Ứng dụng kết quả thí nghiệm Hamburg wheel tracking vào dự tính độ sâu vệt hằn của kết cấu áo đường mềm

Bài viết Ứng dụng kết quả thí nghiệm Hamburg wheel tracking vào dự tính độ sâu vệt hằn của kết cấu áo đường mềm trình bày một phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe của kết cấu áo đường trên cơ sở ứng dụng kết quả của thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe trong phòng. Từ đó, mối tương quan giữa kết quả thí nghiệm độ sâu vệt bánh xe trong phòng và độ sâu vệt hằn ở hiện trường có thể được dự báo thông qua việc tính toán mô phỏng. Kết quả nghiên cứu góp phần giúp người thiết kế có căn cứ để lựa chọn loại vật liệu thích hợp cho từng điều kiện làm việc của công trình.

Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN … Ứng dụng kết thí nghiệm Hamburg wheel tracking vào dự tính độ sâu vệt hằn kết cấu áo đường mềm Nguyễn Huỳnh Tấn Tài Khoa Xây dựng, Trường Đại học Thủ Dầu Một, Tỉnh Bình Dương, Việt Nam, E-mail: tainht@tdmu.edu.vn Phịng R&D, Cơng ty CP Đầu tư – Xây dựng BMT, TP HCM, Việt Nam, E-mail: tainht@bmt-rnd.vn TĨM TẮT: Thí nghiệm Hamburg wheel tracking dùng để đánh giá khả kháng hằn lún loại vật liệu bê tông nhựa thí nghiệm bắt buộc cơng trình đường giao thông cấp III trở lên đường cao tốc theo qui định QĐ/BGTVT-1617 năm 2014 Giao thông Vận tải Việt Nam Việc khai thác kết thí nghiệm dừng lại việc đối chiếu giá trị thí nghiệm với giá trị ngưỡng qui định tiêu chuẩn; việc so sánh khả kháng hằn lún loại bê tông nhựa với Mối tương quan kết thí nghiệm phịng độ sâu vệt hằn kết cấu áo đường trường chưa nghiên cứu cách chi tiết Trong báo cáo này, tác giả trình bày phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường mềm phương pháp phần tử hữu hạn sở ứng dụng kết thí nghiệm Hamburg Wheel Tracking Phương pháp trình bày ứng dụng vào việc dự tính độ sâu vệt hằn cho số cơng trình thực tế thành phố Hồ Chí Minh Kết quan trắc cho thấy độ sâu vệt hằn dự tính tương đối phù hợp với độ sâu vệt hằn thực tế mặt đường Từ khóa: bê tơng nhựa, kết cấu áo đường mềm, thí nghiệm Hamburg wheel tracking, dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe ABSTRACT: Hamburg wheel tracking test is used for evaluating the rutting resistance of asphalt concretes and is an obligatory test for important projects The test is used for the comparison between the experimental value with the threshold value specified in design and construction standards or between the rutting resistances of other types of asphalt concrete The relationship of the Hamburg wheel tracking test result to the rut depth of a pavement structure on the field is not yet well studied In this work, the author presents a method for predicting the rut depth of a pavement structure, in which asphalt concrete is modelled as an elasto-viscoplastic material and the Hamburg wheel tracking test result is used for the identification of model parameters The method presented is applied to predict the rut depth of some pavement structures in Ho Chi Minh City and relatively good agreements between predicted and measured rut depths are found Keywords: asphalt concrete, pavement structure, Hamburg wheel tracking test, rut depth prediction kiện nhiệt độ 50°C môi trường nước 10.0 mm ĐẶT VẤN ĐỀ sau 20000 chu kỳ tác dụng bánh xe điều kiện Biến dạng vĩnh cửu mặt đường hay hằn lún vệt nhiệt độ 60°C môi trường khơng khí với nhựa bánh xe dạng hư hỏng kết cấu áo đường phổ biến đường polymer Các yếu tố điều kiện giao thông, chế Việt Nam Nguyên nhân chủ yếu vật liệu bê độ nhiệt mặt đường chưa xem xét tông nhựa bị biến dạng không hồi phục tác dụng việc đánh giá khả kháng hằn lún kết cấu mặt trùng phục tải trọng xe cộ Với điều kiện khí hậu đường Mối tương quan kết thí nghiệm nhiệt đới Việt Nam, nhiệt độ lớp mặt bê tơng phịng trường chưa nghiên cứu nhựa đạt 70°C vào thời điểm nóng cách chi tiết Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày ngày Giá trị nhiệt độ này, vượt qua ngưỡng nhiệt phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe hóa mềm phần lớn loại nhựa đường dùng để kết cấu áo đường sở ứng dụng kết thí chế tạo bê tông nhựa nay, tạo điều kiện thuận lợi nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe phịng Từ đó, mối cho tượng hằn lún vệt bánh xe xảy Để đánh giá tương quan kết thí nghiệm độ sâu vệt bánh xe khả kháng hằn lún bê tơng nhựa, Bộ GTVT phịng độ sâu vệt hằn trường qui định việc thí nghiệm độ sâu vệt hằn dự báo thơng qua việc tính tốn mơ Kết phịng dự án quan trọng (QĐ/BGTVT-1617, nghiên cứu góp phần giúp người thiết kế có 2014) Ngưỡng chấp nhận loại vật liệu bê để lựa chọn loại vật liệu thích hợp cho điều kiện tơng nhựa qui định tiêu chuẩn thi làm việc cơng trình cơng nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa 22TCN 356 (2006) TCVN 8819 (2011) Căn theo tiêu chuẩn này, ngưỡng chấp nhận vật liệu bê tông nhựa sử dụng nhựa thông thường 12.5 mm sau 10000 chu kỳ tác dụng tải trọng bánh xe điều ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE Hai phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn lún phổ biến phương pháp sử dụng mơ hình giải tích phương pháp mơ số Phương pháp thứ sử dụng lý thuyết đàn hồi phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất phân bố kết cấu áo đường sử dụng mơ hình giải tích để dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe Các mơ hình giải tích gọi hàm chuyển, giúp kết nối kết phân tích ứng suất biến dạng với hư hỏng mặt đường Các phương pháp điển phương pháp Shell phát triển năm 1978 phương pháp viện Asphalt Instutute phát triển năm 1982 Phương pháp viện Asphalt Institute ứng dụng rộng rãi tiêu chuẩn thiết kế AASHTO Mỹ (AASHTO T324, 2004), IRC: 37-2012 Ấn Độ (IRC 37, 2012) Các thông số mơ hình xác định hiệu chuẩn thơng qua số liệu đo đạc thực tế đường thử tiêu chuẩn vốn phụ thuộc nhiều vào điều kiện giao thông, điều kiện thời tiết đường thử nước sở Phương pháp thứ hai mô hình hóa tượng hằn lún tốn vật rắn biến dạng tác dụng tải trọng lặp sử dụng qui luật ứng xử phức tạp vật liệu bê tơng nhựa mơ hình dẻo– nhớt (Kim, Drescher, & Newcomb, 1991; Drescher, Kim, & Newcomb, 1993; Hua, 2000; Nahi, Ismail, & Ariffin, 2011), đàn hồi–dẻo–nhớt (Park, 2007; Karrech, Seibi, & Duhamel, 2011; Nedjar & Nguyen, 2012, Nguyen, 2016) hay kết hợp hai mơ hình đàn hồi–nhớt, dẻo–nhớt (Lu & Wright, 1998; Huang, Abu Al-Rub, Masad, & Little, 2011; Darabi, Abu Al-Rub, Masad, Huang, & Little, 2012) Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường phương pháp mô số Khi xuất hằn lún, mặt đường chịu biến dạng tương đối lớn, yếu tố phi tuyến hình học cần xem xét đến Mơ hình ứng xử vật liệu sử dụng mơ hình đàn hồi-dẻo-nhớt sử dụng lý thuyết dẻo nhớt Perzyna tiêu chuẩn dẻo Drucker-Prager điều kiện biến dạng lớn (Nguyễn cộng sự, 2015, Nguyễn, 2016) 2.1 Các phương trình mơ hình ứng xử đàn hồi-dẻo-nhớt Gọi  ten-xơ ứng suất Piola–Kirchhoff thứ hai, biểu thị trạng thái ứng suất vật thể cân tác dụng tải trọng bên ngồi Để thuận tiện cho việc trình bày, báo dấu “ ” dùng để biểu thị ten-xơ bậc 2, nguyên tắc tổng số câm Enstein áp dụng tất phương trình khơng có ghi riêng Phương trình cân cục vật rắn điểm biểu thị dạng NXB Xây dựng - ISBN …   Div   f  (1)   khối lượng riêng vật thể, f vec-tơ  lực khối toán tử Div định nghĩa   ij Gọi E ten-xơ biến dạng Green Div   i X j Lagrange Chúng ta phân tích ten-xơ biến dạng tổng thành ten-xơ biến dạng đàn hồi ten-xơ biến dạng dẻo–nhớt   e vp (2) EE E Quan hệ ứng suất biến dạng đàn hồi tuân theo qui luật Saint-Venant Kirchhoff e e    E   tr E I (3) đó, I ten-xơ đơn vị bậc 2;  mô-đun đàn hồi trượt  số Lamé Phân tích ứng suất thành tổng ứng suất lệch S ứng suất cầu p.I 2.1.1 Tiêu chuẩn dẻo Drucker–Prager Tiêu chuẩn dẻo Drucker Prager (1952) phù hợp với ứng xử vật liệu rời bao gồm bê tông nhựa đặc trưng lực dính góc nội ma sát f ( )  S : S   * p   *.c * (4) c* lực dính,  *  * đặc trưng cho góc nội ma sát  * vật liệu Trong số trường hợp đặc biệt, tiêu chuẩn dẻo Drucker–Prager tương đương với tiêu chuẩn dẻo Morh–Coulomb (Chen & Mizuno, 1990; Souza, Peric, & Owen, 2008) 2.1.2 Luật chảy dẻo Tốc độ biến dạng dẻo tuân theo luật chảy dẻo sau E vp   g (5)  Hàm g hàm chảy dẻo tiềm năng, có dạng tương tự hàm f thay   đặc trưng cho góc nở vật liệu g ( )  S : S   p  const (6) Độ lớn tốc độ biến dạng dẻo xác định (Perzyna, 1966)      f     (7) độ lỏng  đại lượng đặc trưng cho nghịch đảo độ nhớt vật liệu, hàm   f    thể ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN … mức độ chảy nhớt Đối với vật liệu bê tông nhựa, hàm   f    thường có dạng   f    ( f    )    1  c  (8) với  thơng số mơ hình, dấu ngoặc x x Macauley  định nghĩa x  2.1.3 Qui luật biến cứng Trong trình chịu tác dụng tải trọng, cốt liệu xếp lại làm tăng khả chịu biến dạng vật liệu Kết tốc độ biến dạng dẻo tích lũy giảm dần theo số lượt tác dụng tải trọng gọi tượng biến cứng Hiện tượng biến cứng mơ hình hóa thông qua giá trị giảm dần độ lỏng   e  vp    e m  1   e vp t vp (9) vp e vp   E : E dt biến dạng dẻo tích lũy tương đương 2.2 Tích hợp mơ hình vào chương trình tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Các phương trình mơ hình ứng xử vật liệu trình bày bên khơng tồn nghiệm giải tích giải phương pháp “giải số” Thuật toán dùng để giải số phương trình bên thường sử dụng thuật toán “return mapping” Độc giả quan tâm tham khảo phương pháp tài liệu (Simo & Hughes, 2000; Souza, Peric & Owen, 2008) Việc giải số phương trình mơ hình đàn hồi-dẻonhớt sử dụng lý thuyết dẻo nhớt Perzyna tiêu chuẩn dẻo Drucker Prager trình bày chi tiết (Nguyễn cộng sự, 2015; Nguyễn, 2016) Việc tích hợp mơ hình ứng xử vào chương trình tính tốn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thực thơng qua mơ-đun dùng để định nghĩa vật liệu UMAT ABAQUS hay USERMAT ANSYS Trong nghiên cứu này, phương trình mơ hình ứng xử vật liệu tích hợp vào chương trình tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn tự phát triển môi trường Intel Visual Fortran 2.3 Xác định thơng số mơ hình Đối với vật liệu bê tơng nhựa, thí nghiệm từ biến động ba trục sử dụng phổ biến để xác định thơng số mơ hình ứng xử Trong khuôn khổ nghiên cứu này, thiết bị từ biến động chưa trang bị tác giả ứng dụng thí nghiệm xác định độ sâu vệt hằn bánh xe (Hamburg wheel tracking test) để “tính tốn ngược” số vật liệu bê tông nhựa sử dụng Trình tự xác định sau Thực thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe phịng điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn 60°C với số lượt tác dụng 20000 nhựa đường thông thường 40000 nhựa đường polymer Sau có kết thí nghiệm, tốn học mơ tả thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe giải phương pháp số với nhiều dải thông số đầu vào khác Những thông số cho kết độ lún theo số lần tác dụng bánh xe phù hợp với giá trị thí nghiệm số đặc trưng loại vật liệu bê tơng nhựa Đối với loại vật liệu khơng có tính nhớt có tính nhớt không đáng kể cấp phối đá dăm, đắp đất cát xem vật liệu đàn hồi Trong trường hợp đất dính có tính nhớt sử dụng làm đường, ứng suất phát sinh tải trọng bánh xe truyền xuống không đáng kể so sánh với ứng suất tải trọng thân vật liệu bên truyền xuống Khi đó, biến dạng từ biến lớp vật liệu gây lún tổng thể toàn kết cấu áo đường ảnh hưởng không nhiều đến độ sâu vệt hằn lớp mặt đường bê tông nhựa bên Trong trường hợp này, xem lớp vật liệu đàn hồi Giá trị mô-đun đàn hồi hệ số Poisson xác định cách tra bảng thực thí nghiệm theo dẫn qui trình thiết kế hành (22TCN 211-06, 2006) 2.4 Trình tự tính tốn dự báo độ sâu vệt hằn Q trình tính tốn dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường bao gồm bước sau: - thu thập liệu cấu tạo kết cấu áo đường, - xác định điều kiện khai thác - xác định số đặc trưng vật liệu - tính tốn mơ phương pháp số - phân tích kết dự báo thời gian khai thác Trong nội dung đó, cấu tạo kết cấu áo đường điều kiện khai thác thu thập từ hồ sơ thiết kế dự án Khác với tính tốn truyền thống, người tính tốn cần phải thu thập thêm thơng tin thành phần phương tiện tham gia giao thông, áp lực bánh xe tính tốn, vận tốc giao thơng tính tốn, nhiệt độ tính tốn số đặc trưng vật liệu liên quan đến khả kháng hằn lún vật liệu Việc tính tốn mơ thực chương trình tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp mơ hình ứng xử đàn hồi-dẻo-nhớt trình bày bên Kết tính tốn sau xử lý cho biết giá trị độ sâu vệt hằn dự tính lần tác dụng khác tải trọng Giá trị hồn tồn qui đổi thời gian khai thác dự án thông qua liệu điều kiện khai thác lưu lượng giao thông nhiệt độ mặt đường SO SÁNH ĐIỀU KIỆN CỦA THÍ NGHIỆM HẰN LÚN VỆT BÁNH XE VÀ ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC THỰC TẾ ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững Trước xác lặp điều kiện cho tốn dự tính hằn lún, điều kiện nhiệt thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu mặt đường thực tế cần phân tích kỹ để chọn thơng số tính tốn phù hợp 3.1 Điều kiện thí nghiệm độ sâu vệt hằn phịng 3.1.1 Tải trọng tác dụng Thí nghiệm độ sâu vệt hằn phịng mơ tác dụng trùng phục tải trọng xe cộ kích thước thu nhỏ lên bê tơng nhựa Bánh xe sử dụng thí nghiệm độ sâu vệt hằn mơi trường khơng khí bánh xe cao su có đường kính 200 mm, bề rộng vệt bánh xe 50 mm Tải trọng tác dụng lên bê tông nhựa 710 N áp lực tác dụng tương ứng 0.7 MPa (TCVN 8819, 2011) Vệt bánh xe có kích thước tương ứng 50 mm x 20.3 mm (hình 1) Tần số di chuyển bánh xe 53 ± lượt / phút với tốc độ trung bình bánh xe 1.1 km/h phù hợp với tiêu chuẩn EN 12697-22 (2007) phương pháp B QĐ/BGTVT1617 (2014) Hình Diện tích vệt bánh xe thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe 3.1.2 Thời gian lưu tải tải trọng Theo Hua, (2000), thời gian lưu tải ( TL ) hay thời gian tác dụng lượt tải trọng tính toán thời gian bánh xe di chuyển quãng đường chiều dài vệt bánh xe Thời gian tác dụng tài trọng sơ đồ hóa hình 0.066 s 3.1.4 Độ cứng bê tông nhựa Độ cứng bê tông nhựa đánh giá thông qua giá trị mô-đun đàn hồi động Bê tơng nhựa loại vật liệu có tính nhớt nên mô-đun đàn hồi động phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số tác dụng tải trọng hay tốc độ phương tiện lưu thông Xe cộ lưu thông với vận tốc khác gây tác động với tần số tải trọng tương đương khác Vận tốc xe chạy qui đổi tần số tác dụng tải trọng thông qua công thức sau (KICT, 2008) f  0.774V 0.8226 e0.0614 z 0.7 MPa 0.82 s 0.066 s thời gian Hình Thời gian lưu tải xả tải thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe Đối với thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe, thời gian lưu tải tính toán 0.066 s, thời gian xả tải 0.82 s ứng với chu kỳ 0.883 s Bê tông nhựa loại vật liệu có tính nhớt, nên theo nhiều tác giả tác dụng N lượt tải trọng với thời gian lưu tải lượt tác dụng TL tương đương với tác dụng lượt với thời gian lưu tải N TL (Hua, 2000; Huang, 2004;) Như tổng thời gian lưu tải tương đương 20000 lượt tác dụng thí nghiệm vệt hằn bánh xe 1320 s 3.1.3 Nhiệt độ bê tơng nhựa (10) V vận tốc xe chạy (km/h), z độ sâu từ bề mặt (cm) Đối với thí nghiệm vệt hằn bánh xe, độ sâu 2.5 cm từ bề mặt, tần số tác dụng tải trọng vào khoảng 1.1 Hz Giá trị mơ-đun đàn hồi động xác định thông qua công thức thực nghiệm cho (KICT, 2008) 0.00878Va  50 mm 0.7 MPa Trong thí nghiệm vệt hằn bánh xe, nhiệt độ giữ khơng đổi suốt q trình thí nghiệm 60ºC mơi trường khơng khí log E *  6.9402  0.00180.075  0.00394.75  20 mm 710 N NXB Xây dựng - ISBN …  1.3343Vbeff Vbeff  Va  (11) 3.6399  0.03114.75  0.01559.5  0.010519  e(0.09940.1627 log( f )0.1807 log(  )) Va độ rỗng dư, Vbeff hàm lượng nhựa có hiệu (%),  độ nhớt nhựa (106 Poise), 0.075,  4.75, 9.5, 19 hàm lượng tích lũy sàng 0.075mm, 4.75mm, 9.5mm 19mm 3.2 Điều kiện khai thác thực tế 3.2.1 Tải trọng tác dụng Trong thực tế khai thác, tải trọng xe cộ tác dụng lên mặt đường gồm nhiều loại từ xe con, xe khách đến xe tải nhẹ, xe tải nặng, xe container Để thuận tiện cho việc tính tốn, tiêu chuẩn thiết kế đường nhiều nước cho phép qui đổi loại xe tải trọng trục đơn tương đương (ESAL: Equivakent Single Axle Load) hay gọi lại tải trọng trục tiêu chuẩn Tiêu chuẩn thiết kế đường Mỹ (AASHTO, 2008) qui định tải trọng trục tiêu chuẩn 80 kN, áp lực tính tốn 0.83 MPa Tiêu chuẩn thiết kế đường Việt Nam (22TCN 211-06, 2006) qui định tải trọng trục tiêu chuẩn 100 kN 120 kN ứng với áp lực tính tốn 0.6 MPa, đường kính tương đương vệt bánh xe 33 cm 36 cm Việc qui đổi lưu lượng tải trọng trục khác lưu lượng tải trọng trục tiêu chuẩn (số trục ngày đêm hai chiều xe chạy) qui định chi tiết tiêu chuẩn (22TCN 211-06, 2006) Tốc độ thiết kế dịng xe tính tốn tùy thuộc vào cấp đường Đối với hư hỏng mặt đường dạng hằn lún vệt bánh xe vận tốc cao không gây nguy hiểm vận tốc thấp Đối với ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững 167 mm điều kiện khai thác thành phố Hồ Chí Minh nay, tốc độ dịng xe trung bình khoảng 45-50 km/h khu vực cách xa giao lộ từ 5-15 km/h khu vực gần giao lộ 33 kN 33 kN 220 mm 220 mm NXB Xây dựng - ISBN … 60oC 250 MPa (22TCN 211-06, 2006), hệ số Poisson =0,35 - lớp BTNC19 sử dụng nhựa đường polymer PMB-III dày cm , có mơ-đun đàn hồi 60oC 250 MPa, hệ số Poisson =0,35 - lớp móng đường có mơ-đun đàn hồi trung bình tồn tuyến Emóng=160 MPa Các số đặc trưng vật liệu bê tông nhựa chặt C19 PMB3 sau: 0  5,0  10 3 , 1  5,0  10 6 ,     46, , m  1,55  =1,0 100 mm Hình Vệt bánh xe trục tính tốn (đo trực tiếp xe tải 10T cơng ty BMT) 3.2.2 Thời gian lưu tải Vận tốc trung bình tính tốn cho khu vực ngồi giao lộ V=50 km/h thời gian lưu tải tính tốn tương ứng tL=0.012 s Đối với khu vực giao lộ, vận tốc trung bình tính tốn V=5 km/h thời gian lưu tải tính tốn tL=0.12 s 3.2.3 Nhiệt độ lớp bê tông nhựa Giá trị nhiệt độ thay đổi theo thời gian ngày Khoảng thời gian mà bê tông nhựa đạt nhiệt độ cao vào khoảng từ 10 trưa đến 16 chiều Tương tự tải trọng, lưu lượng xe nhiệt độ khác qui đổi lưu lượng xe nhiệt độ tiêu chuẩn Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng nhiệt độ tiêu chuẩn 60 ºC Hệ số qui đổi số trục tiêu chuẩn từ nhiệt độ t sang nhiệt độ tiêu chuẩn định nghĩa (Park, 2006) TCF  Ns Nt (12) Ns số lượt tác dụng đạt độ sâu vệt hằn giới hạn nhiệt độ tiêu chuẩn, Nt số lượt tác dụng đạt độ sâu vệt hằn giới hạn nhiệt độ t 3.3 Độ cứng bê tông nhựa Với vận tốc lưu thông 10 km/h 50 km/h, tần số tác dụng tải trọng tương ứng f  7.3Hz f  27.5 Hz Độ cứng cửa bê tơng nhựa tương ứng ước lượng sử dụng phương trình (11) phụ thuộc vào cấp phối hạt bê tông nhựa loại nhựa đường sử dụng VÍ DỤ ÁP DỤNG Mặt đường đại lộ Đơng Tây, thành phố Hồ Chí Minh trước bị hằn lún vệt bánh xe nặng lưu lượng xe tải container vào cảng Cát Lái lớn Vào tháng 10 năm 2014, mặt đường sửa chữa hai loại vật liệu bê tông nhựa bê tông xi măng Kết cấu áo đường đoạn sửa chữa vật liệu bê tông nhựa cấu tạo sau (hình 4): - lớp bê tông nhựa chặt C19 (BTNC19) sử dụng nhựa đường polymer PMB-III dày cm, có mơ-đun đàn hồi Hình Cấu tạo kết cấu áo đường rời rác hóa kết cấu phần tử tứ giác Q8 Khu vực tính tốn dự báo gồm hai khu vực: (i) giao lộ Đại lộ Đông Tây đường Đồng Văn Cống (ii) khu vực cách xa giao lộ Các điều kiện tính tốn sau Tải trọng tác dụng tải trọng trục bánh đôi 13 Với công nghệ lốp xe nay, áp suất bơm lốp cao nhiều so với trước thường vào khoảng 0,81,0 MPa (Kawa, Zhang, & Hudson, 1998), áp lực tính tốn lấy 0,9 MPa để phù hợp với tình hình khai thác thực tế Vận tốc dịng xe tính tốn km/h áp dụng cho khu vực giao lộ 50 km/h khu vực cách xa giao lộ Thời gian lưu tải tương ứng 0,12 s cho khu vực giao lộ 0.012 s cho khu vực cách xa giao lộ Nhiệt độ tính tốn 60 oC Để so sánh đối chiếu kết tính toán kết thực tế, lưu lượng xe tải thống kê từ trạm thu phí Xa Lộ Hà Nội, cách vị trí sửa chữa 2,5 km qui đổi tải trọng trục đơn tương đương theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 (2006) Theo kết thống kê, số lượng trục đơn tương đương qui đổi nhiệt độ tiêu chuẩn lưu thông 137.000 trục đơn/làn/tháng Trong trình khai thác, mặt đường quan trắc lún trồi thước thẳng theo tiêu chuẩn ASTM E1703 (2005) với mật độ đo 30m/1 mặt cắt chu kỳ 1,5 tháng, 2,5 tháng 3,5 tháng Kết tính tốn dự báo quan trắc lún trình bày hình hình Đối với khu vực giao lộ: Dưới tác dụng 479.500 trục đơn tương đương (hay 3,5 tháng khai thác), độ sâu vệt lún thực tế 8,2 mm độ sâu dự tính 9,4 mm Sai số số liệu dự tính số liệu quan trắc 14,6% Đây mức sai số chấp nhận điều kiện tốn có nhiều yếu tố ngẫu nhiên nhiệt độ mặt đường, phân bố lưu lượng xe cộ theo thời gian sai số mặt hình học, vật liệu ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN … - - Áp lực lốp xe truyền lên mặt đường (0.9 MPa) cao áp lực mà bánh xe cao su tác dụng lên bê tông nhựa (0.7 MPa) Tấm bê tông nhựa đặt đế thép gần không biến dạng kết cấu mặt đường đặt đàn hồi chịu biến dạng rut depth (mm) Hình Độ sâu vệt hằn bánh xe tính toán quan trắc – Khu vực giao lộ đại lộ Đông Tây đường Đồng Văn Cống -2 -4 -6 HWT test pavement structure (HWT test) x 3.5 -8 -10 500 1000 1500 loading time (s) Hình So sánh độ sâu vệt hằn bánh xe bê tơng nhựa phịng kết cấu mặt đường Hình Độ sâu vệt hằn bánh xe tính tốn quan trắc – Khu vực cách xa giao lộ Đối với khu vực cách xa giao lộ: độ sâu vệt hằn tính tốn lớn giá trị quan trắc từ 1.5 đến lần Điều giải thích sau Thiết bị thí nghiệm độ sâu vệt lún bánh xe chạy với vận tốc cố định 1.1 km/h vận tốc thích hợp với điều kiện giao thơng chậm khu vực giao lộ Ở khu vực giao lộ, vận tốc lưu thơng trung bình 50 km/h lớn nhiều vận tốc thí nghiệm Do đó, việc lấy số vật liệu xác định từ thí nghiệm vận tốc chậm để tính tốn cho tốn có điều kiện lưu thơng nhanh cho kết lớn thực tế điều hiển nhiên Nguyên nhân sai lệch nằm chủ yếu khâu xác định thơng số mơ hình Tương quan độ sâu vệt hằn bê tông nhựa thí nghiệm phịng kết cấu áo đường: Để làm phép so sánh hai giá trị này, số lượt tác dụng bánh xe thí nghiệm tải trọng trục đơn tương đương phải qui đổi thứ nguyên, tổng thời gian lưu tải Kết tính tốn cho thấy, độ sâu vệt hằn kết cấu mặt đường lớn độ sâu vệt hằn bê tơng nhựa thí nghiệm phịng khoảng 3.5 lần (hình 7) với giá trị tổng thời gian lưu tải Điều giải thích nguyên nhân sau - Kết cấu áo đường có chiều dày 12 cm, lớn hai lần chiều dày bê tông nhựa (6cm) KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, kết thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe phịng ứng dụng vào dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường mềm Mối tương quan kết thí nghiệm độ sâu vệt hằn bê tơng nhựa phịng độ sâu vệt hằn kết cấu áo đường trường xác định thơng qua việc tính tốn phương pháp mơ số Trong đó, ứng xử học vật liệu bê tơng nhựa, mấu chốt vấn đề, mơ hình hóa mơ hình đàn hồi-dẻo-nhớt sử dụng lý thuyết dẻo-nhớt Perzyna tiêu chuẩn dẻo Drucker-Prager Các yếu tố ảnh hưởng đến tượng hằn lún tải trọng trục đơn tương đương, áp suất lốp xe, vận tốc giao thơng đưa vào mơ hình tính toán cách tường minh Riêng yếu tố nhiệt độ, yếu tố quan trọng nhất, đưa vào tính tốn cách gián tiếp thông qua việc xác định số đặc trưng vật liệu từ kết thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe phòng điều kiện nhiệt độ 60°C mơi trường khơng khí Kết quan trắc cho thấy phương pháp đề xuất cho kết độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường tương đối phù hợp với thực tế trường hợp tốn có điều kiện giao thơng chậm khu vực giao lộ trạm thu phí Sai số kết dự tính đo đạc trường nằm giới hạn chấp nhận Với giá trị tổng thời gian lưu tải, độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường lớn độ sâu vệt hằn bánh xe bê tơng nhựa thí nghiệm phịng có chiều dày lớp bê tơng nhựa lớn điều kiện chịu lực khắc nghiệt REFERENCES 22TCN 211-06 (2006) Áo đường mềm - Các yêu cầu dẫn thiết kế Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam ID No./ pp Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững 22TCN 356 (2006) Quy trình cơng nghệ thi cơng nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa đường polime Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam AASHTO (2008) Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide-A Manual of Practice American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, USA AASHTO – T324 (2004) Hamburg Wheel-Track Testing of Compacted Hot Mix Asphalt American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, USA ASTM – E1703 (2005) Standard Test Method for Measuring Rut-Depth of Pavement Surfaces Using a Straightedge American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, USA Chen, W.F & Mizuno, E (1990) Nonlinear Analysis in Soil Mechanics: Theory and Implementation Elsevier, Amsterdam, Holland Darabi, M.K., Abu Al-Rub, R.K., Masad, E.A., Huang, C.W., & Little, D.N (2012) A modified viscoplastic model to predict the permanent deformation of asphaltic materials under cycliccompression loading at high temperatures International Journal of Plasticity, 35, pp 100-134 Drescher, A., Kim, J.,& Newcomb, D (1993) Permanent Deformation in Asphalt Concrete Journal of Material in Civil Engineering, 5, pp 112128 Drucker, D C., & Prager, W (1952) Soil mechanics and plastic analysis for limit design Quarterly of Applied Mathematics, 10, pp 157–165 10 EN 12697-22 (2007) Bituminous mixtures: Test method for hot mix asphalts-Part 22: Wheel Tracking European Standard, Brussels, Belgium 11 Hua, J (2000) Finite element modelling and analysis of accelerated pavement testing devices and rutting phenomenon Ph.D Thesis, Purdue University, West Lafayette, USA 12 Huang, C., Abu Al-Rub, R., Masad, E., & Little, D (2011) Three-Dimensional Simulations of Asphalt Pavement Permanent Deformation Using a Nonlinear Viscoelastic and Viscoplastic Model Journal of Materials in Civil Engineering, 23, pp 56-68 13 Huang, Y.H (2004) Pavement Analysis and Design (2th edition) Person Prentice Hall, New Jersey, USA 14 IRC 37-2012 (2012) Guidelines for the Design of Flexible Pavements Indian Road Congress, New Delhi, India 15 Karrech, A., Seibi, A., & Duhamel, D (2011) Finite element modelling of rate-dependent ratcheting in granular materials Computers and Geotechnics, 38, pp 105-112 16 Kawa, I., Zhang, Z., & Hudson, W.R (1998) Evaluation of the AASHTO 18-kip Load Equivalency Concept Report No FHWA/TX-05/0- NXB Xây dựng - ISBN … 1713-1, Center for Transportation Research - Bureau of Engineering Research, The University of Texas at Austin, Austin, USA 17 KICT, (2008) Korean pavement interim design guide Korean Institute of Construction Technology, Korean Ministry of Land Transport and Maritime Affaire, Kwacheon, Korea 18 Kim, J.R., Drescher A, & Newcomb D (1991) Rational Test Methods for Predicting Permanent Deformation in Asphalt Concrete Pavement Report No MN/RC-93/08, Minnesota Department of Transportation, Minnesota, USA 19 Lu, Y., & Wright, P.J (1998) Numerical approach of visco-elastoplastic analysis for asphalt mixtures Computers and Structures, 69, pp 139-147 20 Nahi, M.H., Ismail, A., & Ariffin, A.K (2011) Analysis of Asphalt Pavement under Nonuniform Tire-pavement Contact Stress using Finite Element Method Journal of Applied Sciences, 11, pp 25622569 21 Nedjar, B., & Nguyen, D.T (2012) On a simple cyclic plasticity modeling with implicit kinematic hardening restoration Annals of Solid and Structural Mechanics, 4, pp 33-42 22 Nguyễn, Huỳnh Tấn Tài, Nguyễn, Danh Thắng, & Nguyễn, Đình Triều (2015) Mơ hình hóa ứng xử học vật liệu bê tông nhựa sử dụng tiêu chuẩn dẻo Drucker-Prager mơ hình đàn hồi-dẻo-nhớt Perzyna Kỷ yếu hội nghị học kỹ thuật toàn quốc, tháng 8, Đà Nẵng, Việt Nam 23 Nguyen, H T T (2016) Calculation of pavement permanent deformation using perzyna’s elasto– visco–plastic model Journal of Science and Technology, 54, pp 150-160 24 Park, D.W (2006) Traffic Loadings Considering Temperature for Pavement Rutting Life KSCE Journal of Civil Engineering, 10, pp 259-263 25 Park, D.W (2007) Simulation of Rutting Profiles Using a Viscoplastic Model KSCE Journal of Civil Engineering, 11, pp 151-156 26 Perzyna, P (1966) Fundamental problems in viscoplasticity In Chernyi, G.G (Ed.), Advanced Applied Mechanics Academic Press, pp 243-377, New York, USA 27 QĐ/BGTVT-1617, (2014) Quy định kỹ thuật phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe bê tông nhựa xác định thiết bị wheel tracking Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam 28 Simo, J.C., & Hughes, T.J.R (2000) Computational Inelasticity Springer, New York, USA 29 Souza, Neto E.A., Peric, D., & Owen, D.J.R (2008) Computational Methods for Plasticity: Theory and Applications Wiley, Singapore 30 TCVN 8819-2011, (2011) Mặt đường bê tơng nhựa nóng – u cầu thi công nghiệm thu Bộ Khoa học Công nghệ, Hà Nội, Việt Nam ID No./ pp View publication stats ... xe kết cấu áo đường mềm Mối tương quan kết thí nghiệm độ sâu vệt hằn bê tơng nhựa phịng độ sâu vệt hằn kết cấu áo đường trường xác định thơng qua việc tính tốn phương pháp mơ số Trong đó, ứng. .. sau - Kết cấu áo đường có chiều dày 12 cm, lớn hai lần chiều dày bê tông nhựa (6cm) KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, kết thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe phịng ứng dụng vào dự tính độ sâu vệt hằn. .. tra bảng thực thí nghiệm theo dẫn qui trình thiết kế hành (22TCN 211-06, 2006) 2.4 Trình tự tính tốn dự báo độ sâu vệt hằn Q trình tính tốn dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe kết cấu áo đường bao gồm