›
›

Bài giảng Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô - Chương 3: Thiết kế bình đồ tuyến - Lê Văn Bách

pdf 31 trang ngocly 3240
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô - Chương 3: Thiết kế bình đồ tuyến - Lê Văn Bách", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_thiet_ke_yeu_to_hinh_hoc_duong_o_to_chuong_3_thiet.pdf

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô - Chương 3: Thiết kế bình đồ tuyến - Lê Văn Bách

  1. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ TUYẾN 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN 3.1.1 Khái niệm : Bình đồ tuyến đường là hình chiếu của tuyến đường trên mặt phẳng nằm ngang. Bình đồ tuyến gồm 3 yếu tố chính là: đoạn thẳng, đoạn đường cong tròn và đoạn đường cong chuyển tiếp nối tiếp đoạn thẳng với đoạn đường cong tròn. 3.1.2 Những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ 1. Đảm bảo các yếu tố của tuyến như bán kính tối thiểu đường cong nằm, chiều dài đường cong chuyển tiếp, độ dốc dọc lớn nhất khi triển tuyến, không vi phạm những quy định về trị số giới hạn đối với cấp đường thiết kế. 2. Đảm bảo tuyến đường ôm theo hình dạng địa hình để khối lượng đào đắp nhỏ nhất, bảo vệ cảnh quan thiên nhiên 3. Đảm bảo sự hài hoà, phối hợp giữa đường và cảnh quan 4. Xét yếu tố tâm lý người lái xe và hành khách đi trên đường, không nên thiết kế đường có những đoạn đường thẳng quá dài (lớn hơn 3km) gây tâm lý mất cảnh giác và gây buồn ngủ đối với lái xe, ban đêm đèn pha ô tô làm chói mắt xe ngược chiều. 5. Cố gắng sử dụng các tiêu chuẩn hình học cao như bán kính đường cong, đoạn chêm giữa các đường cong, chiều dài đường cong chuyển tiếp trong điều kiện địa hình cho phép 6. Đảm bảo tuyến là một đường không gian đều đặn, êm thuận, trên hình phối cảnh tuyến không bị bóp méo hay gãy khúc. Muốn vậy phải phối hợp hài hoà giữa các yếu tố tuyến trên bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, giữa tuyến và công trình và giữa các yếu tố đó với địa hình, cảnh quan môi trường xung quanh 3.1.3 Những nguyên tắc cơ bản khi vạch tuyến, định tuyến 1. Định tuyến phải bám sát đường chim bay giữa 2 điểm khống chế. 2. Thiết kế nền đường phải đảm bảo cho giao thông thuận lợi, đồng thời phải tuân theo mọi quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật của tuyến. 3. Khi định tuyến nên tránh đi qua những vị trí bất lợi về thổ nhưỡng, thuỷ văn, địa chất (như đầm lầy, khe xói, sụt lở, đá lăn, kast, ) để đảm bảo cho nền đường được vững chắc. 4. Không nên định tuyến qua khu đất đai đặc biệt quí, đất đai của vùng kinh tế đặc biệt, cố gắng ít làm ảnh hưởng đến quyền lợi của những người sử dụng đất. III - 1
  2. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ 5. Khi tuyến giao nhau với đường sắt hoặc đi song song với đường sắt cần phải tuân theo quy trình của Bộ GTVT về quan hệ giữa đường ôtô và đường sắt (vị trí giao phải ở ngoài phạm vi ga, đường dồn tàu, cửa hầm đường sắt, ghi cổ họng, các cột tín hiệu vào ga, góc giao 450 ). 6. Khi chọn tuyến qua thành phố, thị trấn thì cần chú ý đến quy mô và đặc tính của giao thông trên đường, lưu lượng xe khu vực hay xe quá cảnh chiếm ưu thế, số dân và ý nghĩa về chính trị, kinh tế, văn hoá, xã hội của đường để quyết định hướng tuyến hợp lý nhất. 7. Khi qua vùng đồng bằng cần vạch tuyến thẳng, ngắn nhất, tuy nhiên tránh những đoạn thẳng quá dài (≥3km) có thể thay bằng các đường cong có bán kính R≥1000m, tránh dùng góc chuyển hướng nhỏ. 8. Khi đường qua vùng đồi nên dùng các đường cong có bán kính lớn uốn theo địa hình tự nhiên. Bỏ qua những uốn lượn nhỏ và tránh tuyến bị gãy khúc về bình đồ và trắc dọc. 9. Qua vùng địa hình đồi nhấp nhô nối tiếp nhau, tốt nhất nên chọn tuyến là những đường cong nối tiếp hài hoà với nhau, không nên có những đoạn thẳng chêm ngắn giữa những đường cong cùng chiều, các bán kính của các đường cong tiếp giáp nhau không được vượt quá các giá trị cho phép. 10. Khi tuyến đi theo đường phân thuỷ, điều cần chú ý trước tiên là quan sát hướng của đường phân thuỷ chính và tìm cách nắn thẳng tuyến trên từng đoạn, chọn những sườn đồi ổn định và thuận lợi cho việc đặt tuyến, tránh những mỏm cao và tìm những đèo thấp để vượt. 11. Khi tuyến đi trên sườn núi, mà độ dốc và mức độ ổn định của sườn núi có ảnh hưởng đến vị trí đặt tuyến thì cần nghiên cứu tổng hợp các điều kiện địa hình, địa chất và thuỷ văn để chọn tuyến thích hợp. Nếu tồn tại những đoạn sườn dốc bất lợi về địa chất, thuỷ văn như sụt lở, trượt, nước ngầm, cần cho tuyến đi tránh hoặc cắt qua phía trên. 12. Khi triển tuyến qua đèo thông thường chọn vị trí đèo thấp nhất, đồng thời phải dựa vào hướng chung của tuyến và đặc điểm của sườn núi để triển tuyến từ đỉnh đèo xuống hai phía. Đối với những đường cấp cao nếu triển tuyến qua đèo gặp bất lợi như sườn núi không ổn định hoặc các tiêu chuẩn kỹ thuật về bình đồ, trắc dọc quá hạn chế không thoả mãn thì có thể xem xét phương án hầm. Tuyến hầm phải chọn sao cho có chiều dài ngắn nhất và nằm trong vùng ổn định về địa chất, thuỷ văn. 13. Khi tuyến đi vào thung lũng các sông suối, nên : - Chọn một trong hai bờ thuận với hướng chung của tuyến, có sườn thoải ổn định, khối lượng công tác đào đắp ít - Chọn tuyến đi trên mực nước lũ điều tra III - 2
  3. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ - Chọn vị trí thuận lợi khi giao cắt các nhánh sông suối: nếu là thung lũng hẹp tuyến có thể đi một bên hoặc cả hai bên với một hoặc nhiều lần cắt qua khe suối. Lý do cắt qua nhiều lần một dòng suối thường là khi gặp sườn dốc nặng, vách đá cao, địa chất không ổn định (sụt, trượt, ) 14. Vị trí tuyến cắt qua sông suối cần chọn những đoạn suối thẳng có bờ và dòng ổn định, điều kiện địa chất thuận lợi. 15. Trường hợp làm đường cấp cao đi qua đầm hồ hoặc vịnh cần nghiên cứu phương án cắt thẳng bằng cách làm cầu hay kết hợp giữa cầu và nền đắp nhằm rút ngắn chiều dài tuyến. 3.2 ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG TUYẾN, PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ TUYẾN Khi khảo sát thiết kế sơ bộ (định tuyến), việc thiết kế bình đồ, dù tiến hành trên bình đồ hoặc trên thực địa là một quá trình không thể tách rời việc thiết kế các yếu tố khác của đường (trắc dọc, trắc ngang, nền và công trình), đồng thời đó cũng là một quá trình liên tục phân tích kinh tế – kỹ thuật để đi tới một phương án cuối cùng được công nhận là hợp lý nhất. Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tích kinh tế – kỹ thuật đó, việc thiết kế bình đồ nên bắt đầu bằng cách xác định các đường dẫn hướng tuyến trên từng đoạn (theo từng phương án khác nhau) giữa các điểm khống chế hoặc các điểm tựa tuỳ theo quan điểm thiết kế và địa hình cụ thể. Sau khi định được đường dẫn hướng tuyến, việc thiết kế bình đồ sẽ là tiến hành định tuyến sao cho sát nhất với đường dẫn hướng tuyến, nhưng vẫn phải đảm bảo được các tiêu chuẩn kỹ thuật khác đối với các yếu tố bình đồ đó, và đảm bảo tốt các yêu cầu phối hợp các yếu tố bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, yêu cầu phối hợp không gian các yếu tố tuyến và cũng như yêu cầu phối hợp quang cảnh và giữ gìn môi trường hai bên tuyến. 3.2.1 Đường dẫn hướng tuyến và các lối đi tuyến phù hợp địa hình Tuỳ thuộc vào địa hình, vị trí hai điểm khống chế khi thiết kế tuyến có hai trường hợp sau : a) Trường hợp vị trí hai điểm khống chế nằm dọc một bên theo hướng của đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ (dọc theo thung lũng sông, suối của địa hình) : - Lối đi tuyến thung lũng : Tuyến thiết kế có thể đi theo thung lũng và đặt trên các thềm sông, suối có thể dựa vào sông, suối đi gần các điểm khống chế để vạch đường dẫn hướng tuyến. Đường dẫn hướng tuyến được vạch trên quan điểm : Đảm bảo đặt tuyến trên mức nước ngập; tránh được các đầm lầy ven sông; tránh được sự phá hoại do dòng nước; tránh cho tuyến bị uốn lượn quá nhiều theo dòng sông. Tóm III - 3
  4. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ lại đường dẫn hướng tuyến nên đi vào các thềm sông địa chất ổn định, rộng, thẳng và không bị ngập. - Lối đi tuyến đường phân thuỷ : Tuyến đi bám theo đường phân thuỷ. Lối đi này có ưu điểm nổi bật là ít phải làm công trình cầu cống và lợi về điều kiện thoát nước. Tuy vậy, đường dẫn hướng tuyến chỉ nên đi trùng với đường phân thuỷ ở các đoạn đỉnh núi không bị phong hoá, địa chất ổn định, phẳng, thẳng và ít lồi lõm, đồng thời nên đi tránh xuống dưới sườn ở các đoạn đỉnh núi lên xuống răng cưa quá nhiều. - Lối đi tuyến sườn núi : Tuyến thiết kế đi trên lưng chừng sườn núi trong phạm vi giữa đường phân thuỷ và tụ thuỷ. Đường dẫn hướng tuyến nên chọn sao cho tranh thủ được các đoạn sườn thoải (độ dốc ngang sườn núi dưới 50%), địa chất ổn định và thế núi ít quanh co. b) Trường hợp vị trí hai điểm khống chế nằm ở hai bên đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ Tuyến đường phải cắt qua đường phân thuỷ hoặc đường tụ thuỷ do đó phải lên xuống dốc. Lối đi tuyến sử dụng lối đi sườn núi là chính và phải khắc phục chênh lệch cao độ nên đường dẫn hướng tuyến phải xác định theo điều kiện triển tuyến. ’ Độ dốc chỉ đạo của đường dẫn hướng tuyến id = imax - i Trong đó : imax là độ dốc max tương ứng với cấp hạng đường thiết kế i’ là độ dốc dự phòng (thường lấy 2-3%) Trên bản đồ địa hình ta xác định được bước compa li có độ dốc đều id giữa hai H đường đồng mức chênh lệch cao độ H như sau :li (1) id Từ đó xác định được đường độ dốc đều dẫn tuyến. Ví dụ : Bản đồ có tỷ lệ D 1/25.000, khoảng cách chênh cao giữa 2 đường đồng mức kề nhau là 10m, muốn vạch độ dốc đều 5% thì chiều dài đoạn dốc đều trên thực địa là R 10/0,05=200m và trên bản đồ là 200/25.000=0,008m=8mm Hình 1. Dùng compa bước cố định để đi đường độ dốc đều III - 4
  5. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ c) Ngoài các lối đi tuyến trên, xét về mặt đặc trưng địa hình còn phân biệt hai lối đi tuyến gò bó và tự do - Lối đi tuyến gò bó : Là trường hợp tuyến bắt buộc phải qua một vùng địa hình khó khăn về bình đồ hoặc trắc dọc hay khó khăn cả bình đồ lẫn trắc dọc. Đường dẫn hướng tuyến được kẻ theo đường độ dốc đều. Trường hợp chỉ gò bó về bình đồ mà không gò bó về trắc dọc thì đường dẫn hướng tuyến thường bám theo một đường đồng cao độ kết hợp với đường dẫn hướng tuyến lối đi sườn núi. - Lối đi tuyến tự do : Trường hợp này tuyến không bị khống chế trước về dải đặt tuyến, thường gặp ở địa hình đồng bằng, thung lũng lòng chảo, vùng cao nguyên bằng phẳng hoặc đồi thoải. Đường dẫn hướng tuyến hay dùng chính là đường chim bay giữa các điểm tựa hoặc các điểm khống chế. Ngoài ra, còn tuỳ thuộc vào ý nghĩa tuyến đường và cấp hạng kỹ thuật mà có các phương án tuyến phù hợp. 3.2.2 Thiết kế bình đồ tuyến qua các dòng nước Thiết kế bình đồ tuyến qua các dòng nước thường được giải quyết theo các quan điểm khác nhau tuỳ thuộc loại và khẩu độ công trình cũng như cấp hạng đường. Tuyến đường luôn luôn cắt thẳng góc với dòng chảy thì giá thành xây dựng cầu cống là rẻ nhất, đồng thời ít gây ảnh hưởng hơn đến dòng nước. Tuy nhiên, yêu cầu này sẽ dẫn đến bẻ gẫy hướng tuyến khiến cho không đảm bảo được độ đều đặn và sự phối hợp giữa các yếu tố tuyến về mặt thị giác, do đó giảm chất lượng vận doanh của tuyến. Thông thường khi tuyến cắt qua các dòng nước nhỏ (các cống, cầu nhỏ và cầu trung) thì nguyên tắc thiết kế bình đồ tuyến là đảm bảo có bình đồ tốt, chấp nhận cắt chéo góc với dòng chảy, hoặc cầu cống nằm trong đường cong bằng, điều này đặc biệt quan tâm áp dụng đối với đường cấp cao. Ngược lại, khi cắt qua sông lớn thì vị trí và hướng cắt sông của cầu quyết định đến bình đồ tuyến để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đối với việc thiết kế cầu lớn và đảm bảo hạ giá thành xây dựng cầu. 3.2.3 Thiết kế bình đồ tuyến qua các điểm dân cư Thiết kế bình đồ tuyến qua các điểm dân cư được giải quyết tuỳ theo quy mô điểm dân cư, cũng như tuỳ theo quan hệ giữa yêu cầu vận chuyển quá cảnh và yêu cầu vận chuyển địa phương. Nói chung có thể có các phương án sau: - Cắt qua điểm dân cư, tuyến trùng với đường trục chính của thành phố và thị trấn. Phương án này chỉ nên dùng khi yêu cầu vận chuyển quá cảnh nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu chuyên chở đến trực tiếp phục vụ cho điểm dân cư. Phương án này được áp dụng cho các khu trung tâm công nghiệp, khai thác lớn III - 5
  6. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ và các thành phố đang xây dựng. Nó có ảnh hưởng xấu là cản trở giao thông nội bộ, chia cắt khu dân cư, dễ gây tai nạn, ô nhiễm môi trường - Vòng qua điểm dân cư. Để kết hợp và tạo thuận lợi cho vận chuyển vào thành phố, tuyến thiết kế lúc này có thể cắt qua vùng ngoại ô hoặc đi vào vùng ranh giới thành phố và thị trấn. 3.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG ĐƯỜNG CONG Khi chạy trong đường cong, xe phải chịu nhiều điều kiện bất lợi hơn so với khi chạy trong đường thẳng. Những điều kiện bất lợi đó là: 1. Khi chạy trong đường cong xe phải chịu thêm lực li tâm, lực này nằm ngang trên mặt phẳng thẳng góc với trục chuyển động, hướng ra phía ngoài đường cong và có giá trị 2 C = m.v (kG) R Trong đó: C – lực li tâm Hình 3.2 Các lực tác dụng khi xe chạy trong đường cong m – khối lượng của xe (kg) v – tốc độ xe chạy (m/s) R – bán kính đường cong tại vị trí tính toán (m) Lực li tâm có tác dụng xấu, có thể gây ra những khó khăn sau : + Xe có khả năng bị lật hoặc trượt ngang về phía lưng đường cong. + Gây khó khăn cho việc điều khiển xe, gây khó chịu cho hành khách, gây đổ vỡ hàng hoá vận chuyển. + Gây biến dạng ngang của lốp xe nên làm cho săm lốp chóng hao mòn hơn. + Làm tăng sức cản do đó làm tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn. 2. Xe chạy trong đường cong yêu cầu có bề rộng phần xe chạy lớn hơn trên đường thẳng thì xe mới chạy được bình thường. 3. Xe chạy trong đường cong dễ bị cản trở tầm nhìn nhất là khi bán kính đường cong nhỏ, ở đoạn đường đào. Tầm nhìn ban đêm của xe chạy trong đường cong cũng bị hạn chế do pha đèn chiếu thẳng một đoạn ngắn hơn. III - 6
  7. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ 3.4 LỰC NGANG VÀ HỆ SỐ LỰC NGANG Khi xe chuyển động trong đường cong thì ôtô chịu hai lực tác dụng: - Trọng lượng bản thân G của xe có hướng vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. - Lực li tâm C hướng ra ngoài đường cong và vuông góc với trục chuyển G V 2 động, lực li tâm có giá trị: C . g R Chiếu các lực tác dụng lên ô tô theo phương song song với mặt đường C.cos G.sin được công thức tính lực ngang Y tác C dụng lên ôtô: Y = C.cos G.sin h Dấu “+” : trong trường hợp bình G.cos G thường, mặt đường hai mái và b xe chạy ở làn ngoài (xe chạy phía lưng đường cong). Dấu “ ” : trong trường hợp cấu tạo siêu cao, dốc đổ về phía bụng đường cong (xe chạy phía bụng đường xong). : là góc nghiêng của mặt đường so với phương nằm ngang. h : là chiều cao trọng tâm của xe tới mặt đường. b : chiều rộng của hai bánh xe. Vì góc rất nhỏ cos 1; sin tg = in : là độ dốc ngang của mặt đường. G V 2 Y Y . G.i đặt  g R n G Y V 2 i  với G g.R n Y  : là hệ số lực ngang, đặc trưng cho lực ngang tác dụng trên một đơn vị trọng G lượng của xe và dùng trong thiết kế đường. Trong đó: Y là tổng lực ngang.; G là trọng lượng của ô tô. Từ đó tính được bán kính đường cong nằm R theo hệ số lực đẩy ngang và vận tôc xe chạy: v2 R (m) v : (m/s) g.( in ) V 2 R (m) V: (km/h) 127.( in ) III - 7
  8. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ “+” khi xe chạy phía bụng đường cong “-“ khi xe chạy phía lưng đường cong 3.5 LỰA CHỌN HỆ SỐ LỰC NGANG. Lực ngang, tuỳ theo hệ số của nó, có thể gây ra những tác động bất lợi cho xe chạy trong đường cong: - Làm lật xe qua điểm tựa là bánh xe ở phía lưng đường cong. - Làm cho xe bị trượt ngang trên đường. - Gây cảm giác khó chịu cho hành khách và người lái xe. - Làm tiêu hao thêm nhiên liệu và tăng hao mòn săm lốp. Vì vậy cần phân tích từng mặt của vấn đề ta sẽ lựa chọn được hệ số lực ngang tính toán cần thiết để đảm bảo cho xe chạy an toàn và kinh tế. 3.5.1 Điều kiện ổn định chống lật. Dưới tác dụng của lực ly tâm thì xe có thể bị lật quanh bánh xe phía ngoài: Điều kiện ổn định giữa mô men lật và mô men giữ : b Y b 2. b 2. Y.h G.( )  2 G 2.h 2.h b : khoảng cách giữa hai tâm bánh xe. h: chiều cao của trọng tâm xe. Thực nghiệm có được : độ dịch ngang của thân xe ô tô so với bánh, thường lấy 0,2.b b thông thường: 2  3 đối với xe du lịch. h = 1,73 đối với xe buýt. Nếu lấy giá trị (b/h=2) thì ta có  0,6 Như vậy khi  0,6 thì điều kiện trên luôn đảm bảo. 3.5.2 Điều kiện ổn định chống trượt ngang. Phân tích các lực tác dụng vào các bánh xe G G  Để đảm bảo xe không bị trượt ngang trên mặt đường thì : Y≤ G. 2 Y G  Hình 3.3 Các lực tác dụng lên bánh xe III - 8
  9. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Trong đó: G. 2: là lực bám giữa bánh xe và mặt đường theo phương ngang G : trọng lượng của ô tô. 2 : hệ số bám theo chiều ngang giữa bánh xe và mặt đường. Y : tổng lực ngang tác dụng lên xe. Y Như vậy μ ≤ φ2 2 G : hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường (gồm hệ số bám dọc và ngang). 2 2 1 2 với 1 là hệ số bám dọc của bánh xe và mặt đường. 1=(0,7-0,8). thay vào ta có 2=(0,6-0,7). Như vậy ta có các điều kiện của μ như sau : - Mặt đường khô ráo μ ≤ 0,36 - Mặt đường khô, ẩm sạch μ ≤ 0,24 - Mặt đường ẩm có bùn bẩn μ ≤ 0,12 3.5.3 Điều kiện êm thuận và tiện nghi với hành khách. Khi chịu tác dụng của lực li tâm, hành khách cảm thấy khó chịu, nhiều khi sợ hãi có cảm giác xe bị lật đổ. Điều tra theo thực nghiệm cho ta các kết quả như sau : ≤0,1 thì hành khách không cảm thấy xe chạy trên đường cong. =0,15 thì hành khách hơi cảm thấy trên đường cong. =0,2 thì hành khách cảm thấy khó chịu. =0,3 thì hành khách cảm thấy bị xô dạt về một phía Để đảm bảo êm thuận và thoải mái cho hành khách nên chọn  0,15 và trong điều kiện khó khăn, khi hành khách có chuẩn bị cho phép dùng tới 0.25. 3.5.4 Điều kiện tiết kiệm nhiên liệu và săm lốp. Dưới tác dụng của lực ngang thì lốp xe bị biến dạng và bị lệch sang một phía, do đó đúng ra thì bánh xe phải hợp với trục dọc của xe một góc α khi xe vào đường cong nhưng thực tế bánh xe không quay hết góc α mà chịu một góc lệch  so với trục chuyển động của xe. Theo nghiên cứu thực nghiệm góc lệch này rất nhỏ và tỉ lệ với lực ngang: Y  K n Kn: hệ số biến dạng ngang của lốp xe, phụ thuộc vào độ đàn hồi của lốp III - 9
  10. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Với xe con: Kn = 40-70 (kG/độ) Với xe tải: Kn = 110-120 (kG/độ) Góc lệch  càng lớn thì tiêu hao nhiên liệu càng nhiều và hao mòn lốp xe càng tăng lên. Nghiên cứu cho thấy nên dùng  0,1 ( công suất tiêu thụ tăng 15%; hao mòn lốp gấp 5 lần). 3.5.5 Lựa chọn hệ số lực ngang tính toán Đây là một bài toán kinh tế - kỹ thuật, khi thiết kế phải đảm bảo an toàn và tiện nghi với hành khách và phương tiện, hàng hoá, đồng thời lại phải bám sát địa hình để đảm bảo khối lượng công tác là ít nhất, giá thành hạ. Xét tổng hợp 4 điều kiện trên thì trong trường hợp thông thường nên đảm bảo  0,1; trường hợp khó khăn có thể lấy  = 0,15; trường hợp đặc biệt khó khăn dùng = 0,2 trong qui phạm thường tính toán với  = 0,15. 3.6 SIÊU CAO VÀ ĐỘ DỐC SIÊU CAO 3.6.1 Siêu cao, tác dụng của siêu cao Trở lại công thức tính lực ngang, hệ số lực ngang và bán kính đường cong V 2 v2 Y = C.cos G.sin ;  in ; R g.R g.( in ) Khi xe chạy trong đường cong, những xe chạy bên nửa phía lưng đường cong kém ổn định hơn những xe chạy phía bụng đường cong, ngoài ra việc điều khiển xe cũng khó khăn hơn. Hiện tượng này càng bất lợi khi đường cong có bán kính nhỏ và tốc độ xe chạy lớn. Vì vậy, để đảm bảo an toàn và tiện lợi trong việc điều khiển ô tô ở các đường cong bán kính nhỏ thì phải làm siêu cao, tức là làm cho mặt đường có độ dốc ngang nghiên về phía bụng của đường cong. Siêu cao là cấu tạo đặc biệt trong các đường cong có bán kính nhỏ, phần đường phía lưng đường cong được nâng cao để mặt đường có độ dốc ngang một mái nghiêng về phía bụng đường cong đảm bảo xe chạy an toàn, êm thuận. Tác dụng của siêu cao: - Siêu cao có tác dụng làm giảm lực ngang, do đó giảm các tác hại của lực ly tâm, đảm bảo xe chạy an toàn trong đường cong - Siêu cao có tác dụng tâm lý có lợi cho người lái, làm cho người lái tự tin điều khiển xe khi vào trong đường cong - Siêu cao có tác dụng về mỹ học và quang học, làm cho mặt đường không bị cảm giác thu hẹp giả tạo khi vào đường cong III - 10
  11. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ In % 0% In % In % In % Isc % e R §­êng cong trßn Isc % 0 In % L3 L2 In % 0 % Lsc §­êng cong chuyÓn tiÕp L1 In % -In% b Hình 3.4 Bố trí siêu cao trong đường cong 3.6.2 Độ dốc siêu cao V 2 Độ dốc siêu cao có thể tính được theo biểu thức i  sc g.R Như vậy, nếu V lớn và R nhỏ thì đòi hỏi độ dốc siêu cao lớn. Nếu chọn độ dốc siêu cao lớn, đối với những xe tải và xe thô sơ có tốc độ thấp có khả năng bị trượt xuống dưới, theo độ dốc mặt đường. Độ dốc siêu cao quá lớn đòi hỏi phải kéo dài đoạn nối siêu cao, điểm này sẽ gặp khó khăn đối với đường vùng núi vì sẽ không đủ đoạn chêm giữa 2 đường cong trái chiều. Độ dốc siêu cao khi thiết kế được tra trong quy trình phụ thuộc vào tốc độ thiết kế và bán kính đường cong. TCVN 4054-05 quy định về độ dốc siêu cao: - Độ dốc siêu cao lớn nhất : 8% - Độ dốc siêu cao nhỏ nhất : bằng độ dốc ngang mặt đường hai mái - Độ dốc siêu cao thông thường : 4% - Những đường cong có bán kính lớn R>Rksc thì không cần bố trí siêu cao Ngoài ra, ở vùng núi, những đường cong ôm vực, cần có các biện pháp đảm bảo an toàn vì độ dốc siêu cao nghiêng về phía vực, có thể bố trí các tường phòng hộ, hoặc hạn chế độ dốc siêu cao đến 4%. Nhiều trường hợp người ta còn bố trí siêu cao ngược, quay về phía lưng đường cong (phía núi) III - 11
  12. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Bảng 3.1 (Bảng 13-TCVN 4054-05 Độ dốc siêu cao (%) theo bán kính đường cong nằm (m) và tốc độ thiết kế (km/h) Không Isc (%) 8 7 6 5 4 3 2 làm siêu V(km/h) cao 650 800 1000 1500 2000 2500 3500 120 5500 800 1000 1500 2000 2500  3500 5500 400 450 500 550 650 800 1000 100 4000 450 500 550 650 800  1000 4000 250 275 300 350 425 500 650 80 2500  275  300  350  425  500  650  2500 125 150 175 200 250 300 60 - 1500  150  175  200  250  300  1500 100 60 40 - - 60  75 75  100 600 0 30 - 30 50 50 75 75 350 350 20 - 25  50 50  75 75  150 150  250 250 3.7 ĐOẠN NỐI SIÊU CAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG SIÊU CAO Đoạn nối siêu cao được thực hiện với mục đích chuyển hoá một cách điều hoà từ mặt cắt ngang thông thường hai mái sang mặt cắt ngang đặc biệt có siêu cao. Việc chuyển hoá này sẽ làm phía lưng đường cong có độ dốc dọc phụ thêm if - Khi Vtt=20 40 km/h thì if = 1%. - Khi Vtt 60 km/h thì if = 0,5%. Trước khi vào đoạn nối siêu cao cần có một đoạn dài 10m để nâng lề có độ dốc ngang bằng độ dốc ngang mặt đường, riêng phần lề đất không gia cố phía lưng đường cong vẫn dốc ra phía lưng đường cong. Sau đó có các phương pháp sau: 3.7.1 Phương pháp quay quanh tim đường Đây là phương pháp thường hay được sử dụng nhất, phương pháp này được quy định trong quy trình hiện hành TCVN 4054-05 Trình tự các bước : - Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc ngang mặt đường in ; - Tiếp tục quay cả mặt đường quanh tim đường cho đạt độ dốc isc. Theo hình 3.5 có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : H b b b(isc in ) h1 bin Lsc mà H isc in ; L1 ; L2 L1 i f 2 2 2 i f 2i f III - 12
  13. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ từ đó suy ra các công thức : b.(isc in ) b.in b(isc in ) Lsc ; L1 L2 ; L3 Lsc (L1 L2 ) (1) 2i f 2i f 2i f Trong đó : b : chiều rộng mặt đường (m) L1: Chiều dài đoạn nâng lưng đường cong từ -in đến 0 L2: Chiều dài đoạn nâng lưng đường cong từ 0 đến in L3: Chiều dài đoạn nâng mặt đường từ in đến isc. Hình3.5. Sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp quay quanh tim đường b.(isc in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f 2Lsc Bằng hình học tìm được công thức tính độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau : + Nếu x≤L1 thì mặt cắt nằm trong đoạn 1 : Độ dốc bên bụng đường cong i=in i (L x) Độ dốc bên lưng đường cong i n 1 L1 + Nếu L1≤x≤L2 thì mặt cắt nằm trong đoạn 2 : Độ dốc bên bụng đường cong i=in i (x L ) Độ dốc bên lưng đường cong i n 1 L2 + Nếu (L1+L2) ≤x≤ Lsc thì mặt cắt nằm trong đoạn 3 : III - 13
  14. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ i (x L ) Độ dốc cả mặt đường i sc 1 L2 L3 3.7.2 Phương pháp quay quanh mép đường - Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc in ; - Tiếp tục quay quanh mép trong mặt đường (khi chưa mở rộng) cho đạt độ dốc isc. 2 i =0 1 1 i i i 1 1 i SC i 1 1 1 i 3 i i 2 5 2 2 i i i 2 i 10m 4 2 1 3 5 5 3,4 4 1,2 2 2' Hình 3.6 Diễn biến nâng siêu cao quay quanh mép đường Bằng cách tương tự, theo hình 3.7 có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : Hình 3.7 Sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp quay quanh mép trong mặt đường III - 14
  15. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ b.isc b.in b(isc in ) Lsc ; L1 L2 ; L3 Lsc (L1 L2 ) (2) i f 2i f i f b.isc Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f Lsc Tính toán độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cũng tương tự như phương pháp trên. 3.7.3 Các phương pháp nâng siêu cao cho đường cao tốc, đường có dải phân cách. Đối với đường cao tốc, đường có nhiều làn xe thì có các phương pháp nâng siêu cao như hình 3.8. 1. Hình 3.8a là mặt cắt ngang trên đoạn thẳng . 2. Hình 3.8b quay quanh tim đường (tim phần dải phân cách giữa) chiều dài đoạn nối siêu cao và cách tính giống như phần 3.7.1 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường. 3. Hình 3.8c nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 mép giữa đường giáp giải phân cách : Tương tự, có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau : b.(isc in ) b.in b(isc in ) Lsc ; L1 L2 ; L3 Lsc (L1 L2 ) (3) i f i f i f b.(isc in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f Lsc Độ dốc ngang mặt đường i tại mặt cắt bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau : + Nếu x≤L1 thì mặt cắt nằm trong đoạn 1 : Độ dốc phần đường bên trái (bên bụng) i=in i (L x) Độ dốc phần đường bên phải (bên lưng) i n 1 L1 + Nếu L1≤x≤L2 thì mặt cắt nằm trong đoạn 2 : Độ dốc phần đường bên trái i=in i (x L ) Độ dốc phần đường bên phải i n 1 L2 + Nếu (L1+L2) ≤x≤ Lsc thì mặt cắt nằm trong đoạn 3 : i (x L ) Độ dốc nâng cả 2 phần trái và phải i sc 1 L2 L3 III - 15
  16. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ III - 16
  17. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ 4. Hình 38.d quay quanh mép trong đường chiều dài đoạn nối siêu cao và cách tính giống như phần 3.7.2 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường. 5. Hình 3.e nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 tim của từng phần đường : Chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng được tính như sau b.(isc in ) b.in b(isc in ) Lsc ; L1 L2 ; L3 Lsc (L1 L2 ) (4) 2i f 2i f 2i f b.(isc in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f 2Lsc Độ dốc ngang mặt đường i tại mặt cắt bất kỳ trong đoạn nối siêu cao tính cũng tương tự như phần 2.3.c trên. 6. Hình 3.f nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 mép ngoài của từng phần đường : Các công thức tính cũng giống như trường hợp hình 3.8c b.(isc in ) b.in b(isc in ) Lsc ; L1 L2 ; L3 Lsc (L1 L2 ) (5) i f i f i f b.(isc in ) Tính lại độ dốc dọc phụ thêm i f Lsc Độ dốc ngang trong đoạn nâng siêu cao cũng tương tự. 3.7.4 Nhận xét : - Tuỳ từng trường hợp cụ thể và tuỳ từng quan điểm mà chọn phương pháp nâng siêu cao tính toán và bố trí đoạn nối siêu cao thích hợp. Phương pháp nâng siêu cao phụ thuộc vào địa hình, điều kiện và biện pháp thoát nước, chiều rộng mặt đường, kích thước và cấu tạo dải phân cách giữa, - Nên sử dụng phương pháp quay quanh tim đường để nâng siêu cao và bố trí đoạn nối siêu cao. Với phương pháp này cao độ tim đường không thay đổi nên dễ dàng thể hiện trên trắc dọc và tổng quát được khi lập các chương thiết kế trên máy tính. Phương pháp này còn đặc biệt thuận lợi với trường hợp tuyến uốn lượn gồm nhiều đường cong ngược chiều liên tiếp. - Với đường cao tốc, đường nhiều làn xe thì nên thiết kế theo các phương pháp ở hình 3.b và 3.c các phương pháp này đảm bảo tạo được độ đều đặn về thị giác khi nhìn từ xa. - Trường hợp đường cong chuyển tiếp quá dài nếu bố trí đoạn nâng siêu cao trùng hoàn toàn với ĐCCT thì sẽ có một đoạn dài độ dốc nhỏ (lân cận mặt cắt đặc trưng có độ dốc phía lưng bằng 0) khó thoát nước nên ĐNSC có thể ngắn hơn ĐCCT. - Với các phương pháp nâng siêu cao có tâm quay không trùng với điểm vẽ trắc dọc khi thiết kế cần phải ghi chú đầy đủ và phải chú ý do việc nâng siêu cao III - 17
  18. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ làm thay đổi cao độ trắc dọc. Lúc này bản vẽ trắc ngang với các cao độ thiết kế sau khi nâng siêu cao sẽ là căn cứ để thi công. 3.7.5 Trình tự tính toán nâng siêu cao : - Xác định độ dốc siêu cao isc, độ dốc dọc phụ thêm if : Theo quy trình quy định phụ thuộc vào cấp đường và bán kính đường cong. - Chọn phương pháp nâng siêu cao : Phương pháp nâng siêu cao phụ thuộc vào địa hình, điều kiện thoát nước, chiều rộng mặt đường, kích thước và cấu tạo dải phân cách giữa, - Lựa chọn chiều dài đoạn bố trí siêu cao LSC : Thông thường chiều dài đoạn bố trí này phụ thuộc vào địa hình và lấy bằng giá trị lớn nhất trong các giá trị tính toán : Chiều dài đoạn nối siêu cao - LSC, chiều dài đường cong chuyển tiếp - LCT, chiều dài đoạn nối mở rộng - LMR và theo bảng 3.2; là bội số của 5 (để dễ dàng cắm và thiết kế các mặt cắt ngang trong đường cong). - Từ chiều dài LBT đã chọn tính lại if và tính các đoạn đặc trưng L1, L2, L3 Bảng 3.2 (bảng 14 TCVN 4054-05) Độ dốc siêu cao isc và chiều dài đoạn chuyển tiếp nối siêu cao L(m) phụ thuộc vào bán kính đường cong R(m) và tốc độ thiết kế Vtt(km/h) Tốc độ thiết kế (km/h) 120 100 80 60 R isc L R isc L R isc L R isc L 650  800 0,08 125 400  450 0,08 120 250  275 0,08 110 125  150 0,07 70 800  1000 0,07 110 450  500 0,07 105 275  300 0,07 100 150  175 0,06 60 1000 1500 0,06 95 500 550 0,06 90 300  350 0,06 85 175  200 0,05 55 1500 2000 0,05 85 550  650 0,05 85 350  425 0,05 70 200  250 0,04 50 2000 2500 0,04 85 650  800 0,04 85 425  500 0,04 70 250  300 0,03 50 800  2500  3500 0,03 85 0,03 85 500  650 0,03 70 300  1500 0,02 50 1000 1000  3500 5500 0,02 85 0,02 85 650  2500 0,02 70 - - - 4000 Tốc độ thiết kế (km/h) 40 30 20 R isc L R Isc L R isc L 0,06 35 0,06 33 0,06 20 65  75 30  50 15 50 0,05 30 0,05 27 0,05 15 0,04 25 0,04 22 75 100 50  75 50  75 0,04 10 0,03 20 0,03 17 100  600 0,02 12 75  350 0,02 11 75  150 0,03 7 Ghi chú bảng 3.2: Trị số chiều dài L trong bảng áp dụng đối với đường hai làn xe. Đối với đường cấp I và II nếu đường có trên hai làn xe thì trị số trên phải nhân với 1,2 đối với ba làn xe; 1,5 đối với 4 làn xe và 2 đối với 6 làn xe. - Tính độ dốc phần mặt đường trong đoạn nối siêu cao III - 18
  19. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ - Tính các độ dốc lề đường (lề đất, lề gia cố), độ dốc dải phân cách tại các mặt cắt ngang trong đoạn nối siêu cao phụ thuộc vào độ dốc ngang mặt đường và phương pháp nâng siêu cao. - Kết hợp tính toán đường cong chuyển tiếp và mở rộng trong đường cong thiết kế trắc ngang trên cơ sở các độ dốc ngang đã xác định được. 3.8 LỰA CHỌN BÁN KÍNH ĐƯỜNG CONG BẰNG 3.8.1 Bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn V 2 Rmin , m 127.( isc max ) Trong đó: V - Tốc độ xe chạy tính toán (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,15 iscmax - Độ dốc siêu cao lớn nhất 3.8.2 Bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường V 2 Rmin , m 127.( isctt ) Trong đó: V - Tốc độ V=Vtt+20 (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,08-0,10 isctt - Độ dốc siêu cao thông thường isctt=iscmax-2% 3.8.3 Bán kính đường cong nằm tối thiểu không cần bố trí siêu cao V 2 Rksc , m 127.( in ) Trong đó: V - Tốc độ xe chạy tính toán (km/h) μ - Hệ số lực ngang, lấy μ = 0,08 để cải thiện điều kiện xe chạy in - Độ dốc ngang mặt đường (in=2-4%) 3.8.4 Lựa chọn bán kính đường cong nằm tính toán Đây là bài toán kinh tế-kỹ thuật, khi thiết kế cần vận dụng bán kính đường cong lớn để cải thiện điều kiện xe chạy, đảm bảo an toàn, tiện lợi đồng thời cũng đảm bảo giá thành xây dựng nhỏ nhất. Chỉ khi khó khăn mới vận dụng bán kính đường cong nằm tối thiểu, khuyến khích dùng bán kính tối thiểu thông thường trở lên, luôn tận dụng địa hình để nâng cao chất lượng chạy xe. III - 19
  20. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Bán kính đường cong bằng được lựa chọn theo các nguyên tắc: - Lớn hơn các giá trị giới hạn - Phù hợp với địa hình, càng lớn càng tốt (thường R=3 đến 5 Rmin) - Đảm bảo sự nối tiếp giữa các đường cong - Đảm bảo bố trí được các yếu tố đường cong như : chuyển tiếp, siêu cao - Đảm bảo phối hợp hài hoà các yếu tố của tuyến, phối hợp tuyến đường với cảnh quan. Quy định của TCVN 4054-05 các giá trị giới hạn của bán kính Bảng 3.3 (Bảng 11TCVN 4054-05). Bán kính đường cong nằm tối thiểu Cấp đường I II III IV V VI Tốc độ thiết kế 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 (km/h) Bán kính đường cong nằm: (m) - tối thiểu (giới 650 400 250 125 125 60 60 30 30 15 hạn) - tối thiểu thông 1000 700 400 250 250 125 125 60 60 50 thường - tối thiểu không 5500 4000 2500 1500 1500 600 600 350 350 250 siêu cao 3.9 ĐƯỜNG CONG CHUYỂN TIẾP 3.9.1 Tác dụng của đường cong chuyển tiếp Khi xe chạy từ đường thẳng vào đường cong, xe phải chịu các thay đổi - Bán kính ρ giảm dần từ +ở ngoài đường thẳng LA đến R trong đường cong mv 2 - Lực ly tâm C tăng dần từ 0 đến C R - Góc α hợp thành giữa trục bánh trước và trục xe tăng dần từ 0 đến α Những biến đổi đột ngột đó gây cảm giác khó chịu cho lái xe và hành khách và làm cho việc điều khiển R xe khó khăn hơn. Để đảm bảo tuyến đường phù hợp với quỹ đạo thực tế xe chạy và để đảm bảo điều kiện xe chạy không bị thay đổi đột ngột ở hai đoạn đầu đường cong, người ta bố trí đường cong chuyển tiếp - ĐCCT. Quy trình quy định với các đường có Vtt ≥ 60 km/h thì phải bố trí ĐCCT III - 20
  21. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Các tác dụng của ĐCCT - Thay đổi góc ngoặt của bánh xe phía trước một cách từ từ để đạt được góc quay cần thiết ở đầu đường cong tròn - Giảm mức độ tăng lực ly tâm do đó tránh được hiện tượng người trên xe bị xô ngang khi vào đường cong tròn - Tuyến có dạng hài hoà, lượn đều không bị gãy khúc, phù hợp với quỹ đạo thực tế xe chạy, tăng mức độ tiện lợi êm thuận và an toàn xe chạy. 3.9.2 Nghiên cứu dạng hình học của ĐCCT Để cấu tạo ĐCCT người ta giả thiết: - Tốc độ xe chạy trên ĐCCT không thay đổi và bằng Vtt - Trên suốt chiều dài của ĐCCT từ S=0 đến S=Lct gia tốc ly tâm thay đổi đều từ 0 v 2 đến đồng thời bán kính đường cong ρ giảm dần từ + đến R tỷ lệ bậc nhất R với chiều dài ĐCCT. Ta thấy, gia tốc ly tâm tăng đều tức là độ tăng của gia tốc ly tâm theo thời gian bằng hằng số : v 2 I (m / s 3 ) const (1) Rt Trong đó: I - Độ tăng của gia tốc ly tâm (m/s3) v - Tốc độ xe chạy (m/s) R - Bán kính đường cong tròn L t - Thời gian xe chạy từ đầu đến cuối ĐCCT ; t ct v v 3 v3 Thay t vào (1) ta có I Lct với [v]=m/s RLct I.R V 3 hoặc L với [V]=km/h ct 47.I.R Độ tăng của gia tốc ly tâm I theo thời gian được quy định tuỳ theo từng nước - Theo quy trình Mỹ : 0,30-0,90 m/s3 - Pháp : 0,65-1,00 m/s3 - Liên xô (cũ) và Việt Nam : 0,5 m/s3 Như vậy, với I=0,5 m/s3 ta có công thức dùng để tính toán chiều dài tối thiểu của đường cong chuyển tiếp V 3 L ct 23,5 R III - 21
  22. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Nghiên cứu dạng hình học của ĐCCT Xét một điểm B bất kỳ trên đường cong chuyển tiếp có toạ độ cong tính từ gốc đường cong là S, tại đó có bán kính đường cong ρ, bán kính ρ này giảm dần đều từ + (S=0) đến R (S=Lct). Y c/s v 3 v3 Ta có I S .S I. v, I không đổi C C S (2) 8 S Phương trình (2) là cơ sở lý thuyết B để tính toán đường cong chuyển tiếp. a y 3 s v 2 X Hằng số C Lct .R A và I x người ta gọi A là thông số Clothoide Y - Nếu coi S ≈ x thì ta có phương trình C đây là phương trình Parabol bậc x 3 trong toạ độ cực 1 - Nếu coi S ≈ a với a là dây trương cung, 3 C thì ta có phương trình đây là a 2 phương trình đường cong Lemniscate Bernouilli X 1- Hoa thị Bernouilli; 2- Clothoide; Parabole B3 Phương trình (2) được viết dưới dạng toạ độ cực, vì vậy việc cắm tuyến còn khó khăn. Người ta chuyển sang hệ toạ độ Descarte nhờ phương trình sau: S 5 S 9 X S 4 8 40A 3456A (3) S 3 S 7 S11 Y 6A2 336A6 42240A10 III - 22
  23. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Phương trình (3) hội tụ nhanh nên chỉ cần 2 số hạng đầu là đủ chính xác, nhưng đối với những đường cong dài thì phải tính tới 3 số hạng. Hiện nay phương trình (3) được lập sẵn trong máy tính cầm tay (PDA) để tính toạ độ ĐCCT ngoài thực tế. Điểm cuối của ĐCCT có S=Lct ứng với toạ độ (X0, Y0) Góc φ0 hợp bởi tiếp tuyến của điểm cuối ĐCCT và tuyến được xác định như sau: dS Lct dS Lct S.dS Lct d , (Rad) 0 0 0 0 0 C 2R Thông số A của ĐCCT theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế đường hiện hành A R.Lct và A ≥ R/3 Chiều dài tối thiểu của ĐCCT được quy định trong quy trình (xem bảng 3.2) Ngoài ra, có thể tham khảo kết quả nghiên cứu sau đây của M.Godin. Trị số L tối thiểu phụ thuộc vào bán kính R theo điều kiện quang học là đề nghị của M.Godin. Trị số L tối thiểu theo bán kính R và điều kiện quang học (đề nghị M.Godin) R,m 650 800 1000 1200 2000 3000 5000 L,m 140 140 160 180 300 425 550 3.9.3 Tính toán và cắm ĐCCT Khi bố trí đường cong chuyển tiếp thì góc ở tâm của đường cong tròn là: 0= -2 0 Điều kiện bố trí được của đường cong chuyển tiếp: -2 0 0 hay 2. 0 Trong trường hợp không đủ hoặc không đảm bảo ta phải tăng bán kính R hoặc giảm chiều dài đường cong chuyển tiếp. Việc tính toán và cắm ĐCCT được thực hiện theo trình tự sau: 1. Tính toán sơ bộ (để bố trí) các yếu tố cơ bản của đường cong tròn theo góc ngoặt và bán kính đường cong R 1 .R. T= R.tg ; p= R.( 1) ; K . 2 0 cos 180 2 2. Tính toán và lựa chọn chiều dài bố trí ĐCCT Lct dựa vào công thức, dựa vào chiều dài tối thiểu theo quy trình, phù hợp với địa hình và phối hợp tốt các yếu tố của tuyến, sau đó xác định thông số A R.Lct 3. Tính góc kẹp 0 và kiểm tra điều kiện bố trí ĐCCT 2. 0, nếu không thoả mãn điều kiện này thì phải tăng bán kính R hoặc giảm Lct 4. Xác định toạ độ của điểm cuối ĐCCT (X0,Y0) và xác định các chuyển dịch III - 23
  24. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ L t x R.sin 0 2 p y0 R(1 cos o ) 5. Tính lại bán kính đường cong tròn R1=(R+p) và tính chính xác các yếu tố của đường cong tròn theo R1 .R . T R .tan( );K 1 1 2 1800 Y O  R1 R NC R R1 TC KO P T§ p O Y X N§ t T § XO 6. Xác định chiều dài phần còn lại của đường cong tròn K0 ứng với góc 0 sau khi .R. bố trí ĐCCT, K 0 0 1800 7. Xác định điểm bắt đầu, kết thúc của ĐCCT và độ rút ngắn của đường cong NĐ=Đ-(T+t) NC=NĐ+K0+2Lct Δ=2(T+t) – (K0+2Lct) Trong đó : NĐ, NC, Đ là lý trình của điểm bắt đầu, kết thúc và đỉnh của đường cong tổng hợp. III - 24
  25. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ 8. Theo công thức (3) xác định toạ độ của các điểm ĐCCT cách nhau 5-10m/cọc sau đó dựa vào toạ độ này cắm nhánh 1 của ĐCCT 9. Tính và cắm nhánh thứ 2 của ĐCCT tương tự 10. Tính và cắm phần đường cong tròn còn lại K0 Chú ý : Vì điều kiện địa hình mà 2 nhánh ĐCCT của đường cong tổng hợp không bằng nhau, thì trình tự tính toán tương tự. 3.10 MỞ RỘNG PHẦN XE CHẠY TRONG ĐƯỜNG CONG 3.10.1 Tính toán độ mở rộng Khi xe chạy trên đường cong, mỗi bánh xe chuyển động theo quỹ đạo riêng, chiều rộng dải đường mà ô tô chiếm trên phần xe chạy rộng hơn so với khi xe chạy trên đường thẳng. Để đảm bảo điều kiện xe chạy trên đường cong tương đương như trên đường thẳng, ở những đường cong có bán kính nhỏ cần phải mở rộng phần xe chạy. Hình. Sơ đồ xác định độ mở rộng mặt đường trong đường cong Để xác định độ mở rộng ta giả thiết quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đường cong là đường tròn. Xét chuyển động của ô tô A L trong đường cong như hình vẽ. e A Theo hệ thức lượng tam giác B C vuông CAD ta có CB2 = AB.BD trong đó: 0 CB = LA – chiều dài từ đầu xe tới trục bánh xe sau, m; R AB = e – chiều rộng cần mở thêm của 1 làn xe, m; D III - 25
  26. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ BD = 2R – AB 2R L2 Do đó: e A 2R Công thức trên được xác định theo sơ đồ hình học mà chưa xét đến khả năng thực tế khi xe chạy, khi xe chạy với tốc độ cao, xe còn bị lắc ngang sang hai bên, như vậy ta phải bổ sung số hạng hiệu chỉnh : L2 0,05.V e A ,m 2R R Độ mở rộng mặt đường E cho đường có 2 làn xe được tính gần đúng theo công thức: L2 0,1.V E 2e A ,m R R trong đó: V – tốc độ xe chạy, km/h. 3.10.2 Bố trí độ mở rộng mặt đường trong đường cong: Đoạn nối mở rộng làm trùng với đoạn nối siêu cao hoặc đường cong chuyển tiếp. Khi không có hai yếu tố này, đoạn nối mở rộng được cấu tạo: - Một nửa nằm trên đường thẳng và một nửa nằm trên đường cong. - Trên đoạn nối, mở rộng đều (tuyến tính). Mở rộng 1m trên chiều dài tối thiểu 10m. Độ mở rộng bố trí ở cả hai bên, phía lưng và bụng đường cong. Khi gặp khó khăn, có thể bố trí một bên, phía bụng hay phía lưng đường cong Độ mở rộng được đặt trên diện tích phần lề gia cố. Dải dẫn hướng (và các cấu tạo khác như làn phụ cho xe thô sơ, ) phải bố trí phía tay phải của độ mở rộng. Nền đường khi cần phải mở rộng, đảm bảo phần lề đất còn ít nhất là 0,5 m. E . K LCT 0 Bố trí mở rộng về phía bụng đường cong III - 26
  27. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Bảng 3.5 (Bảng 12-TCVN4054-05)Độ mở rộng phần xe chạy 2 làn xe trong đường cong nằm, m. Bán kính đường cong nằm (m) Dòng xe 250  200 < 200  150 < 150  100 < 100  70 < 70  50 < 50  30 < 30  25 < 25  20 Xe con 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,8 2,2 Xe tải 0,6 0,7 0,9 1,2 1,5 2,0 - - Xe moóc tỳ 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 - - - Khi phần xe chạy có trên 2 làn xe, thì mỗi làn xe thêm phải mở rộng 1/2 trị số trong bảng 12 và có bội số là 0,1 m. Các dòng xe có xe đặc biệt, phải kiểm tra lại các giá trị trong bảng 12. 3.11 NỐI TIẾP CÁC ĐƯỜNG CONG TRÊN BÌNH ĐỒ. Khi cắm tuyến nên tránh các bất ngờ cho người lái, các bán kính đường cong cạnh nhau không nên chênh lệch nhau quá (tốt nhất là không quá 1,5 lần). Sau một đoạn thẳng dài cũng không nên bố trí đường cong có bán kính quá nhỏ. Về mặt liên kết kỹ thuật, các trường hợp bố trí nối tiếp giữa các đường cong như sau: 3.11.1 Nối tiếp giữa hai đường cong cùng chiều: Hai đường cong cùng chiều có thể nối trực tiếp với nhau hoặc giữa chúng có một đoạn thẳng chêm tùy theo từng trường hợp cụ thể: - Nếu hai đường cong cùng chiều không có siêu cao hoặc có cùng độ dốc siêu cao thì có thể nối trực tiếp với nhau và ta có đường cong ghép (Hình a) - Nếu hai đường cong cùng chiều gần nhau mà không có cùng độ dốc siêu cao:  Giữa chúng phải có một đoạn thẳng chêm m đủ dài để bố trí hai đoạn ĐCCT L L hoặc hai đoạn nối siêu cao (Hình 3.8b), tức là: m 1 2 2 trong đó: L1 và L2 – chiều dài ĐCCT hoặc đoạn nối siêu cao của hai đường cong, m.  Nếu chiều dài đoạn thẳng chêm giữa hai đường cong không có hoặc không đủ thì tốt nhất là thay đổi bán kính để hai đường cong tiếp giáp nhau và có cùng độ dốc siêu cao cũng như độ mở rộng theo độ dốc siêu cao và độ mở rộng lớn nhất. Tỉ số bán kính giữa hai đường cong kề nhau trong đường cong ghép không được lớn hơn 1,5 lần.  Nếu vì điều kiện địa hình không thể dùng đường cong ghép mà vẫn phải giữ đoạn thẳng chêm ngắn thì trên đoạn thẳng đó phải thiết kế mặt cắt ngang một mái (siêu cao) từ cuối đường cong này đến đầu đường cong kia. III - 27
  28. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Ñ1 TC1=TÑ2 Ñ2 TC2 a) TÑ1 R1 R2 02 0 1 c) b) 02 R2 m Ñ TC1 TÑ2 Ñ2 TC2 1 Ñ1 TC1 TC2 m TÑ2 Ñ2 TÑ1 TÑ1 R 1 R1 R2 01 01 0 2 Hình . Bố trí nối tiếp các đường cong trên bình đồ a,b) Đường cong cùng chiều; c) Đường cong ngược chiều 3.11.2 Nối tiếp giữa hai đường cong ngược chiều: (là hai đường cong có tâm quay về hai phía khác nhau). - Hai đường cong ngược chiều có bán kính lớn không yêu cầu làm siêu cao thì có thể nối trực tiếp với nhau. - Trường hợp cần phải làm siêu cao thì chiều dài đoạn thẳng chêm phải đủ dài để L L có thể bố trí hai đoạn ĐCCT hoặc hai đoạn nối siêu cao tức là m 1 2 2 (Hình c). Nếu điều kiện này không thoả mãn thì phải cắm lại tuyến hoặc có các giải pháp hạn chế tốc độ. 3.12 ĐẢM BẢO TẦM NHÌN TRÊN ĐƯỜNG CONG NẰM. Trong đường cong bằng có bán kính nhỏ, nhiều trường hợp có chướng ngại vật nằm ở phía bụng đường cong gây trở ngại cho tầm nhìn như mái ta luy đào, nhà cửa, cây cối, Muốn đảm bảo được tầm nhìn S trên đường cong cần phải xác định được phạm vi phá bỏ chướng ngại vật cản trở tầm nhìn. Tầm nhìn trên đường cong nằm được kiểm tra đối với các ô tô chạy trên làn xe phía bụng đường cong với giả thiết mắt người lái xe cách mép mặt đường 1,5m và ở độ cao cách mặt đường 1,0m (tương ứng với trường hợp xe con). III - 28
  29. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Các phương pháp xác định phạm vi cần dỡ bỏ: 3.12.1 Phương pháp đồ giải: Trên bình đồ đường cong nằm vẽ với tỉ lệ lớn (Hình 3.9), theo đường quỹ đạo xe chạy, định điểm đầu và điểm cuối của những dây cung có chiều dài bằng chiều dài tầm nhìn S (11’=22’=33’= =S). Vẽ đường cong bao những dây cung này ta có đường giới hạn nhìn. Trong phạm vi của đường bao này tất cả các chướng ngại vật đều phải được phá bỏ như cây cối, nhà cửa, 4 1' 3 2' z 2 3' 1 Ñöôøng giôùi haïn nhìn Quyõ ñaïo xe chaïy 4' 1,5m Hình . Sơ đồ xác định tầm nhìn theo phương pháp đồ giải 3.12.2 Phương pháp giải tích: z S K 1,5m Ñöôøng giôùi haïn nhìn Quyõ ñaïo xe chaïy Hình . Xác định đường giới hạn nhìn theo phương pháp giải tích Cần xác định khoảng cách cần đảm bảo tầm nhìn tại điểm chính giữa đường cong z. Trong phạm vi đường cong tròn, đường giới hạn nhìn vẽ theo đường tròn cách quỹ đạo xe chạy một khoảng cách là z. Từ hai đầu của đường cong, kéo dài về hai phía mỗi bên một đoạn bằng S trên quỹ đạo xe chạy. Từ hai điểm cuối của hai đoạn thẳng này vẽ đường thẳng tiếp xúc với đường tròn trên ta sẽ có đường giới hạn nhìn . III - 29
  30. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Xác định khoảng cách cần đảm bảo tầm nhìn z, có hai trường hợp: a. Khi chiều dài đường cong K nhỏ hơn cự ly tầm nhìn S (Hình a). Ta có: z = DE + EH Trong đó: DE = R1 – OE, R1 – bán kính của đường cong theo quỹ đạo xe chạy. OE = R1.cos /2 1 EH AF AM.sin /2 S K .sin /2 2 1 Do đó ta có: z R1 1 cos S K sin ,m 2 2 2 b. Khi chiều dài đường cong K lớn hơn cự ly tầm nhìn S (Hình b) Ta có: z R 1 cos 1 1 2 Trong đó: 1 – góc giới hạn bởi cung của đường tròn có chiều dài bằng cự ly tầm nhìn S. K K b) . (S-K)/2. D a) A E z M s F H R 1 1 R1 S 0 Quyõ ñaïo xe chaïy 0 Hình . Sơ đồ xác định khoảng cách z. a) Khi S > K; b) Khi S < K 180.S B 1 ; R 1 R 1,5m .R1 2 R – Bán kính đường cong, m; B – Chiều rộng mặt đường, m. Thông thường với những đường không có dải phân cách giữa thì tầm nhìn S=S2 còn những đường có dải phân cách giữa thì S=S1. Để đơn giản và tăng phần an toàn trong tính toán thường lấy R1=R. III - 30
  31. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ Trong phạm vi Z và trên 1,0m cần phải dỡ bỏ các chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối, đất đá. Nhưng để đề phòng cây cỏ có thể mọc lại nên phải dỡ thấp hơn 0,5m hoặc dỡ ngang mặt đường C©y ph¶i ®èn Z ch¹y xe ®¹o Quü Zo 1.0m 1.5m §Êt ph¶i ®µo S Z Quü ®¹o xe xe ch¹y ®¹o Quü Zo 1.0m  1.5m R O 3.12.3 Đảm bảo tầm nhìn ban đêm: Ban đêm, tầm nhìn trong đường cong bằng bị hạn chế vì góc mở của chùm tia sáng đèn pha ô tô bé (thường ≈ Do đó, muốn đảm bảo đủ sáng trên đoạn đường dài bằng S (S-Tầm nhìn yêu cầu) thì bán kính đường cong R được xác định theo tính toán sau: S 180 S 180 180.S 30S  . ;  2  2 . R R 15.S R R 2 Thông thường khi ≈ thì bán kính đường cong yêu cầu là R=15S, đèn pha chỉ chiếu sáng trên đoạn đường phía trước khoảng 100m, vì vậy ta có R=1500m. Bán kính R=1500m thì đảm bảo tầm nhìn ban đêm trên đường cong tương đương đường thẳng. o0o III - 31