Nghiên cứu đánh giá hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe trong việc tính toán số trục xe thiết kế mặt đường ô tô

ª ThS. Phạm Đăng Nguyên ª ThS. Nguyễn Văn Tươi Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II ª GS. TS. Phạm Huy Khang Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Xuân Đào GS. TS. Bùi Xuân Cậy

Tóm tắt: Bài báo trình bày các cách lựa chọn hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe khi tính số trục xe tính toán cho một làn xe theo tiêu chuẩn của Việt Nam trong thiết kế mặt đường ô tô, theo đó sẽ phân tích đánh giá những vấn đề còn hạn chế, đồng thời nêu lên cách lựa chọn và tính toán hệ số trên theo hướng dẫn của AASHTO với nhiều mặt tích cực; từ đó thấy được một cách toàn diện việc cần xem xét đánh giá và lựa chọn cách tính cho phù hợp với thực tế hiện nay.

Từ khóa: Hệ số phân bố, lượng trục xe tính toán, các làn xe.

Abstract: This paper presents the choice of distribution coefficient calculation axle on each lane when calculating axle count for one lane of Vietnam standards in automotive design surface, under which will distribute assess the problem area is limited, and raised a choice and calculate the coefficient on the guidance of AASHTO with many positive aspects. From there see the need to comprehensively review and select the calculation to suit the current reality.

Keywords: Distribution coefficient, calculated the amount of axle, the lanes.

1. Đặt vấn đề

Thời gian gần đây, trên một số tuyến đường, nhất là các tuyến quốc lộ, tỉnh lộ có kết cấu mặt đường bê tông nhựa (BTN), trong quá trình khai thác thường xuất hiện hiện tượng hằn lún vệt bánh xe (HLVBX), nhiều cuộc hội thảo đã được tổ chức để tìm nguyên nhân và đề ra những giải pháp khắc phục. Bộ GTVT cũng đã có nhiều giải pháp để tăng cường chất lượng trong thi công nhằm khắc phục hiện tượng trên. Có nhiều ý kiến đưa ra là do chất lượng BTN, chất lượng thi công, nhiệt độ môi trường, do xe quá tải…

Tuy nhiên, để khắc phục hiện tượng trên một cách căn cơ, toàn diện và triệt để, chúng ta cần phải tìm hiểu tất cả các nguyên nhân, từ đó gắn với thực tế hư hỏng của từng tuyến đường, đoạn đường nhằm tìm giải pháp khắc phục hợp lý.

Có thể phân ra 3 nhóm nguyên nhân sau:

- Nhóm nguyên nhân thuộc về công tác khảo sát - thiết kế;

- Nhóm nguyên nhân thuộc về công tác thi công - giám sát;

- Nhóm nguyên nhân thuộc về công tác quản lý - khai thác.

Trong phạm vi giới hạn bài báo, các tác giả muốn đưa ra phân tích một yếu tố thuộc nhóm nguyên nhân thứ nhất đó là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe khi tính toán thiết kế mặt đường. Đây là thông số đầu vào quan trọng trong thiết kế, do đó nếu việc lựa chọn không hợp lý sẽ dẫn đến tiềm ẩn nguyên nhân gây hư hỏng cho nền mặt đường sau này, trong đó không loại trừ hiện tượng HLVBX.

2. Tính số trục xe tính toán trên một làn xe theo  22TCN 211-06

2.1. Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (hoặc quy đổi về tải trọng tính toán của xe nặng nhất)

2.1.1. Việc quy đổi phải 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 các 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 25kN trở lên;

- Bất kể loại xe gì khi khoảng cách giữa các trục ≥ 3m thì việc quy đổi được thực hiện riêng đối với từng trục

- Khi khoảng cách giữa các trục < 3m (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 C^l.

2.1.2. Theo các quy định trên, việc quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau:

 

 (1)

 

Trong đó:

N^k- Tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả hai chiều (trục/ngày đêm.MCN);

nⁱ - Số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pⁱ cần 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 hi chiều xe chạy.

C¹- Hệ số số trục được xác định theo biểu thức sau:

 C₁= 1+ 1,2(m -1);                       (2)

Với m là số trục của cụm trục i. (như: 1a).

C₂ - Hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong một cụm bánh, với các cụm bánh chỉ có một bánh thì C₂= 6,4; với cụm bánh đôi (một cụm bánh gồm hai bánh) thì C² = 1,0; với cụm bánh có bốn bánh thì C_­2= 0,38.

2.2. Số trục xe tính toán trên một làn xe

2.2.1. Định nghĩa

Số trục xe tính toán N^t là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường 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 cho kết cấu áo đường. Xác định N^t theo biểu thức (3)

2.2.2. Công thức tính

N^t= N^k. f^l (trục/làn.ngày đêm)          (3)

Trong đó:

N^k - Tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả hai chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế (trục/mcn.ngày đêm). N^lk được tính như (1).

f^l - Hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe được lấy như sau:

* Đối với phần xe chạy:

- Phần xe chạy có 1 làn xe: f^l = 1;

- Phần xe chạy có 2, 3 làn xe: f^l = 0,55 (không có dải phân cách);

- Phần xe chạy có 4 làn xe: f^l = 0,35 (có dải phân cách giữa);

- Phần xe chạy có 6 làn trở lên: f^l = 0,3 (có dải phân cách giữa);

 - Ở chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn: f^l = 0,5 tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút.

3. Tính số trục xe tính toán trên một làn xe theo hướng dẫn AASHTO

3.1. Xác định tổng trục xe đơn tiêu chuẩn (W₈₀)

Xe thiết kế dùng trong tiêu chuẩn này là tải trọng trục đơn 80kN (18 kip).

Để tính ra hệ số tải trọng tương đương của trục Tiêu chuẩn 80kN (18 kip) dùng bảng chuyển đổi xe của AASHTO. Trị số của hệ số này phụ thuộc vào các giá trị của p_t, chiều dày tấm và loại xe có một, hai hay ba trục sau. Khi chuyển đổi tạm lấy chiều dầy tấm bằng 25,4cm (10 in). Khi đã xác định được tổng các tải trọng trục đơn tương đương trong suốt cả thời kỳ phục vụ của mặt đường (thời kỳ thiết kế) chạy qua mặt cắt ngang của đường (  `hatW`  ₈₀   ), thì cần phải xác định tổng các tải trọng trục đơn chạy qua làn xe thiết kế (W₈₀) theo công thức:

3.2. Công thức

(4)              

Trong đó:

D_D - Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0,3 đến 0,7 phù hợp với khảo sát ở hiện trường;

D_L - Hệ số phân bố theo làn, giá trị của nó cho ở Bảng 3.1.

 `hatW`  ₈₀  - Tổng các tải trọng trục đơn tương đương trong suốt cả thời kỳ phục vụ của mặt đường (thời kỳ thiết kế) chạy qua mặt cắt ngang của đường.

Bảng 3.1. Hệ số phân bố theo làn D_L

3.3. Thống kê tóm tắt kết quả áp dụng hai phương pháp tính toán trên

Với giả thiết số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên mặt cắt ngang của đường là A, từ đó căn cứ theo 2 phương pháp tính toán trên, tiến hành tính toán và thống kê kết quả vào bảng (Bảng 3.2).

Bảng 3.2. So sánh kết quả tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe theo TCVN và theo hướng dẫn AASHTO

4. Kiểm tra với một vài số liệu cụ thể

Ví dụ tính toán quy đổi số trục xe khác về số trục xe tính toán và tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy.

4.1. Ví dụ tính toán quy đổi số trục xe khác về số trục xe tính toán

4.1.1. Số liệu ban đầu

Đường thiết kế có 4 làn xe, có dải phân cách giữa.

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 4.1. 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 100kN (10 tấn)

Bảng 4.1. Dự báo thành phần giao thông ở năm đầu sau khi đưa đường vào khai thác sử dụng

 

4.1.2. Tính số trục xe quy đổi về trục tiêu chuẩn 100 kN

Việc tính toán quy đổi được thực hiện 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 công thức trên. Kết quả tính được N1 = 1032 trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm.

4.2. Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe

4.2.1. Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên mặt cắt ngang đường (Ne)

Với số liệu ở ví dụ ta có thể tính được N_e tương ứng với tỷ lệ tăng trưởng lượng giao thông trung bình năm 10%: q = 0,1 và thời gian thiết kế 15 năm: t =15 năm: Áp dụng công thức 

4.2.2. Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe (Ntt) theo TCVN

N^t được tính như sau:

Đường có 4 làn xe (có dải phân cách ở giữa) thì f_L = 0,35 (theo quy định trên) và ta có số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trên 1 làn xe là:

 N^t= N^k . f^l với N^lk= N^e = 11,97. 10⁶ trục

N^tt= N^e .f^l = 11,97. 10⁶ . 0,35 = 4,1895. 10⁶ trục

(Trong tính toán theo TCVN không có hệ số phân bố theo chiều mà chỉ có hệ số phân bố theo làn).

4.2.3. Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe (W₈₀) theo hướng dẫn AASHTO

 W₈₀ = D_D x D_L x `hatW`  ₈₀

Đường có 4 làn xe, có phân cách ở giữa thì mỗi chiều xe chạy có 2 làn, theo Bảng 3.1 có D^L = 0,8 ÷ 1.(chọn 0,9).

 Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0,3 đến 0,7 phù hợp với khảo sát ở hiện trường; giả sử hai chiều xe chạy có lưu lượng bằng nhau nên chọn D_D= 0,5.

Với   `hatW`   ₈₀  = N^TK= N^e= 11,97. 10⁶ trục.

Thay số liệu vào công thức trên ta được:

W₈₀ = 0,5.0,9. 11,97. 10⁶ = 5,3865. 10⁶ trục

Sự chênh lệch kết quả tính số trục tích lũy trên một làn xe theo 2 phương pháp trên là: ∆

∆ - Tỷ lệ trục xe tính toán bị giảm khi tính theo TCVN so với hướng dẫn AASHTO.

5. Kết luận và kiến nghị

Qua hai phương pháp tính toán như trên ta thấy:

Khi tính toán theo TCVN thì được số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe nhỏ hơn nhiều so với tính toán theo hướng dẫn AASHTO, do đó khi dùng giá trị này để kiểm tra kết cấu mặt đường thì sẽ gây bất lợi cho kết cấu trong quá trình khai thác sau này.

- Để chính xác hóa quá trình tính toán khi tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe đúng với thực tế khai thác hiện nay cần xem xét toàn diện tất cả các yếu tố có liên quan, cụ thể như sau: Cấu tạo mặt cắt ngang mặt đường, cách phân làn, sự phân bố lưu lượng và tải trọng phương tiện trên các làn…

 - Khi tính toán số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế trên một làn xe cần xem xét đưa vào hệ số phân bố theo chiều xe chạy, hệ số bất lợi cho làn xe tải nặng (đối với mặt cắt ngang tuyến có dải phân cách và phân làn cụ thể), khảo sát thực tế về sự phân bố lưu lượng xe trên các làn liền kề nhau cùng một chiều để điều chỉnh hệ số phân làn (tăng lên) cho phù hợp với thực tế.

- Trong một số trường hợp dải phân cách có thể không ở giữa và kết cấu mặt đường có thể không giống nhau trên toàn mặt cắt ngang.

Tài liệu tham khảo

[1]. Hiệp Hội đường bộ Mỹ(1986), AASHTO Hướng dẫn thiết kế mặt đường.

[2]. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993.

[3]. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1998.

[4]. Bộ GTVT (2006), Áo đường mềm - các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế, 22TCN 211 - 06, NXB. GTVT, Hà Nội, 2007.

[5]. Bộ GTVT (1995), Áo đường cứng đường ô tô - Tiêu chuẩn thiết kế - 22TCN 223 - 95, NXB. GTVT, Hà Nội, 2006

[6]. Bộ GTVT, Quyết định 315/QĐ-BGTVT ngày 23/02/2011 về việc ban hành “Hướng dẫn lựa chọn quy mô kỹ thuật đường giao thông nông thôn phục vụ Chương trình mục tiêu Quốc gia xây dựng nông thôn mới giai đoạn 2010 - 2020’’.

[7]. Bộ GTVT, Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT ngày 17/8/2012 về việc ban hành “Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông’’.

[8]. Bộ GTVT, Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT ngày 14/12/2012 về việc ban hành Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông (http://www.mediafire.com/view/?g32du254234rmd2).

[9]. Đường ô tô (2006), Yêu cầu thiết kế TCVN 4054 - 2005, NXB. GTVT.