I. ĐẶT VẤN ĐỀ Công tác thiết kế kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam hiện nay phổ biến sử dụng hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn 22TCN - 211 - 06 và 22TCN - 274 - 01. Tiêu chuẩn 22TCN - 211 - 06 được sử dụng cho hầu hết các dự án đường bộ. Tiêu chuẩn 22TCN - 274 - 01 ít được sử dụng, vì các dự án có vốn đầu tư nước ngoài hay sử dụng trực tiếp hướng dẫn AASHTO, mặc dù thực chất hai tiêu chuẩn này là một. Hiện rất nhiều dự án đường bộ yêu cầu sử dụng cả hai tiêu chuẩn để thiết kế, có đối chứng so sánh. Tuy nhiên, rất khó có thể đưa ra các giải thích một cách có logic cho việc so sánh đối chứng về sự lựa chọn này. Tiêu chuẩn 22TCN - 211 - 06 được xây dựng và phát triển từ rất lâu thể hiện trí tuệ và tâm huyết của các nhà khoa học và các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng đường bộ của Việt Nam, là phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi với giả thiết kết cấu nền mặt đường là hệ đàn hồi nhiều lớp đồng nhất và đẳng hướng, với thông số đàn hồi của mỗi lớp MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HIỆN HÀNH VÀ GIẢI PHÁP TS. TRẦN THỊ KIM ĐĂNG Bộ môn Đường bộ Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải PGS. TS. VŨ ĐỨC CHÍNH Viện Khoa học & CNGTVT Tóm tắt: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đường mềm hiện hành 22TCN - 211 - 06 là tiêu chuẩn được phát triển từ rất lâu trên cơ sở phương pháp thiết kế lý thuyết với giả thiết hệ kết cấu nền mặt đường là hệ nhiều lớp đàn hồi, thể hiện trí tuệ và sự nỗ lực của các nhà khoa học, các chuyên gia ngành đường bộ của Việt Nam. Việc tiếp tục phát triển cập nhật tiêu chuẩn theo hướng phù hợp với điều kiện giao thông một vấn đề cần thiết. Summary: The Flexible Pavement Design Vietnamese Standard 22TCN - 211 - 06 has been developed for long time based on elastic methodology assuming the pavement structure as multi- layer of elastic, homogeneous and isotropic. It results from brainpower and effort of Vietnamese scientists and specialists in road and highway construction sector. Continuing researches to improve this standard be suitable to actual traffic conditions are necessary nowadays. là mô đun đàn hồi hệ số Poisson và tác dụng của bánh xe lên mặt đường là áp lực tĩnh phân bố trên một vòng tròn có đường kính D tương đương với diện tích vệt tiếp xúc của bánh xe lên mặt đường. Qua thời kỳ sử dụng, tiêu chuẩn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết này được sửa đổi để phù hợp với điều kiện khai thác đường thực tế và ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong ngành. Việc tiếp tục nghiên cứu để phát triển, hoàn thiện tiêu chuẩn này theo từng bước yêu cầu thay đổi của ngành là nhiệm vụ của các thế hệ kỹ sư kế tiếp, không chỉ để phục vụ cho thực tế sản xuất của ngành đường bộ, mà còn thể hiện được sự kính trọng với công sức, trí tuệ và tâm huyết của các giáo sư, các chuyên gia, các thế hệ đi trước đã không ngừng phấn đấu cho sự phát triển của ngành, của Bộ Giao thông Vận tải trong sự nghiệp xây dựng và kiến thiết đất nước. II. CÁC KHÓ KHĂN TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN 22TCN - 211 - 06 Các khó khăn trong thực tế thiết kế mặt đường mềm sử dụng tiêu chuẩn 22TCN - 211 - 06 được rà soát và liệt kê như sau: a. Một số hiện tượng hư hỏng kết cấu khá phổ biến trong thực tế chưa được bao gồm trong các trạng thái giới hạn kiểm toán kết cấu mặt đường, như là: + Hư hỏng dạng nứt parabol hoặc hiện tượng trượt trồi do ứng suất cắt trượt trong lớp bê tông nhựa mặt đường và của vật liệu móng rời rạc, kém kính khi xét đến thành phần lực ngang của tải trọng bánh xe; + Hiện tượng nứt phản ánh từ vết nứt mặt đường cũ hay từ móng gia cố vô cơ hoặc khe nối của móng bê tông nghèo; + Hư hỏng do biến dạng không hồi phục của mặt đường không được xét đến do giả thiết tính toán của hệ đàn hồi nhiều lớp. b. Người thiết kế còn gặp khó khăn trong bước thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường và quyết định thông số vật liệu để kiểm toán kết cấu áo đường, do: + Việc yêu cầu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý làm thông số tính toán của vật liệu trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành xét về khía cạnh kỹ thuật là đúng vì thực tế là một vật liệu cùng “tên gọi” với nguồn gốc hình thành và ở mỏ tại các vị trí địa lý khác nhau, sẽ có giá trị khác nhau về chỉ tiêu cơ lý; + Yêu cầu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý làm thông số tính toán của vật liệu trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành khó được thực hiện do điều kiện về cơ sở thí nghiệm và kinh phí; + Yêu cầu này không chỉ khó thực hiện đối với điều kiện hiện nay của các tư vấn mà còn có khả năng tạo ra sự “hỗn loạn” trong các thông số tính toán vật liệu vì các sai số khó kiểm soát do thực hiện ở các phòng thí nghiệm khác nhau, người thực hiện thí nghiệm khác nhau và yêu cầu về số lượng mẫu vật liệu không được tuân thủ; + Cách phân loại vật liệu bê tông nhựa hiện nay chưa có sự thống nhất, tham chiếu lẫn nhau giữa tiêu chuẩn thi công nghiệm thu và tiêu chuẩn thiết kế; + Nhiều loại vật liệu mới hiện đã được sử dụng nhưng chưa có các thông số tính toán tham chiếu trong tiêu chuẩn. c. Người thiết kế gặp khó khăn trong việc xác định thông số tải trọng giao thông phản ánh đúng theo điều kiện giao thông thực tế: + Yêu cầu điều tra tải trọng trục trong tiêu chuẩn là công việc tốn phí thời gian và tiền bạc. Đặc biệt trong điều kiện hiện nay, khi hầu hết các tư vấn thiết kế chưa có các thiết bị kiểm tra tải trọng trục tự động thì yêu cầu này rất khó được đáp ứng trong thực tế. Trong khi đó, việc xây dựng hệ số tải trọng trục tương đương của các loại xe đối với các loại đường có thể là giải pháp khả thi và kinh tế hơn nhiều; + Rất nhiều dự án đường bộ hiện nay được thiết kế chưa xét đến xe quá tải do lấy tải trọng các trục theo thiết kế của loại xe, trong khi hiện tượng xe quá tải là rất phổ biến trên các tuyến đường, kể cả quốc lộ và đường địa phương. Điều này dẫn đến kết cấu mặt đường được thiết kế hư hỏng sớm do không đủ khả năng chịu tải trọng giao thông thực tế. d. Vấn đề về độ tin cậy trong thiết kế gây ra những thắc mắc với các kỹ sư đã thực hiện thiết kế kết cấu áo đường trong nhiều năm: + Việc nhân hệ số độ tin cậy mà không có điều chỉnh hoặc điều chỉnh ít về thông số đầu vào cho kết quả kết cấu mặt đường lớn hơn so với tiêu chuẩn thiết kế trước đây (22TCN - 211 - 93) gây thắc mắc đối với các kỹ sư đã từng sử dụng tiêu chuẩn trước đây để tính kết cấu mặt đường; + Hướng dẫn lựa chọn hệ số độ tin cậy thiết kế trong tiêu chuẩn thiết kế còn chưa đủ mức độ cụ thể, chi tiết. Với một loại đường, người sử dụng sẽ có thể thấy khó khăn khi muốn lựa chọn hệ số độ tin cậy thiết kế. III. CÁC KHÓ KHĂN TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN 22TCN - 274 - 01 a. Trạng thái giới hạn là mức độ phục vụ của mặt đường là một khái niệm còn khá “mơ hồ” đối với các kỹ sư đường bộ của Việt Nam. Đó không phải là thông số để người ta có thể đo đếm được một cách dễ dàng và gây khó khăn đối với kỹ sư Việt Nam về việc kiểm tra nghiệm thu chất lượng mặt đường hoàn thành. b. Người thiết kế còn gặp khó khăn trong thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường và quyết định thông số vật liệu để kiểm toán kết cấu áo đường do chưa có giá trị tham khảo cho các chỉ tiêu cơ lý tương ứng với thông số hệ số lớp của vật liệu mặt đường như là mô đun đàn hồi của bê tông nhựa theo mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp, mô đun đàn hồi của vật liệu hạt theo mô hình thí nghiệm nén ba trục tải trọng lặp hoặc theo mô hình nén hạn chế nở hông tải trọng lặp Các thiết bị thí nghiệm và tiêu chuẩn thí nghiệm cũng chưa có ở Việt Nam. c. Hệ số tải trọng trục tương đương khuyến cáo trong tiêu chuẩn không xét đến xe quá tải, là hiện tượng phổ biến trong thực tế dòng giao thông trên quốc lộ cũng như các đường khác ở Việt Nam (xem bảng 1 dưới đây). Bảng 1: Hệ số tải trọng tương đương khuyến cáo trong tiêu chuẩn 22TCN - 274 - 01 Loại xe Hệ số tải trọng tương đương (đường quốc lộ) Hệ số tải trọng tương đương (các đường chính khác) Xe con 0.001 0.001 Ô tô buýt 0.56 0.98 Xe tải đơn - Xe hai trục, 4 bánh 0.002 0.002 - Xe hai trục, 6 bánh 0.21 0.26 - Xe ba trục và lớn hơn 0.71 1.05 Tổng cho xe đơn 0.06 0.08 Sơ mi mooc kéo theo 4 trục 0.72 1.14 = 5 trục 1.8 1.8 ≥ 6 trục 1.58 2.03 Chung cho các xe có mooc 1.3 1.8 Chung cho các xe tải 0.70 0.42 IV. ĐỀ XUẤT CÁC NGHIÊN CỨU NHẰM TIẾP TỤC PHÁT TRIỂN CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM HIỆN HÀNH PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Nghiên cứu số 1: Xây dựng hệ số tải trọng tương đương cho các nhóm/loại xe dựa trên cơ sở điều kiện giao thông hiện tại và ứng với các kịch bản kiểm soát tải xe quá tải khác nhau Mục đích nghiên cứu: Xác định các hệ số tải trọng tương đương để tính đổi từ xe sang trục tính toán theo các tiêu chuẩn thiết kế đường hiện hành của Việt Nam (22TCN - 211 - 06 và 22TCN - 274 - 01), nhằm hỗ trợ cho công tác thiết kế kết cấu mặt đường thực tế hiện nay, giản tiện cho yêu cầu điều tra tải trọng trục cho các dự án thiết kế mới, thiết kế cải tạo nâng cấp hay bảo trì mặt đường trên các tuyến đường bộ của Việt Nam Nghiên cứu số 2: Phân vùng vật liệu xây dựng đường ô tô và phát triển phương pháp lựa chọn vật liệu xây dựng đường ô tô cho một dự án đường bộ trên cơ sở phân vùng vật liệu xây dựng và chương trình nghiên cứu thực nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý và cơ học của vật liệu, phục vụ cho thiết kế và thi công - nghiệm thu mặt đường. Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phân vùng vật liệu xây dựng đường ô tô và phương pháp lựa chọn vật liệu của các lớp kết cấu áo đường trên cơ sở cấp đường của dự án và phân vùng vật liệu xây dựng đường ô tô. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng đường ô tô theo phân vùng vật liệu xây dựng đường đề xuất, bao gồm cả các vật liệu gia cố từ nguồn cốt liệu từ mỗi phân vùng. Nghiên cứu số 3: Xây dựng hệ số độ tin cậy trong tính toán kết cấu mặt đường mềm Mục đích nghiên cứu: Xây dựng hệ số độ tin cậy trong tính toán kết cấu mặt đường thông qua phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế đầu vào như lưu lượng và tải trọng giao thông và thông số vật liệu nền - mặt đường cũng như ảnh hưởng của phương pháp tính như việc chuyển đổi từ hệ nhiều lớp về các sơ đồ tính toán trong các toán đồ tra cứu đến chiều dày mặt đường thiết kế hay ảnh hưởng của giả thiết tính toán hệ đàn hồi nhiều lớp đến tuổi thọ sử dụng của kết cấu mặt đường thiết kế. Độ tin cậy tổng hợp được xây dựng trên cơ sở tỉ trọng ảnh hưởng của các yếu tố kể trên đến chiều dày mặt đường thiết kế. Các hướng dẫn lựa chọn hệ số độ tin cậy trên cơ sở cấp đường thiết kế, tầm quan trọng của dự án đường cũng là mục đích của nghiên cứu. Nghiên cứu số 4: Phương pháp tính toán kết cấu mặt đường mềm theo trạng thái giới hạn trượt có xét đến lực tác dụng theo phương ngang của bánh xe lên mặt đường Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phương pháp tính, lập các toán đồ tra ứng suất cắt trượt trong các lớp mặt - móng đường có xét đến thành phần lực ngang của tải trọng bánh xe tác dụng lên kết cấu mặt đường do tăng giảm tốc, hãm phanh và trên các đoạn đường có độ dốc dọc lớn. Nghiên cứu số 5: Phương pháp tính toán kết cấu mặt đường mềm theo trạng thái giới hạn kéo của lớp bê tông nhựa trên mặt đường có vết nứt, mặt đường bê tông xi măng cũ hay móng gia cố xi măng, từ đó nghiên cứu phát triển phương pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường hỗn hợp (mặt đường nửa cứng) Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phương pháp tính, lập các toán đồ tra ứng suất chịu kéo của lớp bê tông nhựa tăng cường trên lớp mặt cũ (bằng bê tông nhựa, bằng bê tông xi măng có khe nối, bằng cấp phối đá dăm gia cố xi măng) xem như đã nứt hoàn toàn với vết nứt phát triển hết chiều sâu của mặt đường. Xây dựng phương pháp tính toán cho kết cấu mặt đường hỗn hợp Nghiên cứu số 6: Xây dựng phương pháp tính toán kết cấu mặt đường mềm sử dụng lý thuyết đàn hồi có xét đến tác dụng tải trọng động của tải trọng bánh xe. Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phương pháp tính mô phỏng thực tế chịu tải trọng của xe chạy với các thông số trạng thái giới hạn và thông số vật liệu đầu vào đều được xác định với mô hình thí nghiệm mô phỏng gần gũi hơn điều kiện chịu tải trọng của kết cấu nền - mặt đường trên thực tế. III. KẾT LUẬN Việc nghiên cứu để hoàn thiện các tiêu chuẩn tính toán thiết kế nói chung và thiết kế mặt đường mềm nói riêng luôn là cần thiết để có thể đáp ứng được điều kiện khai thác sử dụng đường thực tế và phù hợp với điều kiện công nghệ hiện đại để mô phỏng gần gũi hơn điều kiện làm việc của kết cấu trong thực tế. Để thực hiện các nghiên cứu này, cần có sự phối hợp của các cơ quan nghiên cứu, các trường Đại học, các cơ quan chủ quản, Bộ chuyên ngành, sự dẫn dắt của các nhà khoa học, các chuyên gia dày dạn kinh nghiệm trong ngành và sự nỗ lực, thái độ luôn học hỏi cầu thị của lực lượng cán bộ nghiên cứu trẻ. Cần phải có lộ trình và dự trù những khoản kinh phí cần thiết cho các nghiên cứu này để có được các thiết kế tốt, tiết kiệm mà vẫn đảm bảo tuổi thọ của mặt đường. Tài liệu tham khảo [1]. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm – 72. [2]. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm – 22TCN - 211 – 93. [3]. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm – 22TCN - 211 – 06. [4]. BISAR 3.0 User Manual – Bitumen Bussiness Group – May 1998. [5]. Quy trình thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa – 22TCN 249-98. [6]. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm – 22TCN 274-01. [7]. Đường ôtô yêu cầu thiết kế – 22TCN 4054- 2005. [8] . Báo cáo khảo sát tải trọng trục - Chương trình bảo trì mạng lưới – Tư vấn BCEOM 2006. [9]. Trần Thị Kim Đăng – Nghiên cứu mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đường ôtô xét đến điều kiện chịu tải trọng thực tế – Luận án tiến sỹ kỹ thuật – năm 2004. [10]. TS. Trần Thị Kim Đăng - Phân tích - đánh giá các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đường mềm hiện hành ở Việt Nam, đề xuất các giải pháp bổ sung, chỉnh sửa và áp dụng khả thi cho các tiêu chuẩn, phù hợp với điều kiện giao thông thực tế - Đề tài NCKH cấp Bộ, Mã số: B2007-04-41, Báo cáo tổng hợp - 2009 . giả thiết kết cấu nền mặt đường là hệ đàn hồi nhiều lớp đồng nhất và đẳng hướng, với thông số đàn hồi của mỗi lớp MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN. KHÓ KHĂN TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN 22TCN - 211 - 06 Các khó khăn trong thực tế thiết kế mặt đường mềm sử dụng tiêu chuẩn 22TCN - 211 - 06 được rà soát và liệt. tắt: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đường mềm hiện hành 22TCN - 211 - 06 là tiêu chuẩn được phát triển từ rất lâu trên cơ sở phương pháp thiết kế lý thuyết với giả thiết hệ kết cấu nền mặt đường