Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả xác định một số thông số mặt đường bê tông xi măng sân bay bằng thiết bị gia tải động

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngân ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồng Tùng, TS Ngơ Việt Đức tận tình hướng dẫn nhiều dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu, hồn thành luận án nâng cao lực khoa học cho tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Dương Học Hải, PGS.TS Vũ Hồi Nam, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc có định hướng hỗ trợ quan trọng chuyên môn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy Bộ môn Đường ô tô đường đô thị trường Đại Học Xây dựng Hà Nội có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng quý báu cho tác giả q trình hồn thiện luận án; cảm ơn Khoa Cầu Đường, Khoa Đào tạo Sau đại học (nơi tác giả nghiên cứu hoàn thành luận án) tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực luận án Cuối tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới người thân gia đình hiểu thương, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả trình thực luận án Với lòng biết ơn sâu sắc, tác giả tin rằng, thiếu hỗ trợ người tác giả khơng thể hoàn thành nghiên cứu Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC HÌNH VẼ xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Mặt đường BTXM sân bay 1.1.1 Phân loại 1.1.2 Cấu tạo chung 1.2 Quá trình truyền nhiệt ảnh hưởng nhiệt độ mặt đường BTXM 10 1.2.1 Các thông số nhiệt lý vật liệu làm mặt đường 10 1.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tới mặt đường BTXM 13 1.3 Đánh giá mặt đường BTXM sân bay HWD 15 1.3.1 Giới thiệu thiết bị gia tải động HWD 15 1.3.2 Các thông số mặt đường BTXM đánh giá HWD 19 1.4 Các nghiên cứu có liên quan 23 1.4.1 Các nghiên cứu truyềt nhiệt mặt đường BTXM 24 1.4.2 Các nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới thông số đánh giá HWD BTXM 28 1.5 Nhận xét chung kết nghiên cứu tổng quan 39 CHƯƠNG TỔNG HỢP CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỤC VỤ HIỆU CHỈNH PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM BẰNG HWD 42 2.1 Phương trình truyền nhiệt mặt đường BTXM 42 2.1.1 Dạng tổng quát phương trình truyền nhiệt giả thuyết tương ứng 42 2.1.2 Một số phương pháp xác định phân bố nhiệt BTXM 43 iv 2.1.3 Lựa chọn phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ BTXM tham số cần hiệu chỉnh 51 2.1.4 Hiệu chỉnh số thơng số phương trình truyền nhiệt 52 2.2 Xác định thông số mặt đường BTXM từ kết đo HWD 56 2.2.1 Xác định PCN 56 2.2.2 Xác định LTE 64 2.2.3 Xác định thông số thuộc nhóm thứ 64 2.3 Kết luận chương 67 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BIẾN THIÊN NHIỆT ĐỘ VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM BẰNG THIẾT BỊ HWD 69 3.1 Thí nghiệm khảo sát nhiệt độ BTXM 69 3.1.1 Mục tiêu thí nghiệm 69 3.1.2 Quy hoạch thí nghiệm 69 3.1.3 Thực thí nghiệm 72 3.1.4 Đánh giá số liệu độ tin cậy thiết bị đo 74 3.1.5 Kết qủa thí nghiệm 74 3.2 Thí nghiệm đánh giá mặt đường BTXM sân bay HWD 78 3.2.1 Mục tiêu thực nghiệm 78 3.2.2 Quy hoạch thí nghiệm 79 3.2.3 Thực thí nghiệm 86 3.2.4 Đánh giá điều kiện số liệu thí nghiệm HWD 87 3.2.5 Kết thí nghiệm 88 3.3 Kết luận chương 91 CHƯƠNG 4: HIỆU CHỈNH PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI THÔNG SỐ CỦA TẤM BTXM SÂN BAY XÁC ĐỊNH BẰNG HWD 92 4.1 Kiểm nghiệm lại quy luật biến thiên nhiệt độ ngày 92 4.1.1 Biến thiên nhiệt độ 92 4.1.2 Biến thiên chênh lệch nhiệt độ 94 4.2 Xác định điều kiện biên tham số phương trình truyền nhiệt theo kết đo đạc nhiệt độ 97 v 4.2.1 Nhiệt độ trung bình mặt đường ngày, ttbmặt: 97 4.2.2 Biên độ dao động nhiệt lớn ngày, tnmax: 97 4.2.3 Hệ số truyền nhiệt độ a 97 4.2.4 Chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm zmax 97 4.2.5 Thiết lập điều kiện biên cho phương trình truyền nhiệt 98 4.2.6 Xác định thơng số K phương trình truyền nhiệt 99 4.2.7 Đánh giá lại phương trình truyền nhiệt mặt đường BTXM hiệu chỉnh qua kết thí nghiệm 106 4.3 Xác định biến thiên nhiệt độ thông số BTXM mặt đường sân bay110 4.3.1 Biến thiên nhiệt độ 110 4.3.2 Các thông số mặt đường BTXM từ kết đo HWD 114 4.4 Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ tới thông số mặt đường BTXM sân bay 117 4.4.1 Xác định phạm vi phân tích ảnh hưởng nhiệt độ thông số 117 4.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ võng 118 4.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu truyền lực khe nối (LTE) 122 4.4.4 Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ tới thơng số tính tốn thiết kế mặt đường BTXM sân bay 123 4.4.5 Kiến nghị thời điểm thích hợp hiệu chỉnh kết đo HWD theo nhiệt độ 126 4.5 Kết luận chương 131 4.5.1 Đối với nội dung liên quan tới phương trình truyền nhiệt: 131 4.5.2 Về ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tới thông số mặt đường BTXM đánh giá HWD 132 KẾT LUẬN 134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .138 vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO Hiệp hội người làm đường vận tải Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Officials) BTXM Bê tông xi măng CHC Cất hạ cánh FWD Phương pháp chùy rơi (Falling Weight Deflectometer) HPPE Màng chống thấm (Hight Polypropylenne) HWD High Weight Deflectometer ICAO Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (International Civil Aviation Organization) LTE Khả truyền lực NDT Thí nghiệm khơng phá hủy (Nondestructive Deflection Test) PCN Chỉ số phân loại mặt đường (Pavement Classification Number) TCN Tiêu chuẩn ngành TCXD Tiêu chuẩn xây dựng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN r Bán kính vệt bánh xe (inches) AREA Hệ số tính đổi từ độ võng xác định theo đầu đo FWD a Hệ số truyền nhiệt, (m2/h) B Độ cứng tiết diện bê tông mặt đường (kN.m2/m) BL Hệ số ứng suất nhiệt độ tổng hợp b Bán kính vệt bánh máy bay C Nhiệt dung riêng cv Nhiệt dung riêng theo thể tích (calo/cm3.0C J/cm3.0C) cg Nhiệt dung riêng theo khối lượng (calo/g.0C J/g.0C) vii di Độ võng sensor thứ i dr * Hệ số độ võng không đơn vị khoảng cách hướng tâm r Ebt Mô đun đàn hồi BTXM En Mô đun đàn hồi đất móng Esug Mơ đun đàn hồi lớp móng, (psi) Etd Mơ đun đàn hồi tổng thể hệ kết cấu F Diện tích vùng chậu võng fr Cường độ kéo uốn BTXM (MPa) h Chiều dày K Thông số biểu thị phân bố trường nhiệt độ dừng, (oC/cm) Ki Hệ số điều chỉnh thực nghiệm k Mô đun phản lực kest Mô đun phản lực có từ kết tính ngược theo phương pháp AREA kt Hệ số gây ứng suất kéo uốn gây mỏi nhiệt ku Hệ số tính đến số lần trùng phùng tải trọng LTEmes Hệ số truyền lực đo FWD LTEpred Hệ số truyền lực dự báo LTED Hệ số truyền lực mặt độ võng LTEs Hệ số truyền lực mặt ứng suất l Bán kính độ cứng tương đối hệ BTXM lest Độ cứng tương đối từ kết tính ngược theo phương pháp AREA li Khoảng cách từ tâm tải trọng đến vị trí đầu đo n Số lần đo nhiệt ngày P Tải trọng tác dụng Q Nhiệt lượng (kCal) ! q Véc tơ mật độ dòng nhiệt viii R Hệ số hiệu chỉnh khả truyền tải Rbtb, Rbtb.ser cường độ tính tốn bê tơng chịu kéo uốn (MPa) Rku Cường độ chịu kéo uốn Rs cường độ tính tốn cốt thép chịu kéo (MPa) R2 Hệ số tương quan Se Sai số chuẩn ước tính Sy Độ lệch chuẩn T Thời gian Tg Gadien nhiệt độ lớn tuỳ thuộc vùng xây dựng mặt đường BTXM, (oC/m) t Nhiệt độ tm Nhiệt độ bề mặt tmax Nhiệt độ lớn tmin Nhiệt độ nhỏ tnmax Biên độ dao động nhiệt độ lớn ngày ttb.mat Nhiệt độ trung bình bề mặt BTXM tL Nhiệt độ lưu chất (chất lỏng khí), (oC) tT Nhiệt độ vật thể, (oC) tz Nhiệt độ độ sâu z Thông số mặt Thông số mặt đường BTXM đo đạc trực tiếp qua tính đường BTXM tốn đánh giá HWD y Modun đo lường động y’ Modun đo lường thuộc tính y Giá trị trung bình modun đo lường động z Chiều sâu BTXM V Thể tích v Số lượng biến độc lập mơ hình W Tải trọng gây ứng suất sc (KG) ix zmax Chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm α Hệ số cấp nhiệt ac Hệ số dãn nở chiều BTXM, (1/oC) b Hệ số nhiệt độ D loaded _ slab Độ võng chịu tải (µm) D unloaded _ slab Độ võng khơng chịu tải (µm) Dt Chênh lệch nhiệt độ lớn mặt mặt Dt * Chênh lệch nhiệt độ tính từ phương trình thực tế Dt Gradien nhiệt độ lớn tính trung bình cho 1cm bề dày BTXM (oC/cm) g Hệ số Euler γc Hệ số điều kiện làm việc mặt đường BTXM l Hệ số dẫn nhiệt, [W/moC] µ Hệ số poisson r Khối lượng riêng sc ứng suất kéo uốn cho phép bê tông (KG/cm2) s loaded _ slab Ứng suất chịu tải (psi) s unloaded _ slab Ứng suất không chịu tải (psi) s t max s tr Ứng suất kéo uốn gây mỏi gradient nhiệt lớn vị trí dễ bị phá hoại mặc định; (MPa) Ứng suất kéo uốn gây mỏi tác dụng nhiệt độ vị trí dễ bị phá hoại mặc định (MPa) x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số truyền nhiệt số vật liệu thường sử dụng 12 Bảng 1.2 Các mã mặt đường để thông báo PCN .21 Bảng 1.3 Tham số phương trình tương quan nhiệt độ bề mặt tới độ võng góc cạnh [87] 35 Bảng 2.1 Số liệu xạ mặt trời nhiệt độ khơng khí [39][40][11] 46 Bảng 2.2 Trị số tính tốn hệ số truyền nhiệt đất đài khí tượng Láng thay đổi theo tn.max [25] .53 Bảng 2.3 Giá trị thông số K thay đổi theo tháng năm [24] 55 Bảng 2.4 Các số dựa phương pháp AREA .58 Bảng 2.5 Các phần mềm sử dụng cơng tác phân tích, đánh giá thiết kế mặt đường 59 Bảng 2.6 Số liệu đầu vào dòng máy bay khai thác .62 Bảng 2.7 Kết tính tốn COMFAA cho mặt đường BTXM sân bay 63 Bảng 3.1 Tiêu chí phân loại chủ quan mức độ phù hợp 73 Bảng 3.2 Thời điểm lý loại bỏ số liệu bất thường 75 Bảng 3.3 Chuỗi số liệu đo đạc cho ngày 6/2/2021 77 Bảng 3.4 Số liệu kết cấu mặt đường BTXM sân bay đưa vào thí nghiệm .82 Bảng 3.5 Hướng dẫn lựa chọn khoảng cách vị trí thí nghiệm cho đường lăn đường cất hạ cánh [44] 83 Bảng 3.6 Hướng dẫn lựa chọn mật độ vị trí thí nghiệm cho sân đỗ [44] 84 Bảng 3.7 Kết đo độ võng nhiệt độ bề mặt HWD tâm BTXM 88 Bảng 3.8 Kết đo độ võng nhiệt độ bề mặt HWD vị trí cạnh BTXM 90 Bảng 4.1 Chênh lệch nhiệt độ lớn theo tháng 95 Bảng 4.2 Tần xuất suất Dt lớn tháng .95 - 131 - 4.5 Kết luận chương 4.5.1 Đối với nội dung liên quan tới phương trình truyền nhiệt: Số liệu thực nghiệm thu thời gian năm đánh giá, đủ điều kiện mức độ xác, cho phép phân tích để tìm quy luật biến thiên hiệu chỉnh phương trình truyền nhiệt BTXM Nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ đáy BTXM có quy luật biến thiên theo hàm cos hiệt độ đáy bị trễ pha so với nhiệt độ bề mặt (đạt giá trị lớn chậm khoảng giờ) Tuy nhiên, thấy nhiệt độ bề mặt nhiệt độ đáy có xu hướng tăng, giảm Chênh lệch nhiệt độ lớn nhỏ không cố định theo thời gian, có quy luật theo hàm cos nằm khoảng từ -5,70C đến 90C Qua kết thí nghiệm, điều kiện biên phương trình truyền nhiệt b với biến thiên nhiệt độ độ sâu z=1.5cm (b3), z=20cm (b2), z=40cm (b1) đề xuất sau: b3 = 0.7350 + 0.1004 * ttb.mat - 0.001603 * ttb2 mat b2 = -0.0495 + 0.1479 * ttb.mat - 0.002937 * ttb2 mat b1 = -0.349 + 0.2485 * ttb.mat - 0.005369 * ttb2 mat Với R2 = (0.77 đến 0.80), đạt mức độ tốt theo bảng 2.2 Cũng từ kết thí nghiệm, tác giả bước đầu đánh giá tìm tham số cụ thể cho phương trình truyền nhiệt thơng số K – tham số chịu ảnh hưởng nhiều điều kiện môi trường Với số liệu đo cụ thể vị trí chiều sâu mặt đường, thời điểm khác ngày năm khảo sát, tác giả xác định tương quan thông đến yếu tố môi trường điều kiện thí nghiệm cụ thể Từ đưa đề xuất để hiệu chỉnh thông số K theo hướng hồn thiện phương trình, đưa kết tính gần với điều kiện khí hậu thực tế miền Bắc Kiến nghị sử dụng Kt = f(z,t) theo tháng năm, với z=20cm z=40cm - 132 - Tháng z=20cm Ktháng 1.48 -0.69 -0.33 -0.57 -2.07 -3.18 Tháng 10 11 12 Ktháng -4.07 -4.69 -2.12 1.18 0.25 1.31 6 Tháng z=40cm Ktháng 1.45 -0.75 -0.31 -0.43 -2.49 -3.33 Tháng 10 11 12 Ktháng -3.60 -3.95 -1.44 0.98 0.19 1.33 Từ đề xuất trên, điều chỉnh điều kiện biên tham số, phương trình truyền nhiệt viết lại có dạng sau: 4.5.2 Về ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tới thông số mặt đường BTXM đánh giá HWD Ở tấm, chênh lệch nhiệt độ mặt mặt có ảnh hưởng tới đặc đánh giá HWD, phải kể đến độ võng, số PCN, bán kính độ cứng tương đối Các phương trình tương quan dạng bậc thiết lập, với giá trị R2 đủ lớn Riêng PCN, tương quan chưa thực chặt chẽ, R2 nằm khoảng lân cận 50% Sự ảnh hưởng tương quan vừa nêu thấy rõ Dt>1,50C Khi Dt≤1,50C, ảnh hưởng Dt tới thông số không lớn Ở cạnh tấm, độ võng chịu ảnh hưởng Dt nhiệt độ bề mặt (với tương quan chặt) Hệ số truyền lực LTE tăng Dt tăng, ổn định Dt≤1,50C Ảnh hưởng Dt tới thơng số tính tốn, thiết kế xem xét Trong số đó, bán kính độ võng tương đối thơng số có chịu ảnh hưởng rõ ràng, - 133 - có tương quan tốt với chênh lệch nhiệt độ Dt Trong đó, giá trị ứng suất cốt thép chịu kéo σs lại chịu ảnh hưởng yếu tố Dt Dựa vùng Dt cho phép thông số độ võng, PCN, LTE ổn định, khung thời gian ứng với điều kiện nhiệt độ có D≤1,50C đề xuất, coi thời điểm phù hợp để thực thí nghiệm HWD - 134 - KẾT LUẬN Những kết đạt luận án Tổng hợp kết nghiên cứu nước giới (Trung Quốc, Nhật Bản, Mĩ…) truyền nhiệt ảnh hưởng nhiệt độ tới thông số mặt đường BTXM đánh giá FWD, HWD: - Dạng phương trình vi phân bậc theo Fourier dùng phổ biến, với giả thiết nhiệt độ bề mặt BTXM biến động theo dạng điều hòa - Sự thay đổi chênh lệch nhiệt độ, nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ trung bình có liên quan tới độ vồng, dãn dài hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) bề mặt cạnh vị trí khe nối Từ đó, có ảnh hưởng tới độ võng thông số xác định HWD Các tương quan tốn học tìm thấy nhiệt độ bề mặt độ võng cạnh tấm, góc tấm, LTE; chênh lệch nhiệt độ (thớ trên-thới dưới) độ võng BTXM đánh giá HWD Tổng hợp lý thuyết đề xuất phương pháp hiệu chỉnh phương trình truyền nhiệt (các điều kiện biên tham số cần hiệu chỉnh); Đề xuất nội dung tính tốn ngược phục vụ xác định tham số mặt đường BTXM sân bay từ kết đo độ võng thí nghiệm HWD Thông qua số liệu đo đạc nhiệt độ chiều sâu khác BTXM điều kiện trời thời gian năm, tìm quy luật biến thiên theo hàm cos nhiệt độ mặt tấm, đáy chênh lệch nhiệt độ hai bề mặt Mặc dù điều kiện thời tiết có nhiệt độ cao (mùa hè) thấp (mùa đông), chênh lệch nhiệt độ mặt mặt BTXM (ở điều kiện khảo sát) thay đổi từ -5,70C đến 90C Từ số liệu khảo sát nhiệt độ, xác định điều kiện biên, tham số K hoàn thiện phương trình truyền nhiệt BTXM Đã thực thí nghiệm HWD mặt đường BTXM sân bay Vân Đồn, sân bay xây dựng mới, chưa đưa vào khai thác; kết cấu điều kiện thí nghiệm thống Kết thí nghiệm thu trực tiếp độ võng mặt đường tâm tấm, cạnh nhiệt độ bề mặt đo Từ phương - 135 - trình truyền nhiệt số liệu nhiệt độ bề mặt đo thiết bị HWD, xác lập diễn biến nhiệt độ BTXM sân bay Vân Đồn, làm sở để phân tích ảnh hưởng nhiệt độ tới thông số BTXM Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt chênh lệch nhiệt độ (mặt tấm-đáy tấm) tới độ võng, PCN, hiệu truyền lực số thông số thiết kế BTXM sân bay Vân Đồn Một số tương quan bậc yếu tố nhiệt độ thông số xác định sau: STT Tương quan Tương quan độ võng cạnh nhiệt độ bề mặt tấm: d= 1113-66,25.tm + 1,174.tm2 Tương quan độ võng cạnh Dt d=198,2-11,47.Dt+1,539 Dt2 Tương quan độ võng Dt d=171,8+4,377.Dt+0,5474 Dt2 Tương quan PCN Dt: PCN=101,1-0,2694Dt-0,2363Dt2 Tương quan LTE nhiệt độ bề mặt: LTE=1,047-0,008174.tm+0,000192.tm2 Tương quan LTE Dt (tại cạnh tấm): LTE=0,9610+0,000933.Dt+0,000200 Dt2 Tương quan bán kính độ cứng tương đối Dt (cường độ): l=1,374+0,006758.Dt+0,003336 Dt2 Tương quan bán kính độ cứng tương đối Dt (nứt): l=1,001+0,005797.Dt+0,002314 Dt2 Kết nghiên cứu rằng, số thông số quan trọng độ võng, PCN, LTE, bán kính độ cứng tương đối bị thay đổi D