Dự báo tuổi thọ còn lại của mặt đờng mềm bằng thiết bị FWD TS. nguyễn hữu trí Viện Khoa học v Công nghệ GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu tóm tắt phơng pháp sử dụng kết quả đo độ võng đn hồi động bằng thiết bị FWD (nhiều cấp tải trọng) để dự báo tuổi thọ còn lại của mặt đờng mềm. Phơng pháp dự báo ny đợc xây dựng dựa trên cơ sở các mô hình phản ứng v mô hình lm việc của mặt đờng. Thông qua các mô hình ny, có thể dự báo đợc tình trạng h hỏng mặt đờng do nứt mỏi v vệt hằn bánh xe dới tác dụng của một hoặc nhiều cấp tải trọng. Summary: The paper briefs on the method of measuring the dynamic resilient deflection by means of falling weight Dynamics to forecast remaining service capacity of flexible pavement. i. mở đầu CB A Tuổi thọ của mặt đờng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh lu lợng giao thông, quá trình thi công, xây dựng, quá trình duy tu bảo dỡng trong thời gian khai thác, cấu trúc kết cấu mặt đờng, tác động của môi trờng v.v Để xác định tuổi thọ còn lại của mặt đờng, cần phải xem xét đánh giá các yếu tố nh tình trạng h hỏng hiện tại của mặt đờng, khả năng chịu tải của kết cấu, các chỉ tiêu khai thác của mặt đờng (về độ nhám, độ bằng phẳng, êm thuận, vệt hằn bánh xe). Trong khuôn khổ bài báo này, xin giới thiệu một phơng pháp sử dụng thiết bị FWD để dự báo tuổi thọ (thời gian khai thác) còn lại của mặt đờng mềm và tình trạng phục vụ của mặt đờng thông qua các chỉ tiêu: sự nứt mỏi (fatigue cracking), vệt hằn bánh xe (rutting) trên cơ sở các mô hình phản ứng và mô hình làm việc của mặt đờng. ii. Mô hình phản ứng (response model) của mặt đờng dới tác dụng của tải trọng Dới tác dụng của một cấp tải trọng nhất định, trong kết cấu mặt đờng sẽ xuất hiện tơng ứng một trạng thái ứng suất - biến dạng. Khi đo đợc biến dạng xuất hiện trong kết cấu, thông qua các mô hinh tính toán, ta có thể tính ngợc ra đợc tải trọng tác dụng. Từ các thông số chậu võng của mặt đờng đo đợc bằng thiết bị FWD, có thể xác định đợc các biến dạng phản ứng của mặt đờng nh: 1. Biến dạng kéo tại đáy lớp bê tông nhựa ( ac ) và biến dạng nén theo phơng thẳng đứng trong lớp bê tông nhựa ( cac ); Hình 1. Các phản ứng của kết cấu mặt đờng dới tác dụng của tải trọng 2. Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt của lớp móng trên ( base ); 3. Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt đất nền ( sg ); Để dự đoán giá trị của biến dạng kéo tại đáy lớp bê tông nhựa ac cho mặt đờng sử dụng lớp móng là vật liệu rời, ta có thể sử dụng phơng trình (1) dới đây: log( ac ) = 1.078 log(BDI) + 0.180 log(H ac ) + 2.772 (1) trong đó: H ac - là chiều dày của mặt đờng bê tông nhựa, mm; BDI - là chỉ số h hỏng lớp móng. BDI đợc định nghĩa là độ chênh giữa các độ võng tại các vị trí cách tâm tấm ép 305 và 610mm. Biến dạng nén theo phơng thẳng đứng trong lớp bê tông nhựa cac đợc xác định bằng cách chia khoảng chênh lệch giữa độ võng trên mặt và độ võng dới đáy lớp BTN cho chiều dày lớp BTN. Giá trị của đại lợng này có thể xác định bằng phơng trình (2) dới đây: log( cac ) = 1.076 log(SCI)+1.122 log(H ac ) + 0.315 (2) trong đó: CB A H ac - là chiều dày của mặt đờng BTN, mm; SCI - là chỉ số uốn vồng lớp mặt, đợc định nghĩa là độ chênh giữa độ võng tại tại các vị trí cách tâm tấm ép 0 và 305mm. Mô hình phản ứng của mặt đờng để xác định base đợc biểu diễn bởi phơng trình: log( base ) = 0.938 log(BDI) 0.079 log(H ac ) + 0.045 log(H base ) + 3.826 (3) trong đó: H base - là chiều dày của lớp móng, mm; BDI - là chỉ số h hại lớp móng. Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt đất nền ( sg ) cho mặt đờng mềm đợc xác định theo phơng trình (4) dới đây: log( sg ) = 1.017 log(BCI) 0.042 log(H ac ) 0.494 log(H base ) + 5.072 (4) trong đó: H ac - Chiều dày lớp bê tông nhựa, mm; H base - Chiều dày lớp móng trên, mm; BCI - Chỉ số độ cong của lớp móng trên. Chỉ số độ cong BCI của lớp móng trên đợc xác định bằng sự chênh lệch giữa độ võng của 2 đầu đo cách tâm của tấm ép một khoảng là 610 và 914mm. iii. Mô hình lm việc (performance model) của mặt đờng Sự nứt mỏi của mặt đờng bê tông nhựa là hiện tợng xuất hiện vết nứt do tác dụng trùng phục của tải trọng lên mặt đờng gây ra các ứng suất - biến dạng có trị số thấp hơn các giới hạn của vật liệu. Để theo dõi hiện tợng nứt mỏi của mặt đờng bê tông nhựa Viện Asphalt, Mỹ, đã đề xuất mô hình làm việc của mặt đờng, đợc biểu diễn bởi phơng trinh (5) dới đây: 0.854 *3.291 tf E0.0796N = (5) trong đó: N f - Số lần cho phép tác dụng của tải trọng; t - Biến dạng kéo tại đáy lớp bê tông nhựa, mm; *E - Mô đun đàn hồi động của bê tông nhựa, psi. iv. Phơng pháp dự báo thời gian khai thác còn lại của mặt đờng Tỷ lệ h hỏng (S i ) mặt đờng do một cấp tải trọng gây ra đợc định nghĩa là tỷ số giữa số lần tải trọng lặp tác dụng thực tế và số lần cho phép tải trọng lặp tác dụng của từng cấp tải trọng. Tỷ lệ h hỏng S i đợc xác định bằng công thức (16) nh sau: i,f i i N N S = (6) trong đó: N i - Số lần tải trọng tác dụng lặp thực tế của cấp tải trọng i; N f,i - Số lần tải trọng tác dụng lặp cho phép của cấp tải trọng i. CB A Theo giả thuyết của Miner, sự h hại có tính cộng dồn tuyến tính. Điều đó có nghĩa là sự h hại của mặt đờng tại một điểm nhất định có thể đợc tính bằng cách cộng dồn các h hại do các cấp tải trọng khác nhau gây ra: = = = n 1i i,f i n i i N N SS (7) trong đó: S - H hỏng cộng dồn do n cấp tải trọng gây ra; n - Số cấp tải trọng tác dụng; S i - Tỷ lệ h hỏng do cấp tải trọng thứ i gây ra. Hệ số h hại đợc định nghĩa là sự h hại do một lần tác dụng của một cấp tải trọng, đợc xác định theo công thức (8): i,f i N 1 DF = (8) trong đó: DF i - hệ số h hỏng của cấp tải trọng thứ i; N f,i - Số tải trọng lặp tác dụng cho phép của cấp tải trọng i. Mô hình làm việc của mặt đờng để theo dõi sự nứt mỏi và vệt hằn bánh xe đợc áp dụng để xác định giá trị N f,i từ đó tính đợc hệ số h hỏng của cấp tải trọng thứ i và tỷ lệ h hỏng do một cấp tải trọng gây ra cho kết cấu mặt đờng . Khi tổng các tỷ lệ h hỏng (S) bằng một thì mặt đờng sẽ bị phá hoại. Sự h hỏng tổng cộng (S) do tác dụng của tổ hợp các cấp tải trọng ảnh hởng đến tuổi thọ còn lại của mặt đờng (Y) đợc xác định từ phơng trình (9) dới đây: hay = xY)xDFP(S ii = )xDFP( S Y ii (9) trong đó: S - H hỏng tổng cộng của mặt đờng do tác dụng của nhiều cấp tải trọng gây ra; DF i - hệ số h hỏng do cấp tải trọng thứ i gây ra; P i - Số lần tác dụng lặp lại của cấp tải trọng thứ i. Đo độ võng bằng FWD D(i,T) Mô hình biến dạng của mặt đờng dới tác dụng của tải trọng R(i,T) Mô hình làm việc của mặt đờng N (i,T) f DF(i,T) S i = N i x Y RL x DF(i,T) Y RL = S 1 = (N i x DF i ) (N i x DF i ) CB A Hình 2. Sơ đồ các bớc tiến hnh dự đoán tuổi thọ còn lại của mặt đờng mềm trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD Biết đợc mặt đờng bị phá hoại khi h hại tổng cộng S = 1, các hệ số khác trong phơng trình (10) đợc xác định từ kết quả thí nghiệm bằng thiết bị FWD và từ các thông số giao thông trên đờng. Do đó, từ công thức (10) ta có thể dự báo đợc tuổi thọ còn lại của mặt đờng. v. Dự đoán tình trạng nứt do mỏi của mặt đờng Để dự đoán đợc tình trạng nứt do mỏi của mặt đờng, có thể sử dụng số liệu độ võng đo đợc bằng thiết bị FWD để xác định các biến dạng kéo theo phơng ngang tại đáy lớp BTN ( ac ) và mô đun đàn hồi của BTN (E ac ). Giá trị ac do tác động của các cấp tải trọng khác nhau có thể dự đoán đợc từ mô hình phản ứng của mặt đờng (biểu diễn bằng phơng trình 1). Giá trị mô đun đàn hồi của lớp BTN (E ac ) đợc xác định nh sau: log(E ac ) = - 1.183log(H ac ) - 1.103log(SCI) + 5.096 (10) trong đó: H ac - là chiều dày của mặt đờng BTN, mm; SCI - là chỉ số uốn vồng lớp mặt. Các giá trị E ac , ac sẽ đợc đa vào mô hình làm việc của mặt đờng xét đến sự nứt mỏi (phơng trình 5 ) để xác định đợc số lần tải trọng tác dụng lặp cho phép của từng cấp tải trọng (N f,i ) Xác định sự phá hoại tổng cộng do nứt mỏi gây ra đối với mặt đờng mềm thông qua (7). Nếu sự h hỏng tổng cộng lớn hơn 1 thì mặt đờng bê tông nhựa bị phá hoại, trờng hợp ngợc lại, mặt đờng vẫn tiếp tục khai thác đợc. Đo độ võng bằng FWD SCI H ac ,H base Giải bài toán ngợc Mô hình phản ứng của mặt đờng E ac t N f = 0.0796e t -3.291 E* -0.854 P -0.3 Số lần tải trọng tác dụng (N) Tỷ lệ h hỏng (Si) S t = S 1 +S 2 + +S n S t < 1 Sai Đúng Lớp BTN vẫn còn khai thác đợc Lớp BTN ở tình trạng phá hỏng CB A Hình 3. Sơ đồ các bớc tiến hnh dự đoán tình trạng nứt mỏi của mặt đờng mềm trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD vi. Dự đoán chiều sâu vệt hằn bánh xe (rut depth) Từ kết quả đo độ võng bằng thiết bị FWD và mô hình phản ứng của mặt đờng, tính đợc các biến dạng biến dạng nén theo phơng thẳng đứng trong lớp bê tông nhựa ( cac ), biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt của lớp móng trên ( base ), biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt đất nền ( sg ); Sử dụng mô hình vệt lún VESYS để xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe trên cơ sở các biến dạng nén dự đoán đợc, thông số vệt hằn bánh xe VESYS và thông số về tải trọng : = = = = n 1i i d 1i d c i i 1 i n 1i N 0 i d 1i d c i i dz)z( 1 N dz)z(dNN)N(RD (11) trong đó: z - Chiều dày lớp kết cấu mặt, mm; c (z) - Biến dạng nén theo phơng thẳng đứng tại độ sâu z, mm; N - Số lần tác dụng của tải trọng; và - Các thông số biến dạng VESYS. So sánh giá trị vệt hằn bánh xe dự đoán với trị số giới hạn sẽ xác định tình trạng làm việc của mặt đờng. Đo độ võn g bằn g FWD Lớp bê tông nhựa Lớp móng Lớp nền BCIBDISCI Mô hình phản ứng của mặt đờng Hac,Habc cac base s g Số lần tác dụng của tải trọng (N j ) Các thôn g số vệt hằn bánh xe(,) Mặt đờng ở tình trạng vẫn khai thác đợc h hỏng Mặt đờng ở tình trạng Đúng Sai RD<RDgh RD(N) = i=1 n i N 1 1 d i d i - 1 c (z)dz CB A Hình 4. Sơ đồ các bớc tiến hnh dự đoán vêt hằn bánh xe của mặt đờng mềm trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD VIi. tổng hợp một số so sánh kết quả dự đoán v các số liệu đo đạc kiểm nghiệm thực tế 7.1. Tỷ lệ h hỏng mặt đờng bê tông nhựa do nứt mỏi Tỷ lệ h hỏng 5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98 Ngày Dự đoán Đ o đạc 5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98 Ngày Dự đoán Đ o đạc Tỷ lệ h hỏng 7.2. Chiều sâu vệt hằn bánh xe của mặt đờng bê tông nhựa Chiều sâu vệt hằn bánh xe Chiều sâu vệt hằn bánh xe Dự đoán Dự đoán Đo đạc Đo đạc 5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98 Ngày 5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98 Ngày viii. Kết luận Sự h hỏng mặt đờng do nứt mỏi và tuổi thọ còn lại của mặt đờng hoàn toàn có thể dự đoán đợc thông qua kết qua đo võng bằng thiết bị FWD và các mô hình mô phỏng sự làm việc của kết cấu mặt đờng. Có thể sử dụng các thông số chậu võng và biến dạng phản ứng giới hạn của mặt đờng để xác định cờng độ của các vật liệu làm lớp móng và nền đờng. Dựa trên các giá trị mô đun đàn hồi và biến dạng kéo dới đáy lớp BTN, có thể dự đoán đợc tình trạng làm việc của lớp bê tông nhựa. CB A Việc dự đoán chiều sâu vệt hằn bánh xe và sự h hỏng mặt đờng do nứt mỏi dới tác dụng của tải trọng theo phơng pháp đã giới thiệu trên đây có độ tin cậy cao, kết quả dự đoán gần sát với các kết quả đo đạc kiểm nghiệm thực tế. Tài liệu tham khảo [1]. AASHTO. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. AASHTO, Washington, D.C., 1993. [2]. Xu Bing, S. R. Ranjithan, and Y. R. Kim. Development of Relationships Between FWD Deflections and Asphalt Pavement Layer Condition Indicators. Paper submitted to TRB, Paper No. 02-3729, 2001. [3]. Asphalt Institute. AI, Thickness Design Asphalt Pavements for Highways and Streets. Manual Series No. 1, 1981. [4]. Kenis, W. J. Predictive Design Procedure, VESYS Users Manual: An Interim Design Method for Flexible Pavement Using the VESYS Structural Subsystem. Report No. FHWARD-77-154, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C., 1978. [5]. Austroads. Road Safety Audit . Second Edition, Sydney 2002 [6]. Nguyễn Xuân Đo v những ngời khác. Công nghệ hiện đại trong xây dựng, kiểm tra, đánh giá chất lợng đờng ô tô cấp cao & đờng sân bay (Báo cáo khoa học đề tài nghiên cứu cấp Nhà nớc mã số KHCN 10-05), HàNội, 6/1999 . khai thác của mặt đờng (về độ nhám, độ bằng phẳng, êm thuận, vệt hằn bánh xe) . Trong khuôn khổ bài báo này, xin giới thiệu một phơng pháp sử dụng thiết bị FWD để dự báo tuổi thọ (thời gian khai. 2/98 Ngày Dự đoán Đ o đạc Tỷ lệ h hỏng 7.2. Chi u sâu vệt hằn bánh xe của mặt đờng bê tông nhựa Chi u sâu vệt hằn bánh xe Chi u sâu vệt hằn bánh xe Dự đoán Dự đoán Đo đạc Đo đạc 5/95 9/95. v những ngời khác. Công nghệ hiện đại trong xây dựng, kiểm tra, đánh giá chất lợng đờng ô tô cấp cao & đờng sân bay (Báo cáo khoa học đề tài nghiên cứu cấp Nhà nớc mã số KHCN 10-05), HàNội,