Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu độ nhám mặt đường ô tô trong điều kiện thời tiết thay đổi

t NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu độ nhám mặt đường ô tô trong điều kiện thời tiết thay đổi Chương 1 - Độ nhám mặt đường ô tô - Sự cần thiết nghiên cứu độ nhám Chương 2 - Lý thuyế

Mạng lưới giao thông đường bộ ở Việt Nam và thành phố Hồ Chí Minh

Phân loại đường

Đường bộ ở Việt Nam được phân thành 7 loại như được trình bày trong bảng [1.1] theo chức năng kinh tế xã hội của đường, lưu lượng giao thông và cấp quản lý

Bảng 1-1: Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo TCVN4054:2005

Cấp đường Chức năng của đường Cấp quản lý

Lưu lượng xe thiết kế (xcqđ/nđ)

- Đường trục chính, cho giao thông tốc độ cao, đường vào được kiểm soát thời gian đi lại nhanh hơn

- Nối liền các thành phố quan trọng

- Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn

- Đường nối vào các đường cấp I hoặc cao tốc

- Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn của đất nước, của địa phương

- Quốc lộ hay đường tỉnh nối vào mạng đường trục và cao tốc

- Đường nối các trung tâm của địa phương, các điểm lập hàng, các khu dân cƣ

Quốc lộ / tỉnh lộ / đường huyện

Cấp V Đường phục vụ giao thông địa phương Tỉnh lộ / đường huyện / đường xã

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM

Cấp đường Chức năng của đường Cấp quản lý

Lưu lượng xe thiết kế (xcqđ/nđ)

Cấp VI Đường huyện, đường xã Đường huyện / đường xã

Trong chiến lược phát triển giao thông đường bộ đến năm 2020 (tháng 1/2003) của Bộ GTVT, tốc độ tăng trưởng GDP tới năm 2010 của các ngành được dự báo nghiệp/thuỷ sản/ lâm sản : 3,0 – 4,2 % xuất/ xây dựng : 8,2 – 9,0 % nghiệp dịch vụ : 7,6 – 7,9 %

Bảng 1-2: Dự báo kinh tế - xã hội (nguồn niên giám thống kê 2006 của NXB Thống kê 2007 và chiến lược phát triển giao thông đường bộ tới năm 2020 của bộ GTVT)

GDP theo giá 1994 (tỷ VND) 18,223 273,666 393,031 551,700 987,540

Bộ GTVT dự báo số lượng phương tiện cơ giới tăng gấp đôi so với năm 2006 nhƣ đƣợc trình bày trong bảng [1-3] Các hoạt động kinh tế ở các khu vực đô thị và ngoại ô sẽ phát triển hơn nữa, vì vậy việc cơ giới hoá sẽ tiếp tục tăng cao

Bảng 1-3: Dự báo lưu lượng xe (nguồn Cục đường bộ, chiến lược phát triển GTVT đường bộ tới 2020 của Bộ GTVT 2003) Đơn vị: 1000 xe

Tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị đã được Bộ X y dựng sửa đổi vào 30/6/2007 Theo tiêu chuẩn mới “TCXDVN 104-2007: Tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị”, đường đô thị được phân loại trong Bảng [1.4]

Bảng 1-4: Phân loại đường đô thị (nguồn TCXDVN 104: 2007 – Bộ X y dựng

STT Loại đường phố Chức năng Lưu lượng xem xét (xcqđ/nđ)

1 Đường cao tốc đô thị Có chức năng giao thông cơ động rất cao

Phục vụ giao thông có tốc độ cao, giao thông liên tục Đáp ứng lưu lượng và khả năng thông hành lớn Thường phục vụ nối liền giữa các đô thị lớn, giữa đô thị trung tâm với các trung tâm công nghiệp, bến cảng, nhà ga lớn, đô thị vệ tinh

2 Đường phố chính đô thị Có chức năng giao thông cơ động cao Đường phố chính chủ yếu

Phục vụ giao thông tốc độ cao, giao thông có ý nghĩa toàn đô thị Đáp ứng lưu lượng và KNTH cao Nối liền các trung tâm dân cƣ lớn, khu công nghiệp tập trung lớn, các công trình cấp đô thị

20000 - 50000 Đường phố chính thứ yếu

Phục vụ giao thông liên khu vực có tốc độ khá lớn Nối liền các khu dân cƣ tập trung, các khu công nghiệp, trung tâm công cộng có quy mô liên khu vực

Chức năng giao thông cơ động - tiếp cận trung gian

STT Loại đường phố Chức năng Lưu lượng xem xét (xcqđ/nđ) Đường phố khu vực

Phục vụ giao thông có ý nghĩa khu vực nhƣ trong khu nhà ở lớn, các khu vực trong quận 10000 - 20000 Đường vận tải

Là đường ôtô gom chuyên dùng cho vận chuyển hàng hoá trong khu công nghiệp tập trung và nối khu công nghiệp đến các cảng, ga và đường trục chính

Là đường có quy mô lớn đảm bảo c n bằng chức năng giao thông và không gian nhƣng đáp ứng chức năng không gian ở mức phục vụ rất cao

4 Đường phố nội bộ Có chức năng giao thông tiếp cận cao Đường phố nội bộ

Là đường giao thông liên hệ trong phạm vi phường, đơn vị ở, khu công nghiệp, khu công trình công cộng hay thương mại… Thấp Đường đi bộ Đường chuyên dụng liên hệ trong khu phố nội bộ; đường song song với đường phố chính, đường gom

Chiều dài mạng lưới đường

Tổng chiều dài mạng lưới đường bộ trên toàn quốc năm 2006 là 251.787 km bao gồm 17.295 km quốc lộ (6,9%), 23.138 km tỉnh lộ (9,2%), 54.962 km huyện lộ (21,8%), 141.442 km đường xã (56,6%) và 8.536 km đường đô thị (3,4%) So với năm 1999, tổng chiều dài đường tăng 27.000 km, chất lượng mặt đường được n ng cấp

Năm 1999 hầu hết các tuyến quốc lộ đều dưới cấp IV, tỷ lệ đường quốc lộ có tiêu chuẩn trên cấp III trong năm 2006 đã tăng lên hơn 30% Các tuyến đường cấp V, VI ở khu vực miền n i tiếp tục đƣợc đầu tƣ nâng cấp

Bảng 1-5: Chiều dài của các tuyến quốc lộ năm 2006 (nguồn Cục đường bộ)

Theo kết cấu mặt đường

Bê tông xi măng Đá dăm thấm nhập nhựa Đá dăm Đất Khác

Theo kết cấu mặt đường

Bê tông xi măng Đá dăm thấm nhập nhựa Đá dăm Đất Khác

Bảng 1- 6: Quốc lộ phân theo cấp kỹ thuật và địa hình năm 2006 (nguồn Cục đường bộ)

Chiều dài (km) Đồng bằng Vùng núi Cộng

Chiều dài của các tuyến quốc lộ và tỉnh lộ là không nhiều trong tổng chiều dài của hệ thống đường bộ, nhưng số vụ tai nạn giao thông xảy ra trên những tuyến đường này chiếm khoảng 44% và 15,4% trong năm 2006 Tỷ lệ người chết do tai nạn giao thông cao xảy ra không chỉ ở thành phố mà còn ở cả các tuyến đường tỉnh và địa phương

Mạng lưới giao thông thành phố Hồ Chí Minh bao gồm các trục quốc lộ do trung ương quản lý và các đường liên tỉnh, đường nội đô do thành phố quản lý Toàn thành phố có 1976 con đường với tổng chiều dài là 2222 km Tổng diện tích là 8.9 triệu m 2 , mật độ trung bình là 0.97 km/km 2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

1.2.1 An toàn giao thông đường bộ cả nước và thành phố Hồ Chí Minh

Hiện nay đã có nhiều biện pháp bảo đảm an toàn giao thông, nhƣng tai nạn giao thông và tình trạng ùn tắc giao thông vẫn tăng và ngày càng nghiêm trọng Hàng năm số người chết và bị thương hàng chục nghìn người, g y thiệt hại lớn về vật chất, ảnh hưởng không nhỏ đến phát triển kinh tế, thu h t đầu tư nước ngoài, an sinh xã hội và để lại hậu quả xấu, l u dài cho nhiều gia đình và xã hội

Trong 5 tháng đầu năm 2009, trên địa bàn cả nước đã xảy ra 5183 vụ tai nạn giao thông, làm chết 4842 người và làm bị thương 3321 người So với cùng kỳ năm

2008, số vụ tai nạn giao thông giảm 4,8 %, số người chết giảm 2,6%, số người bị thương giảm 5,6% Bình qu n 1 ngày trong 5 tháng đầu năm 2009, cả nước xảy ra

34 vụ tai nạn giao thông, làm chết 32 người và làm bị thương 22 người

Tại TP.Hồ Chí Minh, 6 tháng đầu năm 2009, toàn thành phố xảy ra 574 vụ tai nạn giao thông làm chết 452 người và bị thương 262 người Trên địa bàn TP Hồ Chí Minh, trung bình có 3 người chết và 2 người bị thương mỗi ngày

So với cùng kì năm 2008, số vụ tai nạn giao thông tăng 44 vụ chiếm 8,3%, trong đó, đáng ch ý là số người bị thương tăng 88 người chiếm tới hơn 50% Tai nạn giao thông từ đầu năm 2009 đến nay đã xảy ra 561 vụ chiếm tới gần 98% tổng số vụ tai nạn xảy ra ở thành phố

Trong 2 tháng đầu năm 2010, cả nước xảy ra 2.520 vụ tai nạn giao thông, làm chết 2.072 người và làm bị thương 1.978 người So với 2 tháng đầu năm 2009, số vụ tai nạn giao thông tăng 16,5%; số người chết tăng 1,3%; số người bị thương tăng 38,9% Bình qu n một ngày trong 2 tháng đầu năm nay, trên địa bàn cả nước xảy ra

43 vụ tai nạn giao thông, làm chết 35 người và làm bị thương 34 người So với cùng kỳ năm 2009, số vụ tai nạn giao thông bình qu n một ngày tăng 7 vụ; số người chết tăng 1 người và số người bị thương tăng 10 người

Tai nạn giao thông là một hiện tƣợng xảy ra ngẫu nhiên, tai nạn giao thông chỉ không xảy ra khi không có giao thông Các yếu tố g y ra tai nạn giao thông bao gồm:

- Người tham gia giao thông (người trực tiếp điều khiển phương tiện giao thông)

- Chất lượng của phương tiện giao thông (như hệ thống phanh, đèn tín hiệu, đèn pha, lốp xe …)

- Chất lượng phục vụ của đường ô tô

- Hệ thống pháp quy an toàn giao thông

Bốn yếu tố trên ảnh hưởng trực tiếp đến tình trạng tai nạn giao thông Để hạn chế tai nạn giao thông, một trong các giải pháp là n ng cao chất lƣợng phục vụ đường thông qua các giải pháp kỹ thuật về độ nhám mặt đường

1.2.2 Một số công trình nghiên cứu về độ nhám mặt đường

Một trong các biện pháp n ng cao chất lƣợng an toàn giao thông là đảm bảo độ nhám của mặt đường Độ nhám của mặt đường không tương ứng với tốc độ thiết kế là một trong những nguyên nh n g y ra tai nạn giao thông Kết quả phân tích cho thấy ngoài các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng an toàn giao thông như yếu tố hình học, ph n luồng giao thông và tình trạng của mặt đường thì ít nhất khoảng 35% tai nạn xảy ra một phần do đường không đảm bảo độ nhám Theo bản báo cáo và phân tích về an toàn giao thông của Maryland State Highway Administration có khoảng 18% vụ tai nạn chết người và 24.3% tai nạn xảy ra khi mặt đường ẩm ướt (MDSHA, 2002) Độ nhám tốt của mặt đường ẩm ướt là một trong những yếu tố đảm bảo an toàn xe chạy trên đường cao tốc Theo tổ chức giám sát đường ô tô ở

Mỹ, độ nhám được định nghĩa là "yếu tố tạo ra lực cản do tiếp x c giữa mặt đường và lốp xe trong điều kiện bánh xe bị hãm cứng" (ASTM E-17) Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy có mối quan hệ trực tiếp giữa tai nạn và độ nhám trên đường Các nghiên cứu đã dẫn đến kết luận chung: nguy cơ tai nạn sẽ giảm nếu mặt đường

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM đảm bảo độ nhám (AUSTROADS, 2004)

Bảng 1-7: Tai nạn tăng do mặt đường thiếu độ nhám

Trạng thái mặt đường Anh Mỹ Liên Xô CHLB Đức

Số tai nạn do mặt đường thiếu độ nhám, %

Bẩn do dầu mỡ rơi rớt

Bảng 1-8: Bảng kết quả xử lý đo độ nhám bằng con lắc nh

Trị số trung bình BPN

Sai số quân phương,  Độ lệch tiêu chuẩn BPN 95%

Các kết quả đo thực nghiệm độ nhám bằng thiết bị con lắc nh để xác định độ nhám và chất lượng khai thác của các mặt đường hiện hữu trên 9 đường phố chính của Thành phố Hồ Chí Minh trong bảng [1-8], đƣa ra những nhận xét sau:

Mục đích của việc nghiên cứu đề tài

Một số công trình nghiên cứu về độ nhám mặt đường

Một trong các biện pháp n ng cao chất lƣợng an toàn giao thông là đảm bảo độ nhám của mặt đường Độ nhám của mặt đường không tương ứng với tốc độ thiết kế là một trong những nguyên nh n g y ra tai nạn giao thông Kết quả phân tích cho thấy ngoài các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng an toàn giao thông như yếu tố hình học, ph n luồng giao thông và tình trạng của mặt đường thì ít nhất khoảng 35% tai nạn xảy ra một phần do đường không đảm bảo độ nhám Theo bản báo cáo và phân tích về an toàn giao thông của Maryland State Highway Administration có khoảng 18% vụ tai nạn chết người và 24.3% tai nạn xảy ra khi mặt đường ẩm ướt (MDSHA, 2002) Độ nhám tốt của mặt đường ẩm ướt là một trong những yếu tố đảm bảo an toàn xe chạy trên đường cao tốc Theo tổ chức giám sát đường ô tô ở

Mỹ, độ nhám được định nghĩa là "yếu tố tạo ra lực cản do tiếp x c giữa mặt đường và lốp xe trong điều kiện bánh xe bị hãm cứng" (ASTM E-17) Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy có mối quan hệ trực tiếp giữa tai nạn và độ nhám trên đường Các nghiên cứu đã dẫn đến kết luận chung: nguy cơ tai nạn sẽ giảm nếu mặt đường

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM đảm bảo độ nhám (AUSTROADS, 2004)

Bảng 1-7: Tai nạn tăng do mặt đường thiếu độ nhám

Trạng thái mặt đường Anh Mỹ Liên Xô CHLB Đức

Số tai nạn do mặt đường thiếu độ nhám, %

Bẩn do dầu mỡ rơi rớt

Bảng 1-8: Bảng kết quả xử lý đo độ nhám bằng con lắc nh

Trị số trung bình BPN

Sai số quân phương,  Độ lệch tiêu chuẩn BPN 95%

Các kết quả đo thực nghiệm độ nhám bằng thiết bị con lắc nh để xác định độ nhám và chất lượng khai thác của các mặt đường hiện hữu trên 9 đường phố chính của Thành phố Hồ Chí Minh trong bảng [1-8], đƣa ra những nhận xét sau:

- Trị số kháng trƣợt trung bình BPN (với độ tin cậy 95%) đo đƣợc tại các đoạn lựa chọn điển hình của 9 tuyến phố chỉ đạt BPN95% = 39 – 41 Các trị số này đều nhỏ hơn giá trị BPN tối thiểu yêu cầu (BPN min = 45) theo bảng quy định đánh giá chất lượng Như vậy, có thể nói rằng độ nhám của các mặt đường trên là chƣa bảo đảm

- Ph n tích các số liệu cho thấy, với các đường mới cải tạo n ng cấp, trị số kháng trượt đạt được BPN = 40 – 41 nhưng với các đường đã khai thác trước vài năm thì BPN = 38 – 39 Trị số BPN cũng thay đổi theo bề rộng phần xe chạy; phụ thuộc vào loại xe và lưu lượng xe chạy theo từng làn xe, mà trị số BPN của mỗi làn xe khác nhau và chênh lệch nhau BPN = 1 – 2 Thường thì làn xe tải có trị số BPN thấp hơn so với làn xe dành cho xe con và xe máy Các trị số BPN đo được theo hai chiều của 1 tuyến đường cũng khác nhau Điều này chứng tỏ làn xe nào mặt đường chịu tải trọng nặng và lưu lượng xe chạy cao thì độ mài mòn mặt đường cũng nhanh hơn và có độ nhám kém hơn

- Từ quan hệ giữa hệ số bám và tốc độ dòng xe cho thấy hệ số bám của mặt đường tại các đường phố chính của Thành phố Hồ Chí Minh chỉ bảo đảm yêu cầu khi mặt đường ở trạng thái khô, sạch và tốc độ xe chạy trên đường V 50km/h

- Tính toán chiều dài hãm xe S h theo công thức thực nghiệm sau:

 d : độ nhám theo phương dọc, [-]

Theo công thức trên thì với tốc độ dòng xe chạy trên các đường phố chính của thành phố hiện nay V d = 35 – 40 km/h (tạp chí GTVT tháng 11/2005) chiều dài hãm xe an toàn tối thiểu, Sh,min  32m, trong khi thực tế xe chạy trong dòng chỉ đi cách nhau với khoảng cách nhỏ (thông thường là 10 – 20m, không kể giờ cao điểm) Do vậy, khả năng mất an toàn giao thông rất dễ xảy ra khi một xe đi trước gặp sự cố phải hãm xe đột ngột

Mục đích chính của việc thử nghiệm độ nhám mặt đường nhằm để giảm tai nạn do bánh xe bị trƣợt Theo Kennedy, Young, và Butler (1990) nếu cải thiện 10% mức trung bình của độ nhám có thể giảm 13% tỷ lệ tai nạn do mặt đường ẩm ướt và trơn trƣợt Vì vậy, việc kiểm tra độ nhám là một phần của quy trình quản lý mặt đường Tuy nhiên, độ nhám mặt đường bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: nhiệt độ, lượng mưa, các yếu tố môi trường, cũng như lưu lượng xe chạy Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng độ nhám mặt đường gi p cho công tác quản lý an toàn giao thông tốt hơn

Hall và đồng nghiệp (2006) ph n loại các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường như sau:

- Đặc tính bề mặt mặt đường (ví dụ như độ nhám vi mô và độ nhám vĩ mô)

- Chất lượng giao thông (ví dụ như tốc độ, lưu lượng xe chạy)

- Môi trường (ví dụ như khí hậu, gió, nhiệt độ và chất ô nhiễm).

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này tập trung vào hai vấn đề chính: (i) nghiên cứu sự biến thiên của độ nhám mặt đường bê tông nhựa khi thay đổi nhiệt độ mặt đường, tải trọng của xe chạy trên các làn xe B, C, D, E, FC trong trung tâm sát hạch lái xe Trường Cao đẳng Giao thông vận tải (ii)Nghiên cứu sự biến thiên của độ nhám mặt đường bê tông nhựa qua các mùa qua việc tham khảo số liệu độ nhám đo đƣợc hàng tháng bằng thiết bị DFTester.

Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài

Ở Việt Nam, vấn đề ảnh hưởng của yếu tố thời tiết thay đổi theo mùa, đến độ nhám mặt đường chỉ ở mức độ là các bài báo về tai nạn giao thông vào mùa mưa, các cảnh báo an toàn giao thông vào mùa mưa do đường trơn Tuy nhiên, vấn đề này chưa có nghiên cứu nào được thực hiện trong nước Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là xác định sự ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ trong việc đo độ nhám của bề mặt bê tông nhựa nóng atphalt (HM ) trên các mẫu thí nghiệm đƣợc lấy trên quốc lộ 1 , đoạn từ Ngã tƣ Ga đến Cầu vƣợt Bình Phước Sự thay đổi của thời tiết có ảnh hưởng đến độ nhám của mặt đường ô tô, điều này quan trọng để hiệu chỉnh các phép đo độ nhám vào các thời điểm đo khác Từ đó, đánh giá sự thay đổi của nhiệt độ, sự cần thiết để điều chỉnh độ nhám phù hợp với vận tốc xe chạy thiết kế trong điều kiện thời tiết bất lợi Việc thử nghiệm sự thay đổi độ nhám được tiến hành trên các đường sát hạch lái xe của trường Cao đẳng giao thông vận tải Tp HCM nhằm nghiên cứu các yếu tố tác động đến độ nhám như lưu lượng xe, tải trọng xe.

LÝ THUYẾT Đ NHÁM MẶT ĐƢ NG Ô TÔ

Khái niệm độ nhám

Khi xe ô tô chạy trên đường, độ nhám mặt đường cung cấp lực bám cần thiết để thay đổi tốc độ và hướng đi của xe Nếu độ nhám không đủ, các lốp xe sẽ trượt và sau đó làm người lái xe mất tay lái

Tính chất mặt đường là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám, đặc biệt trong điều kiện mặt đường ẩm ướt

Tính chất độ nhám mặt đường ô tô

Lực do xe tăng tốc, phanh và vào cua đƣợc truyền đi giữa các lốp xe với mặt đường do ma sát Lực ma sát tối đa phụ thuộc vào các đặc tính của lốp, bề mặt mặt đường và sự hiện diện của các chất trên diện tích tiếp x c giữa lốp và bề mặt mặt đường (Lamm và cộng sự, 1999) Tính chất mặt đường đảm bảo việc tiếp x c với lốp tốt nhất, bao gồm ma sát ướt, bắn nước và bụi nước, lực cản lăn và sự hao mòn lốp Bề mặt của một con đường có thể được xem xét từ một số quan điểm như minh họa trong hình [2-1] và [2-2], mô tả các bước sóng của cấu tr c bề mặt, các yếu tố ảnh hưởng đến bước sóng và nguy cơ ảnh hưởng đến người sử dụng đường

Lay (1998) đã đưa ra các tóm tắt sau đ y, mô tả quy mô và phổ bước sóng của cấu tr c mặt đường, liên quan đến đặc điểm bề mặt, từ kích thước lớn nhất đến nhỏ nhất:

• Độ ghồ ghề phản ánh những mấp mô theo mặt cắt dọc của mặt đường với bước sóng có biên độ đặc trưng ảnh hưởng đến đặc tính động lực của xe, chất lượng chạy xe, điều kiện thoát nước và g y ra tải trọng tác động lên đường, người lái xe có thể cảm nhận được độ ghồ ghề khi lái xe đi qua (Có bước sóng ≥500mm)

• “Chỗ lồi lõm” là vị trí bị gấp đùn nhựa và đứt gãy (Có bước sóng từ 5 - 500mm)

• “Độ nhám vĩ mô” là đặc tính bề mặt mặt đường mà một người đang đứng hoặc ngồi xổm trên mặt đường có thể cảm nhận được Đó là hình ảnh của mặt đường được quan sát bằng mắt thường và bao gồm các cốt liệu riêng biệt “Độ nhám vĩ mô” có thể cảm nhận bằng bàn tay con người (bước sóng từ 0,5 - 50mm và chiều s u kết cấu thông thường từ 0,2 - 3mm)

• “Độ nhám vi mô” là đặc tính bề mặt có thể cảm nhận đƣợc bằng cách sử dụng một kính l p hay ngón tay để phát hiện sự thô ráp của bề mặt tiếp x c Kết cấu này có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 mm (được đánh giá bằng kính hiển vi điện tử)

Hình 2-1: Phổ bước sóng bề mặt mặt đường, từ Husches (1990) nguồn Lay (1998)

Hình 2-2: Minh họa các phạm vi kết cấu mặt đường (Sandberg, 1999)

Sandberg (1999) minh họa các phạm vi kết cấu trong mặt cắt dọc của mặt đường Điều này được thể hiện trong hình [2-2] Độ độ ghồ ghề và cấu tr c bề mặt lồi lõm là yếu tố quan trọng khi đánh giá kết cấu mặt đường hư hỏng Độ nhám vi mô đƣợc định nghĩa là biên độ sai lệch theo mặt phẳng ngang, bề mặt có bước sóng ≤ 0,5 mm theo chiều dài và chiều s u Đ y là bề mặt không đều đƣợc đo đến đơn vị micro của độ nhám Kết cấu trong phạm vi này phụ thuộc cấu tr c tinh thể của cốt liệu khoáng vật (đá) ở các lớp trên của vật liệu bề mặt, tiếp x c trực tiếp với khí hậu và tải trọng xe chạy (Rogers & Gargett, 1991) Độ nhám vi mô bị ảnh hưởng bởi các hạt mịn (như cát trong bê tông nhựa và bê tông xi măng)

Vụ quản lý đường cao tốc nh (2001) đã đề cập đến phạm vi cần thiết của độ nhám vi mô trên toàn bộ bề mặt là yếu tố chính để chống trượt và ảnh hưởng chính trong việc xác định độ nhám ở tốc độ thấp Hình [2.3] thể hiện chi tiết cấu trúc độ nhám vi mô và vĩ mô của bề mặt mặt đường theo độ s u và độ dài Độ nhám vi mô Độ nhám vĩ mô

Hướng xe chạy Độ ghồ ghề

Cấu tr c cốt liệu lớn

Vùng lốp xe tiếp x c mặt đường

Bề mặt cốt liệu nhỏ Mặt cắt dọc đường

Hình 2-3: Độ nhám vi mô và độ nhám vĩ mô (Highways Agency, 2001) Độ nhám vĩ mô là "dạng kết cấu thô hình thành bởi hình dạng và không gian giữa các cốt liệu đá hoặc các rãnh trên bề mặt mặt đường" (P Roe và cộng sự, 1998) Độ nhám vĩ mô là cấu tr c mặt đường được đo bằng mm, được định nghĩa là biên độ chênh lệch so với mặt phẳng, với các bước sóng trong khoảng từ 0,5 - 50mm (PIARC (2003) và Austroads (2005)) Độ nhám vĩ mô đƣợc mô tả trong hình [2-3] là các hạt cốt liệu thô ở mặt đường và kích thước cốt liệu nhỏ trên bề mặt bê tông nhựa Nó có thể tăng bằng cách tạo các rãnh theo thiết kế sản xuất hỗn hợp bê tông xi măng và bê tông nhựa Độ nhám vĩ mô yêu cầu đối với mặt đường lớn hơn 0.8mm (PI RC, Hiệp hội đường thế giới, 2003) vì nó cung cấp các kênh thoát nước trong điều kiện mặt đường ẩm ướt, cho nước thoát ra từ vị trí tiếp x c giữa lốp và mặt đường và gây ra biến dạng các gai của lốp xe, từ đó tạo ra hiệu ứng trễ Các kênh thoát nước càng lớn càng làm giảm màng nước được tạo ra từ bề mặt đường, điều này đảm bảo tầm nhìn lái xe an toàn trong điều kiện mặt đường ẩm ướt Độ nhám vĩ mô có hai hình thức (Jellie, 2003), thể hiện ở dạng lý tưởng hoá trong hình [2-4]: Độ s u độ nhám vi mô Độ dài độ nhám vi mô Độ s u độ nhám vĩ mô Độ nhám vi mô Đá Độ s u độ nhám vĩ mô Bước sóng độ nhám vĩ mô

Bước sóng độ ghồ ghề mặt đường

• Độ nhám vĩ mô “dương” được hình thành bởi các hạt cốt liệu nhô ra trên bề mặt Thông thường, kết cấu được hình thành do các cốt liệu đá dăm và chúng đƣợc ép vào một bề mặt nhẵn

• Độ nhám vĩ mô “âm” đƣợc hình thành bởi khoảng trống giữa bề mặt các hạt cốt liệu trên mặt đường Ví dụ: Độ nhám vĩ mô âm ở bề mặt bê tông nhựa rỗng và Stone Mastic sphalt (SM )

Hình 2-4: Độ nhám vĩ mô “dương” và “ m” (Walsh, 2000)

Ngoài ra để mô tả các hình thức kết cấu trong mặt cắt dọc và ngang đường (cấu tr c dương hay âm), cấu tr c bên trong của lớp mặt của mặt đường có thể được mô tả nhƣ sau:

• Rỗng, cho phép nước đi qua lớp bề mặt

• Không thấm nước, ngăn ngừa sự x m nhập hay dòng chảy của nước qua các kết cấu

• Lỗ rỗng dưới bề mặt, cho phép nước chảy qua kết cấu, nhưng ngăn chặn sự x m nhập của nước xuống các lớp bên dưới, ví dụ Stone Mastic Asphalt (SMA) Độ nhám vĩ mô “dương” Độ nhám vĩ mô “ m” Độ nhám vi mô Độ nhám vĩ mô

Nhiều độ nhám vĩ mô không đƣợc sử dụng vì nó gây ra lực cản lớn hơn lực cản lăn, do đó phải dùng lốp lớn hơn và g y ra tiếng ồn lớn Vì vậy việc sử dụng độ nhám vĩ mô bị hạn chế sử dụng ở các khu vực đô thị

Kwang HJ G và J Morosiuk Emby (1992) nghiên cứu mười giá trị trung bình để mô tả độ nhám cho 27 vị trí của bề mặt ẩm ƣớt ở Malaysia Bảng [2.1] cho kết quả:

Bảng 2-1: Kết quả đo độ nhám mặt đường trong điều kiện ẩm ướt (H J Kwang và đồng nghiệp, 1992)

Vị trí Sức kháng trƣợt (BPN)

Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình

Điều kiện đủ để xe chuyển động theo lực bám giữa bánh xe và mặt đường

Lực kéo Fk ở bánh xe chủ động của xe ô tô chỉ phát huy tác dụng làm xe chuyển động khi lực bám giữa bánh xe với mặt đường đủ lớn

Tỷ số giữa lực kéo lớn nhất F k,max và tải trọng thẳng đứng trên áo đường của bánh xe chủ động Gk lớn hơn một giá trị nào đó sẽ g y ra hiện tƣợng bánh xe chủ động quay mà xe không chuyển động Người ta đặt giá trị đó là độ nhám, ký hiệu bởi chữ 

G k , [-] (2.1) Giá trị của độ nhám  phụ thuộc vào loại, tình trạng áo đường và cấu tạo bề mặt của lốp xe ô tô

Do cấu tạo bề mặt của lốp xe ô tô theo phương ngang và phương dọc khác

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM nhau, nên độ nhám theo phương ngang (n) và theo phương dọc (d) cũng khác nhau

Khi xét đến điều kiện ổn định của xe chuyển động trong các đoạn đường vòng có bán kính nhỏ phải xét theo độ nhám ngang ( n )

Khi xét tới khả năng khởi hành của xe ô tô và xác định chiều dài đoạn đường hãm phanh gấp của xe ô tô, phải xét theo độ nhám dọc ( d )

Khi tốc độ xe chạy V = 60 Km/h, độ nhám dọc ( d ) phụ thuộc vào trạng thái của bề mặt áo đường

Bảng 2-2: Giá trị của ( d ) tùy vào loại áo đường Áo đường Giá trị ( d )

Nhám và khô 0.7 và lớn hơn Ít nhám và khô 0.6 Ẩm ƣớt 0.5

Bảng 2-3: Độ nhám yêu cầu ( d ) cho các đoạn đường Điều kiện chuyển động Đặc trưng các đoạn đường Trị số  d tối thiểu

Thuận tiện Đoạn đường thẳng, đường vòng có bán kính lớn hơn 1000m, độ dốc dọc nhỏ hơn 30 0 / 00 , lề đường có gia cố, không giao cắt đồng mức với đường ô tô khác và lưu lượng xe chạy nhỏ

Khó khăn Đoạn đường vòng có bán kính từ 250 - 1000m, độ dốc dọc từ 30 0 / 00 đến 60 0 / 00 , đường có lưu lượng xe chạy trung bình

Nguy hiểm Đoạn đường không đảm bảo tầm nhìn, độ dốc dọc lớn hơn độ dốc dọc tính toán, vùng n t giao thông cùng mức Đường có lưu lượng xe chạy cao

0.6 Điều kiện để bánh xe không bị trƣợt: F k G k * F k G k + d [-] (2.2)

D m d P G w [-] (2.4) Đ y chính là điều kiện đủ để xe chuyển động Trong đó: m - là hệ số ph n bố tải trọng lên bánh xe chủ động m = 0.5 – 0.55 đối với xe con m = 1 khi tất cả các bánh xe đều là bánh xe chủ động

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM Điều kiện đủ để xe chuyển động trên đường ô tô: f i D m d P G w [-] (2.5) Điều kiện này đƣợc dùng để xác định độ dốc dọc lớn nhất của một loại xe ứng với vận tốc xe chạy đã biết hoặc trong trường hợp cần tìm một phương tiện vận chuyển một thiết bị đặc biệt trên đoạn đường hiện hữu.

Nguyên tắc cơ bản của ma sát giữa bánh xe với mặt đường

Ma sát mặt đường là lực để chống lại chuyển động tương đối giữa các lốp xe và mặt đường Lực ma sát được tạo ra khi các bánh xe quay hoặc trượt trên bề mặt mặt đường (Li và cộng sự, 2004)

Ma sát giữa bánh xe và mặt đường luôn có hai thành phần chính: bám dính và hiệu ứng trễ, cả hai đều liên quan đến tốc độ Đ y là những quy định của Cơ quan quản lý đường cao tốc nh (2001), Oliver (2003) và được tóm tắt như sau:

• Độ bám dính - là độ bám giữa lốp và mặt đường với giá trị được xác định bởi tính chất bề mặt của các vật liệu tiếp x c Độ bám dính đƣợc tạo ra do hình thành các liên kết hóa học giữa lốp cao su và cốt liệu mặt đường

• Hiệu ứng trễ - là hiện tƣợng mất năng lƣợng g y ra bởi sự biến dạng của lốp cao su do cốt liệu nhô ra trên mặt đường

Những thành phần của độ bám dính và hiệu ứng trễ đƣợc minh họa trong hình [2-5] Độ bám dính là kết quả của liên kết ph n tử đƣợc hình thành ở các khu vực cục bộ của lốp xe có áp lực cao Hiệu ứng trễ là do biến dạng của lốp cao su khi tiếp x c với bề mặt mặt đường Cao su bị nén khi lốp xe tiếp cận bề mặt lồi, sau đó giải nén khi nó di chuyển Điều này tạo ra lực làm giảm tốc độ lên lốp và năng lƣợng bị mất dưới dạng nhiệt và tiếng ồn Độ nhám vi mô (microtexture) của cốt liệu ảnh hưởng kết dính trong khi độ nhám vĩ mô (macrotexture) của bề mặt mặt đường ảnh hưởng hiệu ứng trễ Lốp cao su là loại vật liệu có khả năng đàn hồi, biến dạng gần như hoàn toàn phục hồi, trong khi bề mặt mặt đường là vật liệu rắn và không bị biến dạng (Jellie, 2003)

Hình 2-5: Cơ chế độ bám dính và hiệu ứng trễ

Cao su đƣợc sử dụng làm lốp xe ô tô, đ y là loại vật liệu nhớt - đàn hồi, ma sát giữa lốp - mặt đường không tu n theo quy tắc của ma sát Ma sát giữa lốp và bề mặt cứng không phải là một hằng số và phụ thuộc nhiều vào áp suất lốp, nhiệt độ và vận tốc Hình [2-6] mô tả các lực ma sát là kết quả của hai thành phần chính thể hiện trong công thức [2.6] (Meyer và Kummer, 1967):

F a - thành phần lực bám của ma sát giữa bánh xe với mặt đường, daN

F h - thành phần lực trễ do sự giảm xóc trong cao su, daN

Vùng nén Cốt liệu đá

(liên kết hiệu ứng trễ) (biến dạng do ma sát)

(a) Lực tác dụng lên bánh xe

(b) Thành phần của lực ma sát Hình 2-6: Độ bám giữa bánh xe với mặt đường

Khi bề mặt mặt đường khô ráo và mịn, lực bám là thành phần chính của lực ma sát tổng Lực bám đƣợc tạo ra do liên kết ph n tử giữa bề mặt lốp cao su với mặt đường (Li và cộng sự, 2004) Trên mặt đường ẩm ướt, sự tiếp x c giữa các lốp xe và mặt đường bị ảnh hưởng do lớp nước trên mặt đường Trong điều kiện này, độ nhám vĩ mô (macrotexture) tạo kênh cho nước thoát ra nhanh chóng tại vị trí tiếp x c giữa lốp xe - mặt đường Sự thoát nước làm gia tăng sự tiếp x c giữa lốp xe và mặt đường và giảm khả năng xảy ra hiện tượng nêm nước (Flintsch và cộng sự, 2003) Lốp xe l n xuống tạo sự liên tục của biến dạng nén và hồi phục Trong giai đoạn nén, năng lượng biến dạng được thể hiện dưới dạng cọ xát mặt lốp Trong

Lực bám giai đoạn phục hồi, một phần của năng lƣợng sẽ đƣợc phục hồi và một phần của năng lƣợng sẽ bị mất ở dạng nhiệt (Li và cộng sự, 2004).

Tính chất mặt đường

Tính chất mặt đường ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường Tính chất mặt đường bao gồm sự kết hợp khác nhau của hỗn hợp vật liệu x y dựng đường Tính chất mặt đường bị ảnh hưởng bởi kết cấu vật liệu x y dựng đường, kỹ thuật hoàn thiện mặt đường và các yếu tố khác

Tính chất mặt đường ảnh hưởng đến sự tương tác giữa bánh xe – mặt đường Hình [2.7] của Hiệp hội đường thế giới (PI RC) minh họa về ph n loại đặc điểm độ nhám mặt đường

Hình 2-7: Ph n loại đặc điểm độ nhám mặt đường

T ín h ch ất m ặt đ ƣ ờn g ô tô P hâ n lo ại

Sức cản lăn Độ nhám mặt đường ẩm ướt Độ nhám trong điều kiện khô

Bắn nước và bụi nước

Bề mặt xe chạy Tiếng ồn xe chạy

Tiếng ồn do tiếp x c lốp xe và mặt đường

Hai thành phần chính của độ nhám mặt đường ảnh hưởng đến ma sát là độ nhám vi mô (microtexture) (có bước sóng của 1 m - 0,5 mm) và độ nhám vĩ mô (macrotexture) (có bước sóng từ 0,5 mm - 50 mm) Độ nhám vĩ mô cao thường làm giảm khả năng tạo nêm nước, tăng sự tiếp x c giữa bề mặt lốp xe - mặt đường và tăng độ nhám cho xe chạy với tốc độ cao Độ nhám vi mô có ảnh hưởng nhiều hơn đối với lực ma sát ở tốc độ thấp Các thành phần kết dính của ma sát giữa lốp xe - mặt đường có liên quan chủ yếu đối với độ nhám vi mô, trong khi hiện tượng trễ chủ yếu là liên quan đến độ nhám vĩ mô Khi độ s u cấu trúc bề mặt tăng, các lực bám giảm (vì diện tích tiếp x c giảm) và các thành phần lực trễ tăng Độ nhám vi mô tốt thường cung cấp điều kiện cần thiết để xe dừng lại trên mặt đường khô Ở tốc độ cao (lớn hơn 80 km / giờ) trên mặt đường ẩm ướt độ nhám vĩ mô tốt cho phép tạo dòng chảy của nước và gi p giảm thiểu hiện tượng nêm nước Khi hiện tượng nêm nước xảy ra, toàn bộ tiếp x c của lốp với mặt đường bị tách ra bằng một lớp nước Kết quả sự tiếp x c với bề mặt mặt đường bị mất và quá trình ma sát là bị ảnh hưởng (Caltrans, 2007) Độ nhám vĩ mô và độ nhám vi mô tốt là cần thiết để hình thành ma sát trên mặt đường ướt ở mọi tốc độ (Flintsch và đồng nghiệp, 2003.).

Chỉ số ma sát và mô hình

Chỉ số ma sát đƣợc giới thiệu vào năm 1965 để thay thế cho hệ số ma sát STM bắt đầu việc sử dụng hệ số trƣợt nhƣ là một chỉ số ma sát ( STM E-274) Hiệp hội giao thông Mỹ American Association of State Highway and Transportation Officials ( SHTO), thông qua các phương pháp thử nghiệm ASTM E-274-97 và thay đổi các thuật ngữ từ hệ số trƣợt sang hệ số ma sát, trong tiêu chuẩn SHTO T 242 Đầu những năm 1990 PI RC phát triển Chỉ số ma sát quốc tế (IFI) dựa trên một số nghiên cứu thực hiện ở một số nước

Ma sát mặt đường phụ thuộc nhiều vào tốc độ thử nghiệm Vì vậy, để so sánh tính chất ma sát phải sử dụng các thiết bị và tốc độ khác nhau, điều này cần thiết để đo ma sát ít nhất ở hai tốc độ khác nhau hoặc để đo tính chất bề mặt khác nhƣ độ nhám vĩ mô (macrotexture) Mô hình để mô tả mối quan hệ giữa ma sát và tốc độ gồm Penn State, Rado, và mô hình chỉ số ma sát quốc tế (IFI)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Pennsylvania (Penn State) đề xuất một trong những mô hình đầu tiên mô tả mối quan hệ giữa ma sát ( ) và tốc độ (V) Leu và Henry (1976) đề xuất mô hình trình bày trình bày trong công thức [2.7]

0 - phần ngăn cản của ma sát ở tốc độ bằng không, [-]

Henry (2000) chỉ ra rằng PNG có liên quan đến độ nhám vĩ mô và 0 có thể đƣợc tính từ độ nhám vi mô

Li và đồng nghiệp (2004) xác nhận rằng công thức [2.7] xác định sự chính xác độ nhám sau khi bánh xe bị hãm cứng

2.5.2 Chỉ số ma sát quốc tế (IFI)

Các thí nghiệm được thực hiện bởi Hiệp hội đường Thế giới (PI RC) ở một số nước để so sánh các kết quả thử nghiệm thu được từ các thiết bị đo ma sát và độ nhám vĩ mô khác nhau Một trong những kết quả của những thí nghiệm này là chỉ số ma sát quốc tế (IFI) Mô hình này là mở rộng một phần mô hình Penn State IFI gồm hai thành phần: hệ số ma sát (F60) và hằng số vận tốc (S p ) Hệ số ma sát (F60) là ma sát mặt đường khi bánh xe bị hãm cứng ở tốc độ 60 km/giờ Hằng số vận tốc (Sp) biểu thị sự phụ thuộc của ma sát vào vận tốc và độ nhám vĩ mô của mặt đường

IFI có thể đƣợc tính toán (theo hệ mét, ASTM E-1960-07) nhƣ sau:

1 Đo lực ma sát mặt đường FR (S) tại tốc độ trượt S (km/h) sử dụng thiết bị đo ma sát trên mặt đường, bằng cách sử dụng thiết bị đo tính chất mặt đường (ví dụ, MPD theo STM E-1845)

2 Tính toán IFI với tốc độ không đổi bằng cách sử dụng MPD (TX) đo bằng thiết bị đo cấu tr c đƣợc chọn theo công thức [2.8]:

S p : hằng số vận tốc, [km/h]

TX – thông số độ nhám vĩ mô đƣợc đo bằng MPD (mm)

3 Chuyển đổi FR (S) ở tốc độ trượt S với ma sát tương ứng tại tốc độ 60 km/h, sử dụng công thức [2.9]:

FR(60) – trị số ma sát FR(S) ở tốc độ trƣợt 60 km/giờ

FR (S) - trị số ma sát ở tốc độ trƣợt S

4 Tính toán số ma sát IFI [F (60)] sử dụng công thức [2.10]:

A, B, C - hệ số điều chỉnh do sử dụng loại thiết bị đo, xác định theo ASTM E-1960-1907, [-]

Giá trị C bằng 0 khi sử dụng lốp trơn để thử nghiệm; tuy nhiên, số hạng (C x TX) cho trường hợp thử nghiệm lốp có g n vì những lốp xe này ít thay đổi với độ nhám vĩ mô, [-] (Wambold và Henry, 1996)

Mô hình này thử nghiệm ma sát từ lúc bánh xe lăn tự do đến lúc bánh bị hãm cứng Ma sát tăng từ không đến một giá trị cao và sau đó ma sát giảm xuống khi bánh xe bị hãm cứng Mô hình (Wambold và Andresen, 1999) theo công thức [2.11]:

- giá trị ma sát cực đại, [-]

S peak - tốc độ trượt cực đại (thường là 15 % tốc độ xe chạy), km/h

C - yếu tố hình học liên quan đến độ thô của kết cấu, [-]

Mô hình Penn State và mô hình Rado kết hợp đƣợc sử dụng để mô phỏng các tình huống dừng lại khẩn cấp Mô hình Rado đƣợc sử dụng cho giai đoạn đầu, từ khi phanh cho đến khi gần dừng lại, mô hình Penn State thích hợp cho giai đoạn sau.

Giới thiệu

Độ nhám bề mặt luôn tồn tại, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố thay đổi Trong thực tế, các yếu tố thay đổi này đƣợc phân thành bốn nhóm tác động chính đến độ nhám mặt đường, thể hiện trong bảng [3-1]:

Bảng 3-1: Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất độ nhám mặt đường

Bề mặt Tải trọng tác động Ảnh hưởng môi trường Ảnh hưởng xe cộ

Tính chất bề mặt cốt liệu Tuổi thọ bề mặt

Chiều dày lớp nước và điều kiện thoát nước

Loại bề mặt (bê tông xi măng, bê tông nhựa, phương pháp thiết kế) Địa hình con đường

Góc xoay của lốp với hướng di chuyển của lốp xe Điều kiện dòng xe Nhiệt độ

- Kết hợp hiệu ứng theo mùa và các yếu tố ngắn hạn

Tất cả các yếu tố trên là nguồn gốc của sự thay đổi trong thử nghiệm độ nhám mặt đường ô tô Một số yếu tố ổn định theo thời gian và ảnh hưởng không đáng kể đến sự thay đổi của thử nghiệm độ nhám, trong khi các yếu tố khác lại ảnh hưởng Trong thực tế, các yếu tố này thường khó để xem xét độc lập, đặc biệt khi các bề mặt đo tiếp x c với một số lượng đáng kể các ảnh hưởng không thể dự đoán trước của môi trường Ở nước ngoài, chỉ có một vài yếu tố được theo dõi thường xuyên trên một số tuyến đường, và rất khó để theo dõi mối liên quan giữa các yếu tố đó.

Quan hệ độ nhám và tốc độ

Độ nhám vĩ mô ảnh hưởng đến độ bám tối đa đạt được ở tốc độ thấp Tuy nhiên, nó còn ảnh hưởng đến độ bám ở tất cả các tốc độ như trong hình [3-1] Việc xác định độ nhám vĩ mô bị giảm khi tăng tốc độ (PI RC - Hiệp hội đường bộ thế giới, 2003) Nó là thông số gia tăng ma sát và tốc độ Hình [3-1] cho thấy các trường hợp của kết cấu mặt đường và mối quan hệ giữa độ nhám vi mô, độ nhám vĩ mô, tốc độ và ma sát Biểu đồ cho thấy khi độ nhám vĩ mô tốt có thể cung cấp đầy đủ ma sát ở tốc độ thấp, độ nhám vi mô và độ nhám vĩ mô tốt cần thiết ở tốc độ cao hơn Độ nhám vĩ mô làm giảm ma sát ẩm ƣớt khi tăng tốc độ xe Mức tối thiểu của độ nhám vĩ mô đƣợc quy định cho hầu hết các quốc gia, trong đó có Cơ quan quản lý giao thông New Zealand (Transit NZ & Roading NZ, 2005) Roe và cộng sự (1998) xác định hệ số ma sát từ các phép đo kéo trƣợt bánh xe bị hãm cứng trong khoảng tốc độ từ 20 km/h đến 130 km/h Chiều s u độ nhám vĩ mô tác động đến lực ma sát bị mất ở tốc độ thấp 50 km/h Điều này cho thấy sự khác biệt của hệ số ma sát giữa các trường hợp B và D ở hình [3-1] từ PI RC (2003)

Hình 3-1: Quan hệ giữa độ nhám vi mô, độ nhám vĩ mô, ma sát và tốc độ (PI RC

Hiệp hội đường bộ thế giới, 2003)

Kết cấu mặt đường ở tốc độ thấp ma sát giảm nhiều hơn các kết cấu mặt đường ở tốc độ cao Tuy nhiên, Cenek và cộng sự (2000) cho rằng điều này không đ ng với thực tế, bởi vì ph n tích dựa trên kết quả thu đƣợc với thử nghiệm lốp xe trơn Cenek và cộng sự (2000) sau đó điều tra hiệu suất phanh của lốp xe trên mặt đường khô và ướt thực tế có cùng hệ số ma sát ở 50 km/h, với các độ nhám khác nhau, để xác định ảnh hưởng này có đáng kể trong điều kiện hoạt động bình thường Sau đó Cenek và cộng sự (2000) kết luận ảnh hưởng của độ nhám ở tốc độ thấp và cao không đ ng với các loại xe trang bị hệ thống chống hãm phanh ( BS) và lốp xe có đủ chiều s u gai Trong điều kiện nhƣ vậy, độ bám ẩm ƣớt không thay đổi với cả hai phạm vi tốc độ (từ 25 đến 100 km/h) và chiều s u độ nhám vĩ mô Dưới bánh xe bị hãm cứng, độ bám ẩm ƣớt giảm với tốc độ tăng nhƣng không nhƣ nghiên cứu trước đó Sự khác biệt trong nghiên cứu do gai lốp cung cấp “thêm” chiều s u độ nhám vĩ mô, ngoài chiều s u độ nhám vĩ mô được cung cấp bởi mặt đường

Vận tốc, (km/h) Đ ộ nh ám m ặt đ ƣ ờn g

Các tính chất của cốt liệu

Cốt liệu đƣợc pha trộn với chất kết dính để hình thành lớp móng, lớp nền, lớp bề mặt, và các cấu tr c hệ thống thoát nước Nguồn gốc cốt liệu bao gồm trầm tích tự nhiên của cát, sỏi, bê tông nghiền, nhựa đường, đá nghiền, và xỉ lò cao Các tính chất quan trọng nhất của cốt liệu được sử dụng để x y dựng đường, Wright (2004) là:

• Kích thước hạt và cấp phối Việc pha trộn của các kích cỡ hạt trong hỗn hợp ảnh hưởng đến mật độ, cường độ và tính chất của các kết cấu mặt đường

• Độ cứng và khả năng chống mài mòn Độ cứng và độ chống mài mòn do tải trọng từ các thiết bị nén chặt, đánh bóng do tác động của xe chạy, và những tác động mài mòn của tải trọng lặp đi lặp lại

• Hình dạng và kết cấu bề mặt hạt Các kích thước hình dạng của kết cấu là rất quan trọng trong việc xác định độ dày của lớp mặt đường hoặc bề mặt, các độ nhám vĩ mô, vi mô và các bề mặt

• Độ bền Kết cấu có khả năng chống sự ảnh hưởng của thời tiết

• Tỷ trọng và hấp thụ Đ y là những đặc tính quan trọng cần thiết cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông xi măng và bê tông nhựa

• Hóa chất ổn định nước Những ảnh hưởng của các thành phần hóa học của các hạt cốt liệu liên quan đến nước

• Mức độ bụi bẩn cho phép Thông số kỹ thuật của cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp bitum yêu cầu các cốt liệu phải sạch, cường độ cao, bền trong tự nhiên và không vƣợt quá mức độ cho phép gồm: hạt thoi dẹt, bụi, đất sét, và các vật liệu khác

3.3.1 Vật liệu đá trong xây dựng mặt đường

Một loạt các loại đá có nguồn gốc núi lửa, trầm tích và biến chất và một số loại đá nh n tạo phù hợp để sử dụng trong bitum Yêu cầu chung cho các loại đá là phải bền (khả năng chịu mài mòn), cường độ cao và trong trường hợp làm lớp mặt và ứng dụng làm lớp tạo nhám, chống lại sự mài mòn của xe chạy Trong hỗn hợp bê tông nhựa, chúng phải thể hiện độ bám dính tốt với các chất liên kết nhựa (Smith

& Collis, 2001) Đầu năm 1935, B.H và R.G Knight nghiên cứu tính chất của các loại đá xây dựng lớp mặt mặt đường đường bộ, bao gồm khoáng vật và sự hình thành cường độ và đặc điểm mài mòn (Smith & Collis, 2001) Tuy nhiên, vật liệu địa phương được sử dụng kinh tế nhất và hiệu quả hơn so với việc nghiên cứu yêu cầu chính xác của việc kết hợp nguyên vật liệu cho một mục đích cụ thể, do:

• Tốn kém chi phí chuyên chở cốt liệu

• Nguy cơ cạn kiệt của một số tài nguyên thiên nhiên

3.3.2 Yêu cầu vật liệu cốt liệu đảm bảo độ nhám cho mặt đường bê tông nhựa

Smith và Collis (2001) tiếp tục xác định những yếu tố kỹ thuật cần thiết của cốt liệu được sử dụng trong mặt đường từ công trình của Hosking (1970), Hartley (1974) và Lees và Kennedy (1975) nhƣ:

• Độ bền: cốt liệu có khả năng chống lại sự phá hoại của tải trọng

• Độ cứng: cốt liệu có khả năng chống mài mòn / tiêu hao

• Độ bền đánh bóng (của bề mặt vật liệu và các bề mặt lớp tạo nhám)

• Độ bền liên kết: cốt liệu có khả năng duy trì độ bám dính với bất kỳ chất kết dính bitum đƣợc sử dụng

• Cốt liệu có khả năng chống lại các hiệu ứng thời tiết ở mặt đường (ví dụ như khả năng chống lại tác động của sương giá, phồng lên và hóa mềm do tác động của nước)

• Cốt liệu có khả năng tăng thêm cường độ và độ cứng của khối trộn do tính chất cường độ và hình học của cốt liệu được hình thành

3.3.3 Sự mài mòn của cốt liệu

Sự mài mòn của cốt liệu mặt đường do tác động của lốp xe chà các mảnh vụn tiếp x c với cốt liệu bề mặt mặt đường Mảnh vụn này là một phần trong vật liệu bị mài mòn từ mặt đường và một phần có nguồn gốc cát tự nhiên, nguyên liệu đất sét và các mảnh vụn nh n tạo do xe vận chuyển vật tư rơi vãi trên mặt đường Các mức độ của hiện tƣợng ăn mòn tỷ lệ thuận với mật độ giao thông và độ mềm của các cốt liệu (Neville, 1974) Hartley (1974) xem xét các đặc điểm quan trọng của đá nhƣ là:

• Độ cứng và tỷ lệ các khoáng chất cứng

• Tỷ lệ, định hướng và ph n phối các khoáng chất bị ph n cắt

• Kích thước hạt, bản chất tự nhiên giữa các hạt

• Khả năng thay đổi tính chất hóa học của các tính chất khoáng vật Theo Neville (1974) mài mòn do giao thông có xu hướng làm mịn các chỗ nhô ra của cốt liệu, giảm góc cạnh và độ nhám vi mô Do đó ứng suất giữa các lốp xe và cốt liệu giảm, làm giảm mức độ kháng trượt Trong trường hợp xấu nhất, độ nhám vĩ mô bị giảm do bào mòn của lớp mặt Bên cạnh đó, còn giảm kháng trƣợt ở tốc độ cao hơn

Các đặc tính mài mòn của cốt liệu đƣợc sắp xếp theo thể loại địa chất và nguồn gốc, tổng hợp trong Bảng [3-2] theo Smith và Collis (2001):

Bảng 3-2: Tính chất của vật liệu ảnh hưởng đến sự thay đổi độ nhám

Loại cốt liệu Tính chất vật liệu ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường Đá lửa Hàm lƣợng silicat tự do cao có khả nămg chống mài mòn tốt hơn các loại đá cơ bản có hàm lƣợng ferromagnesium cao do độ cứng và thiếu sự ph n cắt của thạch anh nguyên thủy;

Phản ứng hóa học ph n hủy thường gia tăng trong việc mài mòn (đặc biệt với mức độ cao do sự thay đổi bên ngoài, điều này có thể phá hủy quan hệ giữa các hạt và cho phép các lõi khó bị "ngắt" từ bề mặt đá hơn);

Lỗ rỗng trong kết cấu làm giảm khả năng chống mài mòn Đá trầm tích Độ cứng thấp và sự ph n cắt của khoáng chất có trong các lớp mới hình thành, đá vôi xốp và Dolomites làm mài mòn nhanh chóng;

Sự mài mòn của đá silic hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất của liên kết giữa các hạt (ví dụ nhƣ đá lửa và thạch anh có sức kháng mài mòn cao, trong khi đá sa thạch vôi dễ bị mài mòn); Đá trầm tích hỗn hợp khoáng sản nhƣ greywacke có tính chống mài mòn kém Đá biến chất Trong số đá biến chất sử dụng trong bề mặt mặt đường, đá gơ nai có đặc điểm tương tự như các loại đá lửa của cùng một khoáng vật trong khi hornfels và quartzites có tính chống mài mòn cao do hàm lƣợng khoáng chất cứng của chúng và kết cấu lồng vào nhau dày đặc

Xỉ thép làm sắt có sức kháng mài mòn cao hơn so với xỉ lò cao

3.3.4 Sự thay đổi độ nhám phụ thuộc vào vật liệu áo đường

Tải trọng xe chạy

Việc đo độ nhám mặt đường của một bề mặt thay đổi tùy theo nhu cầu (tải trọng) đặt trên bề mặt Hầu như tất cả các bề mặt đường mới được x y dựng với cốt liệu nghiền hở có độ nhám cao vì các hạt cốt liệu hở có độ nhám vi mô tốt và hình dáng góc cạnh Tuy nhiên, dưới tác động mài nhẵn của lốp xe, độ nhám vi mô bị giảm, các cạnh mòn và khả năng về độ bám giảm

3.4.1 Lưu lượng giao thông và tuổi thọ mặt đường

Mức độ mà một bề mặt đường bị mài nhẵn trực tiếp liên quan đến lưu lượng giao thông Do đó, mặt cắt ngang của độ nhám trên toàn tuyến đường sẽ cho thấy mức độ thấp hơn trong các vệt bánh xe Độ nhám bề mặt hỗn hợp bitum áo đường mềm và đường bê tông thay đổi với lưu lượng xe chạy đáng kể, đặc biệt là với mật độ giao thông lớn Kennedy và cộng sự (1990) phát biểu rằng:

“Trong điều kiện như nhau, đoạn đường có dòng giao thông cao nhất sẽ có độ bám thấp nhất Dưới tác động của giao thông, một bề mặt mới bị mài nhẵn nhanh chóng cho đến sau khoảng một năm (mặc dù điều này phụ thuộc vào số lượng tương đương với tải trọng trục xe duy nhất, loại bề mặt và cấu tạo địa chất của cốt liệu) nó đạt đến giá trị c n bằng Sau thời gian đó, ngoài sự biến đổi theo mùa, nó vẫn duy trì giá trị cho đến khi bề mặt bị phá hoại hoặc mật độ giao thông thay đổi.”

Rogers và Gargett (1991) phát biểu rằng giao thông nặng có khả năng đánh bóng độ nhám vi mô và tất cả các cốt liệu Lưu lượng giao thông càng cao, càng giảm sức kháng trượt ướt Hình [3-4] cho thấy ảnh hưởng này cho tiêu chuẩn mặt đường nh bao gồm bề mặt nhám phủ nhựa đường (PSV 58-60)

Hình 3-4: Ảnh hưởng lưu lượng giao thông lên độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn đường cao tốc (Rogers & Gargett, 1991)

Trong thực tế, nếu các yếu tố môi trường được loại bỏ, mật độ giao thông nói chung gia tăng mỗi năm, có nghĩa là độ nhám dần dần trở nên thấp hơn Tình trạng đánh bóng của một bề mặt là kết quả từ những tác động đối lập của giao thông và mật độ giao thông (có xu hướng gia tăng tình trạng đánh bóng) và do thời tiết băng giá tác động, sự ẩm ƣớt và khô và nhiệt độ thay đổi Nhƣ vậy, ch ng giảm thiểu tình trạng đánh bóng mặt đường Các hoạt động của giao thông mài mòn hoặc đánh bóng bề mặt mặt đường

Hình [3-5] là một mô hình tổng quát về tình trạng độ nhám suy giảm theo thời gian (Prowell và đồng nghiệp, 2003) Sau khi x y dựng, độ nhám bắt đầu tăng nếu bề mặt cốt liệu đã bị phủ bởi một lớp mỏng bitum Khi lớp mỏng của nhựa đường bị mất đi, các cốt liệu lộ ra, độ nhám vi mô tăng, do đó tăng sức kháng chống trƣợt Hình [3-6] thể hiện hiệu ứng này, cho thấy độ nhám đo trong năm đầu tiên của một bề mặt SM tiếp tục gia tăng độ nhám khi lớp dính mất đi, do để lộ bề mặt cốt liệu Mức độ thay đổi và tốc độ thay đổi của độ nhám sẽ phụ thuộc vào loại vật liệu Đ ộ nh ám m ặt đ ƣ ờn g

Tuổi thọ mặt đường, (năm)

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM bề mặt (Jellie, 2003) Với mặt đường nhựa đá ma tít (SM ), có thời gian chậm hơn do lớp phủ dày hơn kết dính vào cốt liệu Woodward và đồng nghiệp (2002, 2005) đã chứng minh tầm quan trọng của hiệu ứng " SMA hàm lƣợng nhựa cao làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của độ nhám” Họ báo cáo về một loại polymer cải tiến bề mặt Sau bốn năm, cốt liệu vẫn không bị hở, vì vậy độ nhám đo đƣợc vẫn còn thấp Điều này cho thấy các điều kiện giao thông và khí hậu không đủ khả năng để loại bỏ nhựa đường trên bề mặt Trong trường hợp này, các chất kết dính polymer cải tiến là "quá tốt" với thuộc tính đàn hồi và kết dính của nó

Hình 3-5: Mô hình mài bóng mặt đường (Prowell và cộng sự 2003) Đ ộ nh ám m ặt đ ƣ ờn g

Thời gian Độ nhám l c đầu

Giai đoạn mài bóng Giai đoạn c n bằng

>6 triệu tải trọng trục đơn

3.4.2 Các điều kiện về vị trí đường và dòng xe

Hình 3-6: Thay đổi độ nhám theo thời gian (WDH Woodward và đồng nghiệp,

2005) Độ nhám thấp tại các vị trí tập trung các lực ngang Ví dụ nơi thắng xe, tăng tốc hoặc chuyển hướng tại các vị trí rẽ Các độ nhám đo được thấp hơn khoảng 10%, ở các vị trí ở đường thẳng, dòng xe liên tục, lưu lượng thấp (CK Kennedy và cộng sự, 1990)

Những vị trí này mức độ độ nhám giảm, do đó không đảm bảo an toàn xe chạy Ch ng ta biết rằng nguy cơ tai nạn tăng lên khi mức độ bám giảm và nguy cơ tai nạn khác nhau cho các loại đường khác nhau.

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỬ NGHI M Đ NH M MẶT ĐƢ NG TÔ

Đặt vấn đề

Độ nhám giữa bánh xe và mặt đường được đo bằng cách sử dụng các thiết bị khác nhau, bao gồm thiết bị trong phòng thí nghiệm và thiết bị hiện trường Các thiết bị thí nghiệm kiểm tra độ nhám bao gồm thiết bị con lắc nh và các thiết bị kiểm tra độ bám động (DFTester) Các thiết bị này cũng được sử dụng cho trường hợp phép đo tĩnh Thiết bị đo độ nhám hiện trường bao gồm các bánh xe bị khóa, lực bề mặt, cố định trƣợt, và thay đổi độ nhám thử nghiệm Các thiết bị khác nhau mô phỏng các kiểu hoạt động khác nhau Các rơ móc bánh xe bị khóa mô phỏng việc phanh khẩn cấp với điều kiện không có hệ thống phanh chống khóa Các phương pháp cố định và thay đổi sự trượt liên quan đến điều kiện phanh với hệ thống phanh khóa bánh xe Việc thử nghiệm lực bề mặt có liên quan đến sức kháng trượt xảy ra khi chiếc xe thay đổi hướng hoặc c n bằng những ảnh hưởng do độ dốc ngang và gió Một số thiết bị đo độ nhám đƣợc sử dụng trong thực tế sẽ đƣợc thảo luận trong chương này.

Phương pháp bánh xe rơ móc hãm cứng

Rơ móc có bánh bị hãm cứng là thiết bị đo độ nhám đƣợc sử dụng phổ biến ở

Mỹ Nó đo độ bám ổn định, sử dụng bánh xe bị hãm cứng trên mặt đường ẩm ướt, các bánh xe trƣợt ở tốc độ không đổi Thiết bị kiểm tra bánh xe bị hãm cứng đƣợc gắn trên rơ móc của xe kéo Dụng cụ bao gồm một bộ chuyển đổi, thiết bị đo, hệ thống cấp nước, điều khiển việc kiểm tra khóa bánh xe và máy vi tính Trong thời gian thử nghiệm, chiếc xe kéo đạt tốc độ thử nghiệm, nước được chuyển về phía trước của bánh xe thử nghiệm, và hệ thống phanh được kích hoạt để phanh hãm cứng các lốp xe thử nghiệm Kết quả độ nhám giữa lốp xe thử nghiệm và bề mặt mặt đường, lực pháp tuyến, tốc độ của xe thử nghiệm được ghi lại với sự trợ gi p của các thiết bị phù hợp Bánh xe vẫn bị hãm cứng khoảng 1,0 s và dữ liệu đo đƣợc

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM giá trị trung bình Độ nhám của mặt đường được ký hiệu (SN) ( STM E-274-97) Thử nghiệm này cần thiết để mô tả thử nghiệm lốp bị hãm cứng ở một tốc độ quy định ( STM E-274-97) Việc tính toán độ nhám đƣợc mô tả trong công thức [4.1]:

SN - độ nhám mặt đường, [-]

F - lực kéo hay lực ma sát, daN

W- lực pháp tuyến của bánh xe thử nghiệm, daN

Các thử nghiệm ( STM E-274-97) đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng lốp trơn ( STM E-524) hoặc lốp một g n ( STM E-501) Kiểm tra áp suất bánh xe được đặt ở 1,65Mpa Đo độ nhám mặt đường có thể được tiến hành ở các tốc độ khác nhau Tốc độ thử nghiệm tiêu chuẩn là 64 km/h Hình [4-1] cho thấy hai ví dụ của kéo rơ móc bánh xe

Hình 4-1: Ví dụ của ASTM E-274-97 xe rơ móc khóa-bánh xe

Thiết bị này đƣợc thiết lập để phát hiện các giá trị độ nhám cao điểm vì các dữ liệu liên tục đƣợc ghi nhận trong thời gian lốp xe bị hãm cứng Một trong những hạn chế của hệ thống này là nó không đo liên tục và những vị trí ma sát thấp có thể không được đo do chủ quan của người thử nghiệm

Hình 4-2: Chi tiết của hệ thống cung cấp nước

Thử nghiệm sử dụng lốp trơn vì các phép đo độ nhám bằng cách sử dụng loại lốp này nhạy cảm hơn với độ nhám vi mô và độ nhám vĩ mô Ngoài ra, việc dùng lốp trơn có sự tương quan tốt hơn với các tai nạn trên mặt đường ẩm ướt so với lốp có gân Tuy nhiên, một số thử nghiệm không sử dụng lốp trơn, do kết quả đo ma sát mặt đường thấp hơn so với lốp có g n Các lốp tiêu chuẩn có g n thoát nước tốt hơn độ nhám vĩ mô Kết quả các phép đo lốp có gân ít thay đổi đối với bề mặt độ nhám vĩ mô Hơn nữa, khi sử dụng lốp có g n cho thử nghiệm ma sát l c đầu, nếu thay bằng lốp trơn thì dữ liệu không so sánh được với các dữ liệu đo trước đó (Henry, 2000).

Phương pháp đo độ nhám động

Thiết bị đo độ nhám động (DFTester), thể hiện trong hình [4-3], là một thiết bị tĩnh cầm tay được sử dụng trong phòng thí nghiệm và ở hiện trường Các bước kiểm tra đƣợc mô tả trong STM E-1911-1998 Thiết bị bao gồm một đĩa nằm ngang quay trong một mặt phẳng song song với bề mặt kiểm tra Nó có ba miếng đệm cao su bên dưới đĩa Khi đĩa đạt đến một tốc độ tiếp tuyến là 90 km/h, nước đƣợc lan truyền trên bề mặt đĩa thử nghiệm và đƣợc hạ xuống đến bề mặt mặt đường

Hình 4-3: Thiết bị thử nghiệm độ nhám động (DFTester)

Mô-men xoắn đƣợc kiểm soát bởi một bộ chuyển đổi từ lúc tốc độ của đĩa giảm cho đến khi nó dừng lại, đ y là kết quả của độ nhám giữa các bề mặt mặt đường và miếng đệm cao su Thông thường đo độ nhám ghi ở tốc độ 20, 40, 60, và

80 km/giờ Theo nhà sản xuất, thiết bị đo độ nhám động có nhiều ƣu điểm: giá trị đo cung cấp một phổ liên tục của độ nhám chính xác, thực hiện nhanh, thiết bị dễ dàng vận chuyển với thiết kế nhỏ gọn và dễ mang theo, độ nhám ở tốc độ khác nhau được ghi chép và báo cáo Điều này cho phép người đo có thể x y dựng quan hệ vận tốc - độ nhám Nhược điểm của thiết bị ở hiện trường là khi đo phải có kiểm soát giao thông

Ba miếng đệm cao su hoặc thanh trượt được ép xuống mặt đường bởi một lực dọc ở hình [4-4] Các lực ngang đƣợc tạo ra do độ nhám tạo ra mô-men xoắn làm chậm chuyển động quay của đĩa Các hệ số , thay đổi trong tỷ lệ trực tiếp với lực lƣợng ngang (F), có thể xác định đƣợc bằng cách công thức [4.2]:

F - lực ngang, tạo ra ma sát, daN

W - tải trọng không đổi, vuông góc với bề mặt, daN.

Phương pháp đo độ nhám bằng thiết bị CTMeter

Dụng cụ đo tính chất bề mặt vòng tròn (CTMeter) là một thiết bị di động (thể hiện trong hình [4-5]) đƣợc sử dụng để đo độ nhám vĩ mô trong phòng thí nghiệm hoặc ở hiện trường (ASTM E-2157) CTMeter này có thiết bị ngẫu lực laser gắn trên một cánh tay đƣợc quay với chu vi 890 mm CTMeter là một bộ máy gọn nhẹ dùng để đo cấu tr c bề mặt nhanh chóng Mặt nghiêng đƣợc đo trên cùng một chu vi DFTester sử dụng để đo độ nhám Hai độ nhám khác nhau đƣợc tính từ các mặt nghiêng: chiều s u trung bình (MPD) và hệ số trung bình vuông góc (RMS) MPD đại diện cho giá trị trung bình của các đỉnh cao nhất xảy ra trong vòng một phần tám hình [5-6] RMS là một giá trị thống kê mô tả dữ liệu đo từ điều chỉnh tốt nhất của dữ liệu (Flintsch và cộng sự, 2003)

Hình 4-5: Thiết bị đo cấu tr c bề mặt CTMeter

Tốc độ quay Miếng đệm cao su

Hình 4-6: Các ph n đoạn của Circular Texture Meter

CTMeter đƣợc điều khiển bởi một máy tính xách tay, thực hiện các tính toán và lưu trữ các số đo cho mỗi ph n đoạn Sau đó tính toán giá trị trung bình của tám ph n đoạn và trung bình tổng thể cho tất cả các phép đo mặt đường Caltrans (2007) đề nghị sử dụng bình qu n trong tám ph n đoạn để tạo ra một giá trị duy nhất cho mỗi địa điểm thử nghiệm.

Phương pháp thử nghiệm con lắc nh

- Phương pháp này xác định độ nhám của mặt đường phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của mặt đường bằng cách đo độ nhám trung bình của con lắc mang tấm cao su tiêu chuẩn, dao động lắc trượt trên mặt đường

- Phương pháp này mô phỏng độ nhám giữa bánh xe ô tô và mặt đường khi xe chạy với tốc độ 50 km/h, được sử dụng để nghiệm thu mặt đường mới hoặc khi đánh giá chất lượng của đường hiện đang khai thác có lớp phủ mặt là bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng

4.5.2 Nguyên lý làm việc và cấu tạo của thiết bị

Thiết bị đo độ nhám mặt đường kiểu con lắc xách tay có một tấm cao su nằm bên dưới bụng của con lắc Khi dao động trên mặt đường, tấm cao su được một lò xo tì xuống mặt đường một lực đã được định trước và sẽ trượt trên mặt đường với chiều dài đường trượt quy định Theo định luật bảo toàn năng lượng thì độ cao nâng lên của con lắc sau khi trượt trên mặt đường phụ thuộc vào mất mát năng lượng do ma sát trượt của con lắc với mặt đường Bởi vậy, có thể tính được hệ số ma sát trượt ( ) của tấm cao su với mặt đường theo biểu thức sau :

W - là trọng lực của con lắc, daN

H - là chiều cao n ng lên ban đầu của trọng t m con lắc, mm h - là chiều cao nâng lên của con lắc sau khi trượt trên mặt đường, mm

P - Lực tác động trung bình của con lắc xuống mặt phẳng trƣợt, daN

L - Chiều dài đường trượt qui định của con lắc với mặt phẳng trượt, mm Độ nhám của mặt đường đo bằng thiết bị con lắc ( SRT) được xác định theo biểu thức:

Hình 4-7: Sơ đồ nguyên lý làm việc của con lắc

4.5.2.2 Cấu tạo thiết bị đo

- Thiết bị con lắc đo độ nhám có trọng lƣợng khoảng 12 - 14 Kg hình [4-7] Các bộ phận chính của thiết bị con lắc bao gồm:

 Giá đỡ là một bệ có gắn bọt thủy tròn, có ba chân, có thể điều chỉnh đƣợc để đảm bảo trục thẳng đứng của thiết bị luôn trùng với phương thẳng đứng của dây dọi Trục thẳng đứng có n m (B) điều chỉnh cao thấp để nâng hạ con lắc lên xuống, tạo cho tấm trƣợt tiếp xúc với bề mặt thử nghiệm theo một chiều dài trƣợt quy định

Bán kính cung trƣợt 411 5 mm Đối trọng điều chỉnh c n bằng

Cần n ng bằng tay bàn trƣợt lên

Chiều dài đường trượt mm

Tấm trƣợt gắn đế cao su

Chốt giới hạn sự di chuyển của tấm trƣợt Ốc điều chỉnh độ căng của lò so

 Đầu trên của thiết bị có thể trượt theo hai trục dẫn hướng Có một n m hãm (ngay phía sau trục quay của con lắc), khi vặn n m này có thể cố định đƣợc t m quay của con lắc ở một vị trí thích hợp

 Đầu phía t m quay của con lắc có gắn các vòng hãm ma sát để hiệu chỉnh ma sát của kim quay

 Con lắc có gắn tấm trƣợt của thiết bị nặng 1500  30 g Khoảng cách từ t m giao động tới trọng t m của con lắc là 411 5mm Con lắc có phần đối trọng có thể điều chỉnh được để giữ thăng bằng cho con lắc theo cả hai phương Phần dưới bụng của con lắc có tấm trƣợt bằng nhôm gắn cao su Hệ thống lò xo và đòn bẩy của con lắc sẽ cho một tải trọng trƣợt chuẩn trung bình là 2500  100 g, tác động lên tấm trƣợt đế cao su rộng 76,2 mm, truyền xuống bề mặt thử nghiệm Có một cần để n ng tấm cao su lên bằng tay

 Tấm trượt bằng nhôm phía dưới có gắn một tấm cao su có kích thước : 6,35 x 25,4 x 76,2 mm (hình 4-8) Hợp chất cao su phải là loại cao su tự nhiên hoặc cao su tổng hợp có các đặc trƣng cơ học nhƣ bảng [4-1]

Bảng 4-1: Các đặc trƣng cơ học của cao su làm tấm trƣợt của con lắc

Cường độ chống va đập UPKE (%) Tiêu chuẩn BS 903-A8 42 - 47 56 -62 61 - 68 64 -71 66 - 73 Độ cứng SHORE (A hoặc B ) Tiêu chuẩn

Hình 4-8: Cấu tạo thiết bị con lắc nh

- Thiết bị khác: Một can đựng nước; một nhiệt kế có thang chia từ 0 đến 40 0 C ; một thước dẹt có khắc vạch để đo chiều dài đường trượt; một số cà lê dẹt để nới chỉnh lại các liên kết của thiết bị khi cần và bàn chải để quét sạch bề mặt đường trước l c thử nghiệm

Thang đọc độ nhám SRT của thiết bị

Kim chỉ kết quả đo

N m ( E ) điều chỉnh vòng ma sát ốc điều chỉnh mặt phẳng ngang Bọt thuỷ tròn

Núm (C) hãm giữ con lắc Trục dẫn hướng cụm con lắc

Quả đối trọng Con lắc

N m điều chỉnh con lắc lên xuống

4.5.3.1 Lắp dựng thiết bị Điều chỉnh con lắc ở vị trí để con lắc có thể dao động tự do mà không chạm đất nền hay các bộ phận của ch n và giá đỡ

- Con lắc đƣợc n ng lên về phía phải ở vị trí nằm ngang và đƣợc giữ lại bằng một khóa có ngạnh tự hãm (C) Bấm nhẹ n m khóa hãm (C) thử kiểm tra con lắc khi rơi có êm không Nếu bị ngạnh khóa kéo mắc lại phải kiểm tra, bôi trơn lại khóa hãm

- Gạt kim đo về vị trí thẳng đứng, tiến hành thả thử bằng cách bấm nhẹ n m khóa hãm mà không cần xét đến vị trí của kim đo, xem hành trình dao động, va chạm của con lắc đã tốt chƣa

- Chỉnh thiết bị về số “0” Mục đích của thao tác này nhằm xác định giá trị đọc của kim trên bảng khắc độ khi con lắc văng tự do ( không tiếp x c với mặt đường) xem có đ ng vạch “0” hay không Thao tác kiểm tra này đƣợc thực hiện vào l c đầu ca, cuối ca và một vài lần trong quá trình thí nghiệm để kiểm tra độ ổn định đọc giá trị của thiết bị Trình tự kiểm tra này đƣợc tiến hành nhƣ sau:

Hình 4-9: Tấm trƣợt gắn đế cao su

Hình 4-10: Thước dẹt đo chiều dài đường trượt Điều chỉnh tốt Điều chỉnh kém

Hình 4-11: Kiểm tra việc điều chỉnh chiều dài đường trượt

+ Đƣa thiết bị về vị trí c n bằng qua việc điều chỉnh ba ch n của giá đỡ kết hợp với quan sát bọt thủy tròn

+ Vặn lỏng n m khóa hãm ( ) và vặn một trong hai n m di động dọc (B) để n ng cơ cấu con lắc lên, đảm bảo con lắc dao động tự do không va chạm với bề mặt thí nghiệm; vặn n m hãm ( ) chặt lại

+ Gạt kim đo về vị trí thẳng đứng; tiến hành thả thử con lắc bằng cách bấm nhẹ n m khóa hãm (C ) cho con lắc dao động kéo theo kim đo ở chu kỳ chuyển động " đi " của nó Sau đó, lấy tay giữ con lắc lại ở chu kỳ chuyển động " về " Quan sát xem kim có chỉ về trị số vạch “ 0” trên bàn khắc độ hay không Nếu kim chỉ trị số vạch “ 0” thì quá trình kiểm tra hoàn thành, nếu mức chênh lệch trung bình lớn vƣợt quá 3 đơn vị thì phải nới lỏng n m ( ), vặn chặt hoặc nới lỏng nhẹ nhàng vòng ma sát (E), vặn chặt n m hãm ( ) và tiến hành thử lại theo trình tự nêu trên cho đến khi giao động của con lắc đƣa kim chỉ về trị số “ 0” không bị vƣợt quá 3 đơn vị

4.5.3.2 Điều chỉnh chiều dài đường trượt

Thao tác này phải đƣợc thực hiện với mỗi điểm thí nghiệm hình [4-11] Trình tự tiến hành nhƣ sau:

Thử nghiệm bằng phương pháp rắc cát

- Phương pháp này đo gián tiếp xác định độ nhám của mặt đường bằng cách dùng cát để đo chiều s u trung bình cấu tr c vĩ mô bề mặt áo đường

- Kỹ thuật này được dùng để nghiệm thu mặt đường mới hoặc để đánh giá chất lượng của mặt đường hiện đang khai thác có lớp phủ mặt là bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng

- Vật liệu cát tiêu chuẩn dùng để thử nghiệm cần phải khô, sạch, tròn cạnh và có đường kính cỡ hạt thoả mãn yêu cầu về cấp phối lọt qua sàng theo tiêu chuẩn ASTM mắt lưới vuông cỡ N o 50 và giữ lại trên sàng cỡ N o 100, được đựng trong hộp kín

- Ống đong cát dùng để xác định thể tích của các vệt cát, bằng kim loại hoặc nhựa

PC có thể tích bên trong là 25 cm 3 , một đầu ống đƣợc bịt kín

- Bàn xoa cát hình tròn, bằng gỗ, đường kính 6.0 - 7.5 cm, dày khoảng 2.0 cm Mặt đáy của bàn xoa đƣợc phủ một lớp cao su mỏng, mặt trên có n m để cầm

- Một bàn chải sắt cứng và một bàn chải lông mềm để quét sạch mặt đường trước khi rải cát

- Các tấm chắn gió thích hợp đặt trên mặt đường để che cho cát không bị gió thổi hoặc luồng không khí xoáy do phương tiện giao thông chạy trên đường g y ra

- Một thước dài khắc vạch tới 500 mm để đo đường kính mảng cát thí nghiệm

- Một chiếc c n trong phòng thí nghiệm có độ nhậy 0.1 gam để kiểm tra thêm, đảm bảo lượng cát dùng cho các lần đo độ nhám của mặt đường bằng nhau cả về khối lƣợng và thể tích

- Vị trí thử nghiệm : Chọn các vị trí thử nghiệm tại các vệt xe chạy trên các làn xe Khoảng cách tối thiểu từ điểm đo đến mép mặt đường là 50 cm Khoảng cách tối thiểu giữa hai điểm đo kề nhau trên cùng một mặt cắt ngang là 100 cm Tại các vị trí đo nhám, mặt đường cần phải khô, bề mặt đồng đều, không chứa những đặc điểm cá biệt như vết nứt, các mối nối Quét sạch mặt đường bằng bàn chải sắt cứng, dùng bàn chải lông mềm dọn đi các mảnh vụn, cặn bã sót lại hoặc các hạt cốt liệu dính kết rời rạc khỏi mặt đường Nếu trời có gió, phải đặt các tấm chắn gió xung quanh diện tích thử nghiệm để cát khỏi bay Không được thí nghiệm khi mặt đường ẩm ướt

- Đong cát: Đổ đầy cát nói trên vào ống đong có thể tích đã biết rồi gõ nhẹ đáy của ống đong nhiều lần trên một mặt cứng Cho thêm cát vào ống đong cho đầy tới miệng rồi dùng thước rà gạt phẳng

- Thực hiện phép đo: Đổ thể tích cát đã đong lên mặt đường đã làm sạch trong phạm vi cát đƣợc màn hay tấm chắn gió che chở Dùng bàn xoa có bịt cao su, san cát từ trong ra ngoài theo hình xoắn ốc để tạo thành một mảng cát tròn liên tục, lấp đầy các lỗ hổng trên mặt đường cho ngang bằng với các đỉnh của các hạt cốt liệu Đo và ghi đường kính của hình tròn mảng cát tại ít nhất bốn vị trí cách đều nhau trên mỗi đường bao chu vi của hình tròn cát Tính đường kính trung bình của mảng cát thí nghiệm, lấy tròn đến từng mm để làm trị số tính toán

- Số lƣợng các phép thử nghiệm :

CBHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVCH: HOÀNG NGỌC TRÂM a - Khi tuyến đường cần đánh giá được phân chia thành những đoạn được xem là đồng nhất về nhám, phải dựa vào kết quả khảo sát thực tế ngoài hiện trường do các chuyên gia có kinh nghiệm thực hiện Trên đoạn đồng nhất về độ nhám, chọn một đoạn đại diện có chiều dài từ 500 đến 1000 mét Mỗi đoạn đại diện sẽ chọn tối thiểu 10 điểm đo /1 làn xe b - Khi tuyến đường cần đánh giá không có được các số liệu cơ sở để áp dụng cách chia mặt đường thành những đoạn được xem là đồng nhất về nhám nêu ở điều 2.2.4

- a thì có thể đo rải đều trên toàn tuyến với mật độ trung bình tối thiều 10 điểm đo / 1km / 1 làn xe

4.6.4 Tính toán và xử lý kết quả

- Chiều s u trung bình đo bằng cát tại mỗi vị trí đo ( h tbi ) đƣợc xác định bằng tỷ số giữa thể tích cát đã biết V và diện tích mảng tròn cát S , đƣợc xác định nhƣ sau:

[mm] (4.6) Trong đó : h tbi - tính lấy đến 2 trị số sau dấu phẩy, mm

V - thể tích cát đã biết, đựng trong ống đong (25000 mm 3 )

D - đường kính trung bình của mảng cát thí nghiệm đã đo, mm

- Chiều sâu trung bình cấu tr c vĩ mô của đoạn mặt đường được xem là đồng nhất về độ nhám (Htb) đƣợc tính bằng trung bình số học của tất cả các giá trị chiều sâu trung bình đo bằng cát (h tbi ) tại các điểm đo trong đoạn :

Trong đó: n - Số lƣợng các điểm đo trong đoạn, [-]

- Trường hợp các phép thử mắc các lỗi hoặc nếu mảng cát đo có dạng hình elíp quá dẹt (Giá trị hai trục nhỏ nhất và lớn nhất của hình elíp chênh nhau quá 1.2 lần) thì nên loại bỏ kết quả đo ở những điểm này Với mặt đường rất nhẵn, ở đó đường kính trung bình của vệt cát lớn hơn 30 cm, có thể sử dụng lƣợng cát cho mỗi lần đo trong các ống đong có thể tích bằng nửa thể tích cát trong ống đong chuẩn nói trên

- Sai số của các lần đo tại cùng một vị trí thử nghiệm không đƣợc phép vƣợt quá 1% so với giá trị trung bình của các lần đo lặp

- Qui định về sử lý số liệu đo: Độ lệch bình phương trung bình của các giá trị độ s u vĩ mô thu được tại các điểm đo trên đoạn mặt đường được xem là đồng nhất không được vượt quá 30% độ sâu trung bình cấu tr c vĩ mô của đoạn chia Trường hợp độ lệch bình phương trung bình cao hơn, phải xem xét lại các giá trị sai số thô có thể đã mắc phải hoặc phân chia lại các đoạn đƣợc xem là đồng nhất cho phù hợp

- Đối chiếu giá trị chiều sâu trung bình cấu tr c vĩ mô của mặt đường với các giá trị của bảng 4-2 để đánh giá tình trạng an toàn về nhám của các đoạn đường hiện có, đề ra được các biện pháp khắc phục như : tăng cường một lớp tạo nhám, hạn chế tốc độ xe chạy

Bảng 4-2: Bảng quy định về độ nhám của mặt đường đo bằng phương pháp rắc cát

Chiều sâu trung bình H tb (mm) Đặc trƣng độ nhám bề mặt Phạm vi áp dụng

H tb < 0.25 Rất nhẵn Không nên dùng

V < 60 Km/giờ 0.35  H tb < 0.45 60  V < 80 Km/giờ

0.45  H tb < 0.80 Trung bình 80  V  120 Km / giờ

TIẾN HÀNH THỬ NGHI M Đ NH M MẶT ĐƢ NG T - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Thử nhiệm hiện trường

5.1.1 Thử nghiệm độ nhám bằng con lắc Anh

Kết quả thử nghiệm độ nhám mặt đường bằng thiết bị con lắc Anh được sử dụng để kiểm tra độ nhám của mặt đường trong phòng thí nghiệm hoặc ở hiện trường Phương pháp này dựa trên tiêu chuẩn Mỹ về mặt đường STM E 303-

Nguyên lý làm việc của phương pháp này là khi con lắc được thả từ một vị trí mặt phẳng ngang, năng lƣợng bị mất khi bộ phận trƣợt trƣợt trên bề mặt thử nghiệm Giá trị độ nhám đƣợc xác định bằng sự giảm chiều dài của chuyển động đi lên của con lắc, độ nhám đƣợc đọc chính xác trên mặt chia độ

Khảo sát sự thay đổi của độ nhám mặt đường theo tải trọng và lưu lượng xe Khu vực thí nghiệm là Trung t m sát hạch lái xe hạng 01 thuộc trường Cao đẳng giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh tại 08 Nguyễn Ảnh Thủ - Phường trung Mỹ Tây – quận 12 – Tp HCM Đặc điểm khu vực sát hạch của trung tâm sát hạch lái xe

Trung t m sát hạch lái xe trường Cao đẳng GTVT được x y dựng theo tiêu chuẩn s n sát hạch hạng I của quốc gia, có thể tổ chức cho tất cả các hạng xe 1, A2, B1, B2, C, D, E, Fc S n đƣợc x y dựng theo quy định để sát hạch qua 10 bài thi cho mỗi loại xe tiêu chuẩn theo quy định Do đó, việc khảo sát tác động của tải trọng, lưu lượng đối với độ nhám bề mặt mặt đường sau một khoảng thời gian sử dụng đƣợc thực hiện tại các hình thi cho các xe B, C, D, E

- Mặt đường: Bê tông nhựa hạt nhỏ (BTNC15)

- Cấp kỹ thuật: cấp III

+ Lớp móng: 25cm, đá dăm nước

+ Lớp móng dưới: 30cm, cấp phối sỏi đỏ

+ Nền: đất đỏ c = 0.031Mpa ,  = 120, E = 44Mpa, độ ẩm tương đối a = 0.6%, K= 0.98

- Thời gian thử nghiệm: 05 năm (từ năm 2006 đến năm 2011)

- Thiết bị thử nghiệm: con lắc nh

- Theo báo cáo hoạt động của Trung t m sát hạch lái xe, lưu lượng xe trung bình các hạng xe B, C, D, E trong bảng [5-1]

Bảng 5-1: Quy đổi lưu lượng xe sang lưu lượng xe con quy đổi

Lưu lƣợng xe (xe/ngđ)

Lưu lượng xe con quy đổi (xcqd/ngđ)

- Xe ô tô tải hai trục C 9125 2 18250 53.57 0.69

Các số liệu đo ở phụ lục [1], [2], [3], [4]

Bảng 5-2: Tải trọng và hệ số nhám

Không có xe chạy 5 năm 0 72 0.93

Phân tích kết quả thử nghiệm

Từ kết quả đo ta ph n tích thống kê các số liệu: Độ nhám mặt đường

Sai số của số trung bình mẫu 0.0062155

Phương sai mẫu 0.0002318 Độ nhọn của ph n bố 0.7536812 Độ lệch của ph n bố 0.1056719 Trị số quan sát nhỏ nhất 0.6047964 Trị số quan sát lớn nhất 0.64615 Tổng các trị số quan sát 3.7450854

Sai số tuyệt đối của ƣớc lƣợng với độ tin cậy 95.0% 0.015978

Hình 5-1: Quan hệ giữa tải trọng và độ nhám mặt đường

Kết luận thử nghiệm độ nhám bằng con lắc Anh

- Khảo sát độ nhám mặt đường trên các hình thi các hạng xe B, C, D, E cho ta xác lập được quan hệ giữa độ nhám mặt đường và tải trọng xe cộ tác dụng Từ hình [5-1], ta tìm được quan hệ giữa độ nhám mặt đường và tải trọng xe tác dụng , với hệ số tương quan R 2 = 0.949 Như vậy, ch ng ta có thể xác định độ nhám yêu cầu dựa vào quan hệ tải trọng xe chạy thiết kế y = 0.016x 2 - 0.139x + 0.898

0 1 2 3 4 5 6 7 Độ n hám mặt đườ ng , 

Tải trọng trục xe, tấn

QUAN HỆ GiỮA TẢI TRỌNG - ĐỘ NHÁM MẶT ĐƯỜNG

5.1.2 Thử nghiệm độ nhám động (Dynamic friction Tester)

- Xác định mối quan hệ giữa độ nhám mặt đường và các tháng trong năm

- Xác định mối quan hệ giữa độ nhám mặt đường với yếu tố tốc độ xe chạy Đặc điểm khu vực đo và thu thập số liệu đo Đo DFtester đã đƣợc thực hiện theo STM E-1969, và giá trị độ nhám đƣợc đo tương ứng tại các tốc độ 32, 64, và 80 km/giờ Giá trị trung bình của ba phép thử nghiệm tại mỗi phương và mặt cắt được tính toán, do đó có hai giá trị độ nhám trung bình trên một mặt cắt (theo chiều đi và theo chiều đi về) Giá trị độ nhám với mỗi mặt cắt và cả hai hướng được báo cáo ở các bảng phụ lục [11], [12], [13], và [14] cho các tốc độ 32, 64, và 80 km/h tương ứng Số liệu ph n tích bao gồm ma sát đo từ tháng năm năm 2007 đến suốt tháng bảy năm 2008 trên mặt đường thử nghiệm

Bảng 5.3: Thử ngiệm độ nhám thay đổi theo tháng bằng thiết bị DFTester tốc độ

Từ kết quả đo ta ph n tích thống kê các số liệu: iều đi DF ester 8 k /

Trị số ứng với tần số ph n bố tập trung nhất 0.685

Phương sai mẫu 5.64E-05 Độ nhọn của ph n bố -0.72649 Độ lệch của ph n bố -0.78401

Trị số quan sát nhỏ nhất 0.67

Trị số quan sát lớn nhất 0.69

Tổng các trị số quan sát 8.865

Sai số tuyệt đối của ƣớc lƣợng với độ tin cậy 95.0% 0.004539 iều về DF ester 8 k /

Trị số ứng với tần số ph n bố tập trung nhất 0.675

Phương sai mẫu 0.000121 Độ nhọn của ph n bố 0.16876 Độ lệch của ph n bố -0.61171 Trị số quan sát nhỏ nhất 0.655 Trị số quan sát lớn nhất 0.69 Tổng các trị số quan sát 8.775

Sai số tuyệt đối của ƣớc lƣợng với độ tin cậy 95.0% 0.006643

Hình 5-2: Quan hệ giữa độ nhám và các tháng ở tốc độ 80 km/h

7- Ma y 6- Ju n 6- Ju l 5- Au g 4- Se p 4- Oct 3- N o v 3- De c 2- Jan 1- Fe b 2- Ma r 1- Ap r 1- Ma y 31 -Ma y 30 -Ju n 30 -Ju l Độ n hám mặt đ ường , 

Chiều đi DFTester 80 km/h Chiều về DFTester 80 km/h

0 6 /0 6 0 6 /0 7 0 5 /0 8 0 4 /0 9 Để quan sát sự biến động hàng tháng của độ nhám cho tất cả các mặt cắt, các giá trị độ nhám đƣợc vẽ cho tất cả các tốc độ với thời gian trong phụ lục [12], [13], [14] cho DFTester Quan hệ giữa độ nhám với tốc độ xe chạy nhƣ hình [5-3]

Hình 5-3: Biểu đồ quan hệ giữa độ nhám và tốc độ xe chạy Kết luận thử nghiệm độ nhám bằng thiết bị DFTester

Qua phân tích hình [5-2] cho thấy giá trị thay đổi độ nhám trung bình theo các tháng thay đổi theo nhiệt độ Theo đồ thị ta có, độ nhám theo các tháng thay đổi khác nhau Biểu đồ cho thấy giá trị thử nghiệm độ nhám thấp nhất tương ứng với các tháng có nhiệt độ cao trong năm

Qua phân tích hình [5-3] ch ng ta thấy quan hệ giữa độ nhám mặt đường với tốc độ xe chạy tỷ lệ nghịch với nhau Với mối tương quan đến R 2 =0.998, ch ng ta có thể sử dụng hàm - - để ngoại suy các giá trị độ nhám trên các tuyến đường cao tốc ứng với các tốc độ lớn hơn 80 km/h y = -3E-05x 2 + 0.829 R² = 0.998

Vận tốc xe chạy, km/h

Thử nghiệm trong phòng

Khảo sát sự thay đổi của độ nhám mặt đường theo nhiệt độ tương ứng bằng thiết bị con lắc nh trong phòng thí nghiệm Đặc điểm khu vực đo và thu thập số liệu đo

Thử nghiệm đƣợc thực hiện trên các mẫu thử nghiệm – mẫu thử nghiệm đƣợc lấy trực tiếp trên mặt đường làn xe tải hiện hữu tại vị trí quốc lộ 1 đoạn Ngã tư Ga đến cầu vượt Bình Phước, sau đó được gia công theo kích thước mẫu thí nghiệm

Nhiệt độ mẫu thử nghiệm được thay đổi bằng phương pháp ng m mẫu trong bình ổn nhiệt trong khoảng thời gian 60 ph t /1 điểm nhiệt Khoảng cách các điểm nhiệt thử nghiệm là 5 0 C Theo điều kiện làm việc của mặt đường bê tông nhựa ở điều kiện khu vực phía Nam thì nhiệt độ khảo sát đƣợc thực hiện từ 5 0 C đến 65 0 C Số liệu thử nghiệm ở phụ lục [5], [6], [7], [8], [9], [10]

Kết quả ph n tích phương sai hai nh n tố

N iệt độ Số ẫu ổ cộ Trung bình

Variation SS df MS F P-value F crit

Hình 5-4: Quan hệ giữa độ nhám và nhiệt độ mặt đường (trung bình các mẫu thí nghiệm)

Từ thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa độ nhám và nhiệt độ mặt đường trên ba mẫu thí nghiệm, ta tìm đƣợc hàm quan hệ , với hệ số tương quan R 2 = 0.983 Như vậy, từ quan hệ này ch ng ta có thể tìm độ nhám mặt đường yêu cầu tương ứng với điểm nhiệt độ thiết kế và ngược lại y = 2E-05x 2 - 0.005x + 0.864

Tổng hợp mối quan hệ giữa độ nhám mặt đường và các yếu ảnh hưởng

Qua các thí nghiệm trong phòng và hiện trường, ch ng ta đã tìm thấy được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám của mặt đường như các điều kiện thay đổi qua các tháng, yếu tố nhiệt độ, yếu tố vận tốc xe chạy trên mặt đường, yếu tố tải trọng tác dụng Với các mối quan hệ được xác lập với hệ số tương quan rất cao, ch ng ta có thể sử dụng các quan hệ này để x y dựng đƣợc độ nhám yêu cầu với điều kiện đặc điểm thời tiết ở từng khu vực, điều kiện xe cộ và tốc độ lưu thông tương ứng

 Quan hệ giữa độ nhám và tốc độ xe chạy theo công thức (5.1):

- : là độ nhám bề mặt mặt đường, [-]

- V: là tốc độ xe chạy (km/h)

 Quan hệ giữa độ nhám và nhiệt độ mặt đường theo công thức (5.2):

- T: là nhiệt độ bề mặt mặt đường ( 0 C)

 Quan hệ giữa độ nhám và tải trọng xe theo công thức (5.3):

- P: là tải trọng trục xe chạy (Tấn)

Kết quả tiến hành các thử nghiệm để tìm hiểu mối quan hệ giữa độ nhám với các điều kiện thay đổi của thời tiết Từ kết quả thí nghiệm và qua ph n tích thống kê, ph n tích tương quan hồi quy ch ng ta đã xác lập được các quan hệ giữa độ bám với các yếu tố tác động như nhiệt độ, vận tốc, tải trọng, lưu lượng xe chạy Từ các mô hình, ch ng ta thấy độ nhám tỷ lệ nghịch với tốc độ xe chạy, nhƣ vậy với các cấp đường thiết kế tốc độ xe chạy càng cao độ nhám yêu cầu sẽ càng lớn; độ nhám tỷ lệ nghịch với nhiệt độ mặt đường, với điều kiện thời tiết nhiệt độ mặt đường càng cao thì độ nhám mặt đường càng giảm do đó vời các vùng thiết kế có nhiệt độ mặt đường cao cần có độ nhám yêu cầu càng lớn; độ nhám cũng tỷ lệ nghịch với tải trọng xe chạy theo thời gian, như vậy đối với các cấp đường có lưu lượng và tải trọng xe chạy thiết kế lớn cần tính toán để độ nhám yêu cầu đảm bảo trong suốt thời gian khai thác, hoặc tính toán để có kế hoạch duy tu bảo dƣỡng kịp thời

Kết luận và kiến nghị

Độ nhám mặt đường là yếu tố có liên quan trực tiếp hay gián tiếp đến các tai nạn giao thông, đ y là chỉ tiêu rất quan trọng của đường ô tô nhằm đảm bảo an toàn giao thông khi xe chạy với tốc độ cao trong suốt thời gian khai thác sử dụng Độ nhám mặt đường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, lượng mưa, và các yếu tố tốc độ, tải trọng xe chạy Sự biến đổi của độ nhám theo thời tiết vẫn còn chưa được nghiên cứu đầy đủ Luận văn này khảo sát theo thời tiết ảnh hưởng tính chất độ nhám mặt đường Các thí nghiệm ma sát đã được tiến hành từ tháng 02/03 đến 23/04/2011 sử dụng thiết bị con lắc nh để tiến hành đo trên 06 mẫu bê tông nhựa hạt nhỏ (BTNC15) đƣợc chế bị để đo mối quan hệ giữa độ nhám và sự biến thiên của nhiệt độ; Thử nghiệm khảo sát độ nhám tại các đoạn đường trong trung t m sát hạch lái xe trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Tp HCM đã thiết lập mối quan hệ giữa độ nhám và tải trọng xe chạy, độ nhám và lưu lượng xe chạy; tốc độ xe sử dụng thiết bị DFTester trên mặt đường nhựa thử nghiệm Xây dựng các mối quan hệ như công thức (5.1), (5.2), và (5.3)

Từ kết quả nghiên cứu và thử nghiệm ta có các nhận xét sau

 Theo kết quả thử nghiệm mặt đường bê tông nhựa thuộc quốc lộ 1 cho thấy độ nhám mặt đường tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và độ ẩm mặt đường Độ nhám thay đổi trong mùa mƣa cao hơn mùa khô

 Khảo sát độ nhám tại các đoạn đường ở trung t m sát hạch lái xe trường Cao đẳng GTVT cho thấy độ nhám quan hệ với yếu tố tải trọng xe chạy theo thời gian Sau khoảng thời gian sử dụng, tải trọng xe nặng hơn thì độ nhám mặt đường giảm đi nhiều hơn so với xe tải trọng nhẹ

 Xe chạy tốc độ 80 km/giờ độ nhám ít bị ảnh hưởng do yếu tố thay đổi theo thời tiết Tốc độ xe chạy càng cao trị số độ nhám yêu cầu càng cao

Mặc dù chúng ta đã tìm thấy rằng sự biến đổi theo thời tiết đã ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường và các yếu tố có thể chỉnh sửa hiệu ứng này, tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu đề tài có hạn chế về nhiều mặt (thời gian, kinh phí thực hiện) cho nên chƣa nghiên cứu đầy đủ về các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám Sau đ y là các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo:

 Nghiên cứu độ nhám mặt đường ở những khu vực thời tiết khác nhau Nhiệt độ và độ ẩm ướt thay đổi có thể ảnh hưởng đến kết quả điều tra, do đó cần áp dụng độ nhám trong điều kiện khu vực Tp.HCM và vùng đồng bằng sông Cửu long khi áp dụng các khu vực khác cần có hiệu chỉnh

 Tiến hành thí nghiệm bổ sung ảnh hưởng lốp xe đến độ nhám mặt đường

 Nghiên cứu khảo sát vật liệu đá dăm dùng thiết kế lớp tạo nhám cho các tuyến đường xe chạy có tải trọng nặng, lưu lượng xe lớn và tốc độ xe chạy cao

 Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm về độ nhám mặt đường ô tô Ứng dụng các thiết bị đo nhám tiên tiến của nước ngoài phục vụ công tác khảo sát, nghiệm thu độ nhám… và thay thế phương pháp rắc cát đang hiện hành

Phụ lục 1 Kết quả thử nghiệm độ nhám mặt đường

- Người thử nghiệm: TSKH Trần Quang Hạ, KS Hoàng Ngọc Tr m

- Địa điểm lấy mẫu: Khu vực đường vuông góc xe B - Trung t m sát hạch lái xe – trường Cao đẳng GTVT Tp HCM

- Cấp kỹ thuật đường: cấp III

+ Lớp mặt: 6 cm, bê tông nhựa hạt nhỏ (BTNC 15) + Lớp móng: 25cm, đá dăm nước

+ Lớp móng dưới: 30cm, cấp phối sỏi đỏ + Nền: đất đỏ c = 0.031Mpa ,  = 120, E = 44Mpa, độ ẩm tương đối a = 0.6%, K= 0.98

- Tình trạng mặt đường: tốt

- Thời gian thử nghiệm: từ ngày 02/03 đến 23/04/2011

Kết quả thử nghiệm độ nhám bằng con lắc Anh

- Địa điểm lấy mẫu: Khu vực đường vuông góc xe C - Trung t m sát hạch lái xe – trường Cao đẳng GTVT Tp HCM

+ Lớp móng dưới: 30cm, cấp phối sỏi đỏ + Nền: đất đỏ c = 0.031Mpa ,  = 120, E = 44Mpa, độ ẩm tương đối a = 0.6%, K= 0.98

- Địa điểm lấy mẫu: Khu vực đường vuông góc xe D - Trung t m sát hạch lái xe – trường Cao đẳng GTVT Tp HCM

- Địa điểm lấy mẫu: Khu vực đường vuông góc xe E - Trung t m sát hạch lái xe – trường Cao đẳng GTVT Tp HCM

- Địa điểm lấy mẫu: Đường quốc lộ 1

- Cấp kỹ thuật đường: cấp I

+ Lớp mặt: 06 cm, bê tông nhựa hạt nhỏ (BTNC 15)

06cm, bê tông nhựa hạt trung (BTNC 25) + Lớp móng: 50 cm, cấp phối đá dăm 0x4 loại I

+ Lớp móng dưới: 30 cm, cấp phối sỏi đỏ + Nền: đất á sét, K = 0.98

Thứ tự lần đo Nhiệt độ ( 0 C)

Phụ lục 11 Nhiệt độ các tháng trong năm tại khu vực thử nghiệm bằng DFTester

Phụ lục 12: Thử ngiệm độ nhám thay đổi theo tháng bằng thiết bị DFTester ở tốc độ 32km/h

Phụ lục 13: Thử ngiệm độ nhám thay đổi theo tháng bằng thiết bị DFTester tốc độ 64km/h

Phụ lục 14: Thử ngiệm độ nhám thay đổi theo tháng bằng thiết bị DFTester tốc độ 80 km/h

Phụ lục 15: Quan hệ giữa độ nhám và các tháng ở tốc độ 32 km/h

Phụ lục 16 Quan hệ giữa độ nhám và các tháng ở tốc độ 64 km/h

7- May 6- Ju n 6- Ju l 5- Au g 4- Se p 4- Oct 3- N o v 3- De c 2- Jan 1- Fe b 2- Ma r 1- Ap r 1- Ma y 31 -Ma y 30 -Ju n 30 -Ju l

Hệ số b ám mặt đườn g , 

7- Ma y 6- Ju n 6- Ju l 5- Au g 4- Se p 4- Oct 3- N o v 3- De c 2- Jan 1- Fe b 2- Ma r 1- Ap r 1- Ma y 31 -Ma y 30 -Ju n 30 -Ju l Độ n há m m ặt đường , 

Phụ lục 17 Quan hệ giữa độ nhám và các tháng ở tốc độ 80 km/h

7- Ma y 6- Ju n 6- Ju l 5- Au g 4- Se p 4- Oc t 3- N o v 3- De c 2- Jan 1- Fe b 2- Ma r 1- Ap r 1- Ma y 31 -Ma y 30 -Ju n 30 -Ju l Độn h ám m ặt đường , 

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG THỬ NGHIỆM ĐỘ NHÁM MẶT ĐƯỜNG

Hình 1 Thiết bị con lắc Anh và thử nghiệm độ nhám trong phòng

Hình 2 Công tác chuẩn bị thử nghiệm đo độ nhám bằng con lắc

Anh trong Phòng thí nghiệm

Hình 3 Thử nghiệm độ nhám trên mẫu bê tông nhựa nóng C15

Hình 3: Thay đổi nhiệt độ mẫu thử nghiệm bằng bình ổn nhiệt

Hình 4: Khu vực thử nghiệm đo độ nhám mặt đường bê tông nhựa bằng con lắc Anh ngoài hiện trường

Hình 5: Công tác thử nghiệm đo độ nhám mặt đường bê tông nhựa bằng con lắc Anh ngoài hiện trường

[1] GS.TSKH Nguyễn Xu n Trục

TS TS Dương Ngọc Hải

PGS TS Vũ Đình Phụng

Sổ tay thiết kế đường ô tô, tập I, II

Hướng dẫn thiết kế mặt đường mềm (Bêtông nhựa)

[3] Nguyễn Trí Cao, PGS.TS Nguyễn Xu n Vinh

Nghiên cứu xác định hệ số bám mặt đường tại một số đường phố của Thành phố Hồ Chí Minh

Luận án Thạc sỹ Kỹ Thuật, 2004

Lý thuyết thiết kế và tính toán nền mặt đường

Giáo trình Cao học, Đại học bách khoa TP HCM, 2008

Erhoehungsniveau der Griffigkeit von Start - Landebahn awf Flugphafen - Ein Beitrag zur Verkehrssicherheit des Luftverkehrs

[6] NguyễnĐình Hu n – Nguyễn Văn Mùi

Công trình giao thông, Phần 1, Thiết kế đường ô tô

Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Viện khoa học công nghệ GTVT Một số công nghệ tạo nhám và Phương pháp đánh giá độ nhám của mặt đường bê tông xi măng

Tạp chí Cầu Đường Việt Nam, số 11, năm 2006

[8] ThS Lê nh Tuấn, ThS Trần Phương Hùng, PGS.TS Vũ Đức Chính, Đánh giá hiệu quả công tác x y dựng mặt đường Bê tông nhựa Polime cho đường cất hạ cánh cảng Hàng không Cần Thơ

Tạp chí Cầu Đường Việt Nam, số 9 năm 2009

[9] Tiêu chuẩn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bêtông nhựa 22TCN 62-84 của Bộ Giao thông vận tải

[10] Qui trình Thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 Nhà xuất bản Giao thông vận tải Hà Nội 2006

[11] Tiêu chuẩn kiểm tra và đánh giá độ bằng phẳng mặt đường theo chỉ số độ ghồ ghề quốc tế IRI 22TCN 277 – 01 của Bộ Giao Thông Vận Tải

[12] Quy trình thí nghiệm: Xác định độ nhám của mặt đường đo bằng phương pháp rắc cát 22TCN 278 – 2001 của Bộ Giao Thông Vận Tải

[13] Aybike Ongel, John T Harvey, Erwin Kohler, Qing Lu, and Bruce D Steven,

Investigation of noise, Durability, Oermeability, and Friction Performance Trends for Assphaltic Pevement Surface Types: First - and Second - year Results University of Clifornia, 2008

An Analysis of the Seasonal and Short – Term Variation of Road Pavement Skid Resistance

A Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy of Auckland, 2006

[15] Douglas J Wilson and Philippa Black, 2006, The effects of Rainfall and contaminants on Skid Resistance Variability The University of Auckland, New Zealand

[16] Eyad Masad, Arash Rezaei, ArifChowdhury, and Pat Harris

Predicting asphalt Mixture Skid Resistance Based On Aggregate Characteristics

Texas Department of Transportation Research and Technology Implementation Office P.O Box 5080 Austin Texas 78763 – 5080, 2009 [17] Dr James C Wambold

Evaluation of Ground Test Friction Measurering Equipment on Runways and Taxiways under Winter Conditions

CDRM Inc State College, Pennsylvania, USA,1996

[18] James C Wambold and Arild Andresen

The Measuarment and Theory of Tire Friction on Contaminated Surface Transportation Conference Proceedings, 1998

Evaluation of international Friction Index and High – Friction Surface

Thesis submitted to the faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of science in Civil Engineering, 2008

Development of a direct Type Road Roughness Evaluation Syterm

Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the Master of science in Civil Engineering department of Civil and Environmental Engineering College of Engineering University of South Florida, 2004 [21] Gerardo W Flintsch, Edgar de León, Kevin K McGhee, Imad L Al – Qadi Pavement Surface Macrotexture Measurement and Application

Virginia Tech Transportation Institute Virginia Tech Blacksburg, VA,

Comparison of Surface Characteristics of the Hot - Mix Asphalt Pavement Surface at the Virginia Smart Road

Thesis submitted to the faculty of Virginia Polytechnic Institute and State and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master, 2001

[23] Ron Amaral, Leonel Ho Chong

[24] Nam Tran, Buzz Powell, Grant Julian

Evaluation of Dynamic Friction and Surface Texture of E-Krete Micro - Overlay Material

National Center for Asphalt Technology, Auburn University, 2008

Comparison of Macrotexture Mesuarement Method

Master's Thesis Presented in Partial Fulfillment of the Requiremens for the Degree Master of Science, the Ohio State University, 2009

Evaluation of Pavement Surface Friction Seasonal Variations

Thesis submitted to the faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of science in Civil Engineering, 2009.

Tiêu đề	Nghiên cứu độ nhám mặt đường ô tô trong điều kiện thời tiết thay đổi
Tác giả	Hoàng Ngọc Trâm
Người hướng dẫn	TSKH. Trần Quang Hạ
Trường học	Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	117
Dung lượng	2,73 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] GS.TSKH. Nguyễn Xu n Trục TS. TS. Dương Ngọc Hải PGS. TS. Vũ Đình PhụngSổ tay thiết kế đường ô tô, tập I, II Nhà xuất bản X y dựng	Khác
[2] Trần Quang Bửu Hướng dẫn thiết kế mặt đường mềm (Bêtông nhựa) Nhà xuất bản X y dựng	Khác
[8] ThS. Lê nh Tuấn, ThS. Trần Phương Hùng, PGS.TS. Vũ Đức Chính, Đánh giá hiệu quả công tác x y dựng mặt đường Bê tông nhựa Polime cho đường cất hạ cánh cảng Hàng không Cần ThơTạp chí Cầu Đường Việt Nam, số 9 năm 2009	Khác
[9] Tiêu chuẩn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bêtông nhựa 22TCN 62-84 của Bộ Giao thông vận tải	Khác
[10] Qui trình Thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 Nhà xuất bản Giao thông vận tải Hà Nội 2006	Khác
[11] Tiêu chuẩn kiểm tra và đánh giá độ bằng phẳng mặt đường theo chỉ số độ ghồ ghề quốc tế IRI 22TCN 277 – 01 của Bộ Giao Thông Vận Tải	Khác
[12] Quy trình thí nghiệm: Xác định độ nhám của mặt đường đo bằng phương pháp rắc cát 22TCN 278 – 2001 của Bộ Giao Thông Vận Tải	Khác
[13] Aybike Ongel, John T. Harvey, Erwin Kohler, Qing Lu, and Bruce D. Steven,Investigation of noise, Durability, Oermeability, and Friction Performance Trends for Assphaltic Pevement Surface Types: First - and Second - year Results University of Clifornia, 2008	Khác