Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà NẵngNghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

2.1 Mục tiêu chung 2

2.2 Mục tiêu cụ thể 3

3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

5.Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 4

6.CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN 5

CHƯƠNG 1 7

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG 7

1.1.ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ 7

1.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG 10

1.3.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MĂT ĐƯỜNG 12

1.3.1 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu 12

1.3.2 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu 16

1.4.CÁC NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT TRONG KCMĐ 19

1.4.1 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên lý thuyết truyền nhiệt 19

1.4.1.1 Theo phương pháp giải tích 19

1.4.1.2 Theo phương pháp số 20

1.4.1.3 Nhận xét 22

1.4.2 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực nghiệm 22

1.4.2.1 Mô hình hồi quy tuyến tính 23

1.4.2.2 Mô hình hồi quy phi tuyến 23

1.4.2.3 Mô hình mạng nơ ron nhân tạo 28

1.4.2.4 Nhận xét 29

1.5.ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 30

1.5.1 Nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan của luận án 30

1.5.2 Các vấn đề luận án tập trung nghiên cứu 32

1.6.KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 32

CHƯƠNG 2 34

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG 34

2.1.KHÁI QUÁT VỀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ NHIỆT LÝ CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG 34

2.1.1 Các kết quả nghiên cứu xác định giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu kết cấu mặt đường 34

2.1.1.1 Trên thế giới 34

2.1.1.2 Tại Việt Nam 35

2.1.2 Các phương pháp xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ 36

2.1.3 Nhận xét 36

2.2.PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KCMĐ 37

2.2.1 Nguyên lý chế tạo thiết bị 37

2.2.2 Mô tả thiết bị 38

2.2.3 Hiệu chuẩn các bộ phận của thiết bị đo 39

2.2.3.1 Hiệu chỉnh bộ đọc nhiệt độ 39

2.2.3.2 Hiệu chỉnh bộ đọc công suất 42

2.2.4 Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt (λ) 42

2.2.4.1 Trình tự thí nghiệm 42

2.2.4.2 Tính toán kết quả 43

2.2.5 Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt () 43

2.2.5.1 Trình tự thí nghiệm 43

2.2.5.2 Tính toán kết quả 43

2.2.6 Nhận xét 44

2.3.THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 45

2.3.1 Chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm 45

2.3.2 Kết quả thí nghiệm và bàn luận 46

2.3.2.1 Độ dẫn nhiệt () 46

2.3.2.2 Độ khuếch tán nhiệt (α) 49

2.3.2.3 Tổng hợp kết quả 53

2.4.KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3: 56

MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 56

3.1.MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 56

3.2.VẬT LIỆU 57

3.2.1 Bê tông nhựa chặt 12,5 57

3.2.2 Cấp phối đá dăm gia cố xi măng Dmax31,5 giá cố 4% xi măng 58

3.2.3 Cấp phối đá dăm loại I Dmax 37,5 59

3.3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 61

3.3.1 Thi công kết cấu mặt đường 61

3.3.2 Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ 64

3.3.2.1 Cấu tạo thiết bị quan trắc 64

3.3.2.2 Hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ 65

3.3.3 Lắp đặt thiết bị 65

3.3.3.1 Giai đoạn bảo dưỡng lớp CPĐD GCXM (quan trắc nhiệt độ trong lớp móng CPĐD GCXM) 65

3.3.3.2 Giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng (quan trắc nhiệt độ KCMĐ) 66

3.4.KẾT QUẢ QUAN TRẮC VÀ BÀN LUẬN 67

3.4.1 Giai đoạn bảo dưỡng lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 67

3.4.1.1 Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt độ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 67

3.4.1.2 Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và cường độ chịu ép chẻ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 72

3.4.1.3 Quan sát vết nứt trên bề mặt lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng 74

3.4.2 Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ở giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng 75

3.4.2.1 Phân bố nhiệt theo thời gian 75

3.4.2.2 Phân bố nhiệt theo chiều sâu KCMĐ 77

3.4.2.3 Nhận xét 81

3.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 85

CHƯƠNG 4: 87 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT

ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT

ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU

VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG 87

4.1.ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU KHU VỰC QUẢNG NAM –ĐÀ NẴNG 88

4.1.1 Thu thập dữ liệu khí hậu 88

4.1.1.1 Thành phố Đà Nẵng 88

4.1.1.2 Tỉnh Quảng Nam 89

4.1.2 Kết quả thu thập dữ liệu khí hậu của khu vực nghiên cứu 89

4.1.2.1 Nhiệt độ không khí 90

4.1.2.2 Độ ẩm không khí 92

4.1.2.3 Tốc độ gió 93

4.1.2.4 Lượng mưa 94

4.1.2.5 Cường độ bức xạ mặt trời 95

4.1.3 Nhận xét - đánh giá 96

4.2.PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN ĐỘ NHẠY GIỮA CÁC THÔNG SỐ KHÍ HẬU VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 97

4.2.1 Kết quả phân tích tương quan giữa thông số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ 97

4.2.2 Nhận xét 100

4.3.PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP BTN 100

4.3.1 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp hồi quy 100

4.3.1.1 Lựa chọn mô hình phân tích 101

4.3.1.2 Mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN (Tpave) 101

4.3.1.3 Đánh giá hiệu quả mô hình 102

4.3.2 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp mạng nơ- ron nhân tạo ANN 105

4.3.2.1 Xây dựng mô hình cấu trúc mạng ANN 105

4.3.2.2 Kết quả dự đoán phân bố nhiệt của các trường hợp theo phương pháp ANN 106

4.4.ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ 108

4.4.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 108

4.4.2 Xây dựng mô hình tính 109

4.4.3 Kết quả phân tích mô phỏng 112

4.4.4 Ảnh hưởng của thông số nhiệt lý vật liệu đến phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường 113

4.5.SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐÃ PHÁT TRIỂN

115

4.6.ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY LỚP MẶT BTN ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 117

4.7.ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THỰC TIỄN CÔNG TÁC KIỂM TRA VÀ THIẾT KẾ KCMĐ CHO KHU VỰC QUẢNG NAM -ĐÀ NẴNG 121

4.8.KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

1.NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN 125

2.NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 126

3.KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nứt phản ảnh và cơ chế hình thành nứt phản ảnh trong kết cấu mặt đường

có lớp móng gia cố [7] 9

Hình 1.2 Minh họa sự truyền nhiệt trong hệ thống môi trường và KCMĐ [11] 10

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc mạng ANN [67] 28

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt 37

Hình 2.2 Chi tiết thiết bị xác định thông số nhiệt lý của vật liệu 38

Hình 2.3 Hiệu chỉnh bộ phận đọc nhiệt độ 40

Hình 2.4 Diễn biến nhiệt độ của bình nước từ các phương pháp khác nhau 40

Hình 2.5 Xác định tương quan mức điều chỉnh góc mở công suất và giá trị công suất đo được từ thiết bị Lab-Volt 42

Hình 2.6 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 45

Hình 2.7 Lắp mẫu vào khuôn đo 46

Hình 2.8 Diễn biến nhiệt độ tại bề mặt mẫu và vị trí z = 0,041 m của BTN và CPĐD GCXM khi mức nhiệt Q = 1 W và Q = 9,01 W tại mặt mẫu và nhiệt độ ở tấm lạnh đáy mẫu 20oC 47

Hình 2.9 Tương quan giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur 49

Hình 2.10 Diễn biến nhiệt độ BTN và CPĐD GCXM ở độ sâu 0,041 m với nhiệt độ bề mặt cố định ở 50oC và 60oC và đáy mẫu cách nhiệt 50

Hình 2.11 Kết quả sai số RMSE giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ tính tương ứng các giá trị độ khếch tán tại độ sâu 0,041 m với các mức nhiệt độ bề mặt 51

Hình 2.12 Tương quan giữa độ khuếch tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt Tsur 52

Hình 3.1 Mô hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ 57

Hình 3.2 Đường cong cấp phối hạt vật liệu BTN và CPĐD gia cố xi măng 58

Hinh 3.3 Tương quan khối lượng thể tích khô và độ ẩm của: (a) CPĐD Dmax 37,5 và (b) CPĐD GCXM 59

Hình 3.4 Một số hình ảnh thi công KCMĐ mô hình thực nghiệm hiện trường 64

Hình 3.5 Sơ đồ tổng quát hoạt động thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ 65

Hình 3.6 Lắp đặt cảm biến quan trắc nhiệt độ KCMĐ 67

Hình 3.7 Diễn biến nhiệt độ theo giờ của các phương pháp bảo dưỡng ở ngày bảo dưỡng đầu tiên 68

Hình 3.8 Mô tả dữ liệu nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày 69

Hình 3.9 Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến diễn biến nhiệt độ trong CPĐD GCXM 71

Hình 3.10 Cường độ chịu nén và chịu ép chẻ của mẫu sau 14 ngày bảo dưỡng theo các phương pháp khác nhau 73

Hình 3.11 Vết nứt xuất hiện trên lớp CPĐD GCXM sau 20 ngày bảo dưỡng bằng

phương pháp nhũ tương 74

Hình 3.12 Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo tháng 76

Hình 3.13 Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo giờ 77

Hình 3.14 Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM 78

Hình 3.15 Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu: (a) dữ liệu toàn bộ; (b) dữ liệu trừ ngày mưa 80

Hình 4.1 Thu thập dữ liệu khí hậu tại các Trung tâm, Đài khí tượng thủy văn 89

Hình 4.2 Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo từng tháng trong năm 90

Hình 4.3 Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo giờ trong ngày 90

Hình 4.4 Diễn biến nhiệt độ trung bình KCMĐ với nhiệt độ không khí theo thời gian 91

Hình 4.5 Tổng hợp dữ liệu độ ẩm không khí theo từng tháng trong năm 92

Hình 4.6 Thống kê dữ liệu độ ẩm không khí theo giờ trong ngày 93

Hình 4.7 Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo từng tháng trong năm 94

Hình 4.8 Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo giờ trong ngày 94

Hình 4.9 Thống kê dữ liệu mưa theo từng tháng trong năm 95

Hình 4.10 Thống kê dữ liệu mưa theo giờ trong ngày 95

Hình 4.11 Thống kê dữ liệu cường độ bức xạ mặt trời Đà Nẵng theo thời gian 96

Hình 4.12 Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu của Đà Nẵng 97

Hình 4.13 Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu của Quảng Nam 98

Hình 4.14 Biểu đồ phân tích tương quan giữa các biến số khí hậu của Đà Nẵng (DN) và Quảng Nam (QN) 99

Hình 4.15 So sánh diễn biến nhiệt độ tại độ sâu 2 cm của các mô hình 104

Hình 4.16 Mô hình cấu trúc mạng ANN 106

Hình 4.17 Biểu đồ quan hệ giữa sai số MSE và hệ số tương quan R theo số nơron trong lớp ẩn 107

Hình 4.18 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số xác định R2 theo số nơron trong lớp ẩn 107

Hình 4.19 Các bước tính toán phân bố nhiệt độ KCMĐ bằng phần mềm ANSYS 109

Hình 4.20 Mô hình mô phỏng KCMĐ trong phần mềm ANSYS 111

Hình 4.21 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ KCMĐ trong ANSYS lúc 23h50 ngày 29/6/2021 113

Hình 4.22 Phân bố nhiệt độ tại các độ sâu khác nhau trong KCMĐ 114

Hình 4.23 Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy lớp CPĐD GCXM theo thời gian ở các chiều dày BTN khác nhau (hBTN) 117

Hình 4.24 Diễn biến nhiệt độ tại mặt trên lớp CPĐD GCXM theo bề dày BTN 118 Hình 4.25 Sự thay đổi nhiệt độ trong CPĐD GCXM theo chiều dày lớp BTN 120

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số mô hình nghiên cứu xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu hc 14

Bảng 1.2 Giá trị độ phản xạ bề mặt của các loại KCMĐ bê tông nhựa 16

Bảng 1.3 Giá trị độ phát xạ bề mặt của KCMĐ BTN mới xây dựng 16

Bảng 1.4 Thông số đặc tính nhiệt của một số vật liệu [39] 18

Bảng 1.5 Các mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ 23

Bảng 2.1 Kết quả kiểm định F và T giữa nhiệt độ đọc bằng bộ đọc Ardruino và TDS303 41

Bảng 2.2 Độ dẫn nhiệt của BTN và CPĐD GCXM ứng với các mức công suất khác nhau 48

Bảng 2.3 Tổng hợp các thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM 53

Bảng 3.1 Thành phần hạt của cấp phối BTNC 12,5 57

Bảng 3.2 Thành phần hạt của CPĐD Dmax31,5 [87] 59

Bảng 3.3 Thành phần hạt của CPĐD loại I Dmax37,5 [89] 60

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý của CPĐD loại I Dmax 31,5 [87] và Dmax37,5 [89] 60

Bảng 3.5 Kết quả kiểm tra độ chặt của nền đất và các lớp vật liệu KCMĐ sau khi thi công xong 62

Bảng 3.6 Các thông số cơ lý đặc trưng của vật liệu 63

Bảng 3.7 Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày 70

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và ép chẻ của CPĐD GCXM 73

Bảng 3.9 Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo từng tháng 83

Bảng 3.10 Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo độ sâu 84 Bảng 4.1 Các thông số thống kê của mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN của khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 102

Bảng 4.2 Hướng dẫn lựa chọn các tham số tính toán từ mô hình Bells 103

Bảng 4.3 Sai số RMSE giữa kết quả quan trắc nhiệt độ thực tế và các mô hình dự đoán 104

Bảng 4.4 Thông số nhiệt lý của các loại vật liệu KCMĐ nghiên cứu 112

Bảng 4.5 Thông số nhiệt lý của BTNC 12,5 theo các trường hợp nghiên cứu 114

Bảng 4.6 So sánh hiệu quả dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ ở 3 trường hợp 115

Bảng 4.7 Sai số RMSE giữa nhiệt độ quan trắc từ mô hình thực nghiệm và nhiệt độ dự đoán theo các phương pháp khác nhau 116

Bảng 4.8 Phân bố nhiệt độ trong KCMĐ khi chiều dày lớp BTN thay đổi 118

LTPP

Long-Term Pavement Performance Program (Chương trình đánh giá dài hạn chất lượng mặt

đường) SHRP Strategic Highway Research Program (Chương

trình nghiên cứu chiến lược đường bộ)

T air max oC Nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất

Lat o Vĩ độ của khu vực KCMĐ cần dự đoán nhiệt độ

S air oC Độ lệch chuẩn của nhiệt độ không khí 7 ngày cao

nhất trong năm Depth cm Chiều sâu tính từ bề mặt của KCMĐ đến vị trí

nhiệt độ cần quan sát

Tair min oC Nhiệt độ không khí trung bình 1 ngày thấp nhất

trong năm

qs W/m2 Bức xạ mặt trời thực tế được KCMĐ hấp phụ

T 2 max oC Nhiệt độ cao nhất của KCMĐ tại độ sâu 2 cm

q W/m2 Bức xạ sóng dài của KCMĐ phát ra môi trường

xung quanh

Tpave oC Nhiệt độ lớp BTN theo độ sâu quan trắc

Tavg oC Nhiệt độ không khí trung bình ngày hôm trước

SEE oC Standard error of estimate (sai số chuẩn dự đoán)

Ký hiệu (chữ

viết tắt)

RMSE oC Root Mean Square Error (sai số căn quân

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, các phương tiện giao thông vận tải đường bộ ngày càng tăng lên cả về lưu lượng và tải trọng trục xe Do vậy, các tuyến đường cấp cao đang ngày càng được xây dựng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên nguồn vật liệu sử dụng cho xây dựng đường ngày càng giảm, vì vậy việc thiết kế và xây dựng đường cần phải cân nhắc sử dụng nguồn vật liệu tiết kiệm hơn Theo các nghiên cứu của Ban quản lý đường bộ liên bang Hoa Kỳ [1,2], loại kết cấu mặt đường mềm (KCMĐ) với lớp mặt bê tông nhựa (BTN) đặt trên lớp móng gia cố

xi măng (GCXM) có rất nhiều ưu điểm như: cường độ và độ ổn định cường độ cao; lớp mặt BTN tạo độ bằng phẳng tốt cho mặt đường; hạn chế ảnh hưởng của các nguồn

ẩm từ phía dưới nền đường thấm lên mặt đường; độ bám giữa bánh xe và mặt đường cao, ít tiếng ồn, tạo sự an toàn và thoải mái cho người tham gia giao thông; lớp mặt BTN bảo vệ lớp móng GCXM là vật liệu dễ duy tu bảo dưỡng, đồng thời có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của lớp móng GCXM Lớp móng GCXM có độ cứng lớn, giúp phân bố lại ứng suất dưới đáy móng nhỏ hơn so với móng không gia cố Thêm nữa, lớp móng GCXM có cường độ và độ ổn định cường

độ cao nên chiều dày lớp móng sẽ nhỏ hơn giúp tiết kiệm nguồn vật liệu móng đường khai thác từ thiên nhiên

KCMĐ có lớp mặt BTN phủ trên lớp móng GCXM đang ngày càng được sử dụng phổ biến Ở châu Âu, KCMĐ này chiếm 30% - 50% hệ thống đường bộ [1] Ở Trung Quốc, hầu như các kết cấu mặt đường cao tốc đã và đang xây dựng đều sử dụng lớp móng là vật liệu gia cố xi măng [3] Tại Việt Nam, KCMĐ này đã được sử dụng cho tuyến Thăng Long – Nội Bài (năm 1995), cảng hàng không Cần Thơ, Cát Bi; dự án Đông Trường Sơn đoạn KonTum – Lâm Đồng và đoạn đi qua khu vực chịu ảnh hưởng của nước ngầm, gần đây là dự án cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi [4], dự

án Cam Lộ - La Sơn thuộc dự án cao tốc Bắc Nam,… Khu vực Quảng Nam- Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung đang trên đà phát triển nên nhu cầu về phát

triển hạ tầng trong đó có mạng lưới giao thông là rất lớn Hơn nữa, nguồn vật liệu cho xây dựng đường cũng đang dần cạn kiệt Việc sử dụng lớp móng gia cố cũng là một giải pháp giúp tiết kiệm được nguồn vật liệu thiên nhiên

Tuy nhiên, loại KCMĐ này có nhược điểm là dễ xuất hiện các vết nứt do hiện tượng nứt phản ảnh và nguyên nhân một phần do chịu ảnh hưởng bất lợi của nhiệt độ Ngoài ra, đối với mặt đường BTN, do tính chất đàn hồi-nhớt-dẻo của BTN nên cường

độ mặt đường chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ và tác dụng của tải trọng xe chạy Dưới tác dụng lặp của tải trọng xe chạy, mặt đường BTN dễ phát sinh biến dạng dẻo

ở nhiệt độ cao (hiện tượng lún vệt bánh xe); ngược lại ở nhiệt độ thấp BTN trở nên giòn, dễ gãy vỡ và xuất hiện vết nứt Từ đó cho thấy, trong giai đoạn khai thác đường thì nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của KCMĐ này

Do vậy, nếu dự báo chính xác phân bố nhiệt độ cho KCMĐ dưới điều kiện làm việc thực tế sẽ giúp đưa ra các thông số tính toán chính xác của vật liệu phù hợp với trạng thái làm việc của mặt đường nhằm giảm các hiện tượng hư hỏng cho mặt đường, nâng cao chất lượng khai thác và tăng tuổi thọ cho KCMĐ

Mặt khác nhiệt độ là một trong những thông số đầu vào quan trọng, được sử dụng trong thiết kế tính toán KCMĐ mềm, cụ thể là xác định mô đun đàn hồi vật liệu BTN và để dự đoán các điều kiện làm việc về nứt và trượt Để xét ảnh hưởng của nhiệt độ, tiêu chuẩn thiết kế KCMĐ theo phương pháp cơ học thực nghiệm AASHTO

đã tích hợp các ảnh hưởng của nhiệt độ trong các đặc tính của vật liệu và của toàn bộ KCMĐ [5] Nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt độ trong KCMĐ có ý nghĩa quan trọng, giúp xác định nhiệt độ phù hợp trong tính toán thiết kế KCMĐ mềm, đồng thời

có thể dự báo cường độ và tuổi thọ của KCMĐ theo đặc điểm khí hậu của khu vực thiết kế Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm

có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng”

là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với công tác thiết kế và phân tích KCMĐ

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm có cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM) thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng trong thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ, nhằm hạn chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và khí hậu thời tiết trong quá trình khai thác

- Phát triển mô hình dự đoán nhiệt độ trong lớp mặt BTN và lớp móng CPĐD GCXM áp dụng cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng dựa trên kết quả quan trắc thực nghiệm và mô phỏng số;

- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM, làm cơ sở đề xuất cấu tạo chiều dày hợp

lý của lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM và khuyến nghị nhiệt độ tham chiếu

sử dụng trong thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ mềm khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Sự thay đổi nhiệt độ trong KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tông nhựa trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Vật liệu đá dăm và cấp phối đá dăm sử dụng trong nghiên cứu được lấy tại

mỏ đá Hòa Nhơn thành phố Đà Nẵng;

- KCMĐ mềm gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm, lớp móng trên CPĐD Dmax31,5 gia cố 4% xi măng dày 15 cm;

- Thông số khí hậu thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, trong đó tỉnh Quảng Nam (lấy tại trạm khí tượng Tam Kỳ) và thành phố Đà Nẵng (lấy tại đài khí tượng Trung Trung Bộ ở địa chỉ 660 Trưng Nữ Vương)

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu, cụ thể:

- Phương pháp phân tích, thống kê kết hợp nghiên cứu lý thuyết;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm;

- Phương pháp mô phỏng số

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp dụng cụ thể cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ;

- Phát triển mô hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng, dựa trên các phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và mô phỏng bằng phần mềm ANSYS; đồng thời có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại KCMĐ sử dụng vật liệu khác nhau, ở các vùng khí hậu khác nhau

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

- Phát triển được thiết bị cho phép xác định được các thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường giúp cho việc dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ chính xác hơn Thiết

bị phù hợp với các loại vật liệu mặt đường và kích cỡ mẫu thí nghiệm chế bị theo các phương pháp chế bị mẫu đang được sử dụng hiện nay Đây là thiết bị hoàn toàn mới tại Việt Nam, hiện đang được nhóm nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và tiến hành các thủ tục đăng ký thương mại hóa

- Luận án đề xuất nhiệt độ tham chiếu để các đơn vị có liên quan có thể xem xét lựa chọn nhiệt độ sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu nền mặt đường thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, đồng thời kiến nghị xem xét sử dụng mô hình dự báo nhiệt độ để dự báo nhiệt độ mặt đường khi thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi KCMĐ mềm

6 Cấu trúc của luận án

Nội dung luận án gồm 4 chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về phân bố nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu gia cố xi măng

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của kết cấu mặt đường mềm có lớp móng gia cố xi măng;

- Phân bố nhiệt trong kết cấu mặt đường và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong KCMĐ;

- Tổng quan các mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm;

- Xác định hướng nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu phát triển thiết bị trong phòng xác định độ khuếch tán

và độ dẫn nhiệt cho vật liệu mặt đường

- Đánh giá các nghiên cứu xác định thông số nhiệt lý của vật liệu mặt đường;

- Phát triển thiết bị thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu mặt đường;

- Thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu bê tông nhựa và cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm

Chương 3: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm quan trắc nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng

- Xác định chất lượng vật liệu xây dựng mô hình;

- Xây dựng mô hình thực nghiệm;

- Phân tích kết quả quan trắc và bàn luận

Chương 4: Phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt và đề xuất nhiệt độ sử dụng trong tính toán thiết kế, kiểm tra kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối

đá dăm gia cố xi măng khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

- Phân tích đặc điểm khí hậu khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng; Phân tích tương quan giữa thông số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm của khu vực nghiên cứu

- Phát triển các mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm

- Phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng

- Đề xuất nhiệt độ cho công tác kiểm tra và thiết kế kết cấu mặt đường trong thực tiễn

Phần kết luận và kiến nghị

Bao gồm những kết quả đạt được của nghiên cứu, các phát hiện mới của luận

án, kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

Danh mục các công trình khoa học đã công bố

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG

BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG Kết cấu mặt đường mềm có lớp móng GCXM với nhiều ưu điểm nên ngày càng được sử dụng phổ biến Tuy nhiên loại KCMĐ này khi làm việc chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ, vì vậy việc nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt độ cho KCMĐ này rất cần thiết Nội dung chương 1 sẽ thực hiện phân tích và tổng hợp các nghiên cứu trong nước và trên thế giới hiện nay liên quan đến các vấn đề:

 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của KCMĐ mềm có lớp móng bằng vật liệu gia cố xi măng

 Lý thuyết truyền nhiệt trong KCMĐ

 Các yếu tố khí hậu, vật liệu ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong KCMĐ

 Các mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm

1.1 Đặc điểm làm việc của kết cấu mặt đường mềm có lớp móng sử dụng vật liệu gia cố xi măng dưới tác dụng của nhiệt độ

Kết cấu mặt đường mềm có lớp móng sử dụng vật liệu gia cố xi măng thường được sử dụng là kết cấu gồm lớp mặt bê tông nhựa (BTN) đặt trên lớp móng cứng (bê tông xi măng) hoặc nửa cứng (đá dăm gia cố xi măng, cấp phối đá dăm gia cố xi măng, cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng, cát gia cố xi măng) [1] Do các lớp vật liệu này có đặc tính cơ học khác nhau nên KCMĐ này làm việc như một kết cấu vật liệu hỗn hợp

Tại Việt Nam do nguồn vật liệu CPĐD nhiều, lượng xi măng sử dụng trong lớp CPĐD GCXM nhỏ (từ 3% đến 6% khối lượng cốt liệu khô), cường độ CPĐD GCXM cao và tương đối đồng đều do chất lượng vật liệu và công nghệ thi công dễ

kiểm soát nên loại vật liệu này hiện nay được sử dụng tại nhiều dự án đường ô tô quan trọng, có lưu lượng giao thông lớn Nghiên cứu này cũng sử dụng lớp móng là vật liệu CPĐD GCXM

KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM thích hợp cho các đường trục chính, đường cao tốc, đường có nhiều xe nặng và lưu lượng xe chạy lớn; đường lăn và sân

đỗ cho mặt đường sân bay và đặc biệt được sử dụng trong điều kiện làm việc của mặt đường có chế độ thủy nhiệt bất lợi Tuy nhiên KCMĐ mềm sử dụng lớp móng CPĐD GCXM có nhược điểm dễ xuất hiện các vết nứt do hiện tượng nứt phản ảnh (Hình 1.1a) Vết nứt trong lớp CPĐD GCXM thường xuất hiện sớm trong quá trình bảo dưỡng hoặc trong quá trình khai thác [3] Vết nứt co ngót của hiện tượng mất nước

do bay hơi (co ngót khô) có thể xuất hiện sớm trong quá trình hình thành cường độ ở giai đoạn bảo dưỡng lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng [3] Trong quá trình bảo dưỡng CPĐD GCXM, nhiệt độ trong bản thân vật liệu đóng vai trò quan trọng liên quan đến ứng xử ban đầu của loại mặt đường này Nhiệt độ cao có thể làm mất nước nhanh, dẫn đến co ngót khô và co ngót nhiệt Theo Gao và cộng sự [3], vết nứt xuất hiện trong lớp móng CPĐD GCXM trong thời gian bảo dưỡng 3 ngày đầu tiên tại các

vị trí chịu ứng suất co ngót nhiệt cao Ứng suất co ngót nhiệt độ này chủ yếu ảnh hưởng đến bề rộng vết nứt hơn là khoảng cách xuất hiện các vết nứt Do đó, sự phân

bố nhiệt độ trong lớp CPĐD GCXM ở giai đoạn bảo dưỡng sẽ ảnh hưởng đến ứng suất do co ngót nhiệt độ Do vậy, nếu lớp CPĐD GCXM có sự phân bố nhiệt độ bất lợi sẽ dẫn đến hệ số co ngót nhiệt độ lớn hơn Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong CPĐD GCXM ở giai đoạn bảo dưỡng là rất có ý nghĩa

Trong quá trình khai thác, vết nứt bắt đầu từ mặt tiếp xúc giữa lớp móng gia

cố xi măng và lớp mặt bê tông nhựa Sau đó vết nứt tiếp tục phát triển lên phía trên Khi vết nứt xuất hiện trong lớp móng gia cố và độ mở rộng đạt đến một mức độ nhất định sẽ ứng xử như một khe nối và ứng suất tập trung ở đáy lớp BTN sẽ xuất hiện tại vị trí này Sự co giãn của lớp móng gia cố do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt

độ hay sự tác dụng của tải trọng nặng có thể làm cho chiều rộng của các khe nứt tăng

lên Khi ứng suất kéo ở đáy lớp BTN vượt quá cường độ chịu kéo cho phép, làm xuất hiện vết nứt phản ảnh (Hình 1.1b) Do vậy, việc xác định phân bố nhiệt độ trong KCMĐ sẽ giúp cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu ứng xử của KCMĐ này dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, giúp hạn chế hiện tượng nứt phản ảnh

Một số nghiên cứu cho rằng để hạn chế hiện tượng nứt phản ảnh trong KCMĐ cần xem xét cấu tạo bề dày lớp BTN cho hợp lý, có xét đến điều kiện khí hậu từng vùng miền [4] Chỉ dẫn thiết kế áo đường mềm TCCS 38:2022 quy định tổng chiều dày lớp BTN phải lớn hơn hoặc bằng chiều dày lớp CPĐD GCXM[6] Tuy nhiên chưa nêu ra được chỉ dẫn cụ thể về cấu tạo bề dày lớp BTN cho từng vùng miền khí hậu khác nhau Do vậy, cần có nghiên cứu về phân bố nhiệt độ trong KCMĐ có lớp móng GCXM khi chiều dày lớp BTN thay đổi làm cơ sở để xác định sự thay đổi ứng suất nhiệt trong lớp CPĐD GCXM

Do ảnh hưởng nhiệt độ Do ảnh hưởng tải trọng

Hiện nay, nhiệt độ sử dụng trong thiết kế và kiểm tra đánh giá chất lượng BTN

có sự khác nhau ở mỗi đất nước, khu vực, tùy thuộc vào điều kiện khí hậu của mỗi

nước Nhiệt độ tính toán sử dụng xác định mô đun đàn hồi BTN của Việt Nam lấy ở

30oC [6], Bang Texas của Mỹ lấy ở 25oC [8], Malaysia lấy nhiệt độ BTN lớp trên

35oC và BTN lớp dưới 25oC [9] Tại Ấn Độ, nhiệt độ tính toán quy định đối với vùng đồng bằng là 35oC và đối với khu vực có tuyết là 20oC [10]

1.2 Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường

Hình 1.2 Minh họa sự truyền nhiệt trong hệ thống môi trường và KCMĐ [11] Thay đổi nhiệt độ KCMĐ là một quá trình vật lý tuân theo lý thuyết truyền nhiệt Các phương thức truyền nhiệt phổ biến nhất bao gồm: dẫn nhiệt, bức xạ và đối lưu (Hình 1.2) [12,13] Bên trong KCMĐ thì dẫn nhiệt là phương thức truyền nhiệt chiếm ưu thế Ngược lại bên trên bề mặt của KCMĐ, quá trình trao đổi nhiệt giữa môi trường và KCMĐ diễn ra thông qua phương thức bức xạ và đối lưu Trong một

số trường hợp đặt biệt, có thể xuất hiện thêm dòng nhiệt bổ sung trên KCMĐ gây ra bởi sự thay đổi pha của vật liệu (hiện tượng băng tan hoặc bay hơi ẩm), do phương tiện tham gia giao thông trên đường, hoặc do hiệu ứng làm mát bề mặt do có dòng nước chảy trên bề mặt của mặt đường Tuy nhiên các dòng nhiệt này có mức độ ảnh hưởng nhỏ, một số mang tính chất tức thời nên có thể bỏ qua

Do KCMĐ có kích thước theo phương ngang và phương dọc lớn hơn nhiều so

với chiều sâu nên sự truyền nhiệt trong kết cấu có thể xem là “truyền nhiệt một chiều”

độ sâu cần quan trắc (m); t - thời gian (s); i - độ dẫn nhiệt của lớp thứ i (W/(m.oC));

i - khối lượng thể tích của lớp thứ i, (kg/m3); Ci - nhiệt dung riêng của lớp thứ i (J/(kg

oC))

Giả thiết nhiệt độ và dòng nhiệt đều liên tục tại các mặt phân cách giữa các

lớp vật liệu, các phương trình biễu diễn trường nhiệt độ theo không gian, thời gian

phải thỏa mãn phương trình (1.2) và (1.3)

- Điều kiện biên tại bề mặt của KCMĐ: được xác định bằng việc giải phương

trình cân bằng năng lượng tại bề mặt của KCMĐ theo phương trình (1.4) Trong đó,

vế trái của phương trình đại diện cho dòng nhiệt hấp thụ vào hay thải ra môi trường

của KCMĐ

= 𝑞 − 𝑞 − 𝑞 (1.4) Trong đó: 1 - độ dẫn nhiệt của lớp thứ 1 (W/(m. oC)); qs - bức xạ mặt trời thực tế

được KCMĐ hấp thụ (W/m2); ql - bức xạ sóng dài của KCMĐ phát ra môi trường

xung quanh (W/m2); qc - dòng nhiệt đối lưu (W/m2)

Nhiệt độ KCMĐ có thể được tính toán nếu xác định được từng dòng nhiệt tại

bề mặt của mặt đường theo phương trình (1.4) Để mô hình dự đoán nhiệt độ KCMĐ

chính xác, cần xác định dòng nhiệt trên theo đúng điều kiện về khí hậu và vật liệu của

khu vực xây dựng đường Đối với các tuyến đường đang khai thác việc xác định điều

kiện biên tại bề mặt của KCMĐ có thể đơn giản hơn bằng cách đo đạc trực tiếp nhiệt

độ bề mặt, thông qua nhiệt kế hồng ngoại hoặc thiết bị cảm biến nhiệt độ

- Điều kiện biên tại đáy KCMĐ: có thể được thể hiện dưới dạng một nhiệt độ

hoặc một gradient nhiệt độ Ngoài ra, có thể sử dụng một giả thiết khác về điều kiện

biên ở đáy thông qua việc thiết lập một biên cách nhiệt ở độ sâu rất lớn (tức là dòng

nhiệt không đổi theo thời gian) Với điều kiện biên ở bề mặt và ở đáy của KCMĐ phù

hợp, kết hợp với “trường nhiệt độ ban đầu” (là tập hợp các giá trị nhiệt độ trong vật

liệu hoặc trong KCMĐ ở thời điểm ban đầu), phân bố nhiệt độ trong KCMĐ có thể

được tính toán bằng phương trình (1.1) Trong trường hợp trường nhiệt độ ban đầu

trong KCMĐ không được biết, đòi hỏi cần thời gian tính toán lâu hơn để giảm ảnh

hưởng của trường nhiệt độ ban đầu và giúp nhiệt độ dự đoán chính xác hơn [15]

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu măt

đường

1.3.1 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu

a) Bức xạ sóng ngắn

Bức xạ sóng ngắn ở KCMĐchủ yếu là bức xạ mặt trời Theo Chen và cộng sự

[15], dòng nhiệt thực tế của bức xạ mặt trời truyền vào trong KCMĐ (qs) có thể được

tính toán theo phương trình (1.5):

𝑞 =(1 − 𝛼)𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟 (1.5) Trong đó:  - độ phản xạ cường độ bức xạ mặt trời của bề mặt KCMĐ trở lại môi

trường (Albedo); Solar - cường độ bức xạ mặt trời (W/m2)

Cường độ bức xạ mặt trời có thể được đo đạc và sử dụng như một biến số trong

điều kiện biên của bài toán truyền nhiệt KCMĐ [16] hoặc được tính toán thông qua

các phương trình thực nghiệm như các nghiên cứu [17], dựa trên hệ số cường độ bức

xạ mặt trời và vị trí địa lý của khu vực xây dựng đường [18] Trong khi đó, một số

mô hình đã sử dụng các hàm cosin để mô phỏng sự biến đổi bức xạ mặt trời hàng

ngày [19]

Ngoài ra ảnh hưởng của các đám mây che phủ đã được xem xét trong một số

mô hình của các nghiên cứu [17] Các nghiên cứu này cho thấy, cường độ bức xạ mặt

trời đến bề mặt của KCMĐ có thể giảm đáng kể bởi các đám mây che phủ Tốc độ

giảm cường độ bức xạ mặt trời được đánh giá bằng phương trình tuyến tính của

Dempsey và Thompson [20] lớn hơn so với đánh giá bằng phương trình phi tuyến

tính của Nuijten [21] Điều này cho thấy việc áp dụng không đúng các phương trình

này có thể dẫn đến kết quả không chính xác

Theo nghiên cứu của Chen và cộng sự [15], việc xác định ảnh hưởng của đám

mây đến bức xạ mặt trời là rất phức tạp và khó chính xác Mặt khác, mây che phủ

không phải là yếu tố duy nhất ảnh hưởng lên bức xạ mặt trời đến bề mặt của mặt

đường Nếu xét trên tổng thể các thông số khí hậu thì ảnh hưởng của mây đến phân

bố nhiệt độ KCMĐ là không đáng kể [5] Do đó, trong điều kiện cho phép nên đo đạc

thực nghiệm để xác định cường độ bức xạ mặt trời nhằm hạn chế sai số cho kết quả

dự đoán mô phỏng phân bố nhiệt độ trong KCMĐ

b) Bức xạ sóng dài

Bước sóng của bức xạ nhiệt từ bề mặt của KCMĐ và môi trường xung quanh

(bầu trời) phát ra dài hơn nhiều so với cường độ bức xạ mặt trời Do đó phần bức xạ

nhiệt này thường được gọi là bức xạ sóng dài Dòng nhiệt bức xạ sóng dài phát ra từ

bề mặt của KCMĐ (ql) đến môi trường xung quanh có thể xác định theo phương trình

1.6 [6]

𝑞 = εσ(𝑇 − 𝑇 ) (1.6) Trong đó: ε - độ phát xạ bề mặt (Emissivity); σ - hằng số Stefan-Boltzmann (σ =

5,67×10-8 W/(m2.K4)); Tsuf - nhiệt độ bề mặt KCMĐ (K); T∞ - nhiệt độ của môi trường

xung quanh (K)

Phương trình (1.6) dựa trên giả định rằng môi trường xung quanh là đẳng nhiệt

với diện tích bề mặt lớn Tuy nhiên, thường rất khó để tìm ra giá trị thực của T∞, vì

không khí xung quanh KCMĐ thực tế không phải là môi trường đẳng nhiệt Nhiệt độ

không khí có giá trị thay đổi tùy thuộc vào cao độ cách bề mặt KCMĐ

Hiện nay, các nghiên cứu về tính toán giá trị bức xạ sóng dài có thể chia thành

3 nhóm:

(i) nhiệt độ môi trường xung quanh T∞ lấy bằng giá trị nhiệt độ không khí [19];

(ii) vẫn xem nhiệt độ môi trường xung quanh bằng nhiệt độ không khí nhưng

hệ số a mô tả khả năng hấp thụ bức xạ sóng dài của KCMĐ được sử dụng thay cho

độ phát xạ bề mặt ε [16];

(iii) nhiệt độ môi trường xung quanh lấy bằng nhiệt độ điểm sương Tsky [22]

Thông thường giá trị độ phát xạ  trung bình khoảng 0,85 [15] trong khi đó hệ

số a = 0,7 [34] và nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ điểm sương trung bình khoảng

7,5oC [15] nên việc tính toán giá trị cường độ bức xạ sóng dài theo công thức của

nhóm (ii) và (iii) cho trị số bức xạ sóng dài lớn hơn nhóm (i) Do vậy, khi áp dụng

cho các vùng khí hậu khác nhau cần xem xét sử dụng cho phù hợp

c) Đối lưu

Đối lưu là sự truyền nhiệt giữa không khí và bề mặt của KCMĐ do luồng

không khí lưu thông Dòng nhiệt do đối lưu (qc) có thể được xác định theo phương

trình (1.7) [15]

𝑞 = ℎ (𝑇 − 𝑇 ) (1.7) Trong đó: hc - hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/(m2.oC)); Tsuf - nhiệt độ tại bề mặt của

KCMĐ (oC); Tair - nhiệt độ không khí (oC)

Phương trình (1.7) cho thấy dòng nhiệt đối lưu phụ thuộc nhiều vào hệ số đối

lưu Hệ số đối lưu được tính bằng các phương trình thực nghiệm như một số nghiên

cứu, được tổng hợp trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số mô hình nghiên cứu xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu hc

Các mô hình chủ yếu phụ thuộc tốc độ gió:

hc=5,678(1,3+1,135U0,75)

ℎ = 6 + 3,7𝑈

Barber [23]

Wang et al [24]

Phương trình tính toán hc Tác giả

Mô hình của Vehrencamp:

ℎ = 698,24[0,00144𝑇 , 𝑈 , + 0,00097( 𝑇 𝑠𝑢𝑓 − 𝑇 𝑎𝑖𝑟 ) , ] Hermansson [25] Trong đó: hc - hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/(m2.oC)); U - tốc độ gió (m/s); Tsuf avg - nhiệt

độ trung bình của bề mặt KCMĐ (oK); Tsuf - nhiệt độ bề mặt KCMĐ (oK); Tair - nhiệt

độ không khí (oK)

d) Nhận xét

Điều kiện khí hậu thời tiết có ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố nhiệt độ KCMĐ thông qua sự trao đổi năng lượng trên bề mặt của KCMĐ Để dự đoán chính xác nhiệt độ KCMĐ cần đánh giá chính xác các dòng nhiệt do thời tiết tác động đến quá trình trao đổi nhiệt với KCMĐ

Nhiệt độ không khí là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ KCMĐ, thông số này xuất hiện hầu hết trong các công thức xác định dòng nhiệt xuất hiện tại bề mặt Tốc độ gió là một yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ KCMĐ Tuy nhiên, trong các tình huống thực tế, tốc độ gió và hướng gió thay đổi rất tức thời Ngay cả đối với cùng một tuyến đường, vì có sự chênh lệch cao độ ở các đoạn khác nhau nên tốc độ gió cũng khác nhau Do đó, rất khó để xem xét ảnh hưởng của tốc độ gió trong các mô hình dự báo nhiệt độ

Theo Lijun Sun [26], ảnh hưởng của điều kiện mây, độ ẩm, vận tốc gió và lượng mưa đến sự phân bố nhiệt độ trong KCMĐ là không đáng kể Mặt khác, các yếu tố này có mối quan hệ với nhiệt độ không khí hoặc bức xạ mặt trời nên nhiệt độ không khí và bức xạ mặt trời cũng đã có thể đại diện cho các yếu tố này

Cường độ bức xạ mặt trời là tác nhân chính làm tăng nhiệt độ KCMĐ Tuy nhiên, thông số này chỉ xuất hiện khi mặt trời mọc và trị số bị biến động tức thời rất lớn theo tình trạng đám mây và một số yếu tố khác Trong khi đó nhiệt độ không khí vẫn là thông số ổn định và có ảnh hưởng lớn nhất với nhiệt độ của KCMĐ Vì vậy, khi thiết lập mô hình dự báo nhiệt độ trong KCMĐ theo hướng thực nghiệm thống

kê, cần xem xét nhiệt độ không khí là thông số chính trong các biến đầu vào của mô hình dự báo

1.3.2 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu

a) Độ phản xạ (Albedo) và độ phát xạ (Emissivity)

Sự trao đổi thông lượng nhiệt ở KCMĐ ngoài ảnh hưởng bởi các yếu tố khí hậu, còn chịu ảnh hưởng bởi độ phản xạ và độ phát xạ của bề mặt KCMĐ [16]

Độ phản xạ (albedo) ở bề mặt của KCMĐ được định nghĩa là tỷ lệ bức xạ phản

xạ với bức xạ mà bề mặt nhận được Bên cạnh độ phản xạ, tham số độ hấp thụ, được định nghĩa là tỷ số bức xạ bị hấp thụ so với bức xạ mà bề mặt nhận được

Độ phát xạ bề mặt là thông số vật lý, đại diện cho tỷ lệ bức xạ do bề mặt phát

ra ở một nhiệt độ nhất định so với bức xạ do vật đen phát ra ở cùng nhiệt độ Trong

mô hình dự báo nhiệt độ KCMĐ, độ phản xạ được sử dụng để tính toán bức xạ mặt trời sóng ngắn vào KCMĐ theo phương trình (1.5); trong khi độ phát xạ được sử dụng

để xác định bức xạ sóng dài phát ra từ bề mặt của KCMĐ theo phương trình (1.6)

Do sự khác biệt về bước sóng, độ hấp thụ không phải lúc nào cũng bằng độ phát xạ

và do đó tổng giá trị độ phát xạ và độ phản xạ không nhất thiết phải bằng 1

Bảng 1.2 Giá trị độ phản xạ bề mặt của các loại KCMĐ bê tông nhựa Loại KCMĐ Giá trị của

Giá trị của độ phát xạ bề mặt KCMĐ và độ phản xạ thay đổi tùy theo các loại KCMĐ khác nhau Việc ước lượng chính xác các thông số này có ý nghĩa quan trọng đến độ tin cậy của các mô hình dự báo nhiệt độ Bảng 1.2 và Bảng 1.3 tóm tắt một số giá trị điển hình của độ phát xạ và độ phản xạ của một số loại KCMĐ BTN Đối với KCMĐ BTN, độ phản xạ thường tăng lên theo thời gian do KCMĐ BTN có màu đen ngay sau khi thi công và trở nên nhạt hơn theo thời gian [27,28]

b) Tính chất nhiệt của vật liệu KCMĐ

Ngoài độ phản xạ và độ phát xạ bề mặt của KCMĐ, nhiều nghiên cứu đã cho thấy nhiệt độ của KCMĐ chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính nhiệt của vật liệu làm KCMĐ [31,34], bao gồm: Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và độ khuếch tán nhiệt

- Độ dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu Với độ dẫn nhiệt cao hơn, dòng nhiệt được truyền đến lớp móng bên dưới hiệu quả hơn

- Độ khuếch tán nhiệt là tỷ số giữa độ dẫn nhiệt trên một đơn vị thể tích vật liệu nhiệt tích trữ Độ khuếch tán nhiệt cho biết tốc độ năng lượng nhiệt truyền qua khối vật liệu [35]

- Nhiệt dung riêng được định nghĩa là năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng của vật liệu lên 1oC Điều này có nghĩa với cùng một lượng nhiệt đầu vào, nhiệt dung riêng của vật liệu KCMĐ nào thấp hơn có thể làm tăng nhiệt độ KCMĐ cao hơn

Các thông số nhiệt lý có mối quan hệ với nhau, thể hiện trong công thức 1.8:

𝐶 = 

 (1.8) Đặc tính nhiệt của vật liệu làm KCMĐ không phải là hằng số do các vật liệu KCMĐ như bê tông nhựa, bê tông xi măng, CPĐD GCXM và đất nền là vật liệu hỗn hợp hoặc vật liệu dạng hạt Phạm vi các đặc tính nhiệt ở trạng thái khô của một số vật liệu được thể hiện ở Bảng 1.4 Đối với vật liệu CPĐD GCXM, các nghiên cứu về đặc tính nhiệt vẫn còn rất ít

Tính chất nhiệt của vật liệu KCMĐ phụ thuộc vào đặc tính nhiệt của từng thành phần, nhiệt độ vật liệu khi làm việc [36], khối lượng thể tích, độ rỗng dư [37],

cấp phối hạt [36], hoặc thậm chí cả cấu trúc vi mô [38] Vì vậy, việc xác định các giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ không phù hợp có thể dẫn đến sai số trong kết quả dự đoán nhiệt độ KCMĐ Ảnh hưởng này càng lớn khi tính toán dự báo phân

bố nhiệt trong KCMĐ thông qua các phương pháp giải tích hay phương pháp số

Bảng 1.4 Thông số đặc tính nhiệt của một số vật liệu [39]

Độ dẫn nhiệt

(W/(m.oC))

0,5÷2,5[39]

0,7÷2,1 [36] 0,5÷4 0,3÷2 1,03÷1,6 Nhiệt dung riêng

(J/(kg. oC)) 900÷2100 800÷1200 800÷1100

Chưa có nghiên cứu

Độ khuếch tán

nhiệt (10-7m2/s) 1,2÷16,8 1,4÷20,8 1,4÷17,8

Chưa có nghiên cứu c) Nhận xét

Độ phản xạ và độ phát xạ của bề mặt KCMĐ ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt bức xạ giữa KCMĐ và môi trường xung quanh Trong khi đó, các đặc tính nhiệt của vật liệu KCMĐ ảnh hưởng đến sự truyền dẫn nhiệt bên trong KCMĐ Đây là các thông số có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ

Các nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt độ theo hướng lý thuyết thường sử dụng các thông số khí hậu từ việc đo đạc hay cơ sở dữ liệu thời tiết của khu vực hoặc được xác định thông qua các mô hình tính toán đã được nghiên cứu [21,22] Trong khi đó, các đặc tính nhiệt lý hay giá trị độ phản xạ và độ phát xạ của vật liệu KCMĐ thường được chọn từ phạm vi giá trị của các nghiên cứu trước để giảm bớt khối lượng công việc [16] Việc lựa chọn này thường mang tính chủ quan do đó các giá trị được chọn

có thể sai lệch so với các giá trị thực tế Để kết quả dự đoán phân bố nhiệt độ đảm bảo độ tin cậy, đòi hỏi cần cân nhắc lựa chọn giá trị từ các nghiên cứu đã thực hiện hoặc thông qua các thí nghiệm trong phòng để đảm bảo độ chính xác Hiện nay, việc

đo đạc trực tiếp nhiệt độ tại về mặt KCMĐ được thực hiện rất dễ dàng bằng nhiệt kế hồng ngoại hoặc cảm biến nhiệt Do vậy, để giá trị điều kiện biên tại bề mặt KCMĐ

ít sai số nên chọn giải pháp đo đạc trực tiếp thay vì tính toán các dòng nhiệt đến và đi tại bề mặt của KCMĐ, đồng thời cần đo đạc chính xác giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu

1.4 Các nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ

Nghiên cứu dự đoán nhiệt độ trong KCMĐ có thể chia thành hai hướng tiếp cận chính:

(i) Hướng tiếp cận thứ nhất dựa trên lời giải của lý thuyết truyền nhiệt gồm có phương pháp giải tích và phương pháp số;

(ii) Hướng tiếp cận thứ hai dựa theo thực nghiệm thống kê: từ kết quả quan trắc nhiệt độ KCMĐ thực tế kết hợp phương pháp phân tích thống kê

1.4.1 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên lý thuyết truyền nhiệt

1.4.1.1 Theo phương pháp giải tích

Nghiên cứu đầu tiên về việc xác định nhiệt độ KCMĐ bằng phương pháp giải tích đã bắt đầu từ những năm 1950, Barber [23] đưa ra phương pháp tính toán nhiệt

độ KCMĐ bằng cách sử dụng dữ liệu thời tiết với giả thuyết nhiệt độ tuần hoàn theo

đồ thị hàm Sin trong một khối bán vô hạn tiếp xúc với không khí Sau đó một số tác giả cũng phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ theo phương pháp giải tích bằng các công cụ và lời giải toán học khác nhau như nghiên cứu của Wang [40], Alawi and Helal [41], Chen et al [42], Wang and Roesler [43], Qin [44] Các mô hình này có thể được chấp nhận trong một số điều kiện cụ thể Tuy nhiên, do chỉ dựa trên các giả định thực nghiệm để giải phương trình vi phân truyền nhiệt nên cần phải kiểm tra tính tương thích của mô hình khi áp dụng vào trường hợp tổng quát

Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong nền đường đã được tác giả Dương Học Hải quan tâm nghiên cứu từ rất sớm (năm 1977) [45], tác giả sử dụng và giải phương trình truyền nhiệt trong môi trường bán không gian đồng nhất

để tìm quy luật phân bố nhiệt độ của nền đất Dựa trên cơ sở kết quả của phân bố nhiệt độ trong nền đất, tác giả đã tìm quy luật phân bố nhiệt trong lớp bê tông nhựa

bằng cách quy đổi ra lớp bê tông nhựa tương đương theo ba phương pháp: (1) phương pháp tương đương theo nhiệt lượng giữ lại của hai kết cấu; (2) phương pháp tương đương theo hệ số dẫn nhiệt; (3) phương pháp tương đương theo nhiệt độ Nghiên cứu

đã cho thấy khi KCMĐ dày hơn 0,4m thì dao động nhiệt độ trong nền đất xem như không đổi và trong thời gian 30 ngày ở phạm vi độ sâu nền đất lớn hơn 2,4m có thể xem quá trình truyền nhiệt trong đất vùng đồng bằng miền Bắc là cố định Do vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy khi KCMĐ dày hơn 0,4m thì tại độ sâu nền đất từ 2m trở đi, dao động nhiệt trong nền đất xem như không đổi

Nhận xét: Do sự phức tạp của thông lượng nhiệt trên bề mặt KCMĐ, các mô hình phân tích dựa trên lời giải bằng phương pháp giải tích thường gặp khó khăn khi

áp dụng để giải phương trình truyền nhiệt, thậm chí có thể không giải được khi điều kiện biên ở KCMĐ là quá phức tạp Vì vậy, khi áp dụng phương pháp giải tích để giải bài toán truyền nhiệt KCMĐ, phương trình cân bằng năng lượng trên bề mặt thường được đơn giản hóa thông qua ba giải pháp sau: (i) giải pháp 1: Sử dụng nhiệt

độ bề mặt của KCMĐ đo được thay vì phương trình cân bằng nhiệt làm điều kiện biên [34]; (ii) giải pháp 2: Sử dụng nhiệt độ không khí - bức xạ mặt trời hoặc nhiệt

độ không khí hiệu dụng để biểu thị tác động tổng hợp của bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí [23]; (iii) giải pháp 3: Đưa vào hệ số giảm bức xạ mặt trời để thay thế ảnh hưởng của riêng bức xạ sóng dài phát ra từ KCMĐ [43]

1.4.1.2 Theo phương pháp số

Theo cách tiếp cận này, miền tính toán của KCMĐ được tách rời thành các phần tử, sau đó giải bài toán truyền nhiệt cho từng nút hoặc từng phần tử So với mô hình giải tích, điều kiện biên trong các mô hình số có thể phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên với sự hỗ trợ của công cụ máy tính và các phần mềm tính toán mô phỏng, vấn

đề này hoàn toàn có thể được giải quyết dễ dàng Các phương pháp số thường được

sử dụng trong nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ bao gồm: phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Differences Method - FDM) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM)

Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) được sử dụng khá sớm trong các nghiên cứu dự đoán nhiệt độ KCMĐ Năm 1970, Dempsey và Thompson [46] phát triển mô hình dự đoán nhiệt độ KCMĐ dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn Mô hình này

đã được đưa vào hướng dẫn thiết kế KCMĐ theo phương pháp cơ học – thực nghiệm (MEPDG) khi xem xét ảnh hưởng của điều kiện khí hậu [47] Hầu hết các mô hình phân tích dự đoán nhiệt độ KCMĐ dựa trên FDM thường sử dụng các thông số bức

xạ mặt trời, bức xạ sóng dài và đối lưu để xây dựng điều kiện biên [46,47] Bên cạnh các dòng nhiệt thông thường trên bề mặt của KCMĐ, một số dòng nhiệt phức tạp như dòng nhiệt gây ra bởi sự tác động của xe chạy [48] lượng mưa, bay hơi, ngưng tụ [21], thay đổi pha [49] và sự thủy hóa của xi măng [49] cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu sử dụng trong phân tích bởi phương pháp FDM

Cùng với việc phát triển các công cụ tính toán bằng máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong nhiều bài toán

kỹ thuật Nhóm tác giả Mallick và cộng sự (2014) [50] đã sử dụng FEM phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu và tính chất của vật liệu đến nhiệt độ KCMĐ và môi trường nhiệt gần mặt đất Với ưu điểm có thể phân tích ứng xử cơ học của kết cấu, FEM có thể sử dụng để phân tích các vấn đề cơ học liên quan đến nhiệt độ trong KCMĐ [16,51] Ngoài ra, FEM có thể phân tích bài toán truyền nhiệt hai hoặc ba chiều Do đó có thể ứng dụng FEM để phân tích các KCMĐ khi có sự thay đổi nhiệt hoặc điều kiện biên thay đổi theo phương ngang

Tại Việt Nam, nhóm tác giả Trịnh Văn Quang và Trần Văn Bảy [52] sử dụng FEM để đánh giá trạng thái nhiệt độ của lớp BTN trên mặt cầu dưới ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ không khí và cường độ bức xạ mặt trời Nghiên cứu đã kết luận rằng thay đổi nhiệt độ tại bề mặt lớp BTN trên mặt cầu là dao động có tính chu kỳ nhưng không phải là hàm Sin điều hòa và càng vào sâu trong lớp BTN, dạng dao động nhiệt độ càng tiến tới hình Sin Thời điểm nhiệt độ đạt giá trị cực đại ở mỗi độ sâu là khác nhau Tại bề mặt KCMĐ thời điểm đạt nhiệt độ cực đại là sớm nhất sau

đó chậm dần từ vị trí bề mặt trên cùng đến các lớp bên dưới và tại mặt đáy nhiệt độ đạt cực đại muộn nhất Một nghiên cứu khác của Nguyễn Huỳnh Tấn Tài và cộng sự

[53], cho thấy gia tăng hệ số phản xạ của bề mặt KCMĐ có tác dụng giảm nhiệt rất hiệu quả Do đó, để tăng hiệu quả chống hằn lún, bên cạnh các nghiên cứu về cải tiến vật liệu bê tông nhựa, cần có nghiên cứu và giải pháp giảm nhiệt cho KCMĐ

1.4.2 Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực nghiệm

Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu được phát triển thông qua phương pháp phân tích thống kê Quan hệ giữa mô hình dự đoán nhiệt độ KCMĐ và các yếu tố liên quan thường rất đơn giản Do vậy,

mô hình này được sử dụng rộng rãi trong thực tế [15,26] Đã có nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trên thế giới như Hoa Kỳ, Ca-na-đa, Mê-xi-cô, Ả Rập Xê-út, Trung Quốc, Ấn Độ, In-đô-nê-si-a, I-ran, Xéc-bi-a,… và Việt Nam Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu chủ yếu thực hiện cho các tuyến đường có KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tông nhựa trên lớp móng sử dụng vật liệu không gia cố Các dạng mô hình hiện đang được áp dụng theo hướng nghiên cứu này bao gồm: mô hình hồi quy tuyến tính, mô hình hồi quy phi tuyến và mô hình mạng nơ-ron (ANN)

1.4.2.1 Mô hình hồi quy tuyến tính

Hồi quy tuyến tính là phương pháp đơn giản nhất để phát triển các mô hình thực nghiệm Mô hình này được sử dụng chủ yếu để dự đoán nhiệt độ KCMĐ lớn nhất, nhỏ nhất hoặc ở độ sâu quy định [54,55] Chỉ có nghiên cứu của Abdul Al-Wahhab và cộng sự [56] sử dụng hồi quy tuyến tính để dự đoán nhiệt độ chung cho

cả lớp BTN Sự thay đổi nhiệt độ KCMĐ trong thực tế rất phức tạp, thay đổi theo không gian (chiều sâu) và thời gian, có tính chất phi tuyến tính, do đó mô hình hồi quy tuyến tính sẽ có độ chính xác không cao nếu dùng để dự đoán phân bố nhiệt độ chung cho toàn bộ lớp BTN, điển hình như mô hình nghiên cứu [56] có sai số khá lớn với SSE =3,59oC

1.4.2.2 Mô hình hồi quy phi tuyến

So với mô hình hồi quy tuyến tính, mô hình hồi quy phi tuyến tính thường liên quan đến các phương trình phức tạp hơn do các biến số có số bậc cao hơn hoặc xét

sự ảnh hưởng tích hợp của các biến đầu vào Mô hình hồi quy phi tuyến có thể được

sử dụng để dự đoán sự thay đổi nhiệt độ KCMĐ theo thời gian và độ sâu, được tổng hợp chi tiết trong Bảng 1.5 Trong đó, các mô hình dự đoán nhiệt độ sau đây được nhiều nghiên cứu cân nhắc hiệu chỉnh áp dụng: chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ (SHRP) [57]; chương trình đánh giá dài hạn chất lượng KCMĐ (LTPP) [58] được sử dụng trong việc dự đoán nhiệt độ để lựa chọn cấp nhựa đường và mô hình Bells áp dụng trong tiêu chuẩn AASHTO T317 [59] được sử dụng để dự đoán nhiệt

Mô hình dự đoán nhiệt độ cao của BTN:

T suf high và T suf low lần lượt là nhiệt độ cao

và nhiệt độ thấp tại bề mặt của BTN ( o C);

T air max là nhiệt độ không khí cao nhất trung bình 7 ngày

Nghiên cứu

− 0,0248𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ + 0,001085𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ

ở độ sâu cần quan trắc ( o C); Depth là độ sâu cách bề mặt BTN (cm); T pave low là nhiệt

độ thấp của BTN ở

độ sâu cần quan trắc ( o C)

Mô hình nhiệt độ thấp của BTN được xây dựng trên bộ số liệu có đặc điểm sau: -65 o C<T pave

<10 o C; chênh lệch nhiệt độ không khí và KCMĐ

từ nhỏ hơn 35 o C và nhiệt độ trong KCMĐ tăng dần theo độ sâu

Mô hình dự đoán nhiệt độ cao của BTN:

𝑇 = 54,32 + 0,78𝑇

− 0,0025𝐿

− 15,14𝑙𝑜𝑔(10𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ + 25) + 𝑍(9 + 0,61𝜎 ) /

Có hệ số xác định R 2 = 0,76 và sai số RMSE = 3,0 o C

Mô hình nhiệt độ cao của BTN được xây dựng trên

bộ số liệu có đặc điểm sau: T air > 20 o C; T pave <

60 o C; chênh lệch nhiệt độ không khí và KCMĐ từ

7 đến 25 o C và nhiệt độ trong KCMĐ giảm dần theo độ sâu

T pave low là nhiệt độ thấp của BTN theo

độ sâu ( o C); T pave high

là nhiệt độ cao của BTN theo độ sâu ( o C); T air min là nhiệt

độ không khí thấp nhất trong năm ( o C); Depth là độ sâu cách

bề mặt của KCMĐ (cm); Z là hệ số phụ thuộc độ tin cậy, khi R=98% thì Z=2,055; các đại lượng khác tương tự như trên

Nghiên cứu

Park, Buch, and

T pave là nhiệt độ lớp BTN theo độ sâu ( o C); T suf là nhiệt độ tại bề mặt BTN ( o C);

t d là thời gian (ngày);0 < t d < 1 (ví dụ: 1:30 p.m = 13,5/24 = 0,5625 ngày)]; sin là hàm sine theo đơn vị radians; các biến số còn lại tương tự như trên

− 15,5))

có R 2 = 0,975 và Sai số = 1,9°C

T avg là nhiệt độ không khí trung bình ngày hôm trước ( o C); hr 18

là thời gian trong ngày sử dụng chu kỳ thời gian tăng và giảm nhiệt độ bê tông nhựa 18 giờ; các biến

số còn lại tương tự như trên

Time là thời gian trong ngày (giờ thập phân); các biến số còn lại tương tự như trên

Y Li, Liu, and

− 4,745(10 )𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ + 0,004𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ − 0,007𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ + 1,454 + (0,06𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ

+ 0,203)𝑇

có R 2 = 0,972

𝑇 là nhiệt độ không khí trung bình được tính toán trong

N giờ ( o C); Q N là tổng bức xạ mặt trời trong N giờ qua (MJ/m 2 ); T m là nhiệt

độ không khí trung bình hàng tháng

Nghiên cứu

( o C); các biến số còn lại tương tự như trên

Mô hình dự đoán cho quá trình thu nhiệt

𝑇 = 1,548𝑇 − 1,194𝑙𝑛(10𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ + 1) với 22 o C  T air  29 o C; có R = 99,2%

Humid là độ ẩm không khí, (%); các biến số còn lại tương