Giáo trình Thiết kế đường ô tô (Phần 2)

¸ 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 trọng xe tác động lên mặt đường: - Tải trọng động. - Tải trọng tác dụng đột ngột tức thời (xung kích và ngắn hạn) - Tải trọng trùng phục được lặp đi lặp lại nhiều lần (phát sinh hiện tượng mỏi của vật liệu).  Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của kết cấu nền áo đường: - Thời gian tác dụng của tải trọng: nếu cùng tải trọng tác dụng như nhau thì thời gian tác dụng càng lâu sinh ra biến dạng càng lớn. + Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy đối với các lớp tầng mặt 0.02s với vận tốc V>50Km/h. + Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy đối với các lớp tầng móng 0.1-0.2s với vận tốc V>50Km/h. Trong thời gian tác dụng đó tải trọng thay đổi từ 0p0. - Trị số của tải trọng: nếu cùng thời gian tác dụng như nhau thì tải trọng tác dụng càng lớn sinh ra biến dạng càng lớn. - Tốc độ gia tải: tốc độ gia tải càng chậm thì biến dạng do nĩ gy ra cng lớn. Do đất và các lớp vật liệu áo đường là loại vật liệu đàn hồi nhớt dẻo nên dưới tác dụng của tải trọng động, trùng phục sẽ phát sinh hiện tượng mỏi và có tích lũy biến dạng dư. Nên tìm cách tạo điều kiện đất dưới đáy áo đường trở nên biến cứng là không còn tích lũy biến dạng dư nữa. 5.4. CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM, NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN: 1.4.1.Các hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm: Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, khi đạt đến cường độ giới hạn, trong kết cấu áo đường mềm sẽ xảy ra các hiện tượng sau: (hình 5.5) - Ngay dưới mặt tiếp xúc của bánh xe, mặt đường sẽ bị lún (ứng suất nén) 93 - Xung quanh chỗ tiếp xúc sẽ phát sinh trượt dẻo (ứng suất cắt). - Trên mặt đường xuất hiện các đường nứt hướng tâm bao tròn, xa hơn một chút vật liệu bị đẩy trồi, mặt đường có thể bị gãy vỡ và phần đáy của áo đường bị nứt (ứng suất kéo). Kết luận rút ra sau khi phân tích sơ đồ phá hoại: - Biến dạng của kết cấu áo đường mềm là kết quả tác động của nhiều yếu tố xảy ra cùng 1 lúc hay là yếu tố nọ tiếp sau ngay yếu tố kia. - Trong khu vực hoạt động của nền đường dưới tác dụng của tải trọng xe, toàn bộ kết cấu nền mặt bị biến dạng và áo đường bị lún xuống dưới dạng đường cong gọi là vòng tròn lún với độ lún là l. Các lớp áo đường càng dày càng cứng thì áp lực xe truyền xuống phân bố trên diện tích rộng hơn, áp lực truyền xuống móng nền đất nhỏ hơn và ngược lại kết cấu áo đường càng mỏng, càng mềm thì áp lực của bánh xe truyền xuống càng sâu trên diện phân bố nhỏ hơn. - Độ lún càng lớn ứng suất kéo dưới bề mặt các lớp vật liệu càng lớn. - Độ lún của áo đường đặc trưng cho độ cứng, cho khả năng chống biến dạng của kết cấu áo đường, bản thân độ cứng không thể đặc trưng cho khả năng chống biến dạng của áo đường được nhưng nó có liên quan đến cường độ (khả năng chống biến dạng), tới ứng suất kéo uốn của các lớp vật liệu liền khối, tới ứng suất gay trượt trong nền đất, trong các lớp vật liệu rời rạc và trong các lớp đá nhựa ở nhiệt độ cao. Vì lẽ đó có thể xem độ lún, môđun đàn hồi như các chỉ tiêu về cường độ của kết cấu áo đường. Việc đo đạc xác định độ lún cũng đơn giản hơn so với xác định ứng suất kéo uốn, ứng suất cắt. Tuy nhiên vì quan hệ giữa độ lún, ứng suất cắt, ứng suất kéo uốn không phải là tuyến tính và phụ thuộc vào cấu tạo kết cấu áo đường nên việc tính toán kết cấu áo đường theo 3 trạng thái giới hạn là cần thiết. 94 5.4.2.Yêu cầu tính toán: Yêu cầu của việc tính toán là kiểm tra xem các phương án, cấu tạo kết cấu áo đường có đủ cường độ không, đồng thời tính toán xác định loại bề dày cần thiết của mỗi lớp kết cấu và có thể phải điều chỉnh lại bề dày của mỗi lớp theo kết quả tính toán. Kết cấu nền áo đường mềm được xem là đủ cường độ nếu như trong suốt thời hạn thiết kế dưới tác dụng của ô tô nặng nhất và của toàn bộ dòng xe trong bất kỳ lớp nào (kể cả nền đất) cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá vỡ và độ võng đàn hồi của kết cấu không vượt quá trị số cho phép. 5.4.3.Các tiêu chuẩn cường độ Theo yêu cầu nêu trên, nội dung tính toán chính là tính toán kiểm tra 3 tiêu chuẩn cường độ dưới đây: - 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 các 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. Tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo hạn chế được sự phát triển của hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, do đó bảo đảm duy trì được khả năng phục vụ của cả kết cấu đến hết thời hạn thiết kế. 1.4.4. Cơ sở của phương pháp tính toán: Cơ sở của phương pháp tính toán theo 3 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 hoá 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. 5.5.TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN VÀ SỐ TRỤC XE TÍNH TOÁN: 1.5.1.Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn: Khi tính toán cường độ của kết cấu nền áo đường theo 3 tiêu chuẩn nêu trên, tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, trên đường ô tô các cấp thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở xuống. Riêng đối với kết cấu áo đường trên các đường trục chính đô thị và một số đường cao tốc thì tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn trọng lượng 120 kN. Các tải trọng tính toán này được tiêu chuẩn hoá như ở Bảng 5.5. Bảng 1.5: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 95 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn, P (kN) Áp lực tính toán lên mặt đường, p (Mpa) Đường kính vệt bánh xe, D (cm) 100 0.6 33 120 0.6 36 5.5.2.Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán: Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau: - Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 ); - Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25 kN trở lên; - Bất kể loại xe gì khi khoảng cách giữa các trục  3,0m thì việc quy đổi được thực hiện riêng rẽ đối với từng trục; - Khi khoảng cách giữa các trục  3,0m (giữa các trục của cụm trục) thì quy đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như một trục với việc xét đến hệ số trục C1 như ở biểu thức (5.2). Theo các quy định trên, việc quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau: 4,4 2 1 1 ).(.. tt I i k i P P nCCN    ; (5.1) Trong đó: + N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ngày đêm); + ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất). Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy; + C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức (1.2): C1=1+1,2(m-1); (1.2) Với m là số trục của cụm trục i; + C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2=6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2=1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2=0,38. 5.5.3.Số trục xe tính toán trên một làn xe: Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn (hoặc trục xe nặng nhất tính toán) sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường 96 thiết kế trong một ngày đêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kỳ bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết kế tuỳ thuộc loại tầng mặt dự kiến lựa chọn cho kết cấu áo đường. Xác định Ntt theo biểu thức (1.3): Ntt = Ntk . fl (trục/làn.ngày đêm); (1.3) Trong đó: - Ntk: là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế. Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (5.1) nhưng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều được lấy số liệu ở năm cuối của thời hạn thiết kế và được lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùa mưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm (nếu ni trung bình cả năm lớn hơn ni trung bình trong mùa mưa) ; - fl: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe được xác định: + Trên phần xe chạy chỉ có 1 làn xe thì lấy fl = 1,0; + Trên phần xe chạy có 2 làn xe hoặc 3 làn nhưng không có dải phân cách thì lấy fl =0,55; + Trên phần xe chạy có 4 làn xe và có dải phân cách giữa thì lấy fl =0,35; + Trên phần xe chạy có 6 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy fl=0,3; + Ở các chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn phải được tính với hệ số fl = 0,5 của tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút. 5.5.4.Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn tính toán: (trục) (1.4) Với: q:tỷ lệ tăng trưởng lượng giao thông trung bình năm. t: thời hạn tính toán (năm) Ntt: tính theo công thức 1.3 5.6.TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ KẾT CẤU NỀN ÁO ĐƯỜNG THEO TIÊU CHUẨN ĐỘ VÕNG ĐÀN HỒI CHO PHÉP: 1.6.1.Điều kiện tính toán: Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường (hoặc của kết cấu áo lề có gia cố) Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng K dv cd được xác định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn Ech  K dvcd . Eyc ; (5.5) ttt t e N qq q N      365 )1( ]1)1[( 1 97 Hệ số cường độ về độ võng K dv cd trong (5.5) được chọn tuỳ thuộc vào độ tin cậy thiết kế như ở Bảng 5-8. Bảng 5-8: Xác định hệ số cường độ về độ võng phụ thuộc độ tin cậy Độ tin cậy 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 Hệ số cường độ K dvcd 1,29 1,17 1,10 1,06 1,02 Có thể chọn độ tin cậy thiết kế đối với các loại đường và cấp hạng đường như ở Bảng 5.9 theo nguyên tắc đường có tốc độ thiết kế càng cao, thời hạn thiết kế càng dài thì chọn độ tin cậy càng cao nhưng không được nhỏ hơn trị số nhỏ nhất ở Bảng 5.9. Ngoài ra, chủ đầu tư có thể căn cứ vào yêu cầu sử dụng để tự lựa chọn độ tin cậy muốn có cho công trình. Bảng 5.9 : Lựa chọn độ tin cậy thiết kế tuỳ theo loại và cấp hạng đường Loại, cấp hạng đường Độ tin cậy thiết kế 1. Đường cao tốc 0,90 , 0,95 , 0,98 2. Đường ô tô - Cấp I, II - Cấp III, cấp IV - Cấp V, VI 0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95 0,80 , 0,85 , 0,90 3. Đường đô thị - Cao tốc và trục chính đô thị - Các đường đô thị khác 0,90 , 0,95 , 0,98 0,85 , 0,90 , 0,95 4. Đường chuyên dụng 0,80 , 0,85 , 0,90 5.6.2.Xác định trị số môdun đàn hồi yêu cầu: Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu được xác định theo Bảng 5-10 tuỳ thuộc số trục xe tính toán Ntt xác định theo biểu thức (5.3) và tuỳ thuộc loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế. Bảng 5.10: Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Loại tải trọng trục tiêu chuẩn Loại tầng mặt Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc (MPa), tương ứng với số trục xe tính toán (xe/ngày đêm/làn) 10 20 50 100 200 500 100 0 200 0 500 0 700 0 10 Cấp cao A1 133 147 160 178 192 207 224 235 Cấp cao A2 91 110 122 135 153 98 Cấp thấp B1 64 82 94 12 Cấp cao A1 127 146 161 173 190 204 218 235 253 Cấp cao A2 90 103 120 133 146 163 Cấp thấp B1 79 98 111 Trong mọi trường hợp trước hết đều phải tiến hành điều tra dự báo lượng giao thông để từ đó xác định ra trị số mô đun đàn hồi yêu cầu tuỳ theo số trục xe tính toán như ở Bảng 5.10 rồi sau đó mới so sánh với trị số ở Bảng 5.11 và chọn trị số lớn hơn làm trị số Eyc thiết kế. Bảng 5.11: Trị số tối thiểu của mô đun đàn hồi yêu cầu (MPa) Loại đường và cấp đường Loại tầng mặt của kết cấu áo đường thiết kế Cấp cao A1 Cấp cao A2 Cấp thấp B1 1. Đường ô tô - Đường cao tốc và cấp I - Đường cấp II - Đường cấp III - Đường cấp IV - Đường cấp V - Đường cấp VI 180 (160) 160 (140) 140 (120) 130 (110) 120 (95) 100 (80) 80 (65) 75 Không quy định 2. Đường đô thị - Đường cao tốc và trục chính - Đường chính khu vực - Đường phố - Đường công nghiệp và kho tàng - Đường xe đạp, ngõ 190 155 120 155 100 130 95 130 75 70 100 50 1.6.3.Xác định trị số môdun đàn hồi chung:  Đối với hệ 2 lớp: 99 Hình 5.6 Sơ đồ hệ 2 lớp Biết các trị số 1 0 E E và D H tra toán đồ hình 5.7 ta được tỷ số 1E Ech , từ đó tính ra được Ech. Hình 5-7: Toán đồ để xác định mô đun đàn hồi chung của hệ 2 lớp Ech  Đối với hệ nhiều lớp: 100 Hình 5-8: Sơ đồ đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp Vì kết cấu áo đường mềm thường có nhiều lớp nên cần quy đổi về hệ 2 lớp để áp dụng dạng toán đồ hình 5.7. Việc quy đổi được thực hiện đối với 2 lớp một từ dưới lên theo sơ đồ ở hình 5.8 và biểu thức (5.6) 3 3 1 1 ' 1 .1            k tk EE tb ; (5.6) Trong đó: k =h2/h1; t =E2/E1 với h2 và h1 là chiều dày lớp trên và lớp dưới của áo đường; E2 và E1 là mô đun đàn hồi của vật liệu lớp trên và lớp dưới. Việc đổi hệ nhiều lớp và hệ 2 lớp được tiến hành từ dưới lên, có hai lớp vật liệu quy đổi về một lớp bề dày H’ = h1 + h2 và có trị số mô đun đàn hồi E ' tb tính theo (5.6). Sau đó lại xem lớp H’ (với E 'tb ) là lớp dưới và tiếp tục quy đổi nó cùng với lớp trên nó thành một lớp có bề dày H = H’+ h3 và E ' tb tính theo (5.6) nhưng với E ' tb lớp này đóng vai trò E1 và K = h3/H’, t=E3/E ' tb . Sau khi quy đổi nhiều lớp áo đường về một lớp thì cần nhân thêm với Etb một hệ số điều chỉnh  xác định theo bảng 5.12 để được trị số E dctb : E dctb = . E ' tb (5.7) với  =1,114.(H/D)0,12 (5.8) Bảng 5.12: Hệ số điều chỉnh  Tỷ số H/D 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Hệ số  1,033 1,069 1,107 1,136 1,178 1,198 1,210 Lưu ý H là bề dày toàn bộ của kết cấu áo đường; D là đường kính vệt bánh xe tính toán. Khi H/D >2 thì có thể tính  theo biểu thức (5.8). Trường hợp kết quả tính E dctb > E1 hoặc E dc tb >E2 thì lấy giá trị E dc tb bằng giá trị lớn nhất của hai giá trị E1 và E2. Trị số E dctb tính theo (5.7) dùng để tính toán tiếp trị số Ech của cả kết cấu theo toán đồ hình 5.4. 101 1.6.4.Xác định trị số môdun đàn hồi của nền E0: Ở giai đoạn thiết kế kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi công đối với kết cấu áo đường mới, tư vấn thiết kế phải dự tính và kịp thời bố trí đo ép tại hiện trường bằng bản ép đường kính 33cm để xác định trị số của mô đun đàn hồi E0 theo phương pháp chỉ dẫn ở Phụ lục D Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06. (Phần này sẽ được học trong môn Quản lý khai thác và bảo dưỡng đư... (oC) thì trong tấm bê tông sẽ sinh ra ứng suất uốn vồng tính theo các công thức sau:     tCCE yxtt        212 (6-9)     tCCE xytn        212 (6-10)  212      txc E tC (6-11) trong đó: t – ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở giữa tấm, daN/cm2 n – ứng suất uốn vồng theo hướng ngang ở giữa tấm, daN/cm2 c – ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở cạnh tấm, daN/cm2 t – chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm bê tông, có thể lấy t = 0,84h.  - hệ số poát xông của bê tông,  = 0,15. Et - Mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu tác dụng của sự chênh lệch nhiệt độ lâu dài(từ 6 - 9 giờ),thường lấy bằng 0.6 Eb là mô đun đàn hồi của bê tông,daN/cm2. 124  -Hệ số giãn dài do nhiệt độ của bê tông  =10-5 C l Cx, Cy – các hệ số có trị số thay đổi theo tỉ số L/l và B/l, tra bảng 6.10 hoặc toán đồ hình 6.6; L – chiều dài tấm bê tông (tức khoảng cách giữa hai khe co); B – chiều rộng tấm bê tông; l – bán kính độ cứng của tấm bê tông xác định theo công thức: 36,0 m ch E E hl  (6-12) Với : h-chiều dày tấm bê tông E-Mô đun đàn của bê tông,daN/cm2; mchE – Mô đun đàn hồi trên mặt móng,daN/cm 2 (Xác định như hương dẫn ở 6.4.5) Hình 6.6 Toán đồ tra các hệ số Cx, Cy Bảng 6.10 Khi kiểm toán tác dụng phối hợp của ứng suất do nhiệt độ và ứng suất do tải trọng xe chạy, nếu ứng suất tổng hợp lớn hơn cường độ chịu uốn cho phép của bê tông thì phải giảm bớt chiều dài tấm hoặc tăng chiều dày giả định của tấm rồi kiểm toán lại với ứng suất tổng hợp. 2.4.3. Tính toán côt thép tăng cường ở cạnh tấm: Khi dùng tấm bê tông tiết diện không đổi chiều dày h1(ứng với 1 ở bảng 6.5) có cốt thép tăng cường ở cạnh tấm, tiết diện cốt thép được tính theo phương pháp gần đúng (xem hình 6.7) 125 Hình 6.7 Lực phụ thêm tác dụng lên một dải rộng 100cm ở gần cạnh tấm mà cốt thép phải thu nhận được xác định dựa trên giả thiết là ứng suất  2 ở cạnh tấm giảm dần đến  1 ở giữa tấm (trong phạm vi 100 cm đó)và tính theo công thức: 100* 42 1 21 hQ            Nếu xem 12 5.1   Thì hQ 125.6  ( 1,  2 –Ứng suất do tải trọng gây ra trong tấm bê tông trong trường hợp tải trọng tác dụng ở giữa tấm và ở cạnh tấm). Diện tích tiết diện cốt thép cần thiết để thu nhận lực phụ thêm trên đây là: ][ a Q F   Với [ a] là ứng suất chịu kéo cho phép của cốt thép (daN/cm2).Căn cứ vào F (cm2)để tính ra số thanh cốt thép cần phải bố trí trong phạm vi 80cm kể từ mép vào. Thường dùng cốt thép có đường kính từ 10-14 mm. Trường hợp tổng diện tích cốt thép bằng nhau nên sử dụng loại cốt thép tiết diện nhỏ với số thanh tương đối nhiều, nhưng phải đảm bảo bố trí khoảng cách giữa các thanh cốt thép không nhỏ hơn 10 cm, lớp bảo hộ của cốt thép cách đáy tấm bê tông 4 1 h và không nhỏ hơn 5cm, sơ đồ cốt thép ở mép tấm như vẽ ở hình 6.8. Hình 6.8 2.4.4. Xác định mô đun đàn hồi chung trên mặt lớp móng Emch 126 Lớp móng và nền đất được xem như một hệ bán không gian đàn hồi hai lớp và việc tính mô đun đàn hồi chung trên mặt lớp móng được tính theo hướng dẫn ở “Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm” 22 TCN-211-06. Chú ý rằng trong khi áp dụng toán đồ nói trên để tính toán thì trị số D-đường kính tương đương của vệt bánh xe tính toán phải thay bằng giá trị số Dm xác định theo công thức sau để xét đến sự phân bố tải trọng của tấm bê tông xi măng ở trên: Dm=D + h (cm) Với :h – Bề đày tấm bê tông xi măng (cm). Khi tính toán mchE các trị số mô đun đàn hồi tính toán của vật liệu móng và của nền đất cũng được xác định như ở tiêu chuẩn 22TCN 211-06. 2.4.5. Tính chiều dầy lớp móng bê tông xi măng. Dưới tác dụng lặp lai của tải trọng, đất nền đường có thể bị biến dạng dẻo. Lớp móng dưới mặt đường bê tông xi măng phải đảm bảo cho trong đất nền đường phía dưới không xuất hiện biến dạng dẻo (không bị trượt) với điều kiện:  am + ab  kC Trong đó:  am – Ứng suất cắt (trượt) hoạt động lớn nhất do hoạt tải gây ra;  ab –Ứng suất do tĩnh tải (trọng lượng bản thân của các lớp kết cấu ở trên) gây ra; C- Lực dính tiêu chuẩn của đất; k- Hệ số tổng hợp đặc trưng cho điều kiện làm việc của kết cấu mặt đường : k=k1 k’ với k’ –hệ số xét đến ảnh hưởng của sự lặp lại tải trọng (Bảng 6.12), k1 hệ số xét đến sự không đồng nhất của điều kiện làm việc của mạt đường cứng theo chiều dài đường, lấy theo Bảng 6.11. 127  am: được xác định theo toán đồ hình 6.9.  ab: được xác định theo toán đồ Hình 6.10. 128 CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ NÚT GIAO THÔNG 2.17. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI. 2.17.1. Yêu cầu chung:  Nút giao thông là nơi tập trung nhiều xung đột, nhiều tai nạn, gây nên ách tắc. Nhiệm vụ thiết kế nút giao thông là giải quyết các xung đột (hoặc triệt để hoặc có mức độ) để nhằm các mục tiêu: - Đảm bảo một năng lực thông xe qua nút một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng dòng xe qua nút; - Đảm bảo an toàn giao thông; - Có hiệu quả về kinh tế; - Đảm bảo mỹ quan và vệ sinh môi trường. Hai mục tiêu đầu tiên là quan trọng hàng đầu nhất thiết phải đảm bảo. Hình 7.1 Quang cảnh giao thông lộn xộn tại một ngả tư  Khi thiết kế các nút giao thông phải xét đến các yếu tố sau: a) Các yếu tố về giao thông: - Chức năng của các đường giao nhau trong mạng lưới đường; - Lưu lượng xe: xe qua nút, xe các luồng rẽ, hiện tại (nút đang sử dụng), dự báo (20 năm cho xây dựng cơ bản, 5 năm cho tổ chức giao thông ngắn hạn); lưu lượng xe trung bình ngày đêm, lưu lượng xe giờ cao điểm; - Thành phần dòng xe, đặc tính các xe đặc biệt; - Lưu lượng bộ hành; - Các bến đỗ xe trong phạm vi của nút giao thông (nếu có). 129 b) Các yếu tố về vật lý: - Địa hình vùng đặt nút giao thông và các điều kiện tự nhiên; - Các quy hoạch trong vùng, điều kiện thoát nước; - Góc giao các tuyến và khả năng cải thiện; - Các yêu cầu về môi trường và mỹ quan. c) Các yếu tố về kinh tế: - Các chi phí xây dựng, bảo dưỡng; - Chi phí đền bù, giải phóng mặt bằng; - Các chỉ tiêu phân tích kinh tế kỹ thuật. d) Các yếu tố về cảnh quan; e) Các yếu tố về con người: - Thói quen, ý thức kỷ luật, kỹ năng của đội ngũ lái xe; - Ý thức kỷ luật, trình độ xã hội của người sử dụng đường và của cư dân ven đường. 2.17.2. Phân loại nút giao thông: Phân loại: căn cứ vào phương pháp hóa giải các xung đột mà phân ra các loại hình nút giao thông:  Nút giao thông khác mức, dùng công trình (hầm hay cầu) cách ly các dòng xe để hóa giải xung đột. Có hai loại chính: - Nút khác mức liên thông: trong nút có các nhánh nối để xe có thể chuyển hướng; - Nút vượt (nút trực thông): không có nhánh nối. Các luồng xe chủ yếu qua nút nhờ công trình để cách ly các luồng xe khác. 130 Hình 7.2 Mô hình nút giao thông khác mức (Đại lộ Đông Tây và Xa lộ Hà Nội)  Nút giao thông cùng mức: - Nút đơn giản: các xung đột còn có thể chấp nhận được (khi lưu lượng xe rẽ dưới 30 xcqđ/h và tốc độ xe rẽ dưới 25 km/h). Loại hình này có thể có mở rộng hay không mở rộng; - Nút kênh hóa khi một số luồng xe rẽ có yêu cầu (về lưu lượng rẽ và tốc độ xe rẽ), các làn xe rẽ đó sẽ được tách riêng, có bảo hộ (bằng đảo, bằng vạch kẻ và nút đó được gọi là nút kênh hóa). Loại nút kênh hóa sẽ ấn định được góc giao có lợi cho xung đột, tạo diện tích cho xe chờ cơ hội trước khi cắt các dòng xe khác; - Nút hình xuyến: chuyển các xung đột nguy hiểm kiểu giao cắt thành xung đột trộn dòng. Hình 7.3 Nút giao thông hình xuyến (Vòng xoay Phú Lâm) 131  Nút điều khiển bằng tín hiệu đèn: cách ly các luồng xe xung đột bằng cách phân chia theo thời gian. Loại hình này không khuyến khích sử dụng trên đường ô tô, nhất là khi tốc độ tính toán trên 60 km/h. 2.17.3. Lựa chọn loại hình nút giao thông. Việc lựa chọn loại hình chủ yếu căn cứ vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, phát huy sự sáng tạo của người thiết kế, khi cần có thể tham khảo các số liệu theo lưu lượng xe trong nút giao thông qui định ở bảng 7.1. Bảng 7.1  Phạm vi sử dụng các loại hình nút giao thông Lưu lượng xe trên đường chính, xcqđ/nđ Lưu lượng xe trên đường phụ, xcqđ/nđ Nút đơn giản Nút kênh hóa Các loại hình khác Có đảo trên đường phụ Có đảo, làn chờ và làn đón xe rẽ trái trên đường chính  1 000  500 500  1 000    2 000  500 500  2 000    3 000  450 450  1 000 1 000  1 700  1 700  4 000  250  250 250  1 200 > 1 200  5 000   700 > 700 > 5 000   400 > 400 2.18. NÚT GIAO CÙNG MỨC. 2.18.1. Phân tích tình hình giao thông ở nút: Trong nút giao thông thường xảy ra các trường hợp xung đột (tách, nhập, cắt) của các dòng xe. Mỗi nút giao thông lại có các điểm xung đột khác nhau. Người ta dùng khái niệm “mức độ phức tạp” để đánh giá các nút. Mức độ phức tạp (M) được xác định theo công thức sau : M = nt + 3. nn + 5.nc nt , nn , nc – số điểm tách, nhập và cắt trong nút - Điểm tách : là điểm các xe đang chạy trên cùng một hướng tách ra các hướng khác nhau. Tại vị trí tách, các xe có thể phải giảm vận tốc do thay đổi quỹ đạo chuyển động và chờ các cơ hội thuận tiện (do các dòng xe khác) để có thể tách. So với nhập và cắt thì điểm tách ít nguy hiểm nhất. - Điểm nhập : là điểm tại đó xe đang chạy từ hai hướng nhập thành một hướng. Tại vị trí nhập các xe phải giảm tốc độ để tìm cơ hội nhập, có khi phải dừng hẳn để chờ nhập. Nếu không cẩn thận khi nhập các xe có thể gây nguy hiểm cho nhau. 132 - Điểm cắt : là điểm giao nhau của các dòng xe. Điểm cắt là điểm có ảnh hưởng nhiều nhất, nó là nguyên nhân chính gây ra tai nạn, ùn tắc và giảm vận tốc xe chạy. Trong các điểm cắt thì cắt do rẽ trái gây ra nguy hiểm nhất, trong giải pháp thiết kế nút giao thông phải chú ý đúng mức trường hợp này. Số điểm cắt (N) tăng lên tỷ lệ với số đường giao nhau và có thể xác định tính theo công thức sau : 6 )2n()1n(n N 2   Trong đó : n là số đường giao đi vào nút; n = 3 với ngã ba; n = 4 với ngã tư Đánh giá mức độ phức tạp của nút như sau : Khi M < 10 : nút rất đơn giản M = 10  25 : nút đơn giản M = 25  55 : nút phức tạp vừa M > 55 : nút phức tạp Nhận xét : việc đánh giá nút giao thông theo mức độ phức tạp chưa xét đến cường độ dòng xe (số làn xe), vận tốc xe, thành phần, kích thước dòng xe, khoảng cách các điểm xung đột, quỹ đạo chuyển động của các dòng xe (góc giao nhau giữa các dòng xe) Tuy nhiên trong thực tế việc điều chỉnh mức độ phức tạp là một giải pháp ít tốn kém và nhiều khi rất hiệu quả, xem hình sau : 133 Để giảm mức độ phức tạp thì có thể dùng các biện pháp sau : - Đặt đèn tín hiệu (hoặc có cảnh sát giao thông) để điều khiển xe chạy, làm cho tại mỗi thời điểm chỉ cho phép xe chạy theo một số hướng nào đó, như hình trên. - Bố trí hợp lý các đảo giao thông, biến điểm cắt thành tách hoặc nhập (kiểu nút giao thông hình xuyến). - Tổ chức giao thông một chiều trên đường phố. - Dùng nút giao thông khác mức. 2.18.2. Yêu cầu, nội dung và nguyên tắc thiết kế nút giao thông cùng mức: Yêu cầu cơ bản khi thiết kế nút giao thông cùng mức là : đảm bảo người và xe cộ đi lại an toàn và thông suốt, bảo đảm thoát nước mặt nhanh chóng. Khả năng thông xe và độ an toàn tại nút phần lớn quyết định ở hình thức nút và cách tổ chức giao thông. Cho nên khi thiết kế nút, việc trước tiên là chọn hình thức nút và biện pháp tổ chức giao thông. Nội dung chủ yếu thiết kế nút giao thông là : - Chọn hình thức nút giao thông, xác định kích thước các bộ phận của nút (chiều rộng phần xe chạy, đảo giao thông, dải trồng cây, bán kính bó vỉa ); - Bố trí hợp lý thiết bị giao thông : đèn tín hiệu, dấu hiệu giao thông, đèn chiếu sáng, điểm đỗ xe công cộng, chỗ người qua đường, - Thiết kế chiều đứng nút giao thông, bố trí giếng thu nước, cống thoát nước. Nguyên tắc thiết kế : 134 - Đảm bảo người lái xe phát hiện kịp thời nút và có chuẩn bị tư tưởng trước khi vào nút, không nhận sai phương hướng. Bố trí đảo ở nút, trên đó trồng cây thấp hoặc tượng đài, dùng dấu hiệu giao thông mặt đường, ban đêm chiếu sáng nhiều hơn - Đảm bảo tầm nhìn : tầm nhìn là nhân tố cơ bản an toàn ở nút. Trong phạm vi 0,6 – 2,0 m theo chiều đứng các chướng ngại vật cần được phát quang. Không được để xe đỗ gần nút, không để biển quảng cáo, dấu hiệu giao thông, cây trồng che khuất tầm nhìn. - Đảm bảo cho các dòng xe cắt nhau theo một góc 90O hay gần 90O giúp người lái xe có thể nhìn tốt hơn, ước lượng tốc độ xe trên đường ngang chính xác hơn. Với góc giao như vậy, có thể giảm được chiều dài qua đường. - Cần làm rõ vị trí các điểm xung đột để người lái xe hay người qua đường biết mà chú ý. - Giảm nhỏ diện tích mặt đường ở nút để giảm thời gian xe chạy qua nút, bảo đảm an toàn cho người qua đường. Để khắc phục tình trạng này, có thể chia nút giao thông phức tạp thành một số nút đơn giản hơn như hình sau : 135 - Đơn giản hóa các đường xe chạy, giảm thiểu các điểm xung đột bằng nhiều biện pháp như : cho xe chạy 1 chiều, cấm rẽ trái, bịt đường nhánh, tách nút giao thông phức tạp thành một số nút đơn giản - Bố trí hợp lý các đảo giao thông. Không nên lạm dụng bố trí nhiều dễ làm lái xe mất phương hướng đồng thời mất mỹ quan. - Đảm bảo chiếu sáng ở nút ban đêm : có tác dụng an toàn, tăng mỹ quan. Mức độ nguy hiểm của xe chạy ban đêm gấp 2 – 3 lần xe chạy ban ngày. 2.19. NÚT GIAO THÔNG KHÁC MỨC. 2.19.1. Điều kiện để xây dựng nút giao thông khác mức: Dùng đèn tín hiệu để điều khiển hạn chế nhiều khả năng thông xe và tốc độ xe. Do đó, dùng nút giao thông khác mức cải thiện được rất nhiều điều kiện xe chạy. Tuy nhiên, dùng nút giao thông khác mức đòi hỏi chi phí lớn, mất nhiều diện tích. Cho nên cần xem xét kỹ các điều kiện sau đây để quyết định có nên dùng nút giao thông khác mức hay không. 1. Khi đường giao nhau có tiêu chuẩn kỹ thuật cao, có tốc độ xe lớn, như đường cao tốc giao nhau hoặc giao nhau với đường khác; 2. Cường độ xe qua nút rất lớn, thường xuyên phát sinh hiện tượng ùn tắc giao thông; 3. Khi đường giao nhau với đường sắt và bị ảnh hưởng rất nhiều; 4. Điều kiện địa hình cho phép xây dựng nút khác mức không tốn kém lắm 5. Kinh phí đầu tư bình quân năm để xây dựng nút khác mức phải nhỏ hơn tổn thất kinh tế hàng năm khi dùng nút cùng mức. 6. Thời gian thu hồi vốn khi xây dựng nút khác mức (T) : 136 mK KR T o    (năm) Trong đó : R – kinh phí đầu tư xây dựng nút khác mức (đồng) Ko – kinh phí đầu tư xây dựng nút cùng mức (đồng), rất nhỏ so với nút khác mức, có thể coi Ko  0; K – tổn thất kinh tế hàng năm khi dùng nút cùng mức (đồng) m – chi phí quản lýhàng năm nút khác mức (đồng) Nếu T = 6 – 10 năm có thể coi là hợp lý. 2.19.2. Phân loại :  Phân loại theo hình thức giao nhau : Có 2 hình thức giao nhau : đường hầm và cầu vượt. Xem hình sau : Tùy thuộc điều kiện địa hình, địa chất, thoát nước, thi công và tình hình xây dựng ở xung quanh nút mà chọn hình thức giao nhau thích hợp. Dùng đường hầm chiếm ít đất, mỹ quan nhưng chi phí xây dựng cao, thi công lâu, khó thoát nước, bụi đất dễ tập trung vào hầm, chi phí quản lý cao. Dùng cầu vượt thi công thuận lợi hơn nhưng chiếm nhiều đất và ảnh hưởng mỹ quan đường phố, thích hợp ở ngoại ô.  Phân loại theo điều kiện liên hệ giữa các đường giao nhau : - Nút không có sự liên hệ giữa các đường giao nhau. Có cấu tạo đơn giản, ít chiếm đất nhưng không tiện cho sử dụng. - Nút có các đường nối đảm bảo sự liên hệ giữa các đường giao nhau. Thuận tiện cho xe cộ đi lại, chuyển hướng, được dùng phổ biến nhưng phức tạp, chiếm nhiều diện tích và chi phí lớn. 7. 8 137  Phân loại theo mức độ khác mức : 7. 9 138 CHƯƠNG 8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 2.20. HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT: 2.20.1. Độ dốc ngang của mặt đường và lề đường: Độ dốc ngang của mặt đường dốc từ tim phần xe chạy về phía lề đường. Độ dốc ngang phụ thuộc vào loại mặt đường (bảng 8.1). Mặt đường càng ít bằng phẳng thì độ dốc ngang phải thiết kế càng lớn để đảm bảo nước không bị đọng thường xuyên trên mặt đường, ngấm vào mặt đường, lớp móng và nền đất. B¶ng 8.1  §é dèc ngang c¸c yÕu tè cña mÆt c¾t ngang YÕu tè mÆt c¾t ngang §é dèc ngang, % 1) PhÇn mÆt ®-êng vµ phÇn lÒ gia cè Bª t«ng xi m¨ng vµ bª t«ng nhùa 1,5 - 2,0 C¸c lo¹i mÆt ®-êng kh¸c, mÆt ®-êng l¸t ®¸ tèt, ph¼ng 2,0 - 3,0 MÆt ®-êng l¸t ®¸ chÊt l-îng trung b×nh 3,0 - 3,5 MÆt ®-êng ®¸ d¨m, cÊp phèi, mÆt ®-êng cÊp thÊp 3,0 - 3,5 2) PhÇn lÒ kh«ng gia cè 4,0 - 6,0 3) PhÇn d¶i ph©n c¸ch: tuú vËt liÖu phñ lÊy t-¬ng øng theo 1) Mặt khác, độ dốc ngang mặt đường càng lớn thì càng bất lợi cho xe chạy: xe có thể bị trượt khi trời mưa đường trơn, tải trọng xe phân bố không đều xuống các bánh xe, bánh xe mòn không đều. Do vậy khi thiết kế cần chọn độ dốc ngang tối thiểu để đảm bảo điều kiện thoát nước. Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn độ dốc ngang của mặt đường khoảng từ 1 – 2% (dao động trong phạm vi 3 – 6%). Cấu tạo lề đường thường làm bằng đất tự nhiên hoặc gia cố, vật liệu gia cố phải cùng loại vật liệu làm mặt đường. (hình 8.1) 2.20.2. Rãnh dọc (rãnh biên): 2.20.2.1. Khái niệm: Rãnh biên được xây dựng để thoát nước mưa từ mặt đường, lề đường, taluy nền đường đào và diện tích khu vực hai bên dành cho đường ở các đoạn nền đường đào, nửa đào nửa đắp, nền đường đắp thấp hơn 0,60 m. Kích thước của rãnh biên trong điều kiện bình thường được thiết kế theo cấu tạo định hình mà không yêu cầu tính toán thuỷ lực. Chỉ trường hợp nếu rãnh biên không những chỉ thoát nước bề mặt đường, lề đường và diện tích dải đất dành cho đường mà 139 còn để thoát nước lưu vực hai bên đường thì kích thước rãnh biên phải được tính toán theo công thức thuỷ lực, nhưng chiều sâu rãnh không được quá 0,80 m. Tiết diện của rãnh có thể là hình thang, hình tam giác, hình chữ nhật, nửa hình tròn (xem hình 8.2). Phổ biến dùng rãnh tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh 0,40 m, chiều sâu tính từ mặt đất tự nhiên tối thiểu là 0,30 m, taluy rãnh nền đường đào lấy bằng độ dốc taluy đường đào theo cấu tạo địa chất, taluy rãnh nền đường đắp là 1:1,5  3. Có thể dùng rãnh có tiết diện hình tam giác có chiều sâu 0,30 m, mái dốc phía phần xe chạy 1 : 3 và phía đối xứng 1 : 1,5 đối với nền đường đắp và 1 : m theo mái dốc m của nền đường đào; ở những nơi địa chất là đá có thể dùng tiết diện hình chữ nhật hay tam giác. a) b) c) 1 :m 1 1 :m 2 b h 0 Hình 8.2 Các tiết diện rãnh thường gặp a) Tiết diện hình thang; b) Tiết diện hình chữ nhật; c) Tiết diện hình tam giác. Để tránh lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát, độ dốc lòng rãnh không được nhỏ hơn 0,5 %, trong trường hợp đặc biệt, cho phép lấy bằng 0,3 %. Khi quy hoạch hệ thống thoát nước mặt chú ý không để thoát nước từ rãnh nền đường đắp chảy về nền đường đào, trừ trường hợp chiều dài nền đường đào ngắn hơn 100 m, không cho nước chảy từ các rãnh đỉnh, rãnh dẫn nước, v.v.. chảy về rãnh dọc và phải luôn luôn tìm cách tháo nước rãnh dọc về chỗ trũng, ra sông suối gần đường hoặc cho thoát qua đường nhờ các công trình thoát nước ngang đường (Hình 8.3). Đối với rãnh tiết diện hình thang cứ cách tối đa 500 m và tiết diện tam giác thì 250 m phải bố trí cống cấu tạo có đường kính cống 0,75m để thoát nước từ rãnh biên về sườn núi bên đường. Đối với các cống cấu tạo không yêu cầu tính toán thuỷ lực. Hình 8.3 Mặt đứng và mặt bằng chỗ thoát nước ngang 140 Nơi nước thoát từ rãnh biên nền đường đắp phải cách xa nền đường đắp. Nếu bên cạnh nền đường đắp có thùng đấu thì rãnh dọc của nền đường đào được thiết kế hướng dần tới thùng đấu. Nếu không bố trí thùng đấu thì rãnh dọc nền đường đào bố trí song song với tim đường cho tới vị trí nền đường đắp có chiều cao nền đắp lớn hơn 0,50 m thì bắt đầu thiết kế rãnh tách xa dần khỏi nền đường cho tới khi chiều sâu rãnh bằng không. Đối với vùng canh tác nông nghiệp, nếu kết hợp sử dụng rãnh làm kênh tưới tiêu thì phải tăng kích thước của rãnh dọc và phải có biện pháp đảm bảo nền đường không bị sụt lở và xói lở. Qua các khu dân cư, rãnh biên nên thiết kế loại rãnh xây đá hoặc bê tông và có lát các tấm đan che kín, có bố trí hệ thống giếng thu nước mưa.(Hình 8.4) Hình 8.4 Rãnh biên trong hầm nên thiết kế có kích thước lớn hơn thông thường để tăng khả năng thoát nước và sử dụng loại rãnh xây đá hoặc bằng bê tông. Ở những đoạn độ dốc của rãnh lớn hơn trị số độ dốc gây xói đất lòng rãnh phải căn cứ vào tốc độ nước chảy để thiết kế gia cố rãnh thích hợp (lát đá, xây đá, xây bê tông). Trong điều kiện cho phép nên gia cố lòng rãnh bằng lát đá khan hoặc xây đá không phụ thuộc vào độ dốc của rãnh để đảm bảo khả năng thoát nước của rãnh và giảm nhẹ công tác duy tu, bảo dưỡng rãnh. Hình 8.5 Mặt cắt ngang bố trí rãnh dọc hình thang 2.20.2.2. Những yêu cầu khi thiết kế rãnh: Tiết diện và độ dốc của rãnh phải đảm bảo thoát được lưu lượng tính toán với kích thước thích hợp. Lòng rãnh không phải gia cố bằng những vật liệu đắt tiền mà có thể tận dụng được vật liệu địa phương. Tiết diện và độ dốc của rãnh phải thiết kế như thế nào để tốc độ nước chảy trong rãnh không nhỏ hơn tốc độ bắt đầu làm các hạt phù sa bị lắng đọng. Vì sự lắng đọng của phù sa sẽ làm giảm khả năng thoát nước của rãnh, vì vậy phải thường xuyên nạo vét rãnh. 141 Theo quy trình thiết kế đường, để lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát, độ dốc lòng rãnh không được thiết kế nhỏ hơn 0,5%, trong trường hợp cá biệt là 0,3%. Khi thiết kế rãnh cố gắng giảm số chỗ ngoặt để tránh hiện tượng ứ đọng bùn cát và gây xói lở tại những nơi này. Để đảm bảo nền đường khô ráo và rãnh không bị đầy tràn, cố gắng tìm cách bố trí nhiều chỗ thoát nước từ rãnh ra khe suối hay những chỗ trũng gần đấy. 2.20.2.3. Các công thức tính toán rãnh thoát nuớc: - Tốc độ nước chảy trong rãnh: r y5,0 r y iR n 1 RiR n 1 V  - Khả năng thoát nước của rãnh: Q = .V - Bán kính thủy lực rãnh:   R trong đó: n – hệ số nhám phụ thuộc vào loại vật liệu gia cố.  - tiết diện nước chảy của rãnh, m2. y – hệ số trong công thức sêzi, tra bảng. ir – độ dốc của rãnh. R – bán kính thủy lực, m.  - chu vi ướt, m. Tiết diện nước chảy, bán kính thủy lực và chu vi ướt của các loại rãnh được xác định: + Với rãnh hình thang (Hình 8.6a): Ta có:      0000201 hmhbhbhmhmb 2 1      0 ,2 02 2 0 2 01 2 0 hmbhmhhmhb    0 , 00 hmb hmhb χ ω R    Trong đó: b – chiều rộng đáy rãnh, m; h0 – chiều sâu nước chảy, m; m1 và m2 – hệ số mái dốc của hai ta luy bờ rãnh; 142   21 mm 2 1 m  2 2 2 1 , m1m1m  a) b) c) 1 :m 1 1 :m 2 b h 0 Hình 8.6 Các tiết diện rãnh thường gặp a) Tiết diện hình thang; b) Tiết diện hình chữ nhật; c) Tiết diện hình tam giác. + Với rãnh hình chữ nhật và rãnh hình tam giác (Hình 8.6b và Hình 8.6c): vẫn dùng các công thức trên và xem chúng là những trường hợp đặc biệt của hình thang: với hình chữ nhật cho m1 = m2 = 0; với hình tam giác cho b = 0. Phân tích công thức tính khả năng thoát nước của rãnh ta thấy lưu lượng nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R. Với các tiết diện rãnh có  không đổi thì dạng rãnh có chu vi ướt  nhỏ nhất sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất. Trong các loại mặt cắt ngang rãnh có cùng  thì hình tròn có  là nhỏ nhất, nghĩa là tiết diện rãnh nửa hình tròn sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất. Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh nền đường thường có dạng hình thang hay hình tam giác. 2.20.2.4. Trình tự tính toán thủy lực rãnh: 1) Xác định lưu lượng nước thiết kế của rãnh; (đã học trong môn thủy lực-thủy văn). 2) Giả thiết tiết diện của rãnh, chiều sâu nước chảy trong rãnh, sau đó xác định các đặc trưng thủy lực: tiết diện dòng chảy , chu vi ướt , bán kính thủy lực R; 3) Xác định khả năng thoát nước của rãnh và so sánh với lưu lượng nước thiết kế, nếu chúng không sai nhau quá 10% thì chọn tiết diện vừa giả thiết để thiết kế. Nếu sai số lớn thì giả thiết lại tiết diện và tính lại từ đầu. 4) Xác định tốc độ nước chảy trong rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở và chọn biện pháp gia cố. 5) Tính chiều sâu của rãnh: hr = h0 + 0,25m; với h0 – chiều sâu nước chảy trong rãnh. Lưu ý: nên lập bảng tính trên excel để dễ sử dụng. Ví dụ 1: tính toán thiết kế rãnh thoát nước hình chữ nhật bằng đá xây với các số liệu sau: 143 - Hệ số nhám n = 0.017. Tra theo bảng 8.2 (đã học trong môn thủy lực). Bảng 8.2 - Lưu tốc cho phép không xói là Vcp = 6.5m/s - Lưu lượng thiết kế QTK = 0.25 m3/s (dùng các công thức đã học trong môn thủy văn để tính, diện tích lưu vực đo trực tiếp trên bình đồ). - Bề rộng rãnh b = 0.4m, dốc rãnh i = 0.5% Trình tự tính toán như sau: - Giả định chiều sâu của nước chảy qua mặt cắt là h0 = 0.6m - Diện tích mặt cắt ngang thoát nước:  = b x h0 = 0.4 x 0.6 = 0.24 m2 - Chu vi ướt:  = b + 2h0 = 0.4 + 2 x 0.6 = 1.6 m - Bán kính thủy lực: mR 15.0 6.1 24.0    - Hệ số lưu tốc: y R n C 1  = 41.24 Với - Lưu tốc bình quân:  iRCV . 1.13 m/s - Lưu lượng: Q = V x  = 1.13 x 0.24 = 0.27 m3/s. - So sánh với QTK và Q: Q > QTK - So sánh Vcp và V: V < Vcp - Kết luận chọn bề rộng rãnh 0.4m, chiều cao rãnh 0.8m (0.6+0.2) Ví dụ 2: tính toán thiết kế cống thoát nước với các số liệu sau: - Cống cấu tạo được bố trí ở những chỗ nền đường đào để thoát nước qua đường, khoảng 300  500m bố trí một cống tránh cho rãnh dọc không bị nước tràn ra ngoài do lưu lượngquá lớn. Các loại cống cấu tạo nói chung không phải tính khẩu độ mà chỉ chọn theo kinh nghiệm và lượng mưa tại khu vực tuyến đi qua. Rnny )1.0(75.013.05.2  144 - Cống địa hình: Là các cống được bố trí ở những vị trí có đường tụ thủy, suối, suối cạn... Khẩu độ cống phụ thuộc lượng mưa trong vùng, diện tích lưu vực tụ nước chảy về cống, đặc điểm địa hình, địa mạo. Tính toán khả năng thoát nước của cống với các đặc trưng sau: - Chế độ chảy trong cống là không áp. - Cống bê tông cốt thép, có độ dốc cống từ thượng lưu đến hạ lưu là 1,0% - Cống miệng kiểu dòng chảy điều kiện H  1,4  hcv - Đường kính cống: d = 1,5m - Lưu lượng tính toán: Qtt = 4,84m3/s Xác định mực nước dâng trước cống theo công thức: H = 2  hc , với hc = 0,9  hk. 1. Xác định chiều sâu phân giới hk Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào Qtt Ta có: 315,0 5,181,9 84,4 5 2 5 2     dg Qtt Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 762,0 d h k Do đó: hk = 0,762  1,5  1,143m  hc = 0,9  1,143  1,029m Suy ra: H = 2  hc = 2  1,029 = 2,058m Ta chọn cống có cấu tạo miệng là loại đặc biệt (loại II: miệng cống làm dạng dòng chảy), ở cửa vào cống có một khoảng trống a = d/4, nhưng bé hơn 0,25m. Chọn a = 0,02m Khi đó: hcv = 1,5 - 0,02 = 1,48m  1,4  hcv = 1,4  1,48 = 2,072m Ta thấy, H = 2,058m  1,4  hcv = 2,072m nên thỏa mãn điều kiện cống không áp có miệng theo kiểu dòng chảy. 2. Kiểm tra điều kiện ic  ik Độ dốc phân giới ik được xác định theo công thức: ik = 2 2 k tt K Q Với Kk là hệ số đặc trưng lưu lượng, được xác định từ tỷ số dK K 0 tra ở bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”. 145 Ta có: 315,0 5,181,9 842,4 5 2 5 2     dg Q tt Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 943,0 d o K K  Ko = 0,943  Kd Mặc khác: Kd = 24  d8/ 3 = 24 1,58/ 3  70,760 Do đó: Ko = 0,943  70,760  66,727 Suy ra: %53,00053,0 727,66 842,4 2 2  k i Ta thấy, ik = 0,53%  ic =1,0% nên cống làm việc theo chế độ dốc nước. 3. Vận tốc nước chảy trong cống Với trường hợp biết tỷ số Ko :Kd và Wo :Wd thì tốc độ nước chảy trong cống có thể xác định theo công thức: coc iWV  Trong đó: 420,48 01,0 84,4  c tt o i Q K Kd 24  d8/ 3 = 24 1,58/ 3  70,760 Wd = 30,5  d2/ 3= 30,5  1,52/ 3 = 39,966 Suy ra: 684,0 760,70 420,48 0  d K K Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 073,10  d W W  Wo = 1,073  Wd= 1,073  39,966  42,874 Do đó, vận tốc nước chảy trong cống: 287,401,0874,42  coc iWV m/s 4. Kiểm tra khả năng thoát nước của cống Khả năng thoát nước của cống lúc này được tính theo công thức : Qc =  )..(.2.. cccc hHgQ Trong đó: c: Hệ số vận tốc, khi cống làm việc không áp lấy c = 0,85 : Xác định theo công thức: 05,11001,011  Di k với D = 10 146 c: Tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp được xác định nhờ đồ thị hình 13-4 trang 156 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT” khi biết hc và d. Ta có: 686,0 5,1 1,029  d h c Tra đồ thị, ta được: 61,0 2   d c  c = 0,61  1,52  1,373m2. g: Gia tốc trọng trường 9,81 m/s2. hc: Chiều sâu nước chảy trong cống tại chỗ bị thu hẹp, lấy: hc = 0,9  hk =1,029m H : Chiều cao nước dâng tại cống H = 2  hc = 2,058 mm Suy ra: 373,505,1)029,1058,2(81,92373,185,0  c Q m3/s Ta thấy rằng: Qc = 5,373 m3/s  Qtt = 4,84m3/s, như vậy cống đảm bảo thoát nước 5. Xác định chiều dài cống: Chiều dài của cống phụ thuộc chiều rộng nền đường, chiều cao đất đắp, độ dốc mái taluy tại vị trí đặt cống. Chiều dài cống được tính theo công thức sau: Lc = Bn + 2X. Với: Bn: chiều rộng nền đường, Bn = 13m. X = 1.5 x Hđắp Hđắp: chiều cao đất đắp trên cống, tại vị trí C1 có : Hn = 3.35m, Do đó: Hđắp = Hn – D = 3.35 – 1.0 = 2.35 m  Lc = Bn + 3 x Hđắp = 13 + 3 x 2.35 = 20 m Vậy chọn Lc = 15 m. H n 1 :1 .5 Lc Bn H ñ a ép Dh c v h c X 1 :1 .5 6. Kiểm tra cao độ đất đắp trên cống:  Đối với cống có áp Hn = H + (0.5; Hađ) m Hn: chiều cao nền đắp tại vị trí cống H: chiều cao mực nước dâng trước cống 147 Hađ: bề dày áo đường; nếu Hađ > 0.5m thì