ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I. Những vấn đề chung

i.1. Tên đề tài:      ĐỒNG BỘ HÓA THIẾT KẾ QUY HOẠCH CHIỀU ĐỨNG

VÀ THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUYẾN ĐƯỜNG ĐÔ THỊ.

i.2. Sinh viên nghiên cứu: Đoàn Trung Kiên

                                  Lớp: 2001Đ, Khoa Đô Thị, Trường ĐH Kiến Trúc HN

i.3. Giáo viên hướng dẫn: TS. Phạm Hữu Đức

                                         - Bộ môn Giao Thông - Khoa Đô Thị.

II. Những cơ sở để xây dựng đề tài

ii.1. Căn cứ xây dựng đề tài:

          Căn cứ Quy định hoạt động nghiên cứu khoa học sinh viên ngày 12 tháng 12 năm 2001 của trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội.

          Căn cứ công văn hướng dẫn thực hiện nghiên cứu khoa học hàng năm của Bộ Giáo dục và đào tạo.

ii.2. Sự cần thiết của đề tài:

          Trong công tác thiết kế cũng như thi công đường đô thị, có những công đoạn nhiều khi chưa được thực hiện tốt, dẫn đến chất lượng công tŕnh xét ở một số khía cạnh chưa đảm bảo. Cụ thể, công tác thiết kế quy hoạch chiều đứng (QHCĐ) tuyến và thiết kế kỹ thuật tuyến c̣n có những mâu thuẫn nhất định. Đặc biệt là ở những đoạn đường có độ dốc nhỏ; đoạn đường cong đứng; đường cong nằm đơn giản; đường cong nằm có siêu cao, chuyển tiếp, mở rộng…

          Mục đích đầu tiên khi xây dựng một tuyến đường là đảm bảo cho xe cộ lưu thông an toàn, êm thuận. Mà để có được tiện nghi đó, đ̣i hỏi phải xây dựng một bề mặt đường không chỉ bằng phẳng, đủ độ nhám, mà c̣n phải mịn một cách h́nh học. Các yếu tố này là kết quả của một quá tŕnh thiết kế tốt đi kèm với thi công đúng. Để thiết kế tốt một tuyến đường, đặc biệt là đường đô thị, nhất thiết cần phải có một sự kết hợp giữa thiết kế QHCĐ với thiết kế kỹ thuật tuyến đường. Sự kết hợp này là rất quan trọng, nó giúp xác định cao độ hoàn thiện các điểm chi tiết một cách chính xác. Việc nghiên cứu đồng bộ thiết kế QHCĐ và thiết kế kỹ thuật tuyến sẽ góp phần quan trọng trong công tác thi công và kiểm tra chất lượng tuyến (xét trên yếu tố kỹ thuật về mặt h́nh học, mỹ quan và sự tiện nghi xe chạy). Ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ làm giảm sai số trong quá tŕnh thiết kế, làm tăng sự thống nhất giữa công tác thiết kế kỹ thuật và thiết kế QHCĐ tuyến đường.

          Khác với đường ngoài đô thị, đường đô thị được đặt trong mối quan hệ tổng thể với khu đất xây dựng hai bên, chịu sự khống chế của nhiều yếu tố. Đối với một tuyến đường đô thị, quan hệ về cao độ giữa các điểm trên tuyến, cũng như giữa các điểm trên tuyến với các điểm trên  khu đất hai bên đường có ư nghĩa quan trọng hơn nhiều so với đường ngoài đô thị. Để giải quyết tốt mối quan hệ đó, cần thiết phải có một sự kết hợp hoàn chỉnh giữa công tác thiết kế kỹ thuật với thiết kế QHCĐ tuyến.

          Trên thực tế việc thiết kế kỹ thuật tuyến (trong đó sử dụng chủ yếu là mặt cắt dọc mặt cắt ngang đường) và thiết kế QHCĐ (sử dụng đường đồng mức thiết kế hay c̣n gọi là đường đồng mức đỏ) đang được tiến hành với các tuyến đường đô thị. Rất tiếc là nhiều đồ án hiện nay, đă không thể hiện được chính xác các đường đồng mức thiết kế trong bản QHCĐ để phù hợp với mặt cắt dọc, mặt cắt ngang thiết kế kỹ thuật tuyến, nhất là tại những đoạn đường đặc biệt nơi có đường cong đứng, đường cong nằm, đường cong chuyển tiếp… Sở dỹ những đồ án đó có sai sót v́ việc vẽ các đường đồng mức thiết kế ở những vị trí này khá phức tạp, mặt khác chưa có tài liệu chi tiết giúp người thiết kế thực hiện công việc.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Sinh viên đă hệ thống hoá và tổng hợp lư thuyết của hai môn học thiết kế đường đô thị và QHCĐ khu đất xây dựng, làm cơ sở để xây dựng đề tài đồng bộ hoá thiết kế QHCĐ và thiết kế kỹ thuật tuyến đường đô thị. Đề tài mong muốn đề xuất phương pháp tiến hành tính toán thiết kế QHCĐ cho đường đô thị ở những điểm đặc biệt nêu trên, nhằm chính xác hoá, đồng bộ hoá thiết kế kỹ thuật tuyến đường với QHCĐ tuyến. Sau đó tin học hoá công tác này làm giảm nhẹ công việc của người thiết kế.

PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương I. Tổng quan

          Trong thiết kế kỹ thuật, để mô tả tuyến đường, người thiết kế sử dụng các mặt cắt dọc và mặt cắt ngang. Tuy nhiên, chỉ bằng mặt cắt dọc và mặt cắt ngang th́ chưa đủ để xác định toạ độ và cao độ của mọi điểm chi tiết trên phần đường xe chạy cũng như các bộ phận khác của tuyến đường. Với QHCĐ, bằng phương pháp đường đồng mức đỏ (đường đồng mức thiết kế), ta có thể xác định chính xác các điểm trên bề mặt tuyến và các vị trí khác của tuyến đường.

          Vấn đề đặt ra là việc thể hiện đường đồng mức đỏ có chính xác và ăn khớp với ư đồ thiết kế kỹ thuật không. Đối với những người chưa có nhiều kinh nghiệm, đặc biệt là sinh viên làm đồ án, nhiều khi việc thiết kế QHCĐ c̣n gặp phải những lỗi kỹ thuật, đó là việc thể hiện không đúng đường đồng mức đỏ, gây ra sai cao độ điểm. Những trường hợp dễ xảy ra sai sót thiết kế là:

          - Đoạn đường có độ dốc nhỏ (0 ≤ i < 0.004).

          - Đoạn đường thẳng có đường cong đứng.

          - Đoạn đường cong nằm.

          - Đoạn đường cong nằm với các yếu tổ chuyển tiếp, siêu cao, mở rộng…

          Dưới đây, đề tài xin được phân tích và làm rơ hơn lần lượt từng trường hợp cụ thể.

 

1.1. Đoạn đường có độ dốc nhỏ (0 £ i < 0.004).

          Độ dốc dọc i < 0.004 không thuận lợi cho thoát nước mưa. Có các phương pháp thiết kế được sử dụng:

          - Hoặc thiết kế rănh biên răng cưa và giữ nguyên độ dốc ngang phần đường xe chạy, hoặc vừa thiết kế rănh răng cưa vừa thay đổi độ dốc ngang ḷng đường trong một khoảng £ 1.5m cách đan rănh. Hai cách này đảm bảo thoát nước mà không gây mất tiện nghi xe chạy.

          - Tạo ra độ dốc thoát nước bằng cách thay đổi độ dốc ngang toàn bộ phần ḷng đường xe chạy, h́nh thành các đỉnh phân lưu và rănh tụ thuỷ trên tuyến đường. Kết quả, đường đồng mức thiết kế:

H́nh 01: Phương pháp thay đổi độ dốc ngang phần đường xe chạy đối với đường có độ dốc 0 £  i £ 0.004.

          Phương pháp này đảm bảo tốt việc thoát nước mưa, nhưng tuyến đường được tạo ra sẽ có dạng lượn sóng, chất lượng phục vụ của tuyến đường giảm.

 

1.2. Đoạn đường thẳng có đường cong đứng:

          Đây là vị trí đặc biệt trên tuyến đường mà người thiết kế QHCĐ rất dễ mắc sai sót nếu không chú ư. Xét các trường hợp:

a) Người thiết kế quan niệm đoạn đường cong đứng có độ dốc không đổi, đường đồng mức đỏ có dạng như trên đường thẳng. Quan niệm này là hoàn toàn sai lầm, v́ tuyến đường được tạo ra sẽ không c̣n yếu tố cong đứng, đường sẽ găy khúc ở điểm đổi dốc, gây mất mỹ quan, mất an toàn và giảm tiện nghi xe chạy.

H́nh 02: Một cách thiết kế không đúng QHCĐ đoạn đường cong đứng

b) Thiết kế đường đồng mức đỏ bằng phương pháp chia nhỏ đoạn cong đứng thành những đoạn thẳng, mỗi đoạn xác định một độ dốc dọc. Trên từng đoạn, t́m vị trí các điểm cao độ chẵn ở tim đường. Vị trí các điểm cao độ chẵn ở rănh biên được xác định dựa vào độ dốc vừa tính cho từng đoạn. Nối các điểm cùng cao độ với nhau tạo thành đường đồng mức thiết kế có dạng:

H́nh 03: QHCĐ đoạn đường cong đứng theo phương pháp chia nhỏ.

          Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng độ chính xác không cao. Thứ nhất, chưa coi trọng việc xác định điểm chuyển dốc (tại đó độ dốc bằng 0) - nếu là đường cong đứng lơm, mặt cắt ngang đi qua điểm này là vị trí đặt giếng thu nước. Cho dù độ dốc dọc vào và ra đường cong đứng có khác nhau (tiếp tuyến của đường cong tại hai điểm đầu và cuối có độ dốc khác nhau), khi đi qua điểm cao nhất (đối với đường cong đứng lồi) hoặc thấp nhất (khi đi qua đường cong đứng lơm), sẽ tồn tại một khoảng đối xứng qua điểm đổi dốc. Phương pháp này chưa thể hiện khoảng đối xứng đó. Thứ hai, việc chia đường cong đứng thành từng đoạn thẳng với từng độ dốc đă tạo ra sai số trong xác định điểm cao độ chẵn ở tim đường và đan rănh. Cũng v́ đă chia như vậy, nên phương pháp không đề cập tới việc xác định các điểm trung gian ở ḷng đường. Tất cả những yếu tố trên gây ra nhược điểm về độ chính xác cho phương pháp chia nhỏ đường cong đứng.

          Thực tế, đường đồng mức thiết kế tại vị trí đường cong đứng luôn có một khoảng đối xứng qua điểm cao nhất trên đường cong đứng lồi hoặc thấp nhất trên đường cong đứng lơm, và có dạng như sau:

H́nh 04: QHCĐ đường cong đứng theo theo kết quả của đề tài.

1.3. Đoạn đường cong nằm

          Thông thường, người thiết kế dùng đường thẳng để vẽ đường đồng mức. Đối với những đoạn đường cong nằm có độ dốc lớn hoặc bán kính lớn, cách thiết kế này sẽ không gây quá nhiều sai số. Nhưng với những đoạn đường có bán kính nhỏ hay có độ dốc không lớn, vẽ đường đồng mức bằng đường thẳng chắc chắn sẽ gây ra sai số.

a)

 

b)

 

H́nh 05: Cách QHCĐ đường cong nằm hay được sử dụng

a) Hai mái dốc          b) Một mái dốc

          Có thể thấy, ở trường hợp a), nếu độ dốc dọc đường nhỏ nữa, đường đồng mức sẽ cắt vào tim đường và phần hè đường, như vậy sẽ không hợp lư. Do đó buộc phải sử dụng đường cong. Nhưng nếu dùng đường cong th́ độ chính xác của các điểm trên đường đồng mức được kiểm soát như thế nào, từng cao độ được tính toán cụ thể ra làm sao. Phần 2.4. của đề tài sẽ nghiên cứu phương pháp tính toán vẽ đường đồng mức cho các đoạn đường cong nằm, đảm bảo tuyến đường thi công theo bản vẽ là đúng tiêu chuẩn và chất lượng. Đường đồng mức đỏ có dạng:

a)

 

b)

 

H́nh 06: QHCĐ đường cong nằm thực tế

a) Hai mái dốc          b) Một mái dốc

1.4. Đoạn đường cong nằm với các yếu tố chuyển tiếp, siêu cao, mở rộng:

          Trong thiết kế kỹ thuật tuyến, đối với đoạn đường cong nằm, người thiết kế tính toán được chiều dài đoạn chuyển tiếp bán kính, đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng. Lấy ra chiều dài lớn nhất dùng để tính toán cho cả ba yếu tố. Trong ba yếu tố, đoạn nối siêu cao được quan tâm nhiều hơn khi thiết kế QHCĐ. Đoạn nối này sẽ vừa có hướng thay đổi, độ dốc dọc thay đổi, bề rộng thay đổi, cho nên, việc thiết kế QHCĐ tại đây là một công việc rất phức tạp.     

Hiện tại có hai cách vẽ đường đồng mức trên đoạn đường nối siêu cao. Hai cách vẽ này đều có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, song chưa đạt được độ chính xác cần thiết:

Thứ nhất, dựng trục phụ: người thiết kế không bị quá phụ thuộc vào việc xác định chính xác trục phụ cũng như các đường đồng mức cắt qua trục phụ. Đề tài cho rằng đây chỉ là phương pháp đem lại cách hiểu tương đối về sự biến đổi độ dốc ngang trên đoạn nối siêu cao. Nếu nh́n theo quan điểm kỹ thuật tuyến, việc dựng trục phụ đồng nghĩa với việc tạo ra một đỉnh phân lưu mới trên bề mặt tuyến đường. Thực tế không thể có đường phân lưu này.

H́nh 07: QHCĐ đoạn nối siêu cao bằng cách dựng trục phụ.

          Thứ hai, lật mái dần dần. Phương pháp này khắc phục được khuyết điểm tạo ra đỉnh phân lưu mới trên bề mặt tuyến của cách dùng trục phụ, mô tả được cách mà độ dốc ngang thay đổi trên đoạn nối siêu cao. Cơ sở của phương pháp này là tính toán thêm độ dốc i cho đan rănh. Từ đó xác định các điểm cao độ chẵn trên đan rănh. Nối thẳng tạo đường đồng mức thiết kế.

H́nh 08: QHCĐ đoạn nối siêu cao bằng cách lật dần mái.

          Nhược điểm của phương pháp này là chưa đạt được độ chính xác tuyệt đối cho các điểm trung gian ở ḷng đường. Đường đồng mức chính xác cho đoạn đường nối siêu cao phải có dạng:

H́nh 9: QHCĐ đoạn nối siêu cao thực tế.

 

 

Chương II. Cơ sở khoa học

          Đề tài nghiên cứu dựa trên cơ sở tổng hợp kiến thức lư thuyết cơ bản, lư thuyết chuyên ngành và thực tế thiết kế.

          Về lư thuyết chuyên ngành, đề tài sử dụng toàn bộ hệ thống lư thuyết của hai môn học Thiết kế kỹ thuật Thiết kế quy hoạch chiều đứng tuyến đường đô thị.

          - Trong thiết kế kỹ thuật: phần lư thuyết được sử dụng bao gồm lư thuyết về các yếu tố h́nh học cấu thành tuyến (đường cong đứng, đường cong nằm, đường cong nằm có siêu cao, chuyển tiếp, mở rộng…), mặt cắt dọc, mặt cắt ngang tuyến.

          - Đối với QHCĐ, lư thuyết được dùng làm cơ sở nghiên cứu là phần QHCĐ cho các loại tuyến đường bằng phương pháp đường đồng mức thiết kế.

          Lư thuyết khoa học cơ bản được sử dụng làm cơ sở trong đề tài là h́nh học giải tích. Một số công thức, phương tŕnh toán học, mô h́nh không gian được thiết lập trong đề tài dựa trực tiếp trên lư thuyết h́nh học giải tích.

          Về thực tế thiết kế, đề tài có tham khảo nhiều đồ án sản xuất cũng như đồ án môn học của sinh viên. Những tài liệu này là một phần cơ sở giúp đề tài đánh giá phân tích những mặt c̣n tồn tại trong thực tế thiết kế để sau đó đưa ra cách giải quyết phù hợp.

          Ngoài ra, đề tài c̣n lấy tin học làm cơ sở cho quá tŕnh nghiên cứu giải quyết vấn đề. Dùng công nghệ thông tin làm công cụ hỗ trợ, khả năng giải quyết vấn đề được nâng cao, bao gồm cả về tốc độ thiết kế và độ chính xác thiết kế.