định như sau:

L_m là khoảng cách tính bằng mét giữa các trục ngoài cùng của cụm trục (m)

a, b, c là các trị số cho ở Bảng A-3.

Bảng A-3 : Các trị số a, b, c

Số trục trên cùng 1 cụm trục của xe (hoặc rơ mooc)	a	b	c
Hai trục	1,7/1,52	0,43/0,36	0,50/0,50
Ba trục	2,0/1,60	0,46/0,28	1,0/1,0

Ghi chú Bảng A-3: trị số a, b, c cho ở tử số áp dụng khi tính toán kết cấu áo đường có tầng mặt loại cấp cao A1 và A2; trị số cho ở mẫu số áp dụng khi tính toán áo đường cấp thấp.

2. 
   : XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH TOÁN CỦA NỀN ĐẤT TRONG PHẠM VI KHU VỰC TÁC DỤNG
   

A.4.1. Đối với nền đào phải điều tra độ ẩm tương đối vào mùa bất lợi và độ chặt từng lớp 20 cm trong phạm vi khu vực tác dụng theo mục 1.5.4 và lấy trị số độ ẩm tương đối trung bình của các lớp trong phạm vi này làm độ ẩm tính toán

A.4.2. Đối với trường hợp nền đắp hoặc nền đào có áp dụng các giải pháp chủ động cải thiện điều kiện nền đất trong phạm vi khu vực tác dụng (như thay đất, đầm nén lại...) thì có thể xác định trị số độ ẩm tương đối tính toán theo loại hình gây ẩm (hay loại hình chịu tác động của các nguồn ẩm) đối với kết cấu nền áo đường như sau:

Loại I (luôn khô ráo) là loại đồng thời bảo đảm được các điều kiện và yêu cầu dưới đây:

- Khoảng cách từ mực nước ngầm hoặc mực nước đọng thường xuyên ở phía dưới đến đáy khu vực tác dụng h phải thỏa mãn điều kiện ở Bảng 2-6 mục 2.5.3 tiêu chuẩn này (tùy thuộc loại đất nền). Riêng với mức nước đọng hai bên đường, nếu h không thỏa mãn điều kiện ở Bảng 2.6 nhưng thời gian ngập dưới 3 tháng thì thay vì bảo đảm yêu cầu ở mục 2.5.4 cũng được xem là đạt loại I;

• 
  Kết cấu áo đường phải có tầng mặt không thấm nước và tầng móng bằng vật liệu gia cố chất liên kết hoặc có lớp đáy móng đề cập ở mục 1.2.3 với yêu cầu ở điểm 2, mục 2.5.2;
  
• 
  Nền đất trong khu vực tác dụng phải đầm nén đạt yêu cầu ở Bảng 2-5;
  
• 
  Độ ẩm tính toán của đất nền loại I có thể lấy bằng 0,55 0,60 độ ẩm giới hạn chảy xác định theo thí nghiệm.
  

Kết cấu nền áo đường loại này có chịu ảnh hưởng của một vài nguồn ẩm nào đó và không đạt được một trong các điều kiện như với loại I; chẳng hạn như khoảng cách h chỉ đạt được tương ứng trạng thái ẩm vừa như ở Bảng 2-6 hoặc có tầng mặt thấm nước...

Tùy theo sự phân tích mức độ có thể chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm, trị số độ ẩm tính toán của đất nền loại này có thể được xác định theo phạm vi trong Bảng B-1.

Bảng B-1: Độ ẩm tính toán của đất nền loại II

Nền đường loại này thường đắp thấp, lề hẹp bằng đất đầm chặt kém, có nước ngập thường xuyên (trị số h như ở Bảng 2-6) thoát nước mặt không tốt và chịu ảnh hưởng của nước ngầm. Mặt đường thuộc loại thấm nước, móng là loại không kín (đá ba, đá dăm...).

Độ ẩm tính toán của loại III có thể lấy theo Bảng B-2.

­Bảng B-2: Độ ẩm tính toán của đất nền loại III

Độ ẩm tính toán của đất lẫn sỏi sạn lấy tương ứng theo đất cùng loại không có sỏi sạn.

Các trị số tham khảo về mô đun đàn hồi của đất nền và trị số các đặc trưng về lực dính C và góc ma sát  tùy thuộc độ ẩm tương đối tính toán được cho ở Bảng B-3. Cách sử dụng các trị số tham khảo này được chỉ dẫn ở các mục 3.4.6 và 3.5.5. Khi sử dụng Bảng B-3 có thể nội suy các trị số giữa các khoảng độ ẩm cho trong bảng.

Bảng B-3: Các đặc trưng tính toán của đất nền (tham khảo) tùy thuộc độ ẩm tương đối

Loại đất	Các chỉ tiêu	Độ ẩm tương đối
		0,55	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90
Sét và á sét	E (Mpa)	46 (60)	42 (57)	40 (53)	34 (50)	29 (46)	25 (42)	21 (40)	20 (38)
	(độ)	27	24	21	18	15	13	12	11,5
	c (Mpa)	0,038	0,032	0,028	0,023	0,019	0,015	0,013	0,012
Á sét nhẹ và Á c¸t bôi nÆng	E (Mpa)	48	45	42	37	32	27	23	22
	(®é)	28	26	26	25	25	24	24	23
	c (Mpa)	0,024	0,022	0,018	0,014	0,012	0,011	0,010	0,009
Á cát nhẹ và Á c¸t	E (Mpa)	49	45	42	38	34	32	30	28
	(®é)	30	28	28	27	27	26	26	25
	c (Mpa)	0,020	0,018	0,014	0,012	0,011	0,010	0,009	0,008
Cát mịn	E (Mpa) (độ) c (Mpa)	40 35 0,005
Đất bazan Tây Nguyên	E (Mpa)	51	44	40	25	23	21	16
	(độ)	17	12	14	8	11	9	7
	c (Mpa)	0,036	0,031	0,028	0,024	0,019	0,015	0,011

Ghi chó B¶ng B-3:

1. 
   C¸c trÞ sè tham kh¶o trªn cÇn ®­îc c¸c ®¬n vÞ t­ vÊn kh¶o s¸t thiÕt kÕ bæ sung chÝnh x¸c hãa dÇn;
   
2. 
   §èi víi ®Êt lÉn sái s¹n trÞ sè E cã thÓ ®­îc lÊy theo trÞ sè trong ngoÆc ë hµng ®Çu t­¬ng øng víi ®Êt sÐt vµ ¸ sÐt; cßn trÞ sè c, lấy tương ứng với loại đất không có sỏi sạn;
   
3. 
   Các trị số trong bảng là tương ứng với điều kiện độ chặt tối thiểu K=0,95 (đầm nén tiêu chuẩn). Việc tăng, giảm độ chặt được xét đến khi xác định độ ẩm tính toán. Độ chặt đầm nén k = 0,95 tương ứng với trị số độ ẩm tính toán lớn và nếu k  0,98 thì được chọn trị số độ ẩm tính toán nhỏ trong phạm vi tương ứng với loại hình gây ẩm I, II, III (xem Khoản B.1).
   
4. 
   Phân loại đất trong Bảng B-3 sử dụng các tiêu chí như ở dưới đây:
   

• 
  Sét và á sét là loại đất có chỉ số dẻo từ 1227;
  
• 
  Á sét nhẹ có chỉ số dẻo từ 712 và tỷ lệ hạt cát từ 2-0,05mm chiếm trên 40% khối lượng đất khô;
  
• 
  Á cát bụi nặng là loại có chỉ số dẻo 17 và tỷ lệ cỡ hạt 20,05mm chiếm dưới 20%;
  
• 
  Á cát nhẹ có chỉ số dẻo 17 và tỷ lệ cỡ hạt 20,05mm chiếm trên 50%;
  
• 
  Á cát là loại có chỉ số dẻo 17;
  
• 
  Cát mịn là loại có chỉ số dẻo dưới 1 và cỡ hạt > 0,05 mm chiếm >75%.
  

A.6.1. Phương pháp thí nghiệm trong phòng để xác định chỉ số sức chịu tải CBR

Chỉ số CBR được xác định thông qua thí nghiệm trong phòng theo chỉ dẫn ở tiêu chuẩn 22 TCN 332 - 06 với các điều kiện nêu ở đoạn ghi chú thuộc điểm 2 mục 2.5.1 của tiêu chuẩn này.

A.6.2. Sức chịu tải trung bình CBR_tb đặc trưng cho cả phạm vi khu vực tác dụng của nền được xác định theo biểu thức B-1 dưới đây:

trong đó:

CBR_i là chỉ số sức chịu tải của lớp đất i dày h_i (cm) và n là số lớp có trị số CBR_i khác nhau (có thể bao gồm cả lớp đáy móng đề cập ở mục 2.5.2)

là tổng bề dày khu vực tác dụng và nên điều tra khảo sát, thí nghiệm trong phạm vi =100 cm.

Khi xác định CBR_tb theo biểu thức trên cần chú ý các chỉ dẫn sau:

• 
  Nếu CBR_i của một lớp nào đó (như lớp đáy móng) lớn hơn 20% thì đưa vào tính chỉ lấy bằng 20%;
  
• 
  Bề dày lớp đất thay thế hay lớp đáy móng bằng đất gia cố khi tính phải trừ đi 20cm phía dưới; 20cm này chỉ được tính CBR_i bằng CBR_i của đất nguyên thổ trước khi thay đất hoặc bằng CBR_i trung bình trước và sau khi gia cố (trong trường hợp gia cố đất tại chỗ để tăng sức chịu tải của nền);
  
• 
  Nếu có một lớp có trị số CBR_i nhỏ hơn nằm phía trên thì không được phép tính CBR_tb mà phải dùng trị số CBR_i nhỏ này đặc trưng cho cả khu vực tác dụng (cũng có nghĩa là biểu thức B-1 chỉ áp dụng cho trường hợp CBR_i lớp trên phải cao hơn CBR_i­ lớp dưới);
  
• 
  Nếu trong khu vực tác dụng có phân bố một lớp dày dưới 20cm (h_i<20cm) thì tính các lớp khác cũng phải chia nhỏ bằng bề dày lớp h_i đó để đưa vào tính trị số CBRtb theo biểu thức B-1.
  

Để thực hiện các chỉ dẫn ở mục 3.4.6, có thể tham khảo các tương quan thực nghiệm E₀ = f(CBR) dưới đây với chú ý: trị số CBR đặc trưng cho cả phạm vi khu vực tác dụng của nền đất được xác định như đề cập ở B.3.2.

1. 
   Một vài quan hệ thực nghiệm Trung Quốc
   

• 
  Của tỉnh An Huy:
  

trong đó: E­_o (MPa) là trị số mô đun đàn hồi xác định bằng thí nghiệm tấm ép đường kính 30 cm ở hiện trường. Quan hệ này sử dụng chung cho mọi loại đất

• 
  Với loại đất sét đỏ vùng Quảng Tây Trung Quốc:
  

trong đó: E­_o (MPa) cũng là trị số xác định bằng thí nghiệm tấm ép đường kính 30 cm ở hiện trường.

2. 
   Một số các quan hệ thực nghiệm của Việt Nam
   

• 
  Các loại đất ( với hệ số tương quan R² =0,91)
  

• 
  Cát đắp (với hệ số tương quan R² =0,89)
  

trong đó: Eo (MPa) là trị số mô đun đàn hồi xác định bằng tấm ép đường kính 33cm ở hiện trường; CBR tính bằng số %.

A.8.1. Phương pháp nén nở hông tự do áp dụng cho các loại đất dính (có thể đúc được mẫu để nén một trục nở hông tự do):

1. Dùng mẫu tròn đường kính 5 cm, cao 5 cm; nếu có thể lấy nguyên dạng tại nền đường vừa thi công xong hoặc tại nền đường cũ (trường hợp thiết kế tăng cường áo đường cũ) tương ứng với thời gian bất lợi về độ ẩm; mẫu cũng có thể chế bị bằng đất dùng để xây dựng nền đường hoặc bằng đất lấy ở nền đường cũ về sao cho có độ chặt bằng độ chặt thực tế khi nền làm việc và có độ ẩm tính toán nêu ở Khoản B-1. Cách chế bị mẫu phải theo đúng như cách qui định trong qui trình thí nghiệm đất (gồm cả việc bảo dưỡng mẫu trong bình giữ ẩm để ẩm phân bố đều trong mẫu).

Mẫu được ép trên máy nén với bản ép có đường kính 5 cm (bằng đường kính của mẫu) và không có khuôn (nén một trục cho nở hông tự do). Tăng tải một cấp cho đến trị số 0,220,2,5 MPa. Sau đó dỡ tải và do biến dạng hồi phục S. Khi gia và dỡ tải đều đợi đến lúc biến dạng không quá 0,01 mm/5 phút mới đọc trị số biến dạng.

2. Tính trị số mô đun đàn hồi thí nghiệm theo công thước sau:

(B-5)

trong đó:

p là áp lực tác dụng lên mẫu khi nén, Mpa

H – chiều cao mẫu, cm;

S là biến dạng hồi phục tương ứng với áp lực p, cm.

Trị số E_tn sử dụng kết quả trung bình ít nhất của 3 mẫu cùng loại đất, cùng độ ẩm và độ chặt nếu trị số thí nghiệm của chúng không chênh lệch quá 20% (nếu quá 20% thì phải thêm mẫu và làm lại).

3. 
   Trường hợp nền đường có độ chặt và độ ẩm thay đổi nhiều theo chiều sâu hoặc gồm các lớp đất khác nhau (không đồng nhất) thì phải chia ra nhiều lớp để lấy mẫu nguyên dạng (hoặc chế bị mẫu) xác định mô đun đàn hồi thí nghiệm của mỗi lớp đó theo cách nêu ở trên. Khi đó trị số E_tn chung của cả nền đường được tính theo công thức sau:
   

trong đó: là mô đun đàn hồi thí nghiệm nén một trục nở hông tự do của các lớp đất tương ứng ở các độ sâu 0,0m, 1D, 2D, 3D, 4D (D là đường kính của vệt bánh xe tính toán trên mặt đường).

4. 
   Với phương pháp này, trị số mô đun đàn hồi tính toán của đất nền E_o phải điều chỉnh theo biểu thức:
   

trong đó:

E_tn được xác định theo (B-5) hoặc (II – 6) và hệ số K_n =1,3. Hệ số này để xét đến việc thí nghiệm ở trong phòng trên các mẫu nhỏ thường cho kết quả nhỏ hơn so với kết quả thí nghiệm bằng các tấm ép lớn tại hiện trường.

A.8.2. Trị số mô đun đàn hồi thí nghiệm của đất nền cũng có thể được xác định theo phương pháp ép lún có hạn chế nở hông bằng máy nén đòn bẩy, nhất là trong trường hợp đất kém dính, không đúc được mẫu để ép theo cách nở hông tự do như trên.

Theo phương pháp này mẫu được chế bị và khi thí nghiệm vẫn được đặt trong khuôn hình trụ có đường kính không nhỏ hơn 4 lần và chiều cao không nhỏ hơn 3 lần so với đường kính tấm ép. Đường kính tấm ép nên dùng là 4-5 cm, do vậy cũng thường dùng khuôn 15x15 hoặc 15x20cm. Yêu cầu về việc chuẩn bị mẫu giống như nêu ở B.5.1. Khối lượng đất và nước trộn với tỷ lệ được tính toán trước và sau khi trộn đều chia làm 3-4 lần để đổ vào khuôn; mỗi lần đều dùng chùy sắt đầm chặt đến vạch dự tính trước để đạt độ chặt tính toán. Nên tạo mẫu cao hơn mặt khuôn độ 2cm sau đó dùng dây thép con cắt bằng mặt khuôn để đặt tấm ép khi thí nghiệm. Do vậy phải dùng khuôn có lắp đoạn khuôn mũ.

Khi thí nghiệm, lắp đặt mẫu và các đồng hồ đo chuyển vị như sơ đồ ở Hình B-1 (máy nén kiểu đòn bẩy).

Tải trọng được chuyển qua tấm ép đặt ở trung tâm mẫu và chất tải trọng theo từng cấp (3-4 cấp) cho đến cấp lớn nhất là p=0,20 0,2,5 MPa. Cứ mỗi cấp, đợi cho biến dạng không quá 0,01mm/phút, lại dỡ tải và cũng đợi cho biến dạng hồi phục ổn định (với tốc độ trên) thì đọc trị số ở đồng hồ đo chuyển vị để xác định biến dạng hồi phục sau mỗi cấp. Trị số mô đun đàn hồi thí nghiệm E_tn của mỗi mẫu được xác định theo công thức sau:


Hình B-1: Sơ đồ lắp đặt tấm ép và thiên phân kế

1. Đồng hồ đo chuyển vị; 2. Tấm ép; 3. Khuôn có mẫu đất

trong đó: l là biến dạng hồi phục đo được tương ứng với áp lực tính toán MPa (p=0,200,2,5 MPa); D là đường kính tấm ép; là hệ số Poisson, với đất =0,35.

Trị số E_tn sử dụng cũng phải là kết quả trung bình của 3 mẫu như trường hợp thí nghiệm nén 1 trục nở hông tự do nêu trên.

Sau khi có E_tn, lại sử dụng công thức B-6 và B-7 để xác định trị số mô đun đàn hồi tính toán của nền đất như với trường hợp nếu một trục nở hông tự do nêu trên.

Trị số lực dính c và góc ma sát của nền đất được xác định bằng thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước với các mẫu đất hình trụ tròn được chế bị ở trạng thái ẩm và chặt bất lợi nhất với diện tích mẫu khoảng 40 cm² (đường kính không nhỏ hơn 70mm) và cao 30-35mm. Yêu cầu đối với thí nghiệm cắt có thể tham khảo quy trình thí nghiệm cơ học đất thông thường (kể cả yêu cầu về số mẫu và cách xử lý số liệu thí nghiệm).

3. 
   : XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH TOÁN CỦA VẬT LIỆU LÀM CÁC LỚP KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
   

Trị số của các đặc trưng này phải được xác định tùy thuộc trường hợp tính theo tiêu chuẩn cường độ khác nhau tương ứng với nhiệt độ tính toán khác nhau như đề cập ở mục 3.1.5. Ở Bảng C-1 là các trị số trung bình (tham khảo) được sử dụng theo chỉ dẫn ở các mục 3.4.7, 3.5.5 và 3.5.4.

Bảng C-1: Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa

Loại vật liệu	Mô đun đàn hồi E (MPa) ở nhiệt độ			Cường độ chịu kéo uốn Rku (Mpa)
	10 – 15oC	30oC	60oC
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 50%) Bê tông nhựa chặt (đá dăm 35%) Bê tông nhựa chặt (đá dăm 20%) Bê tông nhựa rỗng Bê tông nhựa cát Đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn Thấm nhập nhựa Đá, sỏi trộn nhựa lỏng	1800 - 2200 1600 - 2000 1200 - 1600 1200 - 1600 800 - 1000 400 - 600 400 - 500	420 350 280 320 225 350 280 - 320 220 - 250	300 250 200 250 190	2,4 2,8 1,6 2,0 1,2 1,6 1,2 1,6 1,1 1,3