62 Phạm Kiên KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG ĐẾN ỨNG SUẤT CẮT TRƯỢT TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM STUDY OF THE EFFECTS OF HORIZONTAL LOAD ON SHEAR STRESS IN FLEXIBLE PAVEMENT STRUCTURES Phạm Kiê[.]
62 Phạm Kiên KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG ĐẾN ỨNG SUẤT CẮT - TRƯỢT TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM STUDY OF THE EFFECTS OF HORIZONTAL LOAD ON SHEAR STRESS IN FLEXIBLE PAVEMENT STRUCTURES Phạm Kiên Phân hiệu Đại học Đà Nẵng Kon Tum; phamkienv@gmail.com Tóm tắt - Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 22TCN 21106 Việt Nam chưa xét đến lực ngang bánh xe tác động đến kết cấu mặt đường Tuy nhiên thực tế, ln có phát sinh ứng suất kéo uốn, ứng suất cắt trượt kết cấu áo đường mềm tác động thành phần lực ngang xe chạy; Đặc biệt, trường hợp phát sinh tải trọng ngang lớn như: xe tăng tốc - giảm tốc, dừng xe đột ngột, đường cong bán kính bé, độ dốc dọc đường lớn Bài báo thể đánh giá tác động tải trọng ngang xe chạy gây kết cấu áo đường mềm đề xuất mơ hình tính tốn có xét đến tác động dựa phương pháp tính tốn tiêu chuẩn 22TCN 211-06 Abstract - The Vietnam standards of designing flexible pavement structures 22TCN 211-06 have not considered the effect of horizontal wheel loads on flexible pavement structures However, in practice, due to the effect of horizontal wheel loads, there always appear a bending tensile stress and a shear stress in pavement structures Particularly, the increasing or decreasing of the vehicle speed, sudden stops, small-radius curves and steep ramps often generate a big horizontal load This paper presents an evaluation of the effect of horizontal loads on flexible pavement structures and proposes a calculation model taking into account the effects of horizontal load with reference to the standard 22TCN 211-06 Từ khóa - kết cấu áo đường mềm; lực ngang xe chạy; tải trọng ngang; dừng xe đột ngột; độ dốc dọc lớn Key words - flexible pavement structures; horizontal wheel forces; horizontal loads; sudden stops; steep ramps Đặt vấn đề dạng nén lớn so với trường hợp không xét đến tải trọng ngang Điều ảnh hưởng đến sức kháng hỗn hợp bê tông nhựa tải trọng lặp - Tải trọng ngang có ảnh hưởng đến độ lớn hình dạng độ võng mặt đường Rõ ràng tải trọng ngang có ảnh hưởng đáng kể, ứng suất cắt trượt kết cấu áo đường mềm Như vậy, việc nghiên cứu nhằm bổ sung trường hợp tải trọng tác dụng lên kết cấu áo đường làm sở cho việc tính tốn, thiết kế kết cấu áo đường mềm đảm bảo yêu cầu cường độ, biến dạng, độ bền khai thác vấn đề cần quan tâm Nội dung khảo sát 2.1 Mơ hình khảo sát Để làm rõ nhận định tác động tải trọng ngang, xin trình bày kết khảo sát, phân tích phát sinh ứng suất cắt trượt trường hợp tác dụng tải trọng ngang: - Khi khơng có tải trọng ngang tác dụng: xe đứng yên, Ph = - Khi xe tăng - giảm tốc độ dốc dọc đường lớn xe vào đường cong có bán kính nhỏ: lấy giá trị tải trọng P ngang (Ký hiệu Ph) 50% tải trọng thẳng đứng tiêu chuẩn, tham khảo [3]; - Khi xe hãm phanh đột ngột: lấy giá trị tải trọng ngang 80% tải trọng thẳng đứng tiêu chuẩn, tham khảo [3] - coi trường hợp tải trọng ngang Ph có giá trị lớn khảo sát Sử dụng phần mềm BISAR 3.0 để khảo sát kết cấu mặt đường mềm với tốn hệ đàn hồi nhiều lớp: - Mơ hình bánh xe tác động: trục đơn, tải trọng thẳng đứng: Pv = 0,6 MPa, trình bày Hình - Đường kính vệt bánh xe: D = 33cm - Mặt đường cấp cao A1: Thiết kế kết cấu áo đường mềm đảm bảo yêu cầu độ bền khai thác vấn đề quan tâm sâu sắc không nhà khoa học giao thông vận tải mà nhà quản lý khai thác hệ thống đường Tuy nhiên để xây dựng mơ hình tính tốn tối ưu điều khó khăn điều kiện thực tế phức tạp ln biến động Cũng lý đó, nhà khoa học cố gắng hoàn thiện phương pháp tính, cố gắng xét đến tất tác động thực tế Vấn đề tải trọng tác dụng điều kiện đầu vào xem xét tải trọng tĩnh tác dụng thẳng đứng lên mặt đường thể tiêu chuẩn thiết kế đa số quốc gia (Ví dụ: Tiêu chuẩn 22TCN 211-06 Việt Nam, Tiêu chuẩn AASHTO Mỹ) Trong nghiên cứu trước số tác giả [2], [3] phân tích, mơ tả ứng suất kéo - uốn phân tích mơ hình bánh xe tác động lên kết cấu áo đường mềm đàn hồi, nhiều lớp, có xét đến tác động lực ngang bánh xe gây Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đề cập nhiều đến việc phân tích để làm rõ phá hoại kết cấu áo đường ứng suất cắt - trượt gây Romanoschi cộng nghiên cứu phân tích chương trình phần tử hữu hạn ABAQUS để khảo sát làm việc kết cấu áo đường mềm cộng thêm có mặt lực ngang bánh xe tác động đến kết cấu mặt đường [4] Kết nghiên cứu trình bày số vấn đề chủ yếu sau: - Tải trọng ngang tác động bề mặt mặt đường dẫn đến đột ngột tăng cường độ biến dạng phía phía lớp áo đường lớp kết dính Điều lý giải cho việc vết nứt bắt đầu bề mặt mặt đường đáy lớp nhựa đường thường giả định để tính tốn kết cấu áo đường - Khi có tải trọng ngang tác dụng, cường độ biến ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 + Mặt đường Bê tông nhựa (BTN): h = 12cm; Ebtn = 224 MPa; + Kết cấu móng có: Ech.m = 142 MPa D (m) pđứng pngang Lớp bê tông nhùa (E btn; hƯ sè possion 0.25) h (cm) Líp móng có chiều dày vô hạn (Ech.m; hệ số possion 0.3) D (m) X pngang Y Z Lớp bê tông nhùa (E btn; hƯ sè possion 0.25) Líp mãng cã chiều dày vô hạn (Ech.m; hệ số possion 0.3) Hỡnh Mơ hình tốn hệ đàn hồi nhiều lớp 63 Ứng suất cắt có giá trị giảm dần khoảng lớp mặt đường, sau tăng khơng đáng kể theo chiều sâu đến đáy lớp bê tơng nhựa Kết cho thấy ứng suất cắt có giá trị lớn bề mặt đường, lý dẫn đến phá hoại sớm thường xảy bề mặt Đây điểm khác biệt so với giả định kiểm toán ứng suất cắt trượt Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 [1] 2.2.3 Trường hợp tải trọng ngang Ph = 80% Pv (Ph = 0,48 Mpa) Ứng suất cắt có giá trị lớn bề mặt đường giảm đáng kể theo chiều sâu kết cấu (Hình 4) Kết khảo sát giúp ta nhận định: Các vị trí mặt đường khai thác thực tế thường xuyên chịu lực hãm phanh như: trạm cân xe, điểm dừng điểm đỗ xe, trạm thu phí cần thiết gia cố lớp bề mặt đường Các ứng suất cắt có giá trị lớn, xuất với tần số cao tăng nhanh phá hoại bề mặt đường, dẫn đến phá hoại kết cấu áo đường 2.2 Kết khảo sát 2.2.1 Trường hợp tải trọng ngang Ph=0 Hình Ứng suất cắt mặt đường BTN, trường hợp tải trọng ngang Ph = 0,48 MPa Hình Ứng suất cắt mặt đường BTN, trường hợp tải trọng ngang Ph = Kết Hình cho thấy: Ứng suất cắt bề mặt mặt đường có giá trị nhỏ độ lớn khơng có tác động đáng kể đến kết cấu Ứng suất cắt có giá trị lớn đáy lớp mặt đường Trường hợp giống với giả thiết phá hoại cắt - trượt xảy mặt tiếp xúc lớp kết cấu phương pháp tính tốn kết cấu áo đường mềm Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 [1] 2.2.2 Trường hợp tải trọng ngang Ph= 50% Pv (Ph = 0,3 MPa) Hình Ứng suất cắt mặt đường BTN, trường hợp tải trọng ngang Ph = 0,3 MPa Kết nghiên cứu bình luận Với hướng khảo sát phân tích ứng suất cắt trên, có xét đến diện tải trọng ngang bánh xe tác động bề mặt đường với giá trị thông thường từ 30% tải trọng thẳng đứng trở lên gây ứng suất cắt lớn xuất bề mặt đường Điều dẫn đến tượng phá hoại sớm có khả xảy vị trí bề mặt đường trước tiên, sau diện phá hoại tăng dần lên dẫn tới hư hỏng kết cấu mặt đường khơng có khắc phục Chính thế, cần bổ sung phương pháp kiểm tốn ứng suất cắt lớn vị trí bề mặt đường thiết kế kết cấu áo đường mềm có xét đến lực ngang Bước kiểm tốn cụ thể sau: - Lập biểu đồ tra ứng suất cắt lớn τmax vị trí bề mặt mặt đường kết cấu áo đường mềm Ứng suất cắt τmax thay đổi phụ thuộc vào thông số: + h/D (Tổng chiều dày mặt BTN/đường kính vệt bánh xe); + Ebtn/Ech.m (Mơ đun trung bình lớp mặt BTN/ Mơ đun đàn hồi chung kết cấu móng - nền) thay đổi; Từ xác định tỉ số τmax/Pv thông qua mối quan hệ với h/D Ebtn/Ech.m - Có giá trị τmax/Pv biết trước Pv, ta tính τmax Đối với trường hợp khơng xét đến tải trọng ngang 64 Phạm Kiên τmax/Pv theo kết khảo sát mục 2.2.1, trường hợp tương tự mơ hình tính tốn tiêu chuẩn 22TCN 211 – 06 Do vậy, lập biểu đồ tra hai (02) trường hợp: - Tải trọng ngang tác động Ph = 50% độ lớn tải trọng đứng Pv; - Tải trọng ngang tác động Ph = 80% độ lớn tải trọng đứng Pv 3.1 Biểu đồ tra ứng suất cắt lớn trường hợp tải trọng ngang Ph = 50% Pv Biểu đồ tra ứng suất τmax Trường hợp Ph = 50%Pv 1.180 1.130 12 1.080 1.030 10 0.980 0.930 0.880 0.830 0.780 Ebtn/Ech.m 0.730 0.680 0.630 0.580 0.530 0.480 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90h/D Hình Biểu đồ tra ứng suất cắt lớn nhất, trường hợp tải trọng ngang Ph = 50%Pv Các số liệu đầu vào: - Số liệu tải trọng: + Lực tác dụng thẳng đứng: Pv = Mpa; + Lực tác dụng nằm ngang: Ph = 0,5 Mpa - Số liệu kết cấu: + Tỉ số h/D: thay đổi từ đến 1; + Tỉ số Ebtn/Ech.m: thay đổi từ đến 12 3.2 Biểu đồ tra ứng suất cắt lớn trường hợp tải trọng ngang Ph = 80% Pv + Lực tác dụng nằm ngang: Ph = 0,8 Mpa - Số liệu kết cấu: + Tỉ số h/D: thay đổi từ đến 1; + Tỉ số Ebtn/Ech.m: thay đổi từ đến 12 Đây coi trường hợp tải trọng ngang có giá trị lớn tác động đến làm việc kết cấu áo đường Kết luận Nếu không xét đến lực ngang, giá trị ứng suất cắt lớn τmax lớp bê tông nhựa xuất vị trí đáy lớp nên việc kiểm tốn trượt lớp bê tông nhựa thực theo quy trình 22TCN 211-06 Khi có lực ngang tác dụng giá trị ứng suất cắt τmax lớn xuất bề mặt lớp bê tông nhựa hai trường hợp Ph=50%Pv Ph=80%Pv Do đó, cần có bước kiểm tốn ứng suất cắt lớn Cụ thể ứng suất cắt τmax phải đảm bảo điều kiện: τmax ≤ [τ] = σtanφ + c Trong đó: τmax - Ứng suất cắt lớn bề mặt đường bê tông nhựa; [τ] - Sức chống cắt vật liệu làm mặt đường Kết lập biểu đồ tra ứng suất cắt τmax sau phân tích tốn hệ đàn hồi, nhiều lớp với hai (02) trường hợp: Độ dốc dọc đường lớn xe vào đường cong có bán kính nhỏ xe tăng tốc, giảm tốc, dừng xe đột ngột thông qua hai tỷ số h/D; Ebtn/Ech.m Các biểu đồ sử dụng để tham khảo thiết kế kết cấu mặt đường ứng với hai (02) trường hợp nêu Hình Hình cho thấy: Các giá trị ứng suất cắt lớn τmax tăng theo tăng cường độ tải trọng ngang tỉ số Ebtn/Ech.m Kết khảo sát trình bày xem xét, phân tích kết cấu mặt đường với mơ hình toán đàn hồi, hệ nhiều lớp, với tác động tải trọng tĩnh Do đó, việc xem xét, nghiên cứu ứng suất phát sinh kết cấu với mô hình làm việc gần với thực tế cần thiết Các vấn đề cụ thể cần bổ sung cho mơ hình có tính thực tế cao sau: - Nghiên cứu làm việc kết cấu mặt đường tải trọng động tác dụng - Tính chất, điều kiện bề mặt tiếp xúc lớp kết cấu áo đường - Tính đàn dẻo mặt đường bê tông nhựa TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Biểu đồ tra ứng suất cắt lớn nhất, trường hợp tải trọng ngang Ph = 80%Pv Các số liệu đầu vào: - Số liệu tải trọng: + Lực tác dụng thẳng đứng: Pv = Mpa; [1] Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 211 - 06, Áo đường mềm - Các yêu cầu dẫn thiết kế [2] Trần Thị Kim Đăng, Vũ Đức Chính (2008), Một số vấn đề thực tế thiết kế kết cấu mặt đường mềm sử dụng tiêu chuẩn thiết kế hành giải pháp, Bài báo cáo Hội thảo Chun đề Đường Ơ tơ - Đại học GTVT, Hà Nội [3] Bùi Xuân Cậy, Nguyễn Quang Phúc, Bùi Tuấn Anh (2011), Phân tích ứng suất kéo uốn kết cấu mặt đường mềm có xét đến điều kiện dính bám lớp bê tông asphalt, Bài báo cáo Hội thảo Chuyên đề Giải pháp thiết kế tối ưu đường ô tô - Đại học GTVT, Hà Nội [4] Stefan A Romanoschi, John B Metcalf, (2001), Effects of Interface Condition and Horizontal Wheel Loads on the Life of Flexible Pavement Structures, Journal of the Transportation Research Board, Volume 1778/2001 Design and Rehabilitation of Pavements 2001, Pages 123-131, Publisher: Transportation Research Board of the National Academies (BBT nhận bài: 21/10/2014, phản biện xong: 18/11/2014) ... ngang tác động Ph = 50% độ lớn tải trọng ? ?ứng Pv; - Tải trọng ngang tác động Ph = 80% độ lớn tải trọng ? ?ứng Pv 3.1 Biểu đồ tra ứng suất cắt lớn trường hợp tải trọng ngang Ph = 50% Pv Biểu đồ tra ứng. .. ứng suất cắt lớn vị trí bề mặt đường thiết kế kết cấu áo đường mềm có xét đến lực ngang Bước kiểm toán cụ thể sau: - Lập biểu đồ tra ứng suất cắt lớn τmax vị trí bề mặt mặt đường kết cấu áo đường. .. Các ứng suất cắt có giá trị lớn, xuất với tần số cao tăng nhanh phá hoại bề mặt đường, dẫn đến phá hoại kết cấu áo đường 2.2 Kết khảo sát 2.2.1 Trường hợp tải trọng ngang Ph=0 Hình Ứng suất cắt