Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu một số thông số thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường cứng trong điều kiện khí hậu miền Trung Việt Nam theo tiêu chuẩn AASHTO

BỘ GIÁO DỤC VÀ VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô đường thành phố Mã số: 62.58.02.05.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Phạm Huy Khang PGS.TS Lã Văn Chăm HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Phạm Đăng Nguyên ii LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới quý Thầy cô giáo, Nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp người thân giúp đỡ trình thực luận án Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới NGƯT.GS.TS Phạm Huy Khang NGƯT.PGS.TS Lã Văn Chăm hai thầy hướng dẫn có dẫn tận tình q báu giúp tác giả hồn thành luận án Tác giả iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt vii Danh mục bảng x Danh mục hình xiv PHẦN MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan mặt đường bê tông xi măng 1.1.1 Những khái niệm 1.1.2.Cơ sở lý thuyết làm việc áo đường cứng 1.1.3.Xem xét trạng thái làm việc BTXM mặt đường tác dụng khí hậu thời tiết 1.2 Tổng quan thông số đầu vào u cầu phương trình tính tốn mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO 12 1.2.1.Các thông số liệu đầu vào yêu cầu 12 1.2.2 Phương trình tính tốn mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO 13 1.3 Đặc điểm chung điều kiện khí hậu miền Trung Việt Nam công thức xác định thơng số chịu tác động khí hậu khu vực tính tốn mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO 22 1.3.1 Đặc điểm chung khí hậu miền Trung Việt Nam 22 1.3.2.Nghiên cứu xác định số thông số thiết kế bê tông xi măng mặt đường cứng điều kiện khí hậu thời tiết miền Trung Việt Nam theo tiêu chuẩn AASHTO 25 1.4 Một số nghiên cứu liên quan nước 26 1.4.1.Những nghiên cứu liên quan nước: 26 1.4.2.Những nghiên cứu liên quan nước ngoài: 28 1.5 Những vấn đề tồn mà luận án tập trung giải 28 1.6 Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài 30 1.6.1.Mục tiêu đề tài nghiên cứu 30 1.6.2.Nội dung nghiên cứu 30 iv 1.7 Phương pháp nghiên cứu 31 1.8 Kết luận chương 32 Chương 2: NGHIÊN CỨU CÁC THƠNG SỐ VỀ KHÍ HẬU KHU VỰC MIỀN TRUNG SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ VÀ KHAI THÁC MẶT ĐƯỜNG CỨNG THEO TIÊU CHUẨN AASHTO 34 2.1 Giới thiệu quy mô nguồn số thiệu thu thập 34 2.1.1 Số lượng trạm thu thập số liệu, thời gian thu thập 34 2.1.2.Các loại số liệu thu thập 35 2.1.3 Đặc điểm nguồn số liệu thu thập 35 2.2 Quá trình xử lý số liệu 35 2.2.1 Trạm Đà Nẵng (TP Đà Nẵng) 37 2.2.2.Trạm TP Thanh Hóa, Tỉnh Thanh Hóa 47 2.2.3.Trạm TP Vinh, Tỉnh Nghệ An 49 2.2.4.Trạm Kỳ Anh, Tỉnh Hà Tĩnh 51 2.2.5.Trạm Đồng Hới, Tỉnh Quảng Bình 53 2.2.6.Trạm Đông Hà, Tỉnh Quảng Trị 55 2.2.7.Trạm Hương Thủy, Tỉnh T.T.Huế 57 2.2.8.Trạm Tam Kỳ, Tỉnh Quảng Nam 59 2.2.9.Trạm Quảng Ngãi, Tỉnh Quảng Ngãi 61 2.2.10.Trạm Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định 63 2.2.11.Trạm Tuy Hòa, Tỉnh Phú Yên 65 2.2.12.Trạm Nha Trang, Tỉnh Khánh Hòa 67 2.2.13.Trạm Buôn Ma Thuột, Tỉnh Đắc Lắc 69 2.3 Kết trình xử lý số liệu, quy luật phân bố thông số đầu vào, mức độ ảnh hưởng lựa chọn kết theo độ tin cậythiết kế 72 2.3.1.Quy luật phân bố - giá trị phân phối thông số đầu vào 72 2.3.2 Mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến kết tính tốn TD(+) TD(-) 73 2.3.3 Kết lựa chọn thông số độ chênh lệch nhiệt độ độ dương hữu hiệu (TD(+)) độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu (TD(-)) theo độ tin cậy (R) 75 2.4 Kết luận chương 75 v Chương 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO, KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BÊ TÔNG VÀ LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ TÍNH TỐN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG THEO AASHTO 77 3.1.Cách xác định thơng số tính tốn theo AASHTO 77 3.1.1 Tổng trục xe tiêu chuẩn dự báo (ESAL s), W80 cho thời kỳ phục vụ, xe thiết kế 77 3.1.2.Độ tin cậy (R) 78 3.1.3 Độ lệch tiêu chuẩn toàn phần S0 79 3.1.4 Độ tổn thất khả phục vụ thiết kế (  PSI) 79 3.1.5 Tính mơ đun phản lực hữu hiệu (trị số k) 80 3.1.6.Tính Cường độ chịu kéo uốn (Mơ đun phá hỏng) bê tơng xi măng pc lăng (S’c.) 89 3.1.7 Tính Mơ đun đàn hồi bê tơng, (Ec.) 90 3.1.8.Mô đun đàn hồi lớp móng, (Eb.) 90 3.1.9.Hệ số ma sát bê tơng xi măng với móng (f) 92 3.1.10.Chiều dày lớp móng (Hb) 93 3.1.11 Điều kiện chống đỡ mép xe.(Như mục 1.2.1) 93 3.2 Xác định thơng số tính tốn chịu ảnh hưởng khí hậu khu vực thiết kế BTXM mặt đường theo AASHTO 93 3.2.1 Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu bê tông xi măng 93 3.2.2 Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu bê tông xi măng 94 3.3 Nghiên cứu lựa chọn hệ số thoát nước 95 3.3.1 Nghiên cứu lựa chọn hệ số nước (Cd) dùng trong tính tốn độ kênh BTXM mặt đường 95 3.3.2 Kiến nghi lựa chọn hệ số thoát nước Cd cho khu vực miền Trung (Bảng 3.13) số cấu tạo thoát nước tham khảo (PL7-2) 101 3.4 Khảo sát độ chênh lệch nhiệt độ BTXM mặt đường trạm Đà Nẵng (PL 6-1) 102 3.4.1 Sự xuất yếu tố: Nhiệt độ, vận tốc gió, lượng mưa năm ảnh hưởng đồng thời yếu tố đến tính tốn chênh lệch nhiệt độ BTXM mặt đường 102 3.4.2.Khảo sát chênh lệch nhiệt độ BTXM mặt đường ô tô khu vực Miền Trung - TP Đà Nẵng (Mùa hè) 105 vi 3.4.3 Kết giá trị ∆T (Độ chênh lệch nhiệt độ mặt BTXM) tính theo nhóm cơng thức khác theo khảo sát:(Bảng 3.22) 112 3.5 Hệ số giãn nhiệt bê tông xi măng vấn đề bố trí khe giãn thiết kế mặt đường BTXM 112 3.5.1 Hệ số giãn nhiệt BTXM 112 3.5.2 Vấn đề bố trí khe giãn mặt đường BTXM 113 3.5.3 Thiết kế khe giãn số nước 115 3.6 Kết luận chương 120 Chương 4: TÍNH TỐN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM VỚI CÁC THƠNG SỐ LỰA CHỌN 122 4.1.Các thơng số nghiên cứu lựa chọn cho khu vực miền Trung Việt Nam 122 4.1.1.Các thơng số dùng để tính tốn chênh lệch nhiệt độ bê tông xi măng mặt đường 122 4.1.2.Hệ số thoát nước Cd dùng thiết kế mặt đường BTXM theo AASHTO 124 4.2.Tính tốn BTXM mặt đường với thơng số nghiên cứu lựa chọn luận án 124 4.2.1.Tính tốn mặt đường BTXM thơng thường có khe nối theo tiêu chuẩn AASHTO (Có thể sử dụng phần mềm để tính) 124 4.2.2 Kiểm tra lại kết cấu mặt đường (chiều dày BTXM tính theo AASHTO 27 cm) theo Quyết định số: 3230/QĐ-BGTVT, ngày 14 tháng 12 năm 2012 Bộ trưởng Bộ GTVT 128 4.3 Kết luận chương 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHẦN PHỤ LỤC (ĐƯỢC ĐÓNG THÀNH MỘT CUỐN RIÊNG) vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa 𝑎𝑡 Hệ số hồi quy B Chiều rộng bê tông 𝐵𝐿 Hệ số ứng suất nhiệt độ tổng hợp 𝐶𝐿 Hệ số ứng suất uốn vồng gradien nhiệt độ gây 𝑏𝑡 Hệ số hồi quy BTXM mặt đường CS Cường độ chịu nén, psi (1 psi = 6,89 kPa) 𝑐𝑡 Hệ số hồi quy 𝐶𝑌 Hệ số phụ thuộcB/l Hệ số phụ thuộcL/l, 𝐶𝑋 10 D Chiều dày BTXM (mm) 𝐷𝐷 Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0,3 đến 0,7 phù hợp với 𝐷𝐿 Hệ số phân bố theo mặt cắt ngang 11 12 13 14 15 16 17 18 19 khảosát trường E Hệ số điều chỉnh tuỳ vào chống giữ mép BTXM 𝐸𝑏 Mô đun đàn hồi bê tông (daN/cm2) 𝐸𝑡 Môđuyn đàn hồi bê tông chịu tác dụng chênh lệch 𝐸𝐶 𝐸𝑐ℎ𝑚 F Mô đun đàn hồi BTXM (MPa); nhiệt độ lâu dài (từ 6-9 giờ), thường lấy 0,6.𝐸𝑏 Môđuyn đàn hồi chung mặt móng,(daN/cm2) Tỉ số ứng suất hệ số ma sát móng có trị số f với ứng suất ma sát hoàn toàn f𝐶 Nhân tố ma sát móng 21 H Chiều dày BTXM (cm) 22 Chiều dầy lớp móng, mm 23 𝐻𝑏 24 I(ℓ) Bán kính độ cứng bê tơng: 20 f𝑐′ ℎ𝐶 Cường độ chịu nén bê tông xi măng, MPa Chiều dày BTXM (m); viii TT Ký hiệu Ý nghĩa 25 k Mô đun phản lực hữu hiệu (hệ số nền) 26 Hệ số giảm cường độ xạ mặt trời đặc điểm bầu khí 27 𝑘𝑔 28 L Chiều dài bê tông (khoảng cách hai khe co) 𝑃1 Chỉ số phục vụ ban đầu áo đường cứng 29 30 31 32 33 34 𝐾𝑡 𝑃2 r 𝑆𝐶 Sr SDs Hệ số ứng suất kéo uốn gây mỏi nhiệt Chỉ số phục vụ cuối áo đường cứng Bán kính độ cứng tương đối BTXM (m); Cường độ chịu kéo uốn bê tông qui định thi cơng,MPa Độ bão hịa đất dính Độ lệch tiêu chuẩn ước tính cường độ chịu kéo uốn bê tông, MPa; 35 36 37 38 39 40 41 𝑆𝐶′ 𝑡𝑏𝑚 Trị số cường độ chịu kéo uốn bê tông (Mô đun phá hỏng) kPa Nhiệt độ bề mặt mặt đường.(°C) 𝑡𝑘𝑘 Nhiệt độ khơng khí (°C) 𝑇𝑔 Gradien nhiệt độ lớn nhất.(°C/cm) 𝑡𝑏𝑥 Nhiệt độ tương đương xạ mặt trời đốt nóng thêm bề mặt 𝑊80 Số trục xe tải trọng tương đương suốt thời kỳ phục vụ ˆ W 80 mặt đường bê tông xi măng(°C) xe thiết kế Tổng số trục xe tải trọng tương đương suốt thời kỳ phục vụ mặt đường 42 Z Độ lệch tiêu chuẩn từ bảng phân bố chuẩn tương ứng với độ tin cậy R 43 α Hệ số giãn dài nhiệt độ bê tông 44 𝛼𝐶 Hệ số giãn nở nhiệtcủa BTXM 45 ∆PSI 46 ∆T 47 T 48 µ Trị số độ tổn thất khả phục vụ Chênh lệch nhiệt độ mặt mặt bê tông (°C) Gradien nhiệt độ BTXM.(°C/cm) Hệ số Poisson bê tông [0,20 thử nghiệm đường AASHO] [34] 128 l  80012743 2542 0,5 0,2 0,5   152  1300000 0,75    4572   0,0011061.1300000.152   0,155  4,227  2,381   0,0015      29,92  1083,22     25,4  28959000     = 998,857 kPa; - Ứng suất kéo bê tông tác dụng tải trọng xe nhiệt độ với số thí nghiệm đường AASHTO:  t    E.F (1,0 + 10lg b x 1,8 TD) = 998,857 x x 1,696585.(1.0 + 10 -1,26754 x 1,8 x 5,97)= 2680,849 kPa; (với R = 90%; So = 0.39) W80R = 10(lg W+‫׀‬z so‫)׀‬ =10(lg 10,000,000 + ‫׀‬1.282 x 0.39‫)׀‬ = 10(7.49998) = 31.621320x106 ESALs lgW80R = lg (31.62132 x 10 6) , đó: lg 31,62132 x 106 = 7,49998 (VT)    S ' '   4754   lg W ’’ = lg W + (5,065 - 0,03295 P22,4 ) lg  c'   lg   t     t          4827 '   4754   = lg W+ (5,065- 0,03295.2,5 ) lg   lg     2680,84     2801,07  2,4 = 7,1535+(5,065 - 0,2971) lg 1,7232  lg 1,7733  = 7,12 (VP) 4.2.1.3 Nhận xét So sánh hai giá trị: 7,49998 với 7,12 thấy khác >│0.02│ Tính lặp lại với D giả thiết 270 mm, kết cho hai giá trị vế phải vế trái tương đương (khác < │0.02.│)→ Đạt yêu cầu (vế phải< vế trái→Tăng D ngược lại) 4.2.2 Kiểm tra lại kết cấu mặt đường (chiều dày BTXM tính theo AASHTO 27 cm) theo Quyết định số: 3230/QĐ-BGTVT, ngày 14 tháng 12 năm 2012 Bộ trưởng Bộ GTVT 4.2.2.1.Bước 1.Kết cấu mặt đường: Tầng mặt BTXM dầy 0,27m BTXM có cường độ kéo uốn thiết kế fr = 4,827 MPa, tương ứng có trị số mơ đun đàn hồi tính tốn Ec = 28,27.103 129 MPa; hệ số Poisson µ c = 0,15; Cốt liệu thô BTXM cuội sỏi nên lấy hệ số giãn nở nhiệt αc = 11.10-6/°C Tấm BTXM dự kiến có kích thước 5,2mx3,7m; khe dọc có liên kết; khe ngang có bố trí truyền lực Móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 5% dầy hb = 0,152m với mô đun đàn hồi tuổi 90 ngày Eb= 1300MPa, hệ số Poisson µ c = 0,20; Lớp móng cấp phối đá dăm dày 0,18m có mơ đun đàn hồi 300MPa hệ số Poisson µ c = 0,35; Nền đất: sét pha nhẹ độ ẩm tương đối 0,6 đến 0,7 có E0 = 45MPa; 4.2.2.2.Bước Kiểm toán kết cấu dự kiến theo dẫn mục 8.4: [6] 1/ Tính tốn mơ đun đàn hồi chung Et đất móng vật liệu hạt: Do có lớp móng cấp phối đá dăm, n = nên:  (h E )  h E  h h n EX i n i i i 1  0,182.300  300MPa ; 0,182 hX  1 hi  h1  0,18 m; n α = 0,86+0,26lnhx = 0,86+0,26ln0,18 = 0,414 (a- hệ số hồi quy liên quan đến tổng chiều dày lớp vật liệu)  E   300  Et   X  E0     45   E0  0.414 45  98, 70MPa; 2/ Tính độ cứng tương đối chung kết cấu rg DC  EC h 3c 28270.0, 273   47, 44MN m; 12 1  c2  12 1  0,152  Db  Eb hb3 1300.0,1523   0,396MN m; 12 1  b2  12 1  0.202  1/3  D  Db  rg  1, 21 c   Et  1/3  47, 44  0,396   1, 21  98,    0,95m; 3/ Tính ứng suất tải trọng trục xe gây theo công thức sau:  PS  1, 45.103 0,85 2 0,94 r h p Db g c S 1 Dc đó: 130 Db, hb, Eb, b , Et, rg, hc, Dc: có ý nghĩa giá trị tính theo h=0,27m Thay số liệu vào cơng thức ta có:  PS   Pm  1, 45.103 0,950,85.0, 27 2.1000,94  1, 43MPa; 0,396 1 47, 44 1, 45.103 0,950,85.0, 27 2.1800,94  2, 48MPa; 0,396 1 47, 44 - Tính ứng suất kéo uốn gây mỏi tải xe chạy vị trí cạnh dọc tấm: σpr Theo (8-5) [6] tính được: σpr = kr kf kc σps Trong  ps - Ứng suất kéo uốn vị trí cạnh dọc tác dụng tải trọng trục đơn thiết kế khơng có liên kết cạnh, (MPa);  ps - xác định theo biểu thức (8.6) [6] ; kr - Hệ số triết giảm ứng suất khả truyền tải khe nối: Nếu tầng mặt kết cấu lề có chiều dày với tầng mặt phần xe chạy áp dụng: kr = 0,87; Nếu tầng mặt lề mỏng áp dụng trị số kr = 0,92; Nếu dùng kết cấu lề mềm (bê tơng nhựa lề đất) áp dụng: kr = 1,0; kf - Hệ số mỏi xét đến số lần tác dụng tích lũy tải trọng gây mỏi thời hạn phục vụ thiết kế; kf xác định theo dẫn điều 8.3.3[6] ; kc - Hệ số tổng hợp xét đến ảnh hưởng tác dụng động yếu tố sai khác lý thuyết thực tế chịu lực BTXM Hệ số định tùy thuộc cấp hạng đường đây: - Đường cấp II: kc = 1,1; kr =0,87 (lề giống mặt BTXM); kc = 1,1; kf = Ne0,057 từ có: σpr = kr kf kc σps = 0,87x(10.106)0,057x1,1 x1,21= 3,4 MPa; (theo 8.5) [6] σpmax = kr kc σpm = 0,87x1,1 x2,48 = 2,37 MPa; (theo 8.15) [6] 4/ Tính ứng suất kéo uốn gradien nhiệt độ gây ra:Được thực theo điều 8.4.5[6] tức theo (8-23) [6], (không có lớp BTN cách ly) nên kn: 131 1 1 h H   0, 27 0,152   kn  1/  c  b   1/    3953,3MPa / m; 28270 1300 E E  b   c 1/4   Dc Db   r      Dc  Db  kn  1/4    47, 44.0,396      47, 44  0,396  3953,3   0, 0998;   kn rg4  Dc  r3  3953,3.0,954  47, 44  0, 09983    0, 078;      kn r  Dc  rg   3953,3.0, 09984  47, 44  0,953 t L 5,   Sht.cost  Cht sint   1,824; CL     3rg 3.0,95     cos t.sin t  Sht.Cht Với Cht  Sht  et  et 2, 718281,824  2, 718281,824   3, 017; 2 et  et 2, 718281,824  2, 718281,824   3,178; 2   3, 017.cos1,824  3,178.sin1,824 CL     0, 6996    0, 078  cos1,824.sin1,824  3, 017.3,178 BL = 1,77.e-4,48.hc CL - 0,131 (1 - CL) = 1,77.e-4,48x0,27x0,6996 - 0,131 (1 - 0,6996) = 0,330 ;  t max   c hc Ec Tg BL Trong đó: Kí hiệu lựa chọn thơng số lần tính thứ nhất, riêng chiều dày bê tông chọn lại hc = 27cm = 0,27m  t max   c hc Ec Tg BL  1,1.105.0, 27.2827.0,89 0,33  1, 233MPa; - Tính hệ số mỏi nhiệt kt theo (8-19) [6] với: Trong đó: Kí hiệu lựa chọn thơng số lần tính thứ nhất, cịn thơng số σtmax thay bt 1,323  4,827   f r    t max   1, 233   at  kt   0, 058 0,841    0,314;   ct    1, 233   t max   f r   4,827     bt 1,287  4,827   f r    t max   1, 233   at  kt   0, 071  0,310; 0,871    ct    1, 233   t max   f r   4,827     Chọn giá trị kt = 0,314 đưa vào kiểm tra Theo (8-16) [6] tính ứng suất nhiệt gây mỏi: 132 σtr = kt σtmax = 0,314 x1,233 = 0,387 MPa 5/ Kiểm toán điều kiện giới hạn: Tuyến đường thiết kế thuộc cấp II nên lấy độ tin cậy γr = 1,16 từ đó: - Theo điều kiện (8-1) [6] γr (σpr + σtr) ≤ fr hay 1,16 x(3,4+0,387) = 4,39 MPa