Hiện tại có 2 phương pháp xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đất: tác dụng tải trọng lâu dài tải trọng tĩnh và dùng tác dụng tải trọng trong thời gian rất ngắn tải trọng động.. Bộ mô
Trang 1Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu
mô đun đμn hồi của một số loại đất
lμm nền đường ôtô dưới tác dụng
ThS Nguyễn Đình Thạo
i đặt vấn đề
Khi tính toán thiết kế kết cấu áo đường, trị
số môđun đàn hồi của nền đất và vật liệu áo
đường đóng vai trò quan trọng Hiện tại có 2
phương pháp xác định trị số mô đun đàn hồi
của nền đất: tác dụng tải trọng lâu dài (tải
trọng tĩnh) và dùng tác dụng tải trọng trong
thời gian rất ngắn (tải trọng động) Do phương
thức tác dụng tải trọng khác nhau nên trị số
môđun đàn hồi đạt được cũng khác nhau vì
đất là một hệ phức tạp
Ngày nay, với xu thế hội nhập với các
nước trong khu vực và trên thế giới, nước ta
cũng sử dụng một số phương pháp thiết kế áo
đường khác nhau mà có dùng trị số môđun
đàn hồi động của đất nền để tính toán Do đó
việc lựa chọn lập mô hình và tiến hành thí nghiệm xác định trị số này trong phòng thí nghiệm là rất cần thiết
Bộ môn Đường ôtô vμ sân bay Khoa Công trình - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Trong phạm vi bμi báo nμy, tác giả đề cập phương pháp thí nghiệm trong phòng
xác định trị số môđun đμn hồi của một số loại đất lμm nền đường ôtô xét đến điều kiện tác dụng tải trọng động của xe chạy thực tế trên đường Bμi báo bao gồm các nội dung: phân tích lựa chọn các loại đất nghiên cứu, các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn, mô hình thí nghiệm vμ các kết quả đạt được Kết quả thí nghiệm đã chỉ rõ rằng môđun đμn hồi của đất dưới tác dụng của tải trọng động cao hơn nhiều so với môđun đμn hồi của đất dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, tỉ
số nμy thay đổi từ 1,4 đến 3 lần tuỳ thuộc vμo từng loại đất
Summary: The article presents an experimenting method in laboratory to determine the
resilient modulus of several construction soils under repeated loads The results have shown that for a certain type of soil the resilient modulus M R is really higher than the static modulus E The ratio M R /E of different soils varies from 1,4 times to 3 times
ii nội dung
1 Phân tích, lựa chọn một số loại đất
điển hình làm nền đường ôtô ở Việt Nam
để nghiên cứu
Do quá trình hình thành, tồn tại của đất
mà mỗi địa phương, mỗi khu vực địa lý khác nhau có những loại đất xây dựng nền đường khác nhau Với mục đích ban đầu có những khái quát tương đối rõ nét, việc lựa chọn mẫu
đất nghiên cứu thiên theo hướng chọn những loại đất rất khác biệt nhau về thành phần hạt,
đồng thời trong những điều kiện có thể thu thập thêm nhiều loại đất mà các địa phương
Trang 2khác nhau ở khu vực phía Bắc thường dùng
để đắp nền đường và thêm nữa là tận dụng
các dự án xây dựng đường đang được triển
khai một số tuyến đường như QL1, QL5,
Đường Vành đai III – Hà nội, thu thập các
mẫu đất tại các mỏ đất được khai thác dùng
cho các dự án đó nhằm có thể lợi dụng hiện
trường thực tế để kiểm nghiệm và hiệu chỉnh
các kết quả thí nghiệm trong phòng
Các mẫu đất được thu thập mang về để
nghiên cứu bao gồm các mẫu đất đang dùng
làm nền đường trên công trình đường Vành
đai III - Hà Nội Đây cũng là những loại đất
khá điển hình được dùng trong xây dựng nền
đường ở khu vực phía Bắc nói chung và trên
địa bàn Hà Nội nói riêng gồm:
Đại diện cho nhóm đất rời: Mỏ cát Nam
Thăng Long, thuộc Quận Tây Hồ
Đại diện cho nhóm đất sỏi sạn: Mỏ đất
Dây Diều, thuộc Huyện Sóc Sơn
Đại diện cho nhóm đất dính: Đất sét
nguyên thổ, thuộc Huyện Từ Liêm
Thông qua các thí nghiệm tiến hành theo
chu trình phân loại đất do TCVN 5747 - 1993
qui định, kết quả phân loại các mẫu đất đã thu
thập như sau:
2 Phạm vi nghiên cứu và các tiêu
chuẩn thí nghiệm lựa chọn
a Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong
một số loại đất làm nền đường ôtô trên địa
bàn Hà Nội Với mỗi loại đất sẽ tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất và chế bị các mẫu đầm nén ở trạng thái độ chặt
K = 1.0 theo tiêu chuẩn AASHTO T180 - 97
để xác định môđun đàn hồi động của đất
b Các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn
Để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm các loại đất trên, tác giả đã lựa chọn các tiêu chuẩn thí nghiệm sau:
Phương pháp phân loại đất trong phòng thí nghiệm theo TCVN 5747 - 1993
Phương pháp đầm nén đất theo tiêu chuẩn AASHTO T180 - 97 để xác định độ chặt tiêu chuẩn, độ ẩm tốt nhất và chế bị các mẫu thí nghiệm
Phương pháp thí nghiệm xác định môđun
đàn hồi của đất dưới tác dụng của tải trọng
động (MR) dựa trên mô hình thí nghiệm tác
dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong
điều kiện không nở hông
3 Lập mô hình thí nghiệm và thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của đất dưới tác dụng của tải trọng động (M r )
a Lập mô hình thí nghiệm
Đối với kết cấu nền mặt đường thì điều
kiện làm việc thực tế là chịu tác dụng của tải trọng động (tải trọng tác dụng trong khoảng thời gian rất ngắn) làm cho đất bị biến dạng và phá hoại theo những quy luật nhất định Các tải trọng tác dụng lên nền đất có thể phân thành hai loại là tải trọng xung và tải trọng rung,
đối với điều kiện làm việc của nền mặt đường thì chủ yếu là chịu tác dụng của tải trọng xung
Bảng 2.1 Kết quả phân loại đất
Mỏ đất Vị trí
lấy mẫu Ip
Hàm lượng sét
Môđun
độ lớn Tên gọi
Mỏ đất Dây
Đặc trưng chủ yếu của tải trọng xung là tính chất tác dụng trong thời gian ngắn và khoảng cách giữa các lần tác dụng là khá lớn,
-
Hỗn hợp sỏi sạn và
á sét nặng
Đất nền nguyên
thổ khu vực
Yên Hoà,
Mỹ Đình
26.3 % 50% - Đất sét
dẻo
Mỏ cát Nam
Thăng Long
Đường vành đai
III
Đoạn Nam Thăng Long đi Láng
Cát hạt nhỏ
Trang 3làm cho thời gian tồn tại của trạng thái ứng
suất phụ thêm trong đất ngắn hơn rất nhiều so
với thời gian cần thiết để biến dạng của đất
dưới tải trọng đó có thể hoàn thành Loại tải
trọng này phổ biến là tải trọng của xe ôtô chạy
trên đường
Vì thời gian tác động của tải trọng xung
ngắn hơn rất nhiều so với thời gian cần thiết
để đất hoàn thành biến dạng lún dưới các ứng
suất phụ thêm do tải trọng ấy gây ra, nên độ
lún của đất ứng với mỗi lần xung kích chỉ bằng
một phần nhỏ của độ lún toàn bộ xảy ra trong
đất trong trường hợp nếu tải trọng ấy tác dụng
trong một thời gian lâu dài [3]
Hầu hết các vật liệu làm mặt đường đều
không phải là vật liệu đàn hồi tuyệt đối nghĩa
là vẫn có một phần biến dạng không hồi phục
sau mỗi lần chịu tác dụng của tải trọng Tuy
nhiên, nếu tải trọng nhỏ so với cường độ vật
liệu và được lặp lại với số lượng lớn thì biến
dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần như là
được hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ với tải trọng
và như vậy có thể coi như là đàn hồi [4] Mô
đun đàn hồi tính theo biến dạng có khả năng
hồi phục sau những lần tải trọng tác dụng lặp
gọi là môđun đàn hồi hữu hiệu - Resilient
Modulus được định nghĩa là:
MR =
r
d
E
S , kPa (2.1)
trong đó:
- Sd: ứng suất dọc trục trong thí nghiệm
nén không nở hông hay là ứng suất dọc trục
trội hơn áp lực hông trong thí nghiệm nén ba
trục, kPa
- Er: Biến dạng đàn hồi dọc trục tương
đối của mẫu dưới tác dụng của ứng suất
Sd, mm/mm
Khi thí nghiệm xác định MR, một vấn đề
quan trọng là phải xác định được các thông số
của tải trọng cho phù hợp Dạng và thời gian
gia tải được sử dụng trong thí nghiệm gia tải
động cần mô phỏng điều kiện chịu lực thực tế của vật liệu nền mặt đường Khi tải trọng xe tác dụng tại một khoảng cách đủ lớn tính từ một điểm nào đó trong kết cấu nền mặt
đường, ứng suất tại điểm đó bằng 0 Khi tải trọng tác dụng trực tiếp trên điểm đó thì ứng suất tại điểm đó đạt trị số lớn nhất Do đó dạng ứng suất tác dụng là dạng hình sin hay hình tam giác, thời gian gia tải phụ thuộc vào tốc độ xe chạy và chiều sâu của điểm đang xét so với bề mặt của mặt đường
Về thời gian tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào tốc độ xe chạy, căn cứ các số liệu thu được từ thí nghiệm của AASHO, Barksdale (1971) [11] đã tìm ra mối quan hệ giữa thời gian gia tải lặp phụ thuộc vào tốc độ xe chạy
và chiều sâu điểm đang xét trong kết cấu nền mặt đường Theo kết qủa nghiên cứu này cho thấy nếu điểm xem xét nằm càng sâu so với mặt tiếp xúc của bánh xe thì thời gian tác dụng càng tăng lên và nói chung thời gian tác dụng của tải trọng tỉ lệ nghịch với tốc độ xe chạy
Hình 2.1: Thời gian tác dụng của ứng suất do lực
tác dụng lặp theo phương thẳng đứng
theo Barksdale [11]
McLean [12] cũng xác định thời gian gia tải cho tải trọng lặp dạng hình chữ nhật thể hiện trong đồ thị quan hệ sau:
Trang 4Hình 2.2: Thời gian tác dụng của tải trọng
với dạng sóng hình chữ nhật
Trong hướng dẫn thiết kế kết cấu mặt
đường của AASHTO [9], môđun đàn hồi hữu
hiệu của nền đất MR được xem là trị số đặc
trưng cho cường độ và được dùng để tính
toán, thiết kế kết cấu áo đường Đối với thí
nghiệm trong phòng, MR được xác định dựa
trên nguyên tắc là: tác dụng một ứng suất dọc
trục có độ lớn, thời gian tác dụng và tần số
quy định lên một mẫu đất hình trụ; trong khi
chịu tác dụng trùng phục của độ lệch ứng suất
theo phương thẳng đứng, mẫu còn phải chịu
một ứng suất tĩnh xung quanh nó do buồng áp
lực của thiết bị nén ba trục tạo ra Thiết bị
truyền tải trọng là một nguồn cung cấp tải
trọng ngoài bất kỳ có khả năng tạo ra tải trọng
trùng phục với thời gian tác dụng của tải trọng
tuỳ thuộc vào tốc độ thiết kế xe chạy trên
đường và chiều sâu của nền đất tính từ mặt
đường (bảng 2.2) Dạng sóng của tải trọng tác
dụng có dạng gần với biến đổi hình sin
Bảng 2.2 Thời gian tác dụng của
tải trọng lên nền đất
Thời gian tác dụng của tải trọng (giây)
Chiều sâu kể từ bề mặt của mặt đường
Tốc độ thiết kế
của xe chạy
trên mặt đường
ở nước ta hiện nay, chưa chế tạo được
cũng như chưa nhập được thiết bị đồng bộ để
xác định MR theo đúng quy định thí nghiệm của AASHTO Do đó, tác giả kiến nghị sử
dụng mô hình thí nghiệm tác dụng tải trọng
lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện không nở hông
Các thông số của thí nghiệm đề nghị sử dụng trong nghiên cứu cho trong bảng sau:
Bảng 2.3 Các thông số chính của
mô hình thí nghiệm
Máy thí nghiệm
Máy nén khí có khả năng tác dụng một lực xung trong một phạm vi tần số, thời gian tác dụng lực và
độ lớn của lực
Thiết bị đo biến dạng
Thiết bị LVTD đo biến dạng theo chiều đứng
Dạng sóng
Thời gian tác dụng lực
Thời gian gia tải 0.1 giây, thời gian
1 chu kỳ 1.0 giây
Mẫu thí
Bảng 2.4 Trình tự thí nghiệm
áp lực tác dụng dọc trục Giai đoạn
thí nghiệm
Trình
tự
Số chu
kỳ tác dụng
Thí nghiệm chính thức
6 103 1.05 120
Khuyếch
đại
ADC
Hình 2.3 Sơ đồ tổng thể của hệ thống thiết bị
Thiết bị thí nghiệm là một hệ thống gồm
2 phần:
Trang 5Phần cứng:
Bao gồm các bộ phận sau: máy
nén khí, bộ khung thiết bị, bộ khung
lắp gá mẫu, thiết bị gia tải và điều
khiển tải trọng lặp, thiết bị đo lực,
thiết bị đo biến dạng, thiết bị điều
khiển đóng mở van khí theo chu kỳ
PLC, bộ khuyếch đại tín hiệu, bộ
chuyển đổi ADC, máy tính
Phần mềm:
Là các chương trình điều khiển
hoạt động cho phần cứng, các
chương trình thu nhận và xử lý số
liệu; chúng được nạp sẵn vào máy
tính và bộ PLC Thông qua phần
mềm này, ta có thể thiết lập các
phương thức tác dụng tải trọng khác
nhau (thời gian tác dụng tải trọng, thời gian 1
chu kỳ, độ lớn của lực) cũng như cách thức
thu thập và xử lý số liệu cũng được thiết lập
tuỳ theo người sử dụng
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
thiết bị: Tải trọng xung được cung cấp nhờ
máy nén khí Máy tính điều khiển hoạt động
của PLC theo chương trình lập sẵn Khi PLC
hoạt động sẽ đóng mở van khí theo chu kỳ
xác định Khi van khí mở đẩy Piston hoạt động
tạo lực tác dụng lên mẫu Tải trọng trùng phục
tác dụng lên mẫu qua hệ thống khung truyền
tải độc lập thông qua tấm gia tải Tấm truyền
tải làm bằng thép cứng có đường kính Φ150
mm để sử dụng cho mẫu có
đường kính 152 mm (mẫu đất
được chế bị trong cối CBR)
Trị số lực tác dụng và chuyển
vị được theo dõi nhờ vào hộp tế
bào điện tử Electrical Load - cell
và các Sensor, chúng được đưa
qua bộ khuyếch đại và bộ chuyển
đổi ADC Tín hiệu được chuyển
đổi từ tín hiệu tương tự sang tín
hiệu số được đưa vào máy tính
nhờ phần mềm lấy số liệu Số liệu
thu được đưa vào chương trình xử
lý ra được kết quả thí nghiệm là
giá trị lực tác dụng, giá trị biến
dạng đàn hồi của mỗi chu kỳ tác dụng tải trọng Ngoài ra, giá trị biến dạng tích luỹ qua
120 lần tác dụng lặp được tính toán và ghi lại
T
P
E
Thời gian
Thời gian
T1 - Thời gian tác dụng của lực trong một chu kỳ T2 - Thời gian nghỉ (không có lực tác dụng)
T - Thời gian của một chu kỳ tác dụng lực
P - Lực tác dụng
E - Biến dạng đμn hồi trong một chu kỳ tác dụng lực
Hình 2.4 Mô hình tác dụng lực vμ biến dạng đμn hồi tương ứng
Kết quả thí nghiệm
Thí nghiệm xác định môđun đàn hồi động
được thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm tác dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện không nở hông Trị số môđun đàn hồi động ở đây được xác định trong điều kiện tác dụng tải trọng lặp 120 chu
kỳ tương ứng với áp lực tác dụng dọc trục là 21kPa ; 34kPa; 48kPa ; 69 kPa ; 103 kPa Tải trọng tác dụng có dạng hình Sin với thời gian
1 chu kỳ là 1 giây và thời gian tải trọng tác dụng trong mỗi chu kỳ là 0.1 giây
Kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong bảng 2.5; bảng 2.6 và bảng 2.7
Môđun đàn hồi động
Môđun đμn hồi động (daN/cm2)
1183
1073
0 500 1000 1500 2000
Ngâm nước 96 giờ Không ngâm nước
Bảng 2.5 Kết quả thí nghiệm xác định môđun
đμn hồi động Cát đen Sông Hồng
Trang 6iii Kết luận
Mô hình thí nghiệm như trên đã bước đầu
mô phỏng được điều kiện chịu lực thực tế của
đất nền đường Với mô hình và phương pháp
thí nghiệm trong phòng đề nghị, số liệu
môđun đàn hồi thu được kết hợp với các kết
quả hiện trường sẽ tạo điều kiện xác định
được thông số tính toán hợp lý của đất nền
đường phục vụ việc thiết kế, tính toán kết cấu
nền mặt đường ô tô
Tài liệu tham khảo
[1] Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu, Nguyễn
Quang Toản Khai thác đánh giá và
sửa chữa đường ô tô, Tập 1, NXB
Đại học và Trung học CN, 1984
[2] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
5747 - 1993 Đất xây dựng Phân loại
NXB Xây dựng, 1993
[3] Bùi Anh Định, Cơ học đất Trường
Đại học GTVT, 1997
[4] Bộ giao thông vận tải Tiêu chuẩn
22TCN 274 - 01 NXB Giao thông vận tải, 2001
[5] Vũ Đình Hiền Luận án Thạc sỹ khoa học kỹ thuật 1997
[6] NCS Trần Thị Kim Đăng
Chuyên đề 2 - Các phương pháp xác định và giá trị mô đun đàn hồi của Bê tông asphalt trong phòng
thí nghiệm, 2002
[7] Nguyễn Đình Thạo Luận án Thạc
sỹ khoa học kỹ thuật 2003
[8] Lục Đỉnh Trung, Trình Gia Câu
Đại học Đồng tế Công trình nền - mặt đường NXB Giao thông vận tải,
1996
Môđun đàn hồi động
[9] AASHTO: AASHTO guide for Design of Pavement Structures
[10] Mathematical Modeling of Pavement
Performance
[11] Barksdale, R.G Compressive Stress Pulse
Times in Flexible Pavement for Use in Dynamic Testing – Highway Research Record 345, Highway Research Board, 1971
[12] McLean, D.B Permanent Deformation
Dissertation, University of Carlifornia, Berkeley,
1283
229 0
500
1000
1500
2000
Ngâm nước 96 giờ Không ngâm nước
Môđun đμn hồi động (daN/cm2)
Bảng 2.6 Kết quả thí nghiệm xác định
môđun đμn hồi động đất sét
Môđun đàn hồi động
Môđun đμn hồi Động (daN/cm2)
1724
351 0
500
1000
1500
2000
2500
Ngâm nước 96 giờ Không ngâm nước
Bảng 2.7 Kết qủa thí nghiệm xác định môđun
đμn hồi động đất cấp phối đồi
