Mặt đường bê tông xi măng trên nền đàn hồi ứng xử do chênh lệch nhiệt độ và tải trọng xe đồng thời

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Kỹ thuật xây dựng Mặt Đường Bê Tông Xi Măng Trên Nền Đàn Hồi: Ứng Xử Do Chênh Lệch Nhiệt Độ Và Tải Trọng Xe Đồng Thời Hoàng Khắc Tuấn Viện Xây dựng Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam hoangtuangtvttphcm@gmail.com Phạm Ngọc Thạch Viện Xây dựng Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam thach.pham@ut.edu.vn Tóm tắt - Mặt đường bê tơng xi măng có khe nối sử dụng rộng rãi tuyến quốc lộ, đường vào bến cảng, sân bay, trạm dừng,… Vì lý đáp ứng nhu cầu vận tải nay, loại xe có nhiều trục, nhiều bánh sản xuất đưa vào hoạt động Sự ảnh hưởng tải trọng xe lưu thông đường phức tạp lực tác dụng tải phân chia lên bề mặt đường thông qua nhiều cụm trục cụm bánh xe Bên cạnh bê tông xi măng liên kết với truyền lực khe, điều dẫn đến việc xác định xác nội lực mặt đường q trình phục vụ trở nên khó khăn Trong báo này, nhóm tác giả thực mô phần tử hữu hạn không gian ba chiều với thành phần vật liệu đầy đủ phân đoạn mặt đường hoàn chỉnh thực tế nhằm nghiên cứu ứng xử hệ mặt đường bê tơng xi măng Tồn hệ nghiên cứu với tải trọng bánh xe tiêu chuẩn, xe hai trục, ba trục, bốn trục phân bố nhiệt độ theo chiều dày xảy đồng thời Kết cấu mặt đường bê tông xi măng nghiên cứu thuộc khu vực miền Trung Việt Nam Các bước xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn kiểm chứng thí nghiệm trường phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cho mặt đường thực từ nhiều năm mô hình hai chiều (2D) [4] Tuy nhiên, với mơ không gian 3D khắc phục nhược điểm từ mơ hình 2D truyền thống mơ đầy đủ cấu kiện hệ mặt đường Từ khóa-Mặt đường bê tơng xi măng, ứng suất nhiệt, tải trọng xe, phần tử hữu hạn I GIỚI THIỆU Mặt đường cơng trình thường xun chịu tác dụng trực tiếp tải trọng bên ngồi thơng qua cụm bánh xe, đồng thời chịu tác động yếu tố khí hậu, thủy nhiệt mơi trường xung quanh Đối với hệ mặt đường bê tông xi măng (BTXM), hai yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử hệ bao gồm tải trọng xe nhiệt độ Hai yếu tố đề cập số phương pháp tính tốn lựa chọn kết cấu mặt đường [1], [2] Một số phương pháp tính toán hệ mặt đường phổ biến biết đến như: Tấm đàn hồi Winkler [3], mơ hình bán khơng gian đàn hồi [1], mơ hình hai lớp đàn hồi nhiều lớp [2] Bên cạnh đó, phân tích kết cấu Nhóm tác giả sử dụng phầm mềm Abaqus để mô PTHH cho mặt đường BTXM không gian 3D để kể đến yếu tố quan trọng tương tác mặt đường lớp móng, liên kết BTXM thông qua thép khe nối mô trường nhiệt độ BTXM Một số nghiên cứu Việt Nam áp dụng phương pháp mô PTHH để nghiên cứu ứng xử hệ mặt đường chênh lệch nhiệt độ hai mặt [5] Trong thực tế, nhiệt độ phân bố khơng tuyến tính theo chiều dày kiểm chứng thực nghiệm [6], điều dẫn đến sai lệch đáng kể tính tốn giá trị ứng suất kéo uốn lớn mặt đường BTXM Hơn nữa, tác động tải trọng trục xe, vệt bánh xe chưa nghiên cứu Tải trọng xe yếu tố quan tâm hàng đầu nghiên cứu quản lý khai thác mặt đường Thông qua nghiên cứu, khảo sát thống kê cho thấy loại xe tải có trục với tổng tải trọng 15 tấn, xe trục xe trục có ảnh hưởng lớn thiết kế kết cấu áo đường Việt Nam [7] Nhóm vận dụng kết khảo sát loại xe phổ biến nêu để nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng đến ứng xử mặt đường BTXM Mặt đường BTXM có ứng xử phức tạp gồm nhiều BTXM liên kết với tham gia làm việc đồng thời Do đó, cần nghiên cứu để xác định kích thước mơ hình PTHH thơng qua số lượng cần thiết tính tốn mô cho kết tin cậy Từ nội dung nêu trên, nhóm tác giả thực nghiên cứu ứng xử mặt đường BTXM với cơng trình thực tế Đà Nẵng, Việt Nam [8] chịu ảnh hưởng 139 Hoàng Khắc Tuấn, Phạm Ngọc Thạch tải trọng xe, nhiệt độ đồng thời Trước đó, nhóm trình bày phương pháp mô (PPMP) kiểm chứng PPMP hệ mặt đường thơng qua kết thí nghiệm trường [4] phương pháp tính giải tích [9] toán liên quan đến học nhiệt đồng thời [11], [12] II PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG  Bước 1: Toàn hệ chịu ảnh hưởng trọng lực;  Bước 2: Tấm mặt đường BTXM chịu ảnh hưởng nhiệt độ phân bố theo chiều dày;  Bước 3: Toàn hệ chịu tác động tải trọng xe (khi có xét đến ảnh hưởng tải trọng) Trong báo, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để mơ PTHH hệ mặt đường BTXM có khe nối, phần mềm sử dụng cho mô mặt đường số nghiên cứu trước [5], [10] Đây phần mềm mơ Bài tốn hệ mặt đường BTXM chịu tải trọng xe nhiệt độ đồng thời thực qua bước sau: Các tính tốn bước sau kế thừa thơng số kết phân tích bước trước Tấm BTXM khe ngang móng đường Y Z X Winkler thép mặt tiếp xúc Hình Các thành phần hệ mặt đường BTXM A Ứng xử vật liệu B Lưới phần tử hữu hạn Ứng xử vật liệu đàn hồi, tuyến tính đẳng hướng với tham số vật liệu: Mô đun (module) đàn hồi (E) hệ số Poisson (υ) đại điện cho đặc điểm vật liệu hệ mặt đường bao gồm BTXM, thép truyền lực liên kết khe nối, lớp móng đường Đối với tốn thông thường, mặt đường BTXM chịu tải trọng đơn (khơng phân tích phân bố nhiệt độ), BTXM lớp móng sử dụng phần tử dạng khối ba chiều (3D có 08 nút, trường chuyển vị bậc dùng thuật tốn tích phân đầy đủ (C3D8) [11], [12] cho kết phù hợp với thí nghiệm [4] Đối với trường hợp phân tích có liên quan đến nhiệt độ, BTXM sử dụng phần tử dạng khối C3D20RT [11], [12] Phần tử ba chiều, 20 nút C3D20RT có trường chuyển vị bậc dùng cho phân tích ứng suất, biến dạng nhiệt đồng thời, sử dụng thuật tốn tích phân thu gọn cho nội lực nút phần tử Các lớp móng đường sử dụng phần tử liên tục C3D20R Phần tử có tính chất tương tự Đối với BTXM mặt đường tốn phân tích liên quan đến tác dụng nhiệt độ cần gắn thêm thông số cần đề cập như: Trọng lượng riêng, hệ số giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt nhiệt dung riêng Mơ hình PTHH thành phần hệ minh họa hình 140 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời phần tử BTXM khơng phân tích nhiệt độ, có bậc tự (chuyển vị) nút Thanh thép truyền lực liên kết sử dụng phần tử dầm bậc (B31) bậc (B32) phụ thuộc vào bậc chuyển vị phần tử dạng khối liên kết với Phần tử dầm có bậc tự (chuyển vị xoay) nút [11], [12] Khi chia lưới phần tử cần tạo tương thích vị trí nút phần tử dầm nút phần tử dạng khối thuộc mặt đường BTXM nhằm đảm bảo tính chất truyền lực khe nối thơng qua tương thích ba thành phần chuyển vị hai loại phần tử khác C Mô hình tải trọng chênh lệch nhiệt độ Tổng tải trọng xe truyền lên bề mặt đường thông qua cụm trục xe cụm bánh xe Sự phân phối lực lên trục xe loại xe khác Theo nghiên cứu [7] thấy dựa vào phần trăm trung bình trọng lượng để tính tốn tải trọng phân bố cụm bánh xe Tải trọng bánh xe xem tĩnh tải phân bố diện tích xác định chiều dày BTXM Phân bố nhiệt Ttrên Vệt tiếp xúc bánh xe Tgiữa Ttrên-Tdưới Tgiữa= Tdưới+ Tdưới Hình Vệt tiếp xúc bánh xe mặt đường phân bố nhiệt độ Theo phương pháp truyền thống, tính toán tải trọng bánh xe tác dụng lên mặt đường, áp lực tiếp xúc bánh xe mặt đường giả định áp suất lốp xe, phân bố diện tích xấp xỉ hình chữ nhật Để đơn giản hóa, nhóm tác giả vận dụng kết nghiên cứu [13] xác định diện tích vệt tiếp xúc theo dạng hình chữ nhật có chiều rộng (b) chiều rộng lốp xe (chiều rộng lốp tham khảo từ thông số sở sản xuất), chiều dài (d) lựa chọn theo công thức quan hệ xấp xỉ d = 1.425b (hình 2) Chênh lệch nhiệt độ mặt BTXM (ΔT) xác định theo tích số chiều dày gradient nhiệt độ 0,890C/cm áp dụng cho khu vực miền Trung [8] Với chiều dày 25 cm dễ dàng xác định ΔT = 22.250C Nhiệt độ phân bố theo chiều dày BTXM tạo mơ hình PTHH cách gán giá trị nhiệt vào tất nút Giá trị nhiệt độ nút phần tử nằm mặt phẳng độ sâu có giá trị xem biên nhiệt độ Các biên khai báo gồm mặt (Ttrên), (Tgiữa) mặt (Tdưới) (hình 2) Giá trị biên nhiệt xác định quan hệ công thức với mặt nghiên cứu [14] Nhiệt độ nút phần tử nằm hai biên nhiệt gần xem phân bố tuyến tính D Mơ hình mặt tiếp xúc Tiếp xúc BTXM lớp móng mơ hình ứng xử tiếp xúc theo phương tiếp tuyến pháp tuyến với mặt tiếp xúc Ứng xử tiếp xúc sử dụng mơ hình ma sát “Coulomb friction” cho phương tiếp tuyến mơ hình “hard contact” cho phương pháp tuyến [11], [12] Ứng xử tiếp xúc đặc trưng hệ số ma sát BTXM lớp móng (𝜇) Theo AASHTO, hệ số ma sát 𝜇 hai lớp vật liệu thường lấy khoảng 0.9 đến 2.2 Tuy nhiên, có bố trí lớp giấy dầu hai lớp vật liệu nên ma sát giảm đáng kể hệ số ma sát chọn 0.5 [14] E Mơ hình đất Nền đất lớp móng mơ hình hóa đàn hồi theo mơ hình Winkler [3] Mơ hình Winkler lý tưởng hóa mơi trường đất thành phần tử lị xo tuyến tính, đặt thẳng đứng, làm việc độc lập phân bố suốt bề mặt Độ cứng phần tử lò xo kết tích số hệ số (k) diện tích bề mặt phân bố Hệ số k có thứ 141 Hồng Khắc Tuấn, Phạm Ngọc Thạch ngun MPa/m xác định từ mối quan hệ k-E [9], [15] F Kiểm chứng phương pháp mô 1) Bài tốn hệ chịu tải trọng bánh thí nghiệm FWD Để kiểm chứng liên kết BTXM khe nối thông qua hiệu truyền tải trọng truyền lực, nhóm tác giả sử dụng kết thí nghiệm xác định hiệu truyền tải trọng truyền lực khe ngang Mackiewicz [4] Tải trọng có dạng hình trịn tác dụng lên hệ mặt đường BTXM với đường kính 0.32 m áp lực 0.70 MPa, mép tải trọng đặt cách khe ngang 0.09 m mặt đối xứng khe ngang Tải trọng Winkler mặt đối xứng Hình Mơ hình PTHH cho tốn kiểm chứng Hệ mặt đường BTXM bao gồm có kích thước 3.5 m x 4.5 m x 0.25 m Các BTXM có mơ đun đàn hồi hệ số Poisson 35 GPa 0.20, lớp móng có mơ đun đàn hồi hệ số Poisson 2.9 GPa 0.30; lớp móng có mơ đun đàn hồi hệ số Poisson 193 MPa 0.35 Thanh truyền lực có đường kính 25 mm, dài 0.5 m khoảng cách truyền lực 0.23 m Thanh thép truyền lực có mơ đun đàn hồi hệ số Poisson 210 GPa 0.30 Nền đường mơ hình hóa Winkler với mơ đun phản lực k = 110 MPa/m Tấm BTXM lớp móng sử dụng phần tử dạng khối, bậc (C3D8) Thanh thép truyền lực mô phần tử dầm bậc (B31) Tổng số lượng phần tử mơ hình 11300 phần tử Áp dụng tính chất đối xứng hệ theo phương dọc tuyến (phương X), cần mô nửa chiều dài sử dụng điều kiện biên chống chuyển vị theo phương X mặt phẳng đối xứng Chuyển vị Uy (m) +3.733e-06 -6.723e-06 -1.718e-05 -2.764e-05 -3.809e-05 -4.855e-05 -5.900e-05 -6.946e-05 -7.992e-05 -9.037e-05 -1.008e-04 -1.113e-04 -1.217e-04 Y Z X Hình Trường chuyển vị BTXM tải trọng thí nghiệm FWD Kết chuyển vị mặt đường thông qua thiết bị đo đạc trường thực Mackiewicz trình bày hình So sánh hai kết chuyển vị có độ sai lệch nhỏ Điều cho thấy rằng, phương pháp mô thép liên kết BTXM mặt đường có độ tin cậy 142 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời Tải trọng Tấm BTXM Chuyển vị Uy (m) Khoảng cách (m) Hình So sánh chuyển vị BTXM đo đạc thực nghiệm [4] mơ PTHH 2) Bài tốn hệ chịu chênh lệch nhiệt độ Lx=7.62m Mơ hình kiểm chứng gồm BTXM chịu ảnh hưởng chênh lệch nhiệt hai bề mặt dưới, giá trị chênh lệch ΔT = 11.10C Tấm có kích thước 7.62 m x 3.66 m x 0.203 m, mô đun đàn hồi vật liệu E = 27.6 GPa hệ số Poission v = 0.15 đặt đàn hồi có hệ số k = 54.2 MN/m3 Hệ số giãn nở nhiệt 0,000009 m/m0C h=203mm Tấm BTXM không ảnh hưởng hạn chế chuyển vị theo phương sử dụng phần tử dạng khối C3D20RT, tổng số lượng phần tử sử dụng mơ hình: 1368 Biên nhiệt độ gán cho nút phần tử mặt k=54.2MN/m3 Hình Bài tốn kiểm chứng phương pháp mơ BTXM ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ Ứng suất σx (Pa) +1.644e+06 +1.370e+06 +1.096e+06 +8.224e+05 +5.484e+05 +2.745e+05 +5.972e+02 -2.733e+05 -5.472e+05 -8.212e+05 -1.095e+06 -1.369e+06 -1.643e+06 Hình Phân bố ứng suất kéo uốn mặt BTXM Hình thể phân bố ứng suất mặt BTXM Kết ứng suất kéo uốn so sánh với cách tính giải tích theo phương pháp Bradbury 1938 thực Y H Huang [9] So sánh giá trị ứng suất kéo uốn chênh lệch nhiệt độ theo phương dọc tuyến (phương x) vị trí cạnh dọc (vị trí 1) vị trí (vị trí 2) 143 Hồng Khắc Tuấn, Phạm Ngọc Thạch= BẢNG I SO SÁNH ỨNG SUẤT NHIỆT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH GIẢI TÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG PTHH PTHH (MPa) H.Y.Huang [9] (MPa) Chênh lệch (%) Vị trí 1.497 1.48 1.15 Vị trí 1.644 1.64 0.00 Kết so sánh giá trị ứng suất kéo uốn hai phương pháp trùng khớp (bảng I), giá trị chênh lệch nhỏ Từ cho thấy phương pháp mơ BTXM với tác nhân phân bố nhiệt độ theo chiều dày có độ tin cậy tiến hành mô hệ mặt đường BTXM chịu tải trọng xe chênh lệch nhiệt độ đồng thời III ỨNG XỬ MẶT ĐƯỜNG BTXM DO TẢI TRỌNG XE VÀ CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ A Ảnh hưởng tải trọng bánh tiêu chuẩn nhiệt độ Nhóm tác giả sử dụng số liệu cơng trình mặt đường BTXM Đà Nẵng [8] Hệ gồm hai BTXM chịu tải trọng tiêu chuẩn phân bố nhiệt độ theo chiều dày Tải trọng bánh xe tiêu chuẩn hình trịn phân bố có độ lớn q = 0.6 MPa có đường kính vệt bánh xe 33 cm tác dụng lên mặt đường Mép tải trọng đặt trùng với mép cạnh dọc 2, BTXM cịn lại (tấm 1) khơng chịu tác dụng tải trọng Cả hai chịu ảnh hưởng phân bố nhiệt Loại phần tử sử dụng không thay đổi, lưới phần tử vị trí đặt tải trọng điều chỉnh mịn so với mơ hình chịu ảnh hưởng nhiệt độ xuất ứng xuất tập trung lớn, tổng phần tử sử dụng cho mô hình: 23820 phần tử Biên nhiệt độ áp dụng cho ba vị trí gồm mặt trên, mặt với ΔT = 22.250C (mục II.C) không chịu tải Khe ngang Tấm chịu tải Tải trọng Tấm Y Z Winkler X mặt tiếp xúc Hình Mơ hình PTHH phân đoạn mặt đường BTXM có ảnh hưởng tải trọng bánh tiêu chuẩn Khơng hạn chế chuyển vị cho mặt BTXM Bốn mặt xung quanh lớp móng sử dụng điều kiện biên chống chuyển vị theo phương vng góc với mặt Nền Winkler bên lớp móng có mơ đun phản lực k = 44 MPa/m Hình trình bày ứng suất kéo uốn theo phương dọc tuyến cho trường hợp BTXM chịu ảnh hưởng nhiệt độ; tải trọng bánh xe tiêu chuẩn; nhiệt độ tải trọng bánh xe đồng thời Giá trị ứng suất kéo uốn hệ BTXM mặt đường chịu ảnh hưởng nhiệt độ: 1.58 MPa Giá trị ứng suất kéo uốn lớn hệ chịu tác dụng tải trọng: 1.57 MPa Tổng ứng suất nhiệt độ tải trọng theo phương pháp cộng tác dụng 3.15 MPa Khi mô ảnh hưởng tải trọng nhiệt độ đồng thời cho kết ứng suất kéo uốn lớn nhất: 3.19 MPa, giá trị chênh lệch hai phương pháp nhỏ 0.04 Mpa (khoảng 1.25%) Điều cho thấy phương pháp cộng tác dụng từ hai tác nhân thành phần nhiệt độ tải trọng cho kết xác 144 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời 4.0 cộng tác dụng khe ngang ứng suất σx (MPa) 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 nhiệt độ tải trọng nhiệt tải trọng đồng thời -2.0 -3.0 10 khoảng cách (m) Hình Ứng suất uốn BTXM tải trọng chênh lệch nhiệt độ B Ảnh hưởng liền kề Hai BTXM liền kề nối với khe ngang xem xét mục III.A, mục nhóm thực nghiên cứu ứng xử hệ mặt đường hoàn chỉnh nhằm tìm số cần thiết đảm bảo trường hợp mô tối thiểu cho kết tin cậy Thực mơ hình PTHH bao gồm BTXM, liên kết với thép liên kết Các thép liên kết có đường kính 14 mm, dài 700 mm cách 800 mm Tấm chịu tải trọng bánh tiêu chuẩn ảnh hưởng nhiệt độ đồng thời, chịu ảnh hưởng nhiệt độ Khe dọc Khe ngang Tấm Tấm chịu tải Tải trọng Tấm Tấm Winkler Y Z X Hình 10 Mơ hình PTHH hệ mặt đường BTXM gồm bốn chịu ảnh hưởng tải trọng bánh tiêu chuẩn chênh lệch nhiệt độ Hình 11 so sánh giá trị ứng suất kéo uốn mặt đường BTXM cho hai trường hợp mô cho thấy mô bốn BTXM mặt đường liên kết với mô hai cho kết tương đồng với sai lệch không đáng kể Do đó, lân cận (thơng qua khe dọc) không ảnh hưởng nhiều đến kết mô tính tốn giá trị ứng suất kéo uốn lớn Vì thế, thấy truyền lực tác dụng qua khe dọc 145 ... độ tải trọng cho kết xác 144 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời 4.0 cộng tác dụng khe ngang ứng suất σx (MPa) 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 nhiệt độ tải. .. rằng, phương pháp mô thép liên kết BTXM mặt đường có độ tin cậy 142 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời Tải trọng Tấm BTXM Chuyển vị Uy (m) Khoảng... hệ số giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt nhiệt dung riêng Mơ hình PTHH thành phần hệ minh họa hình 140 Mặt đường bê tông xi măng đàn hồi: ứng xử chênh lệch nhiệt độ tải trọng xe đồng thời phần tử BTXM