Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cơ học thực nghiệm để thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường mềm cũ trong khu vực tỉnh đồng nai luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - ĐÀM QUANG NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC – THỰC NGHIỆM ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƢỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƢỜNG MỀM CŨ TRONG KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TP.Hồ Chí Minh, Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - ĐÀM QUANG NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC – THỰC NGHIỆM ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƢỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƢỜNG MỀM CŨ TRONG KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG MÃ SỐ: 62.58.02.05 CHUN SÂU: KTXD ĐƢỜNG Ô TÔ VÀ ĐƢỜNG THÀNH PHỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ VĂN PHÚC Thành Phố Hồ Chí Minh, Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn đề tài “N - N ” cơng trình nghiên cứu tơi thực Dƣới hƣớng dẫn nhiệt tình khoa học thầy TS Lê Văn Phúc - Bộ môn đƣờng - đƣờng sắt, Trƣờng Đại học Giao thông vận tải - Phân hiệu TP Hồ Chí Minh, giúp đỡ khơng nhỏ từ phía Khu Quản lý Đƣờng bộ, đƣờng thủy Đồng Nai, Công ty Cổ Phần Long Bình Mê Kơng, Phịng thí nghiệm kiểm định Las-XD1341- Công ty TVKĐ Xây dựng thƣơng mại Đồng Nai Các số liệu, kết sử dụng phân tích nêu luận văn trung thực, khách quan, có nguồn gốc rõ ràng chƣa đƣợc cơng bố dƣới hình thức Để hồn thành luận văn này, số kết trích dẫn đƣợc tham khảo tƣ liệu, giáo trình đề tài nghiên cứu đƣợc công bố nhà khoa học ngồi nƣớc Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Học viên Đàm Quang Nam LỜI CẢM ƠN s ỗ ợ ú à ỡ ủ q s b b y ú e x ợ ợ q ổ ậ ầ í t ầy TS Lê Văn Phúc – Bộ ô G h –P â thông vậ t ẫ ãl ô ẫ e s ố q TP H C í M ì s à ậ ày E x â B t ầy cô t q ýb ú Tô x Cô y Cổ P ầ L s ố q ì q l ì ậ lã Bì ì b ì â ỏ ữ b bè â à ữ Q M Kơ P ị N ã ậ bè ãl ô ố ắ b y thơng vậ lý í ủy L s-XD1341 - ì ú ỡ ậ ù ó G h ì K Xây C Mặ q B Cô ô ô ã ậ ỡe y TVK T G ô l N X ậ â N ủ l b ã sắ T ì ỡ bè T ô ậ ậ S - ày e s liên qua ì ị í l ộ ú ỡ à ì ậy só Kí q ố ậ l ậ ày ợ s ó ủ e ó ý ợ ủ Q ý ! Học viên Đàm Quang Nam ầy MỤC LỤC : CHƢƠNG MỞ ĐẦU .1 1.Tính cấp thiết 2.Mục tiêu đề tài .1 3.Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4.Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu cách tiếp cận .1 CHƢƠNG I TH C TRẠNG ĐƢ NG BỘ S DỤNG K T CẤU ÁO ĐƢ NG M M TẠI KHU V C TỈNH Đ NG N I, CÁC LOẠI K T CẤU S DỤNG TRONG C NG TÁC DUY TU THƢ NG XUY N, DUY TU S CH ĐỊNH K ĐỘT XUẤT .3 1.1 Thực trạng đƣờng sử dụng kết cấu áo đƣờng mềm khu vực tỉnh Đồng Nai 1.2 Các loại kết cấu sử dụng công tác sửa ch a thƣờng xuyên, tu sửa ch a định kỳ đột xuất 1.2.1 Duy tu sửa ch a ch a định kỳ đột xuất 1.2.2 Duy tu sửa ch a thƣờng xuyên CHƢƠNG II NGHI N C U PHƢƠNG PHÁP THI T K K T CẤU ÁO ĐƢ NG T NG CƢ NG, CẢI TẠO K T CẤU ÁO ĐƢ NG B NG PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC TH C NGHIỆM (MEPDG) 2.1 Giới thiệu phƣơng pháp học thực nghiệm (MEPDG) .7 2.1.1 Khả MEPDG 2.1.2 Trình tự phƣơng pháp thiết kế theo MEPDG 10 2.1.3 Các thông số thiết kế 12 2.1.3.1 Các thông số đầu vào 12 2.3.3.2 Các thông số trạng thái giới hạn 14 2.1.4 Độ tin cậy thiết kế 15 2.1.5 Phƣơng trình tính tốn kết phân tích 18 2.1.5.1 Độ lún 18 2.1.5.2 Nứt mỏi 21 2.1.5.3 Nứt nhiệt (nứt ngang) .23 2.1.5.4 Độ gồ ghề 25 2.1.5.5 Các kết phân tích tính tốn 26 2.1.6.2 Tổng quan phƣơng pháp hiệu chỉnh .28 2.1.7 Phân tích, đề xuất nh ng điều kiện áp dụng phƣơng pháp MEPDG Việt Nam 30 2.2 Các định nghĩa tuổi thọ kết cấu mặt đƣờng mềm 33 2.1.1 Tuổi thọ kết cấu mặt đƣờng 34 2.1.2 Tuổi thọ lại kết cấu mặt đƣờng 35 CHƢƠNG III 38 NG DỤNG PHƢƠNG PHÁP MEPDG Đ THI T K T NG CƢ NG K T CẤU ÁO ĐƢ NG M M CHO TUY N ĐƢ NG ĐT.769 TRONG KHU V C TỈNH Đ NG N I 38 3.1 Thông tin chung tuyến đƣờng ĐT.769 38 3.2 Khảo sát hƣ hỏng tuyến đƣờng ĐT.769 39 3.2.1 Thí nghiệm xác định modul đàn hồi tĩnh trƣờng 39 3.2.2 Tổ chức đếm xe cho đoạn ĐT.769 40 3.3 Phân tích đánh giá hƣ hỏng mặt đƣờng 40 3.2 Thiết kế tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng theo TCN211-06 44 3.3 Phần mềm học thực nghiệm (MEPDG) 44 3.3.1 Thông số khí hậu 45 3.3.2 Thông số vật liệu 45 3.3.3 Thông số tải trọng 47 3.3.4 Các tiêu chuẩn giới hạn 48 Bảng 3.2 Các tiêu chuẩn giới hạn thiết kế 48 3.3.5 Kết phân tích kết cấu 48 3.4 Đề xuất giải pháp sửa ch a tăng cƣờng kết cấu áo đƣờng ĐT.769 49 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ .50 Kết luận: 50 Kiến nghị : 50 TÀI LIỆU TH M KHẢO 52 CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Hiện Việt Nam việc thiết kế tăng cƣờng mặt đƣờng bê tông nhựa thƣờng áp dụng theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 [1] để tính tốn chiều dày u cầu lớp BTN tăng cƣờng Tuy nhiên, việc thiết kế theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 [1] kiểm toán trƣợt trong đất lớp vật liệu (kém dính), mà khơng kiểm tốn trƣợt lớp bê tông nhựa Đồng thời phƣơng pháp thiết kế tính tốn kết cấu áo đƣờng theo mô đun đàn hồi tĩnh chƣa xem xét điều kiện khí hậu thực tế khu vực Để khắc phục đƣợc nhƣợc điểm phƣơng pháp này, thiết kế theo phƣơng pháp học thực nghiệm (MEPDG) Mỹ [2] dùng xem xét tất nhƣợc điểm TCVN 211-06 Ngoài phƣơng pháp thiết kế tăng cƣờng thông thƣờng nâng lên 5cm so với mặt đƣờng cũ dẫn đến nâng cao cốt cao độ mặt đƣờng nhƣ giảm tuổi thọ kết cấu áo đƣờng Vì cần phải đề xuất giải pháp thiết kế cải tạo nâng cấp kết cấu mặt đƣờng mềm nhằm nâng cao tuổi thọ khai thác cần thiết giai đoạn Việc đánh giá mức độ hƣ hỏng mặt đƣờng thiết kế tăng cƣờng kết cấu áo đƣờng ảnh hƣởng trực tiếp đến giải pháp xây dựng giá thành cơng trình, cần phƣơng pháp nhƣ cách nhìn đánh giá giải pháp kỹ thuật tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ nhằm tăng tuổi thọ kết cấu áo đƣờng sau tu mặt đƣờng bê tông nhựa với khối lƣợng lớn khu vực tỉnh Đồng Nai 2.Mục tiêu đề tài - Áp dụng phƣơng pháp Cơ học – Thực nghiệm để đánh giá thiết kế tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng mềm - Đề xuất giải pháp kết cấu áo đƣờng tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ nhằm tăng tuổi thọ kết cấu áo đƣờng sau tu, sửa chửa tăng cƣờng kết cấu áo đƣờng 3.Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: kết cấu áo đƣờng - Phạm vi nghiên cứu: Thu thập tổng hợp kết nghiên cứu tác giả ngồi nƣớc; Nghiên cứu mơ hình dựa phân tích theo phƣơng pháp Cơ học – Thực nghiệm thiết kế tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ 4.Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu cách tiếp cận - Lựa chọn tuyến đƣờng đặc trƣng khu vực tỉnh Đồng Nai, khảo sát thu thập số liệu tuyến đƣờng trạng , đo mô đun mặt đƣờng trạng, khoan lấy mẫu, thí nghiệm lấy d liệu - Thu thập số liệu đầu vào ( giả định) để tính tốn kết cấu áo đƣờng - Kiểm toán kết cấu theo 22TCN 211-06 - Dựa vào kết nghiên cứu tác giả xác định thông số đầu vào cho phần mềm Cơ học thực nghiệm MEPDG - Thiết kế tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ theo phƣơng pháp MEPDG, vẽ đƣờng cong Master curve  Phƣơng pháp nghiên cứu: - Pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng mơ hình, phần mềm tính tốn dựa theo phƣơng pháp học thực nghiệm để phân tích, đánh giá; - Phƣơng pháp thực nghiệm: so sánh kết chạy phần mềm với kết thí nghiệm trƣờng đoạn tuyến để đánh giá  Nội dung nghiên cứu: - Thực trạng đƣờng sử dụng kết cấu áo đƣờng mềm khu vực tỉnh Đồng Nai, loại kết cấu tu thƣờng xuyên, tu sửa ch a định kỳ đột xuất - Giới thiệu phƣơng pháp Cơ học – Thực nghiệm - Giải pháp tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ - Trình tự thiết kế theo phƣơng pháp MEPDG - Chọn tuyến đƣờng thực tế Đồng Nai, thu thập d liệu tuyến đƣờng - Thiết kế tăng cƣờng, cải tạo áo đƣờng cũ theo quy trình 22TCN211-06 - Thiết kế tăng cƣờng, cải tạo kết cấu áo đƣờng cũ theo phƣơng pháp MEPDG - So sánh đánh giá phƣơng pháp đề xuất phƣơng án kết cấu áo đƣờng cũ khu vực tỉnh Đồng Nai CHƢƠNG I THỰC TRẠNG ĐƢỜNG S DỤNG KẾT CẤU ÁO ĐƢỜNG MỀM TẠI KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI, CÁC LOẠI KẾT CẤU S DỤNG TRONG CÔNG TÁC DUY TU THƢỜNG XUYÊN, DUY TU S A CH A ĐỊNH K Đ T XUẤT 1.1 Th c trạng đƣờng ộ s dụng ết cấu áo đƣờng mềm hu v c tỉnh Đồng Nai - Hệ thống đƣờng Quốc gia qua địa bàn tỉnh Đồng Nai gồm: QL.1, QL.1K, QL.20, QL.51, QL.56 cao tốc Hồ Chí Minh-Long Thành-Dầu Giây Đây hệ thống giao thông đối ngoại quan trọng tỉnh, kết nối tỉnh với tỉnh lân cận, thúc đẩy giao lƣu trao đổi kinh tế - Ngoài hệ thống đƣờng Quốc gia, địa bàn tỉnh có 24 tuyến đƣờng tỉnh 227 tuyến đƣờng huyện tạo mạng lƣới tuyến nhánh, kết nối với tuyến quốc lộ theo dạng xƣơng cá, góp phần phục vụ nhu cầu lại vận chuyển hàng hóa ngƣời dân địa bàn tỉnh - Nhìn chung, mạng lƣới đƣờng bao phủ rộng khắp địa bàn tỉnh Tuy nhiên, đƣờng tỉnh đƣờng huyện cịn đƣờng đất gây khó khăn cho việc lại ngƣời dân, đặc biệt vào mùa mƣa đƣờng đọng nƣớc trơn lầy tiềm ẩn tai nạn giao thông - Theo số liệu thu thập kết khảo sát thực tế, tổng chiều dài mạng lƣới đƣờng địa bàn tỉnh 8.935,5km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 82%; bao gồm: - Hệ thống Quốc lộ cao tốc qua địa bàn tỉnh có tuyến với tổng chiều dài qua địa bàn tỉnh 306,1 km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 100% (01 tuyến cao tốc TP HCM – LT – DG dài 42,3 km, 05 tuyến Quốc lộ dài 263,8 km) - Hệ thống đƣờng tỉnh: Gồm 24 tuyến đƣờng tỉnh với tổng chiều dài 453,6km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 92,1%; - Hệ thống đƣờng huyện: Gồm 227 tuyến đƣờng huyện với tổng chiều dài 1.331,3km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 80,7%; - Hệ thống đƣờng đô thị: Dài 765,9 km bao gồm tuyến đƣờng nội Thành phố Biên Hịa; thị xã Long Khánh đƣờng thị trấn đƣợc nhựa (cứng) hóa đạt 76,8%; - Hệ thống đƣờng xã: Tổng chiều dài 6.078,6 km, tỷ lệ cứng hóa đạt 85% Trong phạm vi đề tài này, học viên thu thập d liệu tuyến đƣờng tỉnh Đồng Nai đầu tƣ quản lý, cụ thể thu thập d liệu Khu Quản lý đƣờng bộ, đƣờng thủy Đồng Nai – Sở Giao thông vận tải, hệ thống đƣờng tỉnh 24 tuyến đƣờng với tổng chiều dài 453,6km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 92,1%, trung bình năm đƣờng tỉnh đƣợc cấp khoảng 250.000 triệu đồng thực công tác tu sửa ch a thƣờng xuyên tu sửa ch a định kỳ, đột xuất (trong tu thƣờng xuyên khoảng 70.000 triệu đồng, tu sửa ch a định kỳ đột xuất 180.000 triệu đồng), nhƣng so với thực tế không đủ cho công tác tu sửa ch a 1.2 Các oại ết cấu s dụng c ng tác du s a ch a thƣờng u ên, du tu s a ch a định đột uất Hiện tại tuyến đƣờng tỉnh Đồng Nai sử dụng hai phƣơng án tu áp dụng cho tu sửa ch a thƣờng xuyên tu sửa ch a định kỳ đột xuất - Phƣơng án thảm bù vênh lớp BTNN thảm tăng cƣờng lớp BTN C9.5 - Phƣơng án thay kết cấu trạng: thay đƣờng, móng đƣờng lớp mặt Cụ thể nhƣ sau: 1.2.1 Du tu s a ch a ch a định đột uất Tiến hành khảo sát cụ thể đoạn tuyến hƣ hỏng có khối lƣợng tiến hành khảo sát phân loại hƣ hỏng chính: - Hƣ hỏng loại : dạng mặt nhựa bong tróc, rạn nứt, lão hóa nhựa; - Hƣ hỏng loại 2: dạng lún nứt cục bộ; - Hƣ hỏng loại : dạng nứt dọc lớn, lún lõm mặt đƣờng; - Hƣ hỏng lại Và ứng với loại hƣ hỏng đƣa phƣơng án xử thiết kế sửa ch a nhƣ sau:  Kết cấu sửa ch a loại 1: o Cào bóc lớp bê tơng nhựa h u trung bình ≤ -:-7cm; o Tƣới nhựa dính bám 1kg/m2; o Thảm bê tơng nhựa C12,5 bù vênh; o Thảm bê tông nhựa C12,5 dày -:- cm  Kết cấu sửa ch a loại 2: o Đào bỏ lớp vật liệu cũ; o Lu lèn hạ, độ chặt K ≥ 0.95; o Lớp sỏi đỏ dày 30cm sau nén, độ chặt K ≥ 0.98; o Lớp đá dăm 25 -:- 45 cm (tùy theo kết cấu h u đƣờng); o Tƣới nhựa thấm bám 1kg/m2; Bảng Giá trị tham khảo tuổi thọ phục vụ lớn loại mặt đƣờng Loại mặt đƣờng kết cấu Tuổi thọ phục vụ lớn (năm) Kết cấu bê tông nhựa làm 20 Kết cấu bê tông xi măng làm 30 Lớp phủ BTN dày mặt đƣờng BTN 10 Lớp phủ BTN mỏng BTN, BTXM Lớp phủ BTN dày mặt đƣờng BTXM 10 Để xác định RSL cần xác định tuổi thọ thiết kế toàn kết cấu mặt đƣờng, bảng 2.6 giá trị đề xuất tham khảo Các biện pháp bảo dƣỡng bề mặt đƣờng tăng tuổi thọ lại mặt đƣờng, xem hình 2.9 Hình Bảo dƣỡng bề mặt tăng cƣờng RSL Trên tác giả tóm tắt tồn lý thuyết thơng số đầu vào phƣơng pháp học thực nghiệm Mỹ Để từ thực bƣớc thu thập số liệu chuẩn bị cho việc thiết kế kết cấu áo đƣờng tăng cƣờng theo MEPDG CHƢƠNG III ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP MEPDG ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƢỜNG KẾT CẤU ÁO ĐƢỜNG MỀM CHO TUYẾN ĐƢỜNG ĐT.769 TRONG KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI 3.1 Th ng tin chung tu ến đƣờng ĐT.769 Tuyến đƣờng tỉnh 769 (ĐT.769) đoạn từ Phà Cát lái đến Thị trấn Long Thành có chiều dài khoảng 25,5km, Cơng trình cấp III, Tốc độ thiết kế Vtk = 60 Km h, chiều rộng đƣờng 12m, chiều rộng mặt đƣờng 7m, lề đƣờng 2x2,5m (phần gia cố bên 2m), độ dốc ngang mặt đƣờng 2%, lề gia cố 2%, lề đất 6% 38 Đoạn tuyến nghiên cứu từ lý trình Km5+020 đến Km12+395, kết cấu mặt đƣờng 7m: lớp sỏi đỏ dày 50cm, lớp đá dăm 38cm, lớp BTN C19 dày 7cm Hình 3.1 Các kết cấu áo đƣờng mềm h u 3.2 Khảo sát hƣ hỏng tu ến đƣờng ĐT.769 3.2.1 Thí nghiệm ác định modu đàn hồi tĩnh trƣờng Phƣơng pháp cần Benkelman dụng cụ dùng để thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi kết cấu áo đƣờng mềm đƣờng ô tô cần đo võng Benkelman, phục vụ cho việc đánh giá khả chịu tải mặt đƣờng đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng khai thác Mô đun đàn hồi kết cấu áo đƣờng mềm đặc trƣng chống biến dạng kết cấu mặt đƣờng gồm áo đƣờng khu vực tác dụng đƣờng dƣới tác dụng tải trọng bánh xe tiêu chuẩn Độ võng đàn hồi độ võng hồi phục sau dỡ tải (khi bánh xe tiêu chuẩn rời khỏi vị trí đo).Bộ cần Benkelman Việt Nam sản xuất có ƣu điểm gọn nhẹ, dễ sử dụng, giá thành rẻ, tiện dụng mang cơng trƣờng Cần đo võng Benkelman có chiều dài từ gối tựa phía trƣớc đến mũi đo 2,0 m có tỷ lệ cánh tay địn cần đo không nhỏ 2:1 Kết giá trị mô đun đàn hồi đặc trƣng (Eđh): - Căn vào TCVN 8867:2011 [8] “Áo đƣờng mềm – Xác định mô đun đàn hồi chung kết cấu cần đo võng Benkelman” - Căn vào trình thị xác kết đo mô đun đàn hồi bƣớc dự án đầu tƣ, tác giả xác định đoạn đặc trƣng tiến hành đo 20 điểm đo đoạn đặc trƣng với yếu Nhƣ nghiên cứu thực nhiều so với hồ sơ yêu cầu, kết đo mơ đun đàn hồi đủ độ tin cậy cao 39 - Kết đo đƣợc thể nhƣ hình 2.4 hình 2.5 Sơ họa kết mô đun đàn hồi đoạn tuyến ĐT 769 (Km5+050 ÷ Km12+395) Hình 3.1 Sơ họa kết mô đun đàn hồi ĐT 769 3.2.2 Tổ chức đếm e cho đoạn ĐT.769  Khảo sát lƣu lƣợng xe + Theo kết khảo sát giao thông phục vụ cơng tác nghiên cứu cơng trình đƣờng tỉnh ĐT.769 học viên thực 10 ngày, kết tính toán số trục xe (10 tấn) xe là: 160 (trục ngày đêm) + Xác định lƣu lƣợng xe ngày đêm trung bình năm năm tƣơng lai theo công thức: Nt  N0 1  q  t 1 (2.37) Trong đó: Nt-LL xe chạy ngày đêm trung bình năm (xe nd) năm tƣơng lai; N0- LL xe chạy ngày đêm trung bình năm (xe nd) năm đầu; t- Thời gian dự báo kể từ năm (năm), 10 năm; q- Tỷ lệ tăng trƣởng lƣu lƣợng xe hàng năm (giả sử q=6% tham khảo theo phát triển kinh tế vùng tuyến ĐT.769 qua) 3.3 Phân tích đánh giá hƣ hỏng mặt đƣờng 40 Kết thị sát, đánh giá trạng mặt đƣờng ĐT.769 sau năm đƣa vào sử dụng cho thấy: Xuất nhiều hƣ hỏng dọc theo chiều dài tuyến, dạng hƣ hỏng chủ yếu hƣ hỏng dạng ổ gà nứt lƣới nhƣ hình 3.2 hình 3.3 Hình 3.2: H ỏ 41 ổ Hình 3.3: H ỏ l Với kết cấu nứt dạng lƣới ứng suất kéo đáy lớp BTN lớn dẫn đến nứt, loại nứt có ngun nhân bề dày lớp BTN mỏng ứng với tải trọng trục tích lũy lớn lƣu lƣợng giao thông tuyến tăng Qua khảo sát đánh giá đoạn ĐT 769 phân chia loại nứt thành lƣới sau: + Nứt nhẹ: Các đƣờng nứt chƣa liên kết nhau; + Nứt nặng: Nứt liên kết thành mạng lan phạm vi vệt bánh xe liên kết nhƣ da cá sấu Nhƣ cần đề xuất giải pháp sửa ch a tăng cƣờng cho kết cấu áo đƣờng với loại nứt nhƣ Để đề xuất giả pháp kết cấu hợp lý, tác giả tiến hành đánh giá tuổi thọ kết cấu áo đƣờng h u sử dụng phần mềm học thực nghiệm MEPDG Mỹ với trạng đƣờng ĐT.769 có chiều dày lớp BTN h u 7cm, với điều kiện khí hậu khu vực Đồng Nai, tải trọng lƣu lƣợng thực tế tuyến thu thập đƣợc 42 Kết dự báo bƣớc đầu từ phần mềm MEPDG cho thấy sau khoảng 3,5 năm kết cấu áo đƣờng bị phá hoại mỏi, sau khoảng 2,2 năm kết cấu áo đƣờng bị phá hoại lún Biểu đồ dự báo tuổi thọ nứt bê tông nhựa thể hình 3.4 Hình 3.4: K q b ổ â MEPDG Biểu đồ dự báo tuổi thọ lún bê tơng nhựa thể hình 3.5 43 ầ Hình 3.5: K q b ổ lú ầ MEPDG Nhƣ vậy, thông qua kết đánh giá tuổi thọ trạng đƣờng ĐT.769, tác giả thấy tuổi thọ nứt 3.5 năm, tuổi thọ độ lún 2.2 năm So sánh với thực tế khảo sát trƣờng tuyến đƣa vào sử dụng năm xuất nhiều vết nứt Nhƣ phần mềm MEPDG dự báo tuổi thọ kết cấu áo đƣờng sai lệch 1.5 năm, điều giải thích lƣu lƣợng khai báo MEPDG lƣu lƣợng khảo sát thực tế vị trí tuyến đánh giá tăng so với thời điểm ban đầu đƣa đƣờng vào sử dụng, nhiều nguyên nhân khách quan khác mà tác giả xét tới Tuy nhiên, so với thiết kế ban đầu theo TCVN211-06 tuổi thọ kết cấu giảm nhiều nhanh chóng xuất hƣ hỏng nặng Do cần phải đề xuất giải pháp thiết kế tăng cƣờng lớp kết cấu áo đƣờng cũ cho tuyến đƣờng nghiên cứu, để tăng tuổi thọ kết cấu áo đƣờng phù hợp với lƣu lƣợng tải trọng điều kiện khí hậu cho tuyến đƣờng 3.2 Thiết ế tăng cƣờng, cải tạo ết cấu áo đƣờng theo TCN211-06 Các kết cấu áo đƣờng đƣợc chọn để phân tích kết cấu điển hình đƣợc sử dụng phổ biến Việt Nam với tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc=100KN, V=60km h Các kết cấu có tiêu kỹ thuật đạt theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 [1] đƣợc mô tả nhƣ hình 3.6 (đính kèm bảng phụ lục tính tốn) Hình 3.6 Các kết cấu áo đƣờng mềm tăng cƣờng theo TCVN211-06 3.3 Phần mềm học th c nghiệm (MEPDG) Sử dụng kết cấu áo đƣờng nhƣ hình 3.9 để đánh giá phân tích tuổi thọ kết cấu áo đƣờng thiết kế theo TCVN211-06 với thông số sau: 44 3.3.1 Thơng số khí hậu Bê tơng nhựa vật liệu đàn hồi nhớt nên khí hậu ảnh hƣởng lớn đến tuổi thọ kết cấu áo đƣờng Do nghiên cứu này, điều kiện khí hậu khu vực Đồng Nai đƣợc sử dụng phân tích kết cấu Số liệu đƣợc nhập vào phần mềm MEPDG đƣợc lấy từ MERR N S 3.3.2 Th ng số vật iệu ) Số l lớ BTNC12.5 Các thông số vật liệu BTNC12.5 sử dụng nhựa 60 70 sử dụng phần mềm MEPDG từ kết thí nghiệm DSR loại nhựa nhƣ bảng 3.1 [4] Các thông số khác theo số thông số nhiệt theo mức mặc định chƣơng trình Bảng 3.1 Thơng số thí nghiệm DSR [2] Nhiệt độ (ºC) Nhựa 60 70 Mô đun G* (Pa) Góc trễ pha (độ) 40 33260548 50 55 6816728 66 70 1325067 73 85 255644 78 100 51664 82 115 12262 85 130 3604 87 b) Số l lớ BTNC 19 lớ ặ ữ Kết đo định mô đun đàn hồi h u Echung cho lớp mặt BTNC19 lớp CPĐD nhƣ hình vẽ 3.7: 45 Hình Kết đo m đun đàn Echung ớp ết cấu áo đƣờng Sử dụng kết tính ngƣợc xác định mô đun đàn hồi tĩnh lớp BTN h u C19 ta đƣợc Etĩnh=315Mpa Áp dụng kết nghiên cứu Phuc đồng nghiệp [5] để xác định đƣờng cong chủ mô đun đàn hồi động lớp BTNC19 h u nhƣ sau: Vẽ đƣờng cong chủ „master curve‟ mô đun đàn hồi động cho BTNC19: log E * new    (3.1)  e  log Trong đó: E * = mô đun đàn hồi động  ,  ,  and  = hệ số hồi qui Mô đun đàn hồi đàn hồi động lớp BTNC19 h u thông thƣờng đƣợc xác định từ việc thí nghiệm đo mơ đun trƣờng sử dụng thiết bị FWD Tuy nhiên hạn chế mặt thiết bị Việt Nam, nghiên cứu sử dụng kết đo mô đun đàn hồi tĩnh cần Benkelman, sau sử dụng cơng thức chuyển đổi thể mối liên hệ mô đun đàn hồi tĩnh mô đun đàn hội động BTN theo kết nghiên cứu Lili Han đồng nghiệp [6] nhƣ sau: Eđộng=-0.0013*E2tĩnh+12.146* Etĩnh-2824.7 (3.2) Áp dụng công thức (3.2) với mô đun đàn hồi tĩnh đo đƣợc Etĩnh=315MPa ta đƣợc Eđộng 850Mpa Xác định hệ số phá hủy BTN h u [5] ta có: 46 Df  log E * log E back * new   ' '    (3.3) Trong đó: Enew= mơ đun đàn hồi động BTNC19 (mới) thí nghiệm phịng; Eback=Eđộng=850 MPa mơ đun đàn hồi động đƣợc trƣờng lớp BTNC19 h u Từ (3) xác định đƣợc hệ số ‟ ‟ để vẽ lại đƣờng cong chủ „master curve‟ mô đun đàn hồi động lớp BTNC 19 h u nhƣ hình vẽ 3.8 Hình vẽ 3.8 Đƣờng cong chủ mô đun đàn hồi động BTNC19 h u c) Số l lớ ố - Thông số lớp cấp phối đá dăm đất theo mức 2, phụ thuộc vào loại vật liệu, cấp phối số CBR; - Lớp đất có mơ đun đàn hồi Mr= 42MPa, hệ số poisson=0.45 thông số khác đƣợc lấy theo mặc định lớp vật liệu Subgrade: A-1-a; - Lớp cấp phối đá dăm loại có mơ đun đàn hồi Mr= 300MPa hệ số poisson 0.4; - Lớp cấp phối đá dăm loại có mơ đun đàn Mr= 250 MPa hệ số poisson 0.4 3.3.3 Th ng số tải trọng Các thông số giao thông đƣợc nhập vào chƣơng trình MEPDG: - Lƣu lƣợng xe thiết kế: Ntt= 320 (trục làn.ngày đêm); - Thời gian thiết kế 10 năm; 47 - Hệ số tăng trƣởng xe hàng năm 6% 3.3.4 Các tiêu chuẩn giới hạn Các giới hạn khác đƣợc lấy theo mặc định ứng với đƣờng trục quan trọng có độ tin cậy 90% bảng 3.2 Bảng 3.2 Các tiêu chuẩn giới hạn thiết kế Các trạng thái giới hạn Độ gồ ghề IRI ban đầu (m/km) Độ gồ ghề IRI cuối (m/km) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (cm) Nứt mỏi từ dƣới lên lớp bê tông nhựa (% diện tích làn) Nứt nhiệt lớp bê tơng nhựa (m km) Nứt mỏi từ xuống lớp bê tông nhựa (m km) Chiều sâu lún vệt bánh lớp bê tông nhựa (cm) Tiêu chuẩn Độ tin cậ (%) 1.00 85.00 2.71 85.00 25.4 85.00 25.00 85.00 189.4 85.00 378.8 85.00 12.5 85.00 3.3.5 Kết phân tích ết cấu Các kết phân tích với điều kiện khí hậu Đồng Nai đƣợc thể điển hình bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết phân tích kết cấu Giá trị giới hạn Tính tốn Độ tin cậ , % Đánh giá 2.71 1.17 100 Đạt 25.4 27.4 67.54 K.Đạt Nứt dạng lƣới (%) 25 20 91.84 Đạt Nứt ngang (m km) 189.4 4.19 100 Đạt Nứt dọc (m km) 189.4 536 56.56 K.Đạt Lún vệt bánh xe lớp BTN (mm) 12.5 18.5 54.4 K.Đạt TT Tiêu chuẩn giới hạn Độ ghồ ghề IRI (m km) Lún vệt bánh xe cho kết cấu (mm) Từ kết bảng cho thấy kết cấu áo đƣờng thiết kế nâng cấp cải tạo theo TCVN211-06 không thỏa mãn với lƣu lƣợng xe thiết kế theo MEPDG Mỹ Cụ thể, tuổi thọ lún lớp BTN nứt dọc bề mặt lần lƣợt 6.0 năm 6.5 năm 48 Nhƣ để thỏa mãn lƣu lƣợng xe nhƣ với tuổi thọ khai thác 10 năm cần phải tăng chiều dày lớp vật liệu kết cấu MEPDG phân tích chiều dày lớp BTN phải tăng lên 6cm đạt yêu cầu Lúc tổng chiều dày lớp BTN 13cm Với điều kiện khí hậu Đồng Nai, lƣu lƣợng xe nhƣ trên, thiết kế tăng cƣờng mặt đƣờng theo MEPDG Mỹ chiều dày lớp BTN tăng 1cm so phƣơng pháp thiết kế theo TCVN211-06 Kết phân tích nhƣ bảng 3.4 Bảng 3.4 Kết phân tích kết cấu Độ gồ ghề IRI cuối IRI (in mile) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (in) Nứt mỏi từ dƣới lên lớp BTN (% diện tích) Nứt nhiệt lớp BTN (ft mile) Chiêu sâu lún vệt bánh lớp BTN (in) 378.00 164.13 90.00 100.00 Đạt 1.00 0.90 90.00 98.01 Đạt 25.00 24.85 90.00 90.19 Đạt 1000.00 0.50 27.17 0.43 90.00 90.00 100.00 97.90 Đạt Đạt 3.4 Đề uất giải pháp s a ch a tăng cƣờng ết cấu áo đƣờng ĐT.769 Theo kết khảo sát đƣờng ĐT.769 có hai mức độ nứt chính: mức độ nứt nhẹ mức độ nặng để đề xuất giải pháp khác nhau: - Tại vị trí kết cấu đƣờng khơng bị nứt bị rạng nứt nhỏ, nứt rạn mai rùi nhẹ (do nhựa bị lão hóa) xử lý vết nứt nhỏ trƣớc trám lớp v a nhựa sau thảm tăng cƣờng 6cm BTNC12.5 - Tại vị trí vết nứt lớn kết cấu khơng đủ cƣờng độ phải đào bỏ hồn tồn 7cm lớp BTNC19 bị nứt, làm lại lớp nhựa dính bám làm lại mặt đƣờng BTN bị rạng nứt, sau thảm 6cm BTNC12.5 lớp mặt 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết uận: Đề tài bƣớc đầu áp dụng phƣơng pháp học thực nghiệm việc thiết kế tính tốn kết cấu áo tăng cƣờng kết cấu đƣờng mềm đề xuất giải pháp thiết kế cho phù hợp điều kiện thực tế Kết nghiên cứu bƣớc đầu cho kết sau:  Với tải trọng, điều kiện khí hậu tỉnh Đồng Nai, thiết kế tăng cƣờng chiều dày lớp BTNC12.5 theo TCVN211-06 5cm thiết kế theo phƣơng pháp học thực nghiệm yêu cầu 6cm  Tại vị trí kết cấu đƣờng khơng bị nứt bị rạng nứt nhỏ, nứt rạn mai rùi nhẹ (do nhựa bị lão hóa) xử lý vết nứt nhỏ trƣớc trám lớp v a nhựa sau thảm tăng cƣờng 6cm BTNC12.5  Tại vị trí vết nứt lớn kết cấu khơng đủ cƣờng độ phải đào bỏ hồn tồn 7cm lớp BTNC19 bị nứt, làm lại lớp nhựa dính bám làm lại mặt đƣờng BTN bị rạng nứt, sau thảm 6cm BTNC12.5 lớp mặt Tuy nhiên, kết nghiên cứu thực mơ hình dự báo tuổi thọ phần mềm MEPDG Mỹ, đồng thời chƣa thực đo mô đun động trực tiếp trƣờng, cần phải thực so sánh kết với kết đo trực tiếp cơng trình để hiệu chỉnh hệ số MEPDG để có sở đánh giá tồn kết cấu cách xác Kiến nghị : Khi thiết kế kết cấu áo đƣờng mềm tăng cƣờng cần ý đến yếu tố tải trọng vận tốc thiết kế để đảm bảo tuổi thọ kết cấu theo yêu cầu Khi điều kiện thiết kế bị giới hạn (thiết kế vận tốc nút giao, vị trí nguy hiểm, nh ng nơi cần đảm bảo an tồn giao thơng…) vận tốc nhỏ lúc để đảm bảo tuổi thọ cần nâng chiều dày lớp bê tông nhựa nhiên số trƣờng hợp nâng đƣợc chiều dày (cốt cao độ bị khống chế , cao độ hạ tầng kỹ thuật xung quanh, cao độ đấu nối …) cần nghiên cứu thay phƣơng án sử dụng nhựa 60 70 nhựa SBS hay số loại nhựa mác cao (có khả kháng lún, nứt ) để thiết kế Tải trọng thiết kế ảnh hƣởng lớn đến tuổi thọ kết cấu áo đƣờng nên thiết kế cần có biện pháp cải thiện nâng cao tuổi thọ nhƣ sử dụng nhựa SBS thay sử dụng nhựa 60 70 theo truyền thống nhiên ý nghiên cứu hiệu kinh tế lựa chọn để vừa đảm bảo hiệu kinh tế chất lƣợng cơng trình 50 Công tác khảo sát lấy số liệu cụ thể để đƣa giải pháp tu sửa ch a định kỳ đột xuất, tu thƣờng xuyên, tăng cƣờng mặt đƣờng cũ quan trọng cần thiết nhằm tiết kiệm kinh phí đạt yêu cầu kỹ thuật, tránh lãng phí đánh đồng giải pháp cho nhiều tuyến 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Bộ Giao thông Vận tải (2006), Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 - Quy trình thi t k m m 2 NCHRP (2004), Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures, Project 37-1A, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, National Research Council, Washington DC 3 https://infopave.fhwa.dot.gov/Tools/MEPDGInputsFromMERRA 4 Lê Văn Phúc, Hồng Cơng Đức, Đánh giá tuổi thọ kết cấu áo đƣờng mềm chịu ảnh hƣởng tải trọng vận tốc phần mềm học thực nghiệm, TCGTVT tháng 8/2019 5 Le, Van Phuc, Lee, H., Flores, J., Kim, W., and Baek, J (2016) “New Approach to Construct Master Curve of Damaged Asphalt Concrete Based on Falling Weight Deflectometer Back-Calculated Moduli” Journal of Transportation Engineering (ASCE) http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)TE.1943-5436.0000881 6 Lili Han, Mulian Zheng, Chongtao Wang, Fa Che, Fei Wang, Hongyin Li, Qinglei Ma, Laboratory Evaluation on the Static and Dynamic Modulus of Asphalt Concrete with Different High-Modulus Additives, 1st International Conference on Transportation Infrastructure and Materials (ICTIM 2016) 7 Quyết định 1472 QĐ-BGTVT năm 2017 Bộ G ao thông vận tải việc ban hành Hƣớng dẫn kỹ thuật sửa ch a mặt đƣờng bê tông nhựa tuyến quốc lộ khai thác 8 PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, TS Nguyễn Văn Long, TS Lê Văn Phúc, TS Nguyễn Văn Du Các phƣơng pháp đại thiết kế kết cấu áo đƣờng mềm có xét ảnh hƣởng động dòng xe NXB Khoa học kỹ thuật, 2020 52