ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD tính toán mô đun đn hồi lớp của vật liệu kết cấu áo đờng mềm NCS. Trần thị kim đăng Bộ môn Đờng bộ Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Thí nghiệm không phá huỷ mặt đờng FWD (Falling Weight Deflectometer) hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đờng. Khi thực hiện thí nghiệm, ngời ta sẽ biết đợc độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đờng, từ đó suy ra mô đun đn hồi thực tế của mặt đờng v có thể căn cứ vo đó để đánh giá kết cấu áo đờng. Từ độ võng đo đợc bằng thí nghiệm FWD có thể tính đợc giá trị mô đun lớp kết cấu áo đờng. Thiết bị thí nghiệm FWD v khả năng ứng dụng số liệu độ võng mặt đờng đo đợc bằng thí nghiệm FWD để tính toán mô đun lớp vật liệu lm kết cấu áo đờng l nội dung chúng tôi muốn đề cập trong bi báo ny. Kết quả tính toán có thể cho giúp chúng ta có đợc những nhận xét, đánh giá về mặt định tính giá trị thông số mô đun đn hồi khi tính toán kết cấu áo đờng mềm xét đến điều kiện chịu tải trọng thực tế của vật liệu. Summary: Non-destructive test herein FWD (Falling Weight Deflectometer) has been used widely to evaluate the structure adequacy of pavement. Surface deflections and deflection basin are major testing results that describe pavement strength and remaining life of existing pavement. The deflections also could be [used to determine the layer moduli through backcalculation. FWD equipment and ability of using deflection data from FWD is the main content of this particle. The backcalculation results will be basic to analysis reasonable value of layer elastic module to be used in pavement structure design by multi - layer elastic, homogeneous and isotropic system method. i. Thí nghiệm FWD a. Nguyên tắc hoạt động chung của thiết bị: Tải trọng va đập tác dụng lên mặt đờng do vật nặng có khối lợng nhất định từ độ cao định trớc xuống hệ thống đệm cao su và truyền tải trọng xuống mặt đờng trong khoảng thời gian từ 0.025 đến 0.04 giây. Đầu đo tải trọng gắn tại tâm truyền tải xác định tải trọng P tác dụng xuống mặt đờng. Chuyển vị đứng tại tâm tấm truyền tải và tại các điểm cách tâm truyền tải các khoảng cách nhất định đợc ghi lại bằng các đầu đo chuyển vị hoạt động trên nguyên tắc bộ chuyển đổi vận tốc. Tải trọng đợc điều chỉnh theo chiều cao rơi của vật nặng và độ võng trên bề mặt Hình 1: Thiết bị thí nghiệm FWD đờng đợc tính toán từ số liệu đầu ra của các bộ chuyển đổi vận tốc [1]. Thiết bị thí nghiệm FWD (xem hình 1) bao gồm: Rơ mooc FWD, bộ xử lý hệ thống 9000, máy tính/máy in. Sơ đồ thí nghiệm FWD và phạm vi vùng ứng suất trong kết cấu đợc thể hiện trong hình 2 Hình 2. Vùng ứng suất trong kết cấu áo đờng dới tác dụng của tải trọng FWD Các số liệu có đợc đối với mỗi điểm đo FWD[2]: Các số liệu chung: lý trình, thời gian, nhiệt độ Tải trọng và độ võng tại các đầu đo cảm biến Mô đun độ cứng mặt đờng và tình trạng kết cấu Biểu đồ mô đun độ cứng chung tại các vị trí khác nhau theo chiều sâu. Một ví dụ về file số liệu đầu ra của thí nghiệm FWD cho trong hình 3. 5301,0,0,2,3, Km 0 + 00 ', 0,1, 'Phai ',2001,12,25,08,22 5302,0,1,2,2,0,0,0,0, 5303,0, 18.0, 19.0, 20.0 1, 536, 262, 172, 108, 76, 56, 43, 34 2, 542, 247, 167, 107, 76, 56, 43, 35 3, 543, 247, 167, 108, 77, 57, 45, 35 4, 536, 240, 164, 108, 77, 57, 45, 35 Hình 3. File số liệu kết quả thí nghiệm FWD Kết quả hiện thị trên màn hình của thí nghiệm FWD với các độ võng và đồ thị mô đun chung ứng tại chiều sâu tơng đơng các khoảng cách đo độ võng đợc cho trong hình 4. Hình 4. Mn hình hiển thị của thí nghiệm FWD Căn cứ vào số liệu độ võng, có thể vẽ đợc phễu lún trên mặt đờng cho mỗi vị trí đo và xử lý để có đợc đờng cong phễu lún cho mỗi đoạn đo. Sensor đo độ võng từ 1 đến 7 Bê tông sphalt Móng cấp phối đá dăm Đ ất nền Phạm vi vùng ứng suất trong kết cấu nền mặt đờng 2 3 4 5 6 71 Chậu võng đặc trng KM4-KM5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 30 60 90 120 150 180 210 Khoản g cách từ các đầu đo đến tâm tải trọn g (cm) Độ võng (m) Hình 5. Hình dạng phễu lún vẽ đợc từ số liệu thí nghiệm FWD II. Sử dụng kết quả đo độ võng mặt đờng để xác định mô đun lớp vật liệu a. Nguyên lý tính toán - Tính toán trên cơ sở phân tích phạm vi vùng ứng suất trong kết cấu áo đờng dới tác dụng của tải trọng FWD. Xét hình 2, với giả thiết đờng nét đứt là phạm vi vùng ứng suất. Do cảm biến từ vị trí 4 trở ra nằm ngoài phạm vi vùng ứng suất chịu ảnh hởng của lớp bê tông asphalt và lớp móng cấp phối, các độ võng tại cảm biến 4,5,6,7 chỉ phụ thuộc vào mô đun của đất nền mà không phụ thuộc vào mô đun của lớp bê tông asphalt và lớp cấp phối. Do vậy, có thể giả thiết mô đun lớp cho hỗn hợp bê tông asphalt và móng cấp phối, thay đổi mô đun của đất nền để tính toán độ võng mặt đờng cho đến khi độ võng tính toán tại vị trí 4,5,6,7 khớp với các giá trị độ võng đo đợc tại đó, chúng ta sẽ có mô đun nền đất. Độ võng tại cảm biến 3 tơng tự phụ thuộc vào mô đun của nền đất và của móng cấp phối đá dăm mà không phụ thuộc vào mô đun của lớp bê tông asphalt. Lấy giá trị mô đun của nền đất đã đợc xác định, thay đổi mô đun lớp cấp phối đá dăm cho đến khi giá trị của độ võng tính toán và thực đo tại vị trí cảm biến 3 khớp nhau. Chúng ta lại có mô đun lớp móng cấp phối đá dăm. Cũng áp dụng phơng pháp tơng tự nh vậy với độ võng đo đợc ở đầu đo 1 và đầu đo 2 sẽ xác định đợc mô đun lớp của bê tông asphalt [3]. - Phơng pháp tính lặp thử dần Cho các bộ giá trị mô đun lớp khác nhau trong một phạm vi xác định, với các thông số cần thiết khác nh tải trọng tác dụng, chiều dày các lớp và hệ số Poisson để tính toán các giá trị độ võng tại các vị trí tơng ứng với các vị trí đặt cảm biến đo độ võng thực tế. Sau đó so sánh giá trị độ võng tính toán đợc với độ võng thực tế để tìm ra bộ giá trị mô đun lớp cho sai số nằm trong phạm vi dung sai xác định trớc hay bộ giá trị mô đun lớp cho sai số nhỏ nhất. Quá trình tính lặp đợc mô tả nh trong hình 6 [4]. Ngoài cách sử dụng độ võng đo bằng thiết bị FWD, có thể xác định mô đun đàn hồi lớp bằng cách lắp đặt thiết bị đo ứng suất và chuyển vị tại các vị trí nhất định trong kết cấu mặt đờng, các giá trị đo đợc này cũng đợc so sánh với các giá trị ứng suất và chuyển vị tính toán nhờ một phần mềm tính toán kết cấu áo đờng mềm có sẵn để tìm ra các bộ giá trị mô đun lớp cho kết quả tính toán thống nhất giữa giá trị tính toán và giá trị thực đo [5]. Phần mềm thiết lập trên cơ sở bài toán lặp khi sử dụng kết quả thí nghiệm FWD sẽ cần các số liệu đầu vào: Tải trọng (là tải trọng dùng trong thí nghiệm FWD); Các khoảng giá trị của các bộ mô đun lớp và gia số thay đổi ; Hình 6. Quá trình tính thử dần Chiều dày các lớp vật liệu của kết cấu áo đờng; Hệ số Poisson; Số liệu độ võng thực đo; % sai số để dừng chơng trình tính toán; Sau khi vào các số liệu, bằng cách gọi các số liệu độ võng tính toán có sẵn (là kết quả của chơng trình đợc lập cho các bài toán tính kết cấu áo đờng có sẵn: nh ALIZE, BISAR ) để so sánh với các giá trị độ võng đo đợc, nếu tổng sai số lớn hơn dung sai đã xác lập thì chơng trình lại bắt đầu lại quá trình tính toán bằng cách gọi các giá trị độ võng ứng với một bộ số liệu mô đun lớp khác ứng với một gia số độ võng nhất định. Hàm mục tiêu thiết lập cho bài toán thử dần đại diện cho sự sai khác giữa giá trị độ võng đo đợc và độ võng tính toán. Các hàm mục tiêu thông thờng trong trờng hợp này có thể là: - Sai số tuyệt đối trung bình giữa độ võng thực đo và độ võng tính toán i m i c n 1i d)h,E(d n 1 )h,E(f = = - Sai số tơng đối trung bình giữa độ võng thực đo và độ võng tính toán = = n 1i i m i m i c d d)h,E(d n 1 )h,E(f - Sai số bình phơng trung bình giữa độ võng thực đo và độ võng tính toán [ ] = = n 1i 2 i m i c d)h,E(d n 1 )h,E(f - Sai số tơng đối bình phơng trung bình giữa độ võng thực đo và độ võng tính toán = = n 1i 2 i m i m i c d d)h,E(d n 1 )h,E(f trong đó: d c i (E,h) = độ võng tính toán tại vị trí i theo E và h E = {E 1 , E 2 , E 3 , , E M , } - các mô đun lớp cha biết h = {h 1 , h 2 , h 3 , , h M-1 , } - các chiều dày lớp có thể cha biết Mỗi hàm mục tiêu đợc xác định trên có các điểm thuận lợi và bất lợi riêng. Chơng trình tính lặp đợc thực hiện với hàm mục tiêu là sai số tơng đối bình phơng trung bình có thuật toán nh sau: Begin Vào các độ võng tiêu chuẩn d i m k = 1 Xuất n dãy số liệu độ võng tính toán d i c = (E, h) t ừ chơng trình BISAR Gọi các độ võng tính toán thứ 1, d i c = = n 1i 2 m i m i c i 1 d d)h,E(d n 1 )h,E( k = k + 1 Gọi các độ võng tính toán thứ k, d i c = = n 1i 2 m i m i c i k d d)h,E(d n 1 )h,E( k < 1 1 = k k < n Bộ giá trị E, h ứng với dãy các độ võng cho 1 End đ s áp dụng tính toán [6]: Tính toán đợc tiến hành sử dụng các số liệu đo FWD đợc lấy từ nguồn số liệu đo thử nghiệm thiết bị Dynatest 8000 tại Quốc lộ 39 của Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải. Kết cấu mặt đờng: Các khoảng giá trị của mô đun lớp đề nghị: Mô đun đàn hồi của mặt đờng cũ thay đổi từ 50 - 500 MPa với số gia là 4.5 MPa. Mô đun đàn hồi lớp móng cấp phối đá dăm thay đổi từ 70 MPa đến 701 MPa với số gia là 6.3 MPa. Mô đun đàn hồi lớp mặt bê tông asphalt thay đổi từ 500 MPa đến 2500 MPa với số gia là 200 MPa. Phần mềm tính thử dần ở đây đợc thiết lập trên cơ sở tính các chậu võng giới hạn tiêu chuẩn (một đờng cận trên và một đờng cận dới) phụ thuộc vào chậu võng đặc trng cho mỗi từng Km của Quốc lộ 39, và một khoảng sai số lựa chọn. Khoảng sai số này giảm dần cho đến khi không còn bộ số liệu nào trong các bộ số liệu đầu vào cho chậu võng tính toán nằm lọt trong khoảng tiêu chuẩn ứng với sai số đó. Khoảng sai số trớc đó sẽ là sai số nhỏ nhất để chậu võng thực đo và chậu võng tính toán phù hợp nhất với nhau. Các bộ số liệu mô đun lớp ứng với khoảng sai số nhỏ nhất sẽ là bộ số liệu của mô đun lớp cần xác định. Kết quả tính toán với sai số về độ võng 15 % iii. Nhận xét về phơng pháp v kết quả tính Kết quả tính lặp theo phơng pháp trên cho giá trị mô đun lớp phù hợp nhất (ứng với sai số của chậu võng là 15%) là: - Mô đun lớp của vật liệu bê tông asphalt: (1900 2500) MPa - Mô đun lớp cấp phối đá dăm: Khoảng 300 - 350 MPa - Mặt đờng cũ: khoảng 150 - 200 MPa. Các giá trị mô đun lớp trên có các đặc điểm nh sau: Mô đun lớp của móng và mặt đờng cũ gần với khoảng giá trị mô đun đàn hồi tĩnh, còn mô đun lớp của vật liệu bê tông asphalt cao hơn mô đun tĩnh rất nhiều. Sai số giữa chậu võng thực đo và chậu võng tính toán theo lý thuyết lớn. Nguyên nhân chủ yếu là do sự sai khác giữa đặc tính vật liệu thực đo và các giả thiết trong tính toán. Vật liệu nền - mặt đờng là vật liệu đàn hồi - dẻo nhng mô hình tính toán là hệ nhiều lớp đàn hồi Chiều dày mặt đờng là một thông số rất quan trọng trong tính toán kết cấu mặt đờng cũng nh trong bài toán ngợc xác định mô đun lớp. Việc sử dụng chiều dày mặt đờng Các độ võng tính toán cho sai s ố với chậu võng thực tế 15% tại KM4- KM5 ; quốc lộ 39 Các độ võng tính toán (m) tại các điểm có khoảng cách (m) Mô đun lớp BT asphalt (MPa) 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.8 2.1 1900.0 353.5 228.0 132.7 91.0 68.1 53.9 44.6 2100.0 348.0 226.9 132.5 90.9 68.0 53.9 44.6 2300.0 343.1 225.9 132.4 90.8 67.9 53.8 44.5 2500.0 338.6 225.0 132.3 90.7 67.9 53.8 44.5 BTN Loại kết cấu 2 h 1 =12 cm h 2 =30 cm Mặt đờng cũ CP Đ Chậu võng thực đo và các chậu võng tính toán 0 50 100 0 30 60 90 120 150 180 210 Khoảng cách từ tâm tải trọng đến các đâu đo (cm) 150 200 250 300 350 400 Gía trị độ võng ( m) E1=1900 E1=2100 E1=2300 E1=2500 KM4 KM5 Hình 6. Chậu võng thực đo v chậu võng giới hạn tron g khoản g sai số 15% t ạ i Km4 - Km5 theo hồ sơ thiết kế để thực hiện bài toán ngợc sẽ có khả năng cho sai số lớn. Vấn đề có thể khắc phục bằng cách sau khi đo độ võng, tiến hành khoan lõi mặt đờng tại vị trí thí nghiệm để xác định chiều dày lớp bê tông asphalt và đào hố xác định chiều dày lớp móng, tiến hành thí nghiệm DCP để thu thập số liệu đất nền. Các thông số này sẽ cho phép chúng ta tiến hành bài toán xác định mô đun lớp vật liệu mặt đờng đơn giản và chính xác hơn. Giá trị mô đun đàn hồi của bê tông asphalt rải mới tính từ số liệu độ võng đo đợc bằng thí nghiệm FWD tại quốc lộ 39 năm 12/2001 nằm trong khoảng từ 1900 đến 2500 MPa. Tài liệu tham khảo [1]. R. Clark Graves and Vincent P. Drnevich. Calculating Pavement Deflection with Velocity Transducers, 1990. [2]. Hớng dẫn sử dụng thiết bị FWD - Dynatest International, 1990. [3]. Ioannides, A.M., E.J. Barenberg, and J.A. Lary. "Interpretation of Falling Weght Deflectometer Results Using Principles of Dimensional Analysis"- Proceeding, 4 th International Conference on Concrete Pavement Design and Rehabilitation, Purdue University, 1989. [4]. N. Sivanewaran, Steven L. Kramer, and Joe P. Mahoney. Advanced Backcalculation Using a Nonlinear Least Squares Optimation Technique, 1991. [5]. Scullion, T.,J. Uzan and M.Paredes. " Modulus: A Microcomputer - Based Backcalculation System". Transportation Research Record 1260, 1990 - pp 180 -191. [6]. Nguyễn Hữu Hng, Nguyễn Mạnh Hùng, GVHD. Trần Thị Kim Đăng. Đề tài NCKHSV "Tính toán mô đun lớp vật liệu từ độ võng mặt đờng đo đợc bằng thiết bị FWD". Trờng ĐHGTVT, 2003 . ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD tính toán mô đun đn hồi lớp của vật liệu kết cấu áo đờng mềm NCS. Trần thị kim đăng Bộ môn Đờng bộ Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Thí nghiệm. thí nghiệm FWD v khả năng ứng dụng số liệu độ võng mặt đờng đo đợc bằng thí nghiệm FWD để tính toán mô đun lớp vật liệu lm kết cấu áo đờng l nội dung chúng tôi muốn đề cập trong bi báo ny. Kết. ra mô đun đn hồi thực tế của mặt đờng v có thể căn cứ vo đó để đánh giá kết cấu áo đờng. Từ độ võng đo đợc bằng thí nghiệm FWD có thể tính đợc giá trị mô đun lớp kết cấu áo đờng. Thiết bị thí