THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC LOẠI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

Trong khi mà ở nhiều nước vẫn còn thiết k ế mặt đường theo phương ph á p kinh nghiệm, thì từ 30 năm trở lại đây những chuyên gia về đường ôtô của Pháp đã dần hoàn chírth m ột phương p há

NGUYỄN QUANG CHIẾU

L Ờ I G I Ớ I T H I Ệ U

Nước Pháp CÓ m ạng lưới đường ôtô dày đặc và tốt vào loại nh ấ t Châu A u với tổng chiều dài trên 900.000km đường có m ặ t đường (trong đó có 8300 km đường cao tốc, 28.000 km quốc lộ, 350.000 km tỉn h lộ, đảm nhiệm m ột lượng vận chuyển tru n g bình vào khoảng 25.000 xe Ingày (có 20% xe nặng) trên các đường cao tốc,

10.000 x e /n g à y trên các quốc lộ, 1500 xe Ị ngày trên các tỉnh lộ và 150 xe I ngày trên các đường làng xã.

Thiết k ế kết cấu m ặt đường các loại cho trên 900 000 km đường chịu một lượng vận chuyển khác nhau nh ư vậy luôn ở trạng thái tối với giá thành hợp lý là một việc không đơn giản, đòi hỏi p h ả i giải quyết đúng đăn từ vấn đề thu nhập các s ố liệu đầu vào cho đến việc chọn loại kết cấu, chọn phương pháp thiết k ế tính toán hợp lý cho từng loại m ặt đường.

Trong khi mà ở nhiều nước vẫn còn thiết k ế mặt đường theo phương ph á p kinh nghiệm, thì từ 30 năm trở lại đây những chuyên gia về đường ôtô của Pháp đã dần hoàn chírth m ột phương p háp thiết k ế hợp lý dựa trên kết quả của lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng của kết cấu nhiều lớp, kết hợp với kết quả th í nghiệm vật liệu m ặt đường trong các điêu kiện khác nhau, đồng thời đôi chiếu với kết quả

q uan trắc thực nghiệm các kết cấu m ặt đường đã có Có th ể nói đây là một phương

p h á p khá hoàn chính kết thừa được những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về m ặt đường của Pháp và của các nước tiên tiến trên th ế giới, nó xét tới đầy đủ các điều kiện làm việc của m ặt đường dưới các loại tải trọng xe chạy khác

n h a u, trong các điều kiện môi trường khác nhau, yêu cầu về p h ẩ m chất đường khác nhau Phương pháp này đã được tập hợp lại đầy đủ trong tập H ư ớ n g d â n k ĩ

t h u ậ t th iế t k ế và tín h to á n cá c k ế t c â u m ă t đư ờ n g này.

Với việc xuất bản tập sách quý này, chúng tôi mong muốn cung cấp cho bạn đọc

m ột phương pháp tiên tiến đ ể tham khảo k h i thiết k ế kết cấu m ặt đường, một hạng

m ục rất quan trọng trong khôi phục, cải tạo mạng lưới đường ôtô của chúng ta

L Ờ I N Ó I Đ Ầ U

Phương p há p thiết k ế m ặt đường do Cục Đường bộ sử dụng dưới dạng Catalô các kết câu

m ẫu (xuất bản lần đầu năm 1971 và tái bản có bổ sung sửa chữa n ăm 1998) nhằm các mục tiêu chính:

- Xác đ ịn h m ột chiến lược kinh t ế- kỹ thuật có giá trị cho toàn bộ m ạng lưới đường quốc gia và bảo đ ả m sự đồng nhất về mức phục vụ;

- C ung cấp các giải pháp kỹ thuật xác định và gần giống nhau cho các công tác đối ngoại

và chớ m ạng lưới kỹ thuật của nhà nước;

- Tránh không đ ể người thiết k ế phải tính toán nhiều trong thời kỳ m à các phương tiện tin học hiện có tại địa phương còn hạn chế.

N h ữ n g năm gần đây, do bôĩ cảnh kinh tế - xã hội đã thay đổi sâu sắc, đòi hỏi phải biên soạn một tài liệu làm rõ một phương pháp thiết k ế các kết cấu m ặ t đường đã được những người làm đường chấp nhận Dưới đây là một s ố yếu tố phát triển quan trọng nhất đó:

* Việc tiêu chuẩn hóa các sản phẩm và vật liệu m ặt đường đã thay th ế khái niệm vật liệu

m ẫu trong các hướng dẫn, như khái niệm về các cấp vật liệu đặc trưng bằng các tính năng

cơ học của chúng S ự đa dạng hóa các cấp tính năng đòi hỏi phải giả i thích cách m ôđun hóa các cấp đó theo đúng chiều dày của các lớp m ặt đường;

* Chính sách phân quyền cho địa phương đã làm phân hóa chiến lược của các chủ công trình trong lĩnh vực đường sá N hư vậy, về m ặt kỹ thuật đơn thuần cần có một phương pháp

du y nhất đ ể thống nhất các khái niệm sử dụng trên toàn lãnh th ổ quốc gia và cung cấp các công cụ chung cho phép đánh giá một cách khách quan các giải pháp do chủ công trình và các

Tài liệu này là thành quả lao động trong nhiều năm của m ạng lưới công tác nghiên cứu

kỹ th u ậ t của N h à nước, kết hợp rất chặt chẽ với các x í nghiệp xây dựng đường bộ và N hóm Đường ôtô của Tô chức Scétauroute.

Trong kh i ở nhiều nước còn thiết k ế các kết cấu m ặt đường theo phương p háp kinh nghiệm, th ì từ 30 năm lại đây ở Pháp đã khai thông dần một phương pháp gọi là "Phương

p h á p hợp lý" dựa trên các kết quả của môn cơ học kết cấu Phương p háp hợp lý này đã chỉ đạo việc xác lập các tờ catalô phát hành năm 1977, nhưng cho tới nay vẫn chưa công bô' Tập hướng dẫn này sửa chữa sự chậm trễ đó bằng cách thêm vào các kiến thức đã thu được từ đó trở đi và củng đ ế giới thiệu ra nước ngoài các cơ sở của phương pháp Pháp.

G iám đốc Cục Đường bộ

C hristian Leyrit

P H Ạ M V I Á P D Ụ N G

Các nguyên tắc trình bày trong tài liệu này có liên quan với việc thiết kế các kết cấu mặt đường ôtô (trừ mặt đường không rải mặt và mặt đường lát) Từ những căn cứ của nó, phương pháp tính toán này được áp dụng cho các cấp đường khác nhau từ các mặt đường ít xe cho đến các kết cấu của đường cao tốc.

Nếu việc tính toán mật đường đã tiến hành theo các điều kiện khí hậu và tải trọng xe chạy hợp pháp trên lãnh thổ của nước Pháp, thì phương pháp thiết kế hợp lý, mà các nhân tố khác

nhau trên đây đã được xử lý, cho phép chuyển các nguyên tắc đã nói rõ trong tài liệu này sang

các bối cảnh khác.

Ó đây không bàn đến các trường hợp riêng cho các yêu cầu của đường bãng sân bay hoặc cho các mạt bằng công nghiệp Tuy nhiên, việc tiếp cận vế cơ học cùa việc tính toán là một trong những nét độc đáo của phương pháp Pháp, trong một số trường hợp, có thể cung cấp các yếu tố,

từ đó có thể thiết lập các quy tác thích ứng với các điều kiện riêng này.

Tài liệu cũng nêu rõ các giai đoạn của phương pháp tính toán dẫn đến sự xác dịnh chiều dày cùa các lớp khác nhau cùa kết cấu mặt đường phù hợp với chiến lược đầu tư và bảo dưỡrig đã chọn và tùy thuộc vào các mục tiêu phục vụ, lượng giao thồng và các điều kiện nrồi trường Nó xác định các thồng số tính toán ràng buộc với các tính chất vật lý và cơ học của vật liệu đỏi với các kỹ thuật làm mặt đường khác nhau.

Tuy nhiên, để xác định các kết cấu mặt đường thích hợp với một mạng lưới đường bộ nhàt định, còn cẩn phải bổ sung cho các quy định trong tài liệu này dữ liệu của một tập hợp các quy tắc để cho chủ công trình chọn Như vậy có nghĩa là mỗi chủ công trình phải xác định các mục tiêu phục vụ, các mục tiêu này sẽ được thể hiện trong việc chọn thời gian phục vụ trước khi các công tác bảo dưỡng đầu tiên được tiến hành, chọn độ rủi ro gián đoạn phục vụ được chấp nhận

do những biến động về thời tiết, v.v v ề các điểm này khồng thể có nguyên tắc thích hợp cho mọi tình huống.

Phẩn 1

1.1 M Ô TẢ CHỨC N Ă N G C Ủ A CÁC LỚP M Ậ T ĐƯỜNG

M ặt đường là m ột kết cấu nhiều lóp (hình 1.1) được rải trên m ột tổ hợp g ọ i là nền đất

g ồ m c ó đất đào đắp (gọi là đất nền) và phía trên thường có một lớp trên nền đất.

a Y.Y V *4i/ V V.” V-‘ • • &V

Lớp này chuyển tiếp giữa đất nền và m óng của mặt đường và c ó m ột chức năng kép:

- Trong giai đoạn thi cô n g nó bảo vệ đất nền, bảo đảm cao trình và ch o phép x e cộ

ch ớ vật liệu xây dựng các lớp mặt đường đi lại trên đó;

- Đ ố i vớí chức nãng cơ học của mặt đường, lớp này bảo đảm sự đồng nhất và cải thiện

cá c tính chất phán tán của vật liệu nền đắp hoặc của đất tại chỗ.

V a i trò của các lớp tạo thành mặt đường:

- Các lớp m óng (lớp m óng dưới và lớp m ón g trên)

- Lớp mặt.

Có thể phân định bằng sự đóng góp vào các chức năng mà mặt đường phải bảo đảm.

Các lớp m óng

Lớp m óng của mặt đường thường gồm có hai lớp: lớp m óng dưới và lớp m óng trên Các lớp này làm bằng vật liệu đã gia cô n g (với cá c mặt đường chịu lượng vận chuyến cao) làm ch o mặt đường có cường độ cơ học chịu được tải trọng thẳng đứng do xe chạy gây ra Các lớp m ón g này phân bố đều áp lực trên nền đất và duy trì các biến dạng của nền đường nằm trong các g iớ i hạn cho phép.

V ới mặt đường ít x e ch ạy trong m ột s ố trường hợp vai trò của lớp m óng dưới có thế được bảo đảm bằng việc xử lý đất tại chỗ.

Tầng m ặt

Tầng mặt gồm có:

- Lớp mặt x e ch ạy, là lớp trên cùng của kết cấu mặt đường, trực tiếp chịu phá hoại do

x e c ộ và khí hậu.

- Lớp liên kết (có thể c ó hoặc không) giữa lớp mặt và lớp m óng.

Tại mặt tiếp giáp giữa lớp mặt và lớp m óng trên ta có thể tìm biện pháp để làm chậm

sự truyền nứt từ các lớp m ón g gia cố chất liên kết rắn trong nước lên lớp mặt.

Các đặc trưng bề mặt củ a lớp mặt x e chạy phụ thuộc nhiều vào chất lượng sử dụng của mặt đường N g o à i ra lớp mặt còn góp phần vào độ lâu bền của kết cấu mặt đường, đặc biệt là chức năng kín nước đỗi với lớp m óng.

Các chức năng và các m ục tiêu được xem xét để chọn lớp mặt được nói trong phần III.

1 2 S ự L À M V I Ệ C C Ủ A C Á C H Ọ M Ặ T Đ U Ờ N G K H Á C N H A U V À C Á C K l Ể U

H Ư H Ỏ N G C Ủ A C H Ú N G

Dưới tác dụng phối hợp của sự lặp lại của tải trọng xe chạy (giao thông), của các nhân tố khí hậu và của thời gian, mặt đường dần dà bị xuống cấp V iệc tìm hiểu tính chất của các hư h ỏn g và cá ch tiến triển các hư hỏng này chủ yếu để:

- Biết được cách làm v iệc của các kết cấu mặt đường;

- Chọn m ô hình tính toán thích ứng với kỹ thuật;

- H iệu chỉnh lần cu ối các kết quả tính toán về những điểm mà m ô hình cơ học dùng

để tính toán kết cấu mặt đường chưa xác định rõ.

Tùy theo tính chất và chất lượng của các lớp khác nhau mà thường gặp những hư hỏng sau đây.

Lớp m ặt xe chạy

- M ài m òn do ứng suất tiếp của tải trọng bánh x e gây ra;

- V ệt bánh xe do rão trong điểu kiện nhiệt độ cao và ứng suất do xe chạy gây ra lớn;

- Nứt do m ỏ i v ì lớp mặt bitum dính bám kém với lớp móng;

- Nứt do truyền nứt từ lớp m ón g lên;

- Nứt do m ỏ i nhiệt v ì bitụm hóa già.

Các lớp m óng gia cô

- Nứt do m ỏi vì sự lặp lại của ứng suất kéo uốn khi tải trọng chạy qua;

- Nứt do c o rút khi đ ôn g cứng của cấp phối đá g ia c ố chất liên kết rắn trong nước;

- Các tấm bêtông bị đội lên và cập kênh tại các vị trí đường nứt và khe n ối, do chất lượng truyền lực kém và nền m ón g bị xói mòn.

Các lớp m óng không gia c ố và nên đường

- B iến dạng dư của kết cấu (lún, vệt hằn bánh x e) do tích lũy tại các biến dạng dẻo.

V ới m ỗi loại kết cấu mặt đường có những khuyết tật nổi bật thể hiện các cách làm

v iệc riêng của loại mặt đường đó.

1.2.1 Các họ kết cấu mặt đường

M ột trong những đặc trưng của mạng lưới đường ôtô của nước Pháp là sự tồn tại các kết cấu mật đường rất đa dạng m à có thể phân thành các họ sau đây:

- Mặt đường m ềm ;

- M ặt đường nhựa bitum dày;

- M ặt đường c ó lớp m óng gia c ố chất liên kết rắn trong nước;

- Mặt đường c ó kết cấu hỗn hợp;

- M ặt đường c ó kết cấu đảo ngược;

- M ặt đường bêtôn g xi măng.

Trong bối cảnh của nước Pháp, các nhóm mặt đường khác nhau này được đặc ưưng tóm tắt như hình 1.2.

1.2.1.1 M ặ t đường mềm

Các kết cấu này g ồ m m ột lớp mặt bitum tương đối m ỏng (dưới 15cm ) có thể giảm

xu ố n g còn m ột lớp láng nhựa do mặt đường ít x e chạy, được đặt trên m ột hoặc nhiều lớp vật liệu hạt không gia cố Chiều dày tổng cộng của mặt đường thường từ 3 0 đến 60cm

1.2.1.2 M ặt đường nhựa bitum dày

Các kết cấu này g ồ m m ột lớp mặt bitum trên m ột thân mặt đường (lớp m ỏn g) bằng vật liệu gia c ố các chất liên k ết hyđrôcácbon làm thành một hoặc hai lớp (lớp m óng trên

và lớp m ón g dưới) Chiều đày các lớp móng thường từ 15 đến 4 0 cm

3 Vật liệu hạt không gia cố (~12cm)

4 Vật liệu gia cố chất Hên kết rắn trong nước

5 Mătnén đất

MẶT DƯỜNG BÊ TÔNG XI MẦNG Tấm khòng th a n h truyền lực với lớp m óng

1 Bê tông xi măng (20 - 28cm)

2 Bé tỏng nghèo (12 - 18cm) hoặc vặt liệu gia cố chất liên kết rắn trong nước (15 - 20)

1.2.1.3 M ặ t đường có lớp móng gia c ố các chất liên kết rắn trong nước

C ác kết cấu này thường được gọi là "mặt đường nửa cứng" Chúng g ồ m m ột lớp mặt bitum trên m ón g làm bằng vật liệu gia c ố chất liên kết rắn trong nước được làm thành

m ột h o ặ c hai lớp (lớp m óng trên và lớp m óng dưới) với chiều dày tổng cộ n g vào khoảng

từ 2 0 đ ến 5 0 cm

1.2.1.4 M ặ t đường có kết cấu hỗn hợp

C ác kết cấu này gồm m ột lớp mặt và m ột lóp m óng trên bằng vật liệu nhựa bitum (ch iều dày của lớp m óng trên 10 đến 20cm ) trên m ột lóp m óng dưới bằng vật liệu gia c ố chất liê n kết rắn trong nước (20 đến 40cm ) Các kết cấu gọi là hỗn hợp là các kết cấu mà

tỉ s ố giữ a ch iều dày của vật liệu bitum trên chiều dày tổng cộ n g củ a mặt đường vào

k h oảng 1/2.

1.2.1.5 M ặ t đường kết cấu ngược

Các kết cấu này gồm các lớp bitum chiều dày tổng cộ n g khoảng 15cm đặt trên m ột lớp cấp phối không gia c ố (khoảng 12cm ), lớp này đặt trên m ột lớp m ón g dưới bằng vật liệu gia c ố chất liên kết rắn trong nước Tổng chiều dày các lớp lên đến 6 0 - 80cm

1.2.1.6 M ặ t đường bêtông ximãng

C ác kết cấu này gồm một lớp bêtông xi m ăng dày từ 15 đến 4 0 cm thường được phủ

m ột lớp mặt m ỏn g bằng vật liệu bitum Lóp bêtông được đặt trên lớp m ó n g (có thể bằng vật liệu g ia c ố chất liên kết rắn trong nước, bằng bêtông xim ăn g hoặc bằng vật liệu thoát nước k h ông gia cố ) hoặc đặt trực tiếp trên nền đường, trong trường hợp này thường có

m ột lớp bitum ở giữa Tấm bêtông có thể liên tục có tăng cường theo ch iều dọc (bêtông cốt thép liên tục) hoặc gián đoạn có hoặc không có thép liên kết giữa cá c khe.

1.2.2 Sự làm việc và hư hỏng của các họ kết cấu khác nhau

Chương này m ô tả các nét đặc trưng nhất của sự làm việc và hư h ỏn g của các họ kết cấu mặt đường khác nhau Sự m ô tả ngắn gọn này là không đầy đủ N ó không bao gồm các trường hợp mà việc chọn các thành phần phối hợp, v iệc c h ế tạo hoặc thi cô n g có những sai sót hoặc không thích hợp.

1.2.2.1 M ặ t đường mềm

* ứ n g su ấ t d o x e ch ạy gây ra

C ác vật liệu hạt không liên kết làm lớp m óng của mặt đường này c ó đ ộ cứng nhỏ phụ

th u ộc vào độ cứng của đất và chiều dày của chúng V ì chiểu dày lớp bitum khá m ỏng nên các ứng suất thẳng đứng do xe chạy gây ra được truyền xuốn g nền đất theo m ột góc phân bố ngan g nhỏ ú n g suất thẳng đứng lớn do lặp đi lặp lại gâ y ra cá c biến dạng dẻo trong đất hoặc trong lớp cấp phối tạo thành các biến dạng dư ở bể m ặt của mặt đường

Đ á y của lớp mặt bitum chịu ứng suất kéo uốn lặp lại.

Đ ộ cứng n hỏ củ a kết cấm llàm cho các kết cấu mặt đường này đặc biệt nhạy cảm với những thay đổi trạng tháii ẩẩrm ướt của đất nền Đ iều này được thể hiện qua "hiệu ứng cạnh": Sự giảm sức chịu tải ởfthời kỳ ẩm ướt có thể làm lún sệ m ép và nứt co trong thời

kỳ khô hạn.

Chú ý: Việc giảm sức chịịu! tảỉi do thay đổi trạng thái ẩm ướt của đất nền nhạy cảm với nước càng rõ hơn (vê mùa mưa vài tcan băng) khi điểu kiện thoát nước và không thấm nước của lớp mặt đều xấu Các kết cấu khác ciũnịg mhưvậy nên sau này chúng tôi không nhắc lại nữa.

* S ự tiến triể n củ a cá c ihưc hiòng

Sự phát triển thường thỉấyy của mặt đường m ềm được thể hiện trước tiên bằng sự xuất hiện các biến dạng dư k iểu i việt bánh bán kính lớn, các ch ỗ lõm và lún làm giảm chất lượng của m ặt cắt ngang Víà imậặt cắt dọc.

N hững biến dạng này tiãmg lên theo lượng g iao thông tích lũy về ch iều sâu và chiều rộng tùy thuộc vào chất Uươ/ng trung bình của kết cấu và độ phân tán của các đặc trưng

cơ học của thân m ặt đư ờn g wà (CÙa đất.

Các ứng suất uốn iặp hại trrong lớp mặt bitum gây ra phá hoại do m ỏi dưới dạng các

đường nứt, đầu tiên là c ắ c điưcờng nứt riêng rẽ rồi phát triển dần thành m ột m ạng đường

nứt nhỏ.

N ước thấm xuốn g dè dlàmg hơn làm tăng nhanh các hiện tượng: m ở rộng đường nứt, bong bật vật liệu rồi tạo thiàrnhi các ổ gà Nếu không bảo dưỡng kịp thời thì mặt đường bị

h ỏn g rất nhanh ch o đến khii íhoiàn toàn bị phá hỏng.

1.2.2.2 M ặt đường bừiurrn (tíày

* ứ n g su ấ t d o x e c h ạ y g â y ira

Đ ộ cứng và độ bền chịiu lké ',0 của các lớp m óng bằng vật liệu bitum ch o phép khuếch

tán ứng suất thẳng đứng tiriryềìn xuống lớp nền do đó giảm nhanh chúng N gược lại, tải trọng x e chạy gây ra ứng Sĩuẵít kéo uốn trong các lớp có chất liên kết.

Các mặt đường này thưrờmg có nhiều lớp Khi các lớp này dính chặt nhau, độ dãn dài lớn nhất sinh ra ở đáy củ a liớp sâu nhất Nhưng nếu các lớp không dính chặt với nhau, từng lớp sẽ chịu ứng suất Ikéio và sẽ có thể bị phá hoại do m ỏi N hư vậy, chất lượng của các mặt tiếp giáp c ó ảnh huiởmg lớn đến tình hình làm v iệc của loại mặt đường này.

C òn ứng suất tác dụng lê:n nền đất thì thường nhỏ và không gây biến dạng dư ở lớp mặt trước khi các lớp biturm Ibị phá hoại do m ỏi.

* Ả nh hưởng củ a c ú c điềm kúện môi trường

Tương tự như ảnh hưíởmg đãi nói trong mặt đường m ềm N ói chung chỉ xảy ra vết hằn bánh xe do từ biến ở nh iệt độ cao và dưới tác dụng của xe nặng chạy chậm , trong lớp mặt.

*Ánh hưởng của các điiềuu Hiện môi trường

* S ự tiến triể n củ a c á c h ư hỏng

K h ôn g bảo dưỡng thì quá trình phá hoại của mặt đường bitum dày sẽ phát triển cho đốn hư hỏng hoàn toàn T heo phương pháp tính m ỏi của Pháp thì sự xuất hiện các đường nứt dọc do m ỏi trong các vệt bánh xe thường xảy ra sau sự phá hoại bề mặt Các đường nứt dọc dần trở thành các đường nứt lưới với kích thước của ô lưới giảm dần V iệc

ch u y ên sang đường nứt lưới này sẽ xảy ra trong các vùng có chất lượng thấp (sức chịu tải của nền, các đặc trưng của vật liệu liên kết, khu vực mà lớp mặt bị bong ra).

Đ ư ờng nứt phát triển làm cho nước thấm nhanh vào thân mặt đường, khiến cho dường nứt m ớ rộng m iệng, vật liệu bị bong ra và tạo thành ổ gà Ở giai đoạn nàv các lớp liên kết bị hỏng, cách làm việc của mặt đường thay đổi nhiều: dưới tác dụng của tải trọng sẽ tạo thành các khối làm việc riêng rẽ.

V ớ i cách tính toán và vật liệu dùng ở Pháp cho các mặt đường này không quan sát hoặc ít quan sát thấy các biến dạng dư do tải trọng gây ra trong đất, trừ các trường hợp

cá biệt (giao thông nặng sau mùa đông khắc nghiệt, thiếu sót về thi c ô n g .)•

1.2.2.3 M ặt đường có lớp móng gia cô chất liên kết rắn trong nước

* ứ n g su ấ t d o x e ch ạ y gây ra

D o vật liệu gia c ố chất liên kết rắn trong nước có độ cứng lớn, ứng suất thảng đứng từ

m ặt đường truyền xuống nền đất nhỏ N gược lại, lớp m óng chịu ứng suất kéo uốn Ưng suất này có tính quyết định trong v iệc tính toán lại mặt đường này.

Các kết cấu này thường gồm m ột lớp m óng trên và m ột lóp m ón g dưới Khi lực dính bám giữa các lớp này bảo đảm tính liên tục của chuyển vị thì ứng suất k éo lớn nhất quan sát thấy ở đáy của lớp m óng dưới Trường hợp ngược lại (xảy ra sự trượt tương đ ối) thì ở đáy của cả hai lớp đểu chịu kéo Mặt tiếp giáp của lớp mặt bitum và lớp m ón g trên cũng

là m ột vùng nhạy cảm vì:

- Chịu ứng suất thẩng đứng và ứng suất cắt nằm ngang, và.

- M ấy centim et phía trên của lớp m óng gia c ố thường có cường độ thấp.

* Ả n h hưởng củ a c á c đ iều kiện m ôi trườnq

C ác lớp m óng gia c ố chất liên kết rắn trong nước bị co rút d o nhiệt độ và khi ngưng kết D o ma sát giữa lớp m ón g và nền đất phía dưới sự co rút này bị cản trở, gây ra một đường nút ngang N ếu không có bố trí cấu tạo đặc biệt thì các đường nứt này sẽ truyền lên lớ p mặt Các đường nứt này xuất hiện trên lớp mặt với m ột khoảng cách tương đối đều (từ 5 đến 15m) Các đường nứt này m ở rộng theo nhiệt độ từ vài phần mười m ilim et đến v à i m ilim et.

K hi mới xuất hiện trên bề mặt, các đường nứt do co rút này thường rõ ràng và có xu

hư ớng m ớ rộng và phân nhánh ra dưới tác dụng của tải trọng x e chạy.

v ề mặt cơ học những chỗ gián đoạn này làm tăng ứng suất theo hướng ngang xung quanh vệt bánh xe, so với trị số quan sát được trong một môi trường liên tục Sự tăng ứng suất này tỉ lệ ngược với chất lượng truyền tải trọng giữa hai m ép của đường nứt N g o à i ra nếu sự truyền tải trọng nhỏ thì áp lực do tải trọng truyền lên nền m óng sẽ tăng mạnh.

Đ ư ờng nứt co làm ch o nước dễ thấm xuống do đó làm giảm chất lượng dính bám ớ

m ặt tiếp giáp với phần trên của lớp móng, làm tăng độ dãn dài ở đáy của lớp m ặt bitum , làm tãng ứng suất k éo ở đáy của các lớp gia c ố cũng như thay đ ổi điều kiện g ố i trê nền

m ó n g của mặt đường N goài ra còn ảnh hưởng đến sự truyền tải trọng giữa các m ép của đường nứt, làm ch o dập nát dễ dàng, làm tãng ứng suất kéo theo hướng ngang ở đáy của

cá c lớp gia c ố và tăng ứng suất thẳng đứng trên nền m óng của mặt đường.

* S ự tiến triể n củ a c á c h ư hỏng

Lớp mật bitum trên các lớp móng gia cô' đầu tiên được thi cô n g trong thập kỷ 6 0 có

ch iều dày nhỏ (5 cm ) và thường thấm nước Bề mặt của lớp m óng thi côn g thiếu cẩn thận, được bảo vệ không tốt nên bị hư hỏng nhanh do dập nát và thấm nước (qua các đường nứt c o rút hoặc trong các vùng có lớp thấm mật) Từ đó về mùa mưa bị phụt bùn lên mặt N hững hư hỏng này phát triển nhanh thành các vệt hằn bánh xe có đường nứt rồi sau đó thành ổ gà.

Các mặt đường xây dựng sau 1975 đã được chú ý nhiều về chất lượng của bề mặt lớp

m ó n g , đã tãng chiều dày của lớp mặt bitum và bịt kín các đường nứt do c o rút nên đã hạn c h ế được rất lớn hiện tượng phùi bùn.

M ặt khác đã áp dụng m ột số biện pháp kiểm tra đường nứt do co rút (tạo các đường nứt trước trong các lớp m ón g) và hạn ch ế hoặc làm chậm sự truyền lan các đường nứt lên ló p mặt.

Các lớp bitum (trong đó thường có Iĩiột lớp cấp phối đá bitum ) có nhiều nhiệm vụ

C ác lớp này bảo đảm chất lượng bằng phẳng và liên tục của các vật liệu này, nhờ chiều dày của nó các lớp này làm chậm sự truyền các đường nứt ngang của các lớp vật liệu gia

c ố chất liên kết rắn trong nước và giảm ứng suất uốn ở đáy của lớp m óng.

D o những chuyển động dãn nở khác nhau giữa lớp cấp phối đá bitum và các lớp cấp

p h ối đá gia c ố chất liên kết rắn trong nước và tác động của lượng g ia o thông, các lớp này

c ó thể k h ông dính bám với nhau nữa ở một số khu vực Đ iều này c ó thể làm tăng mạnh ứng suất kéo trong lớp cấp phối đá - bitum và lớp này lại có thể bị h ỏn g do m ỏi.

* Ả n h hưởng củ a cá c điều kiện m ôi trường

Lớp gia cô' chất liên kết rắn trong nước bị co rút, tuy nhiên lớp bitum bảo đảm giảm

n h ỏ gradien nhiệt độ hàng ngày Chênh lệch nhiệt độ hàng n gày cù n g với tác dụng của

x e ch ạy gây ra sự truyền nứt lên lớp bêtòng nhựa (chiều dày củ a lớp bêtông nhựa sẽ làm

g iả m cường độ của ứng suất).

*Sự tiến triển của các hư hỏng

V ớ i các kết cấu được xây dựng theo "Catalô các kết cấu m ẫu của mặt đường làm

m ới 1977" [2] về tổng thể là thỏa mãn tình hình chịu lực T ron g cá c m iền k h í hậu đại

dư ơng h iếm thấy xuất hiện đường nứt, trong các m iền k h í hậu lụ c địa khi dùng cốt liệu

c ó hệ s ố dãn nở lớn thì quan sát thấy xuất hiện đường nứt C ác đường nứt ngang của

lớ p bitum thì nhỏ và thưa tuy nhiên cần bảo dưỡng để tránh tăn g nhanh hư h ỏn g, do nước thấm Trên đất có sức chịu tải thấp khi chiều dày và ch ất lư ợng cấp phối đá gia

c ố chất liên kết rắn trong nước không đủ thì thấy xuất hiện c á c vệt lõ m lớn làm nứt rạn

lớp bitum phía trên

1.2.2.5 M ặt đường kết cấu ngược

Mặt đường kết cấu ngược là các kết cấu có ba lóp mà mỗi lớp c ó m ột chức năng riêng Lớp m óng dưới bằng vật liệu gia c ố chất liên kết rắn trong nước nhằm giảm nhỏ ứng suất truyền lên nền đất, mặt khác tạo thành một lớp m óng ít biến dạng ch o các lớp nằm trên n ó Trong m ột số trường hợp và trong những điểu kiện nhí'ĩ định nào đó, lớp trên nền đất xử lý bằng cách gia c ố chất liên kết có thể thay thế ch o lớp m ón g dưới này.

Lớp vật liệu hạt có khả năng biến dạng tương đối theo hướng ngang, c ó thể tránh được sự lan truyền các đường nứt do co rút vì nhiệt độ của lớp vật liệu gia c ố chất liên kết rắn trong nước.

L ớp mặt bitum bảo đảm được độ bằng phẳng và không thấm nước.

được trượt và c ó m ôđun cao nhằm hạn c h ế biến dạng của lớp bitum Chiều dày của lớp vật liệu hạt thường vào khoảng 12cm đ ể đạt được độ chặt cao.

* Ả n h hưởng c ủ a c á c điều kiện môi trường

H iệu ứng nhiệt đối với sự phát triển đường nứt do co rút của các lớp gia c ố chất liên kết rắn trong nước và với khả năng biến dạng của các lớp bitum đã nói trong các kết càu trên đây cũng xảy ra đối với kết cấu ngược.

N ếu thi cô n g k h ô n g tốt nước thấm vào và đọng lại trong lớp vật liệu hạt thì mặt đường

ứ n g suất ngan g khi x e chạy ờ mép tấm càng lớn nếu sự truyền tải trọng giữa các tấm nhỏ Đ ộ nhỏ củ a cá c đường nứt của bê tông cốt thép liên tục ch o phép bảo dảm m ột sự gần như liên tục củ a kết cấu Với các kết cấu bằng bê tông có thanh truyền lực, việc truyền tải trọng được bảo đảm nhờ các thanh thép nằm đúng các khe nối ngang.

* Ả n li hư ở ng c ủ a c á c điều kiện m ôi trường

V ới cá c kết cấu này, ứng suất do sự thav đổi các điều kiện của m ôi trường gây ra có thê lớn hơn nhiều so với ứng suất do xe chạy gây ra Tuy nhiên chính là sự kết hợp của ứng suất do tải trọng và gradien nhiệt độ gây ra sự phá hoại do m ói của mặt đường.

Sự thay đổi của nhiệt độ theo mùa gây ra sự thay đổi chiều dài của tấm nhưng m a sát giữa tấm và m ón g cản trở sự thay đổi này ứng suất kéo càng nhò khi sự cách ly giữa tấm và nền m ón g càn g có hiệu quả và khi tấm ngắn.

Sự thay đ ổ i hàng ngày của nhiệt độ m ôi trường gây ra các gradien n h iệt trong tấm và

cá c tấm có xu hướng biến dạng N ó làm thay đ ổ i điều kiện g ố i của tấm lên nền m ón g, dẫn đến v iệc tăng tác dụng của xe cộ.

* S ự tiến triể n của c á c hư hỏng

V ới mặt đường bê tông cổ điển có các tấm gián đoạn, sự tạo thành đường nứt do ứng suất k éo uốn lớn ở đáy tấm là một trong hai k iểu phá hoại ch ín h V iệ c b ố trí kết cấu được áp dụng ở Pháp: m ở rộng mặt đường và liên kết giữa các băng d ọ c nhằm giảm và hạn c h ế v iệc xuất hiện các đường nứt ngang và g ãy góc tấm.

K iểu phá hoại chủ yếu thứ hai là hiện tượng tấm bị dội lên Đ ó chủ yếu là d o ở mặt tiếp giáp của tấm và lớp m óng có nước, kết quả p hối hợp của:

- N ền m ón g bị x ó i mòn;

- Tác dụng lặp lại của xe cộ;

- Sự truyền lực giữa các tấm yếu sinh ra sự m ất đối xứng của ứng suất và ch u y ển vị giữa các tấm.

Sử dụng vật liệu ít bị xói m òn làm lớp m ón g và thoát nước thích hợp ở cá c m ặt tiếp

g iáp (giữa tấm và nền, giữa tấm và lề) là các giải pháp cấu tạo hiện được dùng ở Pháp

ch o phép tránh được sự phá hoại mặt đường bê tôn g do bi đội lên rồi bị cập kênh giữa các tấm.

K iểu phá hoại của mặt đường bê tông cốt thép liên tục còn ít được b iết đến L oại mặt đường này m ới được thi công ở Pháp lẩn đầu tiên vào năm 1983 Khi thấy vết nứt, ta có thể n g h ĩ rằng sự hư hỏng cũng bắt đầu tương tự như với các kết cấu khác Trái lại, do có cốt thép và đường nứt nhỏ, sự không liên tục theo chiều ngang vẫn c ó chất lượng truyền lực thực tế g iố n g như chất lượng truyền lực của cá c khe nối dọc.

1.3 LỊCH S Ử PH ÁT TRIEN p h ư ơ n g p h á p t í n h t o á n c ủ a p h á p

Sự phát triển của phương pháp thiết k ế không thể tách rời sự phát triển củ a hai loại yếu tố:

' Các vật liệu mật đường và kỹ thuật thi công;

- Tải trọng, lượng giao thông của xe tải ch ở nặng và tốc độ của x e con.

Ở Pháp ch o đến những năm 50 việc thiết k ế mặt đường m ềm vẫn được tiến hành theo phương pháp thực nghiệm , tương tự với các kết cấu đã xây dựng V ớ i các m ặt đường bẳng vật liệu không liên kết thường dùng phương pháp CBR của M ỹ.

V ớ i các kết cấu bê tông như đoạn đầu đường cao tốc m iền Tây được xây dựng năm

19 3 9 , thì tính sức bền vật liệu theo phương pháp Westergaard (1927) ch o các tấm bê tông.

Các cô n g trình lý thuyết của Biưmister (1 9 4 3 ) về tính ứng suất và biến dạng của bán

k h ông gian nhiều lớp đàn hồi dưới một tải trọng thẳng đứng hình tròn, cũng như các

c ô n g trình của Ivanov (L iên X ô cũ) và của M ac L eod (Canada) phân tích tình hình làm

v iệ c của mặt đường từ các m ô hình đàn hồi d ẻo được x em như những cô n g trình đầu tiên

củ a m ột phương pháp thiết k ế cơ h ix lý thuyết.

Sau ch iến tranh th ế giớ i lân thứ liai các kv sư Pháp đã đề ra phương pháp thiết k ế mặt đường th eo c ơ h ọc N ăm 1948 Hortei đã giải Uiích về mặt lý thuyết tình hình làm việc

củ a mặt đường bẳng cách đối chiêu các số liệu thực n gh iệm của phương pháp CBR và

cá c kết quả tính toán của bài toán Boussinesq N ăm 1959 Jeuffroy và B achelez đã công

b ố m ột loạt các toán đồ v ề sự làm việc của các kết cấu ba lớp đàn hồi theo m ột phương pháp gần với phương pháp của Burnúster.

Ở Pháp, thời kỳ này tương ứng với thời kỳ thôi không :àm m óng đá hộc và thừa nhận

h iệu quả cấu trúc cù a sự truyền lực của mặt đường nhựa.

Các thực n g h iệĩr được tiến hành ở M ỹ vào những năx 1 1950 (thí nghiệm H R B ở

M aryland năm 1949, h í nghiệm WASHO ở Idaho từ 1953 - 1954 và A A SH O từ 1955 -

1 9 6 1 ) đã cu n g cấp cá c số liệu chù yếu để định lượng tác dụng của xe cộ và sự tích lũy

củ a nó, là cơ sở củ a m ột phương pháp thực nghiệm đ ối lập với trường phái lý thuyết

N ăm 1 9 6 4 L éger đã làm m ột tổng hợp trong tập K h u y ế n nghị về thiết k ể m ặt đư ờng cao

tố c và m ặt đư ờng c ó lư ợng gian thông nặng và trong bảng giải thích kèm theo [33] Các

tài liệu này đã đưa ra nhiểu khái niệm hiện còn được dùng trong thiết k ế mặt đường như

h ệ số tương đương củ a các trục bánh xe (rút ra từ thí nghiệm A A SH O ) hoặc xét tới độ

cứ n g của các vật liệu mặt đường thông qua các hệ s ố tương đương chiều dày lấy theo các

k ết quả của lý thuyết đàn h ồi.

Sự bất cập của cá c mặt đường mềm truyền thống dưới tác dụng của nhiều tải trọng xe nặng đã đưa đến v iệ c n gh iên cứu các vật liệu mặt đường liên kết c ó độ cứng và độ bền cao N g o à i v iệc cải tiến kỹ thuật bitum, trong những năm 6 0 ở Pháp đã phát triển cá c kết cấu bằng vật liệu gia c ố các chất iién kết rắn trong nước g ọ i là các kết cấu "nửa cứng".

M ột ý tưởng quan trọng khác lược đề ra trong cùng thời kỳ này là v iệc tiêu chuẩn

h óa vật liệu để hạn c h ế những thay đổi các tính chất cơ học của chúng trong m ột tỉ lệ hợp lý Đ iều này đã được cụ thể hóa bằng việc từ 1966 Cục Đ ường bộ xuất bản m ột loạt

cá c quy phạm và kh uyến ngh ị xác định các công thức, các đặc trưng cơ h ọc tối thiểu phải đạt được cũ n g như các phương pháp thi công.

N h ờ những tiến bộ về thăm dò cùng với v iệc phát triển các thiết bị m ới (m áy đ o độ

v õn g L acroix - hình 1.4, m áy rung, máy đo độ biến dạng) mà hiểu được sự làm việc của

m ặt đường.

Hình 1.3 Một sô' sách về thiết k ế và xây dựng mặt đường

Hình 1.4 Thiết bị do độ võng Lacroix

N ăm 1971, Cục Đ ư ờ n g bộ đã xuất bản tập C a ta lô c á c kết cấu m ẫu củ a m ặt đườmg

Đ ể tính toán kết cấu phải x em xét hai tiêu chuẩn:

- Trị s ố áp lực giớ i hạn Itrên đất nền, tra từ các toán đồ CBR đã có;

- Đ ộ dãn dài giới hạn củ a các lớp liên kết Thực tế độ dãn dài này không được tímh trực tiếp mà được xác địnhi từ độ võng bề mặt của mặt đường.

V iệc sử dụ ng tin học đ ể giải bằng sô' bài toán nhiều lớp đã khắc phục được những giiới hạn về số lớp và ch o phép phân tích chính xác, đầy đủ và hệ thống hơn úng suất và b iến dạng trong cá c kết cấu mặit đường Từ 1964 đã sử dụng phần m ềm A lizé [38] trong vitệc tính toán k iểm tra biến dạmg kéo của các lớp liên kết ở Catalô 1974 và sau đó được ÍSỦ

dụng m ột cá ch có hệ thốing để xác định C a ta lô c á c kết cấu m ẫu củ a m ặt đường m ớ i,

nãm 1977 (hình 1.3).

Phương pháp luận đ ư ợ c xây dựng cùng với v iệc lập Catalô 1977 rồi H ư ớ n g dẫn thi ết

k ế tăng cư ờ n g m ặt đường mềm [3] đã xác định các n gu yên tắc củ a phương pháp tính

toán lý thuyết được làm rõ và phát triển trong tài liệu này.

- Các kết quả thí nghiệm ở trong phòng về hư hỏng do m ỏi của vật liệu m ặt đường được sử dụng tiếp để đánh giá độ bền m ỏi của kết cấu, vẫn giữ các g iả thiết cộ n g các hư

h ỏng của Miner;

- N hững hiểu biết rút ra từ việc quan sát sự làm việc của các mặt đường thực tế (các

s ố liệu n g h iên cứu kết cấu mặt đường của LCPC) được dùng để:

+ X ác định tiêu chuẩn kiểm tra biến dạng dư của đất nền và của các lớp không liên kết; + Chinh lý các kết quả của mô hình tính toán;

Làm như vậy là để xét đến tính không đại biểu của m ô hình toán h ọ c (do v iệc đơn giản hóa đã dùng) và do sự sai lệch của các thí nghiệm xác định tính chất của vật liệu.

M ột trong những đặc trưng của phương pháp thiết k ế của Pháp là c h ọ n cách tính toán

x á c suất N hư sẽ được nói rõ sau này, người ta không tính toán kết cấu với m ột tuổi thọ

ch o trước m à người ta đánh giá xác suất tích lũy phá hoại theo thời gian.

Chi tiết của đặc trưng cơ học của đất nền và của các vật liệu mặt đường được trình bày trong cá c phần IV và V Các số liệu yêu cấu để tính toán các kết cấu m ặt đường làm

m ới ch o ở m ục 6.2; m ục 6.3 sẽ xác định các giai đoạn tính toán; m ục 6 4 m inh họa các

m ô hình và tiêu chuẩn tính toán cho từng k ĩ thuật.

1.4.1 Tính chất xác suất của việc tính toán chiểu dày

M ột trong những đặc điểm cơ bản của việc tính toán kết cấu m ặt đường là tính chất xác suất của nó Đ iều này là do tầm quan trọng của sự phân tán và tính chất bấp bênh của các nhân tố khác nhau có tác dụng đáng kể với cường độ của mặt đường theo thời gian.

N ếu quá trinh sản xuất các vật liệu của các lớp mặt đường và sự thận trọng khi thi

c ô n g đã ch o phép hạn c h ế một số thay đổi của đặc trưng thì sự phát triển cá c hư hỏng do

m ỏi vể thực chất vẫn giữ tính chất bấp bênh, sự phân tán của các kết quả thí nghiệm ở trong phòng thí nghiệm đã chứng tỏ điều đó Thêm vào những mặt đ ặc trưng đó của các vật Liệu là sự biến đổi bề dày của các lớp mặt đường thi cô n g ở hiện trường, sự biến đổi

đ ó phụ thuộc vào các phương pháp thi côn g và chất lượng côn g tác.

Cuối cù n g, các tham sô' của m ôi trường và lượng vận chuyển là các yếu tố gây ra ứng suất trong mặt đường cũng thay đổt trong cu ộc đời của mặt đường m à thường không thể

dự báo ch ín h xác (thời kì đóng bãng, tỉ lệ tăng x e

Sự kết hợp toàn bộ các điểm không chắc chắc này là lý do áp dụng phương pháp xác suất để đánh giá sư tăng trưởng nguy cơ xuống cấp của mặt đường Đ iều này được thể

h iện trong các khái niệm về tuổi thọ ban đầu và độ rủi ro của tính toán nói ở m ục 1.4.2

M ụ c 1.4.4 nói rõ cách xác định ứng suất cho phép.

1.4.2 Các khái niịệim về ttuổi ithọ ban đầu và độ rủi ro tính toán

K hái niệm "tuổi thiọ'" c.ảai mật: đường là một khái niệm khó xác định và ít dùng một mặt d o sự xuốn g cấp của mặt điườmg phát triển không đồng đều, mặt khác v ì lý do an toàn và kinh t ế nên viiệc, biảo) dưỡmg mặt đường thường được tiến hành trước khi kết cấu

m ặt đường bị phá hoai hoiàni toàm Vì vậy cần tìm m ột thuật ngữ khác để tính toán các thiết k ế m ặt đường.

X ét tới tính chất xầc suiấtí đã mói! trên đây, m ục tiêu c ó thể được ghi nhận là xác suất xuất h iện sự xuốn g cấ)p (vối rmột ttímh chất hoặc m ột biên độ ch o trước) trước m ột thời kỳ

p năm ch o trước, phải nhỏ Ihcơn mcột giá trị quy định.

X ác suất phá hoại này dỉưíợc gcọi là "độ rủi ro tính toán" và thời kỳ p năm được g ọ i là

"tuổi thọ ban đầu tính toánì"

Đ ộ r ủ i ro x % tro n g thờìi kkỳ p măm được dùng đ ể thiết k ế m ặt đường ch ín h là x á c suất

x u ấ t h iện c á c h ư hỏ n g đòi hiỏi phiải’ làm công tác tăng cư ờ n g tương tự n h ư làm m ới mặt

đư ờ ng tro n g thời kỳ p lĩămi dỉó, trong thời gian này khô ng tiến hành bất kỳ v iệ c sửa chữa

k ết c ấ u n à o cả

1.4.3 Các yếu tố p»hải ttírnh đến khi tính toán mặt đường

Phải xét các yếu tố §âlì $ằịy l&ìl tunh tôấĩì mật đường:

- L ượng giao thông:;

- M ô i trường (các số liệm vvề khií hậu);

- N ền đất dưới mặt đườmgị;

- Các vật liệu mặt đườngg;

- Chất lượng thi công.

1.4.3.1 Lượng giao thôềngg

M ặt đường được tính tooánh với litíơng giao thông của x e năng Phương pháp tính toán

là phương pháp tính đối lưọợnpg giaio Ithông thực tế gồ m các tổ hợp các x e có tải trọng trục

và hình dạng trục bánh kháácc nhaiu, thành một số tích lũy N E các lần chạy qua của trục

bánh tính toán Ở P h á p trụac bbánh tímh toán là trụ c đơ n bánh kép 1 30kN

M ố i quan hệ tuơng đươơngg giữa tcác trục bánh khác nhau là sự tương đương của hư hỏng đơn vị Các quan hệ nnàly được rút ra từ những tính toán ứng suất trong kết cấu mặt đường và có x ét tới tình hìiìnẩh mỏ)i của vật liệu Thực ra sự phá hoại tương đối của các trục bánh k hông biểu thị bằằn Ịg môt quan hệ đơn nhất, các giá trị của hệ số phá hoại phụ

thuộc v ào vật liệu , vào kiểuu ị ìưhỏmg và vào kết cấu mặt đường M ục 6.2.1 ch o các hệ số

c ó thể dùng ch o các loại rrmặ t đưctog khác nhau với lượng g iao thông trung bình c ó thể quan sát được ở Pháp.

Trong phụ lục 7.5 cho một v í dụ chi tiết tính toán đ ộ phá hoại của m ột lượng g iao thông đã biết ch o m ột số loại kết cấu mặt đường Cũng c ó thể dựa theo phương pháp này

để xác định lượng giao thông tích lũy tương đương với m ột trục bánh tính toán khác với trục bánh tính toán của Pháp.

Mặt khác để thuận tiệ n (nhất là cho việc chọn lựa giữa các cấp sản phẩm h oặc vật liệu mặt đường) nên sử dụng khái niệm về cấp giao thông (6 2 1 ) Cấp g ia o thông Tj được

x ác định từ lượng giao thông của xe nặng trung bình ngày đêm (M JA ) của làn x e nặng nhất, trong nãm đưa đường vào sử dụng Các cấp được xác định bằng các g iớ i hạn ch o ở bảng 1.1.

MJA: Lượng giao thông trung bình hàng năm.

1.4.3.2 M ôi trường - Các sô'liệu về kh í hậu

N hiệt độ ảnh hưởng đến sự làm việc của các loại mật đường khác nhau:

- D o nó ảnh hưởng đến các đặc trưng cơ học của vật liệu bitum;

- D o làm thay đổi các chu kỳ m ở rộng đường nứt co rút của vật liệu gia c ố cá c chất liên kết rắn trong nước;

- D o sự biến dạng của tấm dưới tác dụng của gradien nhiệt độ trong mặt đường cứng.

V ới mặt đường nhựa việc tính toán thường được tiến hành ở m ột n h iệt độ mặt đường

k hông đổi tương đương Với nước Pháp chính quốc thường lấy trị s ố 1 5 ° c

Trong phụ lục 7-6 có phần tính toán chi tiết nhiệt độ tương đương với m ột sự phân bố hàng năm của nhiệt độ Cũng như việc phân tích tác dụng phá hoại của g ia o th ôn g, việc tính toán nhiệt độ tương đương dựa trên sự tương đương của các hư h ỏn g tích lũ y Á p

dụ ng cách làm này thì có thể m ở rộng phương pháp tính toán của Pháp ch o cá c điều kiện

kh í hậu khác.

1.4.3.3 Nền đất

Đ ặc trưng của đất nền đường, việc chọn vật liệu sử dụng ch o lớp trên nền đất và các

đ iều kiện thi côn g chúng đã được viết trong tập hướng dẫn k ỹ thuật "Thi cô n g nền đắp

v à lớp trên nền đất" xuất bản 1992 [19].

Đ ặc trưng cơ học của đất nền đường và của lớp trên nền đất được x á c định trong phần

IV Đ ể tính toán thiết k ế kết cấu mặt đường, thông thường đất nền được biểu thị bằng

m ộ t trị s ố m ôđun đàn hồi ở trạng thái độ ẩm bất lợi nhất.

V iệc thoát nước nền đường vài lóp mióng dù đã được thừa nhận là m ột yếu tố quan trọng đối với sự làm v iệ c của mặt đườmg nihumg tài liệu này lại không nói đến việc thiết k ế các thiết bị thoát nước Trong phươnig iphiápi túnh toán, tác dụng của việc thoát nước ảnh hưởng đến v iệc ch ọn m ôđun của đất nềm vì mó ảnh hường đến sự chịu tải của nền đường.

1.4.3.4 Các vật liệu m ặt đuờmg

Toàn bộ các tiêu chuẩn quy/ địmh các họ vật liệu mặt đường khác nhau, xác định các cấp của từng họ theo tính cihẩt củ a các thành phần và m ột s ố tính chất vật lý và cơ học của các hỗn hợp Phương plháip ttínih toán áp dụng cho các họ vật liệu được xác định như vậy.

Trường hợp c á c vật liệu sử diụmg lỉàim mặt đường không phù hợp với m ột s ố đ iểm quy định của tiêu chuẩn hoặc chưa Cỉó ttromg tiêu chuẩn thì được bổ sung bằng n gh iên cứu đặc biệt trong ph òng thí nghiệm và ỉkhũ cầm thì làm các đoạn đường thực nghiệm để xác định

phạm v i sử dụng Các đặc trưnig co1 học để tính toán thiết k ế sẽ được chọn lọ c từ các

n gh iên cứu này c ó tham khảo CÁC điặc trưng của vật liệu đã tiêu chuẩn hóa c ó tình hình

tương tự.

V ới cá c vật liệu đã tiêu chuẩin Ihốa, các trị số độ bền cơ học và độ biến dạng sử dụng rút ra từ các n gh iên cứu trong pHiòing; thií nghiệm, được suy ra từ các trị số trung bình theo

công thức cơ bản được lập phùt hiợp> V(ới các tiêu chuẩn xác định các phương pháp luận

nghiên cứu N ếu k h ôn g nghiên Ccứtu iriêìng được thì tham khảo các trị s ố giới hạn nhỏ nhất

đã quy định trong các tiêu chuẩrn.

Tình hình m ỏ i của cá c vật liệui đurợ<c xác định từ các kết quả thí nghiệm trong phòng Tính đến tính chất phân tán củai Cíác kết quả thí nghiệm m ỏi các giá trị đặc trưng ch o sự phân tán này rút ra từ v iệc tổng hcợp nlhiều nghièn cứu, được chỉ định cho các h ọ vật liệu khác nhau Sự phân tán nàý đưcợc tímh tới để xác định các ứng suất ch o phép như đã giải

thích ở m ục 1.4.4.

Các đ iểm này được phái triểín itrong phần V và cho các trị s ố tham khảo củ a các đặc trưng c ơ h ọ c cần thiết ch o phươmg; plháp t ính toán.

1.4.3.5 C h ất lượng thi công’

Phương pháp tính toán này đlươc áp dụng với điều kiện phải tuân thủ các q uy định và ngu yên tắc k ĩ thuât liên quan điếni viiộc ch ế tạo và thi công các vật liệu N hư v ậ y sẽ bảo đảm sự đ ồ n g nhất về thành phầm pihối hợp và các đặc trưng cơ học.

Tuy n hiên khi đã khống chế đuiợc các yếu tố này thì chiều dày của các lớp vẫn có thể

bị thay đ ổ i v ì n gu yên nhân thi (Cô)ng V iệc tính toán phải tính đến sự phân tán này bằng cách sử dụng các trị s ố điều chỉinhi rúít la được từ việc quan sát trên các cô n g trường được tiến hành bình thường và điều cihỉmh theo tính chất của phương pháp thi cô n g và kiểm tra

sử dụng.

Các trị s ố của ứng suất cho phép trong các lớp mặt đường được xác định theo các đặc trưng của tình hình m ỏi của vật liệu, theo lượng giao thông tích lũ y và độ rủi ro tính

t oán Đ ể điều chỉnh sai lệch giữa các kết quả tìm được qua tính toán và kết quả quan sát tìn h hình làm việc của mặt đường, phải đưa vào một hệ số điều chỉnh.

1.4.4.1 Tương quan giữa ứng suất cho phép và độ rủi ro tính toán

Sự biến đổi đặc tính cơ học của các vật liệu mặt đường được coi như nằm trong những

g iớ i hạn tương đối hẹp, đối với các vật liệu được sản xuất và đem thi c ô n g phù hợp với icác tiêu chuẩn và các quy phạm, thì các yếu tố để giải thích sự biến đ ổ i của v iệc xuất Ihiện và phát triển các hư hỏng của mặt đường chỉ là sự phân tán:

- V ế các kết quả thí nghiệm mỏi.

- V ề bề dày của các lớp lúc thi công.

Đ ường con g mỏi rút ra từ các thí nghiệm trong phòng được xác định với m ột xác suất phá hoại 50% Các kết quả thí nghiệm , được biểu thị bằng lo g N (logarit thập phân của

s ố chu kỳ gây phá hoại) được phân bố theo quy luật chuẩn với m ột đ ộ lệch chuẩn là SN Chiều dày các lớp cũng được xem như được phân bố theo quy luật chuẩn với độ lệch chuẩn là Sh.

Ta hãy xét xem trường hợp một mặt đường tiếp nhận một lượng g ia o thông tích lũy

N E tính bằng s ố tương đương các trục bánh tính toán trong tuổi thọ tính toán ban đầu Tính toán mặt đường này với một độ rủi ro r trong thời kỳ đó, chính là tính toán để cho

x ác suất phá hoại với NE chu kỳ lớn nhất là bằng r.

Đ ộ rủi ro r, là tích phân của mật độ xác suất của biến số ỉogN Đ ộ lệch chuẩn ỗ, cùng với biến số logN , được rút ra từ sự tổ hợp các hệ số phân tán của quy luật m ỏi và của

ch iều dày các lớp:

8 = [SN2 + (C2/b2)Sh2]a5 Với:

c - hệ số liên quan giữa sự thay đổi biến dạng (hoặc ứng suất) trong mặt đường với sự thay đổi chiều dày, Ah (loge = lo g en - CAh);

b - độ dốc của quy luật m ỏi của vật liệu, được biểu thị dưới dạng của m ột quy luật bilogarit.

H ình 1.5 m inh họa cách xác định trị s ố ứng suất ch o phép ứng vớ i m ộ t lư ợ ng g ia o

th ô n g tích lũy N E và m ột độ rủi ro r đã cho Các biểu thức ch o q uan hệ giữa b iến

d ạn g (h oặc ứng suất) cho phép, số chu kỳ tương đương N E và đ ộ rủi ro tính toán r,

c h o ớ m ụ c 6.4

1.4.4 Xác định ứng suất cho phép

H ỉn h 1.5 Xác định biến dạng clio phép Ead từ các kết quả thí nghiệm mỏi

1.4.4.2 H ệ s ố điều chỉnh

V iệc tính toán ứng suất ch o phép của các lớp mặt đường c ó dùng chất kết dính có sử dụng m ột hệ s ố điều chỉnh, ký hiệu kc, nhằm điều chỉnh độ lệch giữa các kết quả tính toán bước đầu với tình hình củ a m ặt đường quan sát được.

Các trị s ố của kc tìm được từ v iệ c phân tích ngược tình hình của nhiều loại mặt đường làm m ới và tăng cường được tiến hành trong thời k ỳ 1975 đến 1985.

Các trị s ố của hộ s ố điều ch ỉn h liê n quan với:

- Các vật liệu mặt đưòng phù hợp với các quy phạm được xuất bản trong thời kỳ đó của Cục Đ ường bộ.

- M ô hình tính toán của hộ nhiều lớp đàn h ồi tuyến tính;

- S ự m ô tả tình hình m ỏi của các vật liệu từ các thí nghiệm m ỏi khi uốn như đã xác định trong cá c tiêu chuẩn tham khảo của các tài liệu này.

T rong trường hợp m ô hình tính toán hoặc biên bản thí nghiệm m ỏ i khác với những quy đ ịn h n ói ở đây (ví dụ tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn với các quy luật làm v iệ c phi t u y ế n ) thì không ch o phép sử dụng các trị số kc cho trong tài liệu này.

Đ ể xác định g iá trị của hệ s ố điều chỉnh của các vật liệu m ới phải thông qua v iệc phân tíc h tình hình chạy xe của mặt đường trong một thời gian đủ dài, để xét tới các tác

đ ộn g k h í hậu của các mùa Phụ lục cúa tiêu chuẩn NFP98 - 08 6 - "Tính toán mặt đường

ô tô: C ác yếu tố cần xét để tính toán thiết kế" có trình bày cách xác định các hệ số điều

ch ỉn h T hí n gh iệm m ỏi của LCPC cho phép thu được các số liệu đ ể điều chỉnh nhưng phải được đ ối ch iếu với các vật liệu và kết cấu quen thuộc của đường ôtô.

Phần II

LIÊN QUAN GIỮA VIỆC LỰA CHỌN CÁCH THIẾT KÊ MẶT ĐƯỜNG

VÀ CÁCH QUẢN LÝ MẠNG Lưứl DƯỜNG BỘ

H ìn h 2.1 Trích bản đồ mạng lưới quốc lộ của Pháp

2.1 T Ừ V IỆC P H Â N CẤP M Ạ N G LƯỚI ĐƯỜNG B Ộ Đ E N v i ệ c c h ọ n c á c h

THIẾT K Ế M Ặ T ĐƯỜNG

Vấn đề tính toán các kết cấu mặt đường làm m ới và khôi phục là m ục tiêu trưng tâm của tài liệu này, phải được xem xét trong một khuôn khổ rộng hơn v iệc lựa ch ọn chính sách quản lý m ạng lưới đường đang xét.

Với chủ cô n g trình, một chính sách đường sá trước hết được thiết lập xu n g quanh v iệc phân cấp m ạng lưới Sự phân cấp này, được thể hiện bằng một sự sắp xếp cá c con đường khác nhau thành các nhóm giống nhau, là kết quả của việc phân tích về kinh tế - xã hội, tầm quan trọng gắn liền với từng m ối liên quan đó.

Các kết luận của việc phân tích kinh tế xã hội được thể hiện thành các m ục tiêu (có thể íh á c nhau theo cấp đường) đối với các dịch vụ cung cấp cho người sử dụng và đối với ;ách giải quyết những bó buộc của m ôi trường xung quanh Các m ục tiêu này được

biểu thị bằng thuật ngữ mức p h ụ c vụ (khái niệm sẽ được giải thích ở m ục sau).

Mức phục vụ này thay đổi theo thời gian và giảm dần cùng v ớ i sự hao m òn của

đ ư ờ ig Cho nên khi tính toán xây dựng ban đầu phải tính đến cả sự bảo dưỡng sau này

n h ằn d u y trì chất lượng sử dụng như lúc xuất phát Từ đó phải xác định m ột ch iến lược

tổ n ị quát về đầu tư và bảo dưỡng, việc lựa chọn chiến lược này thường dẫn tới v iệc

n g h ê n cứu m ột sự tối ưu về kinh tế theo các quy định chặt chẽ về ngân sách

Nhu vậy v iệc nghiên cứu tính toán kết cấu mặt đường và các phương án thiết k ế ở giai

đ o ạ i th iết k ế sau này phụ thuộc vào mục tiêu chung của việc quản lý đã n ói trên đây.

Nhiững điều kiện cung cấp cho việc chạy x e của người sử dụng trên đường là vô cù n g

đa cạrng N hững điều kiện này phụ thuộc vào tuyến đường và toàn bộ các thành phần của đưcng;: mặt đường, lề đường, biển b á o Trên cùng m ột cấp đường g iố n g nhau của

m ạig lưới đường, để có được sự phù hợp về kinh tế giữa đường và các phương tiện tài

ch íih - kỹ thuật cần thiết nhằm bảo đảm các điều kiện chạy x e quy định, cần phải:

-Đ 'ịnh rõ chất lượng của đường phải đảm bảo ch o người sử dụng và k h ông ảnh hưởng xấu đ(ối với dân cư hai bên đường (tiếng ồn và các phiền phức do cô n g tác bảo dưỡng đườig: gây ra);

- Biết được ảnh hưởnq của v iệc lựa ch ọn này đối với phí tổn m à người sử dụng và

đa chức năng Calao (hình 2 2 ) hoặc Sirano (hình 2 4).

V ề các điểm liên quan đến các đặc trưng của bề m ặt mặt đường sự an toàn có liên

quan với:

- Đ ộ bám d ọc và ngang trong các khu vực hãm phanh và ch ỗ rẽ;

- N hững ch ỗ không đồng đều của mặt cất (độ bằng phẳng theo hướng d ọc tại a iữ n g chỗ bước sóng có độ dài ngắn, và độ bằng phẳng th eo hướng ngang);

N hững điểm này có thể làm ch o bánh x e bị hẫng và c ó ngu y c ơ tạo thành hiện Ượng

m àng nước sau bánh x e tại các vùng đọn g nước.

\ Ị ' f H i ỉ V Ú ĩ > t l i ỉ ỉ t f i > ì i i t t >H Ị ì V V ì

Hình 2.2 Thiết bị thăm dò đa chức năng C aiio

- Thời g ia n cần thiết để thoát nước mặt.

Đ ố i v ớ i thờ i g ia n của hành trình và s ự đều đặn củ a dịch vụ, c ó hai n gu yên nhân liên

quan trực tiếp với mặt đường, gây rối loạn giao thông là:

- C ông tác bảo dưỡng;

- V iệ c đặt barie cấm đường khi tan băng.

V ề sự thuận tiện cho việc lá i xe, ta xem xét ba điểm:

- X e k h ô n g bị xóc do các gia tốc thẳng đứng vì mặt đường k h ô n g bằng phẳng và

xu ốn g cấp;

- K h ô n g n gh e tiếng ồn khi xe chạy;

- Mắt nhìn được dễ dàng, phụ thuộc vào sự đồng đều, màu sắc và độ sáng của mặt đường 2.2.2 Sự phát triển của mức phục vụ theo thời gian

M ức phục vụ thay đổi theo thời gian và giảm cù n g với sự hao m òn củ a đường M ức phục vụ được thể hiện bằng các chỉ tiêu trạng thái đối với các m ục tiêu khác nhau đã

n ói ở trên, c h o phép xác định các giới hạn dẫn tới các quyết định triển khai cô n g tác bảo dưỡng.

2.2.3 C ác tiêu chuẩn đánh giá mức phục vụ

V iệ c định lượng các mức phục vụ gặp phải những khó khãn khác nhau như:

- K hả năng tìm các chỉ tiêu đo được của tất cả các mặt tham gia vào khái niệm mức phục vụ;

- T ính chủ quan về sự cảm thụ của người sử dụng;

M ột s ố nước đã chọn khái niệm chỉ số chung của mức phục vụ của mặt đường thông qua m ố i quan hệ qua lại giữa sự cảm thụ của người sử dụng và các thông số vật lý như

độ bám , đ ộ bằng phẳng, chiều sâu vệt bánh x e Mức phục vụ của con đường như vậy được thể h iện ch ỉ bằng một trị số Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng đơn giản để quyết đ ịn h nơi nào cần bảo dưỡng trước N hưng với hai chỉ s ố ch u n g c ó giá trị bằng nhau, tính chất của các công tác bảo dưỡng cần làm để có được m ột m ức phục vụ như

cũ, c ó thể rất khác nhau.

Ở Pháp người ta không chấp nhận cách làm như vậy để lượng hóa m ức phục vụ V iệc đárih g iá tình trạng một con đường có liên quan với việc phân tích cá c nhu cầu của các

cô n g tác bảo dưỡng.

V ề m ặt an toàn, đối với kết cấu mặt đường, chủ yếu phải xét tới cá c đặc trưng bể mặt của lớp m ặt x e chạy ứng với các nhân tố khác nhau (độ bám, độ bằng phẳng theo hướng

d ọ c và hướng ngang) mà có những cách đo để định lượng khác nhau Thời gian gián đoạn g ia o thông tích lũy là rnột chỉ tiêu đơn giản để lượng hóa mức phục vụ Từ sự tiến

triển của mặt đường theo thời gian và kinh n gh iêm của cô n g tác quản lý c ó thể dự đoán những phiền phức trở ngại do cô n g tác bảo dưỡng gây r a

Các thông s ố ảnh hưởng tới sự thuận tiện có nhiều, c ó thể lượng hóa m ột sô' thông s ố

đó bằng các ch ỉ tiêu đo được như:

- T iếng ồn chạy xe;

- Đ ộ bằng phẳng theo hướng dọc.

2.2.4 Các tương quan với việc lựa chọn thiết kê mặt đường

V iệc thiết k ế m ặt đường (ch ọn tính chất và cách tính toán lớp mặt và các lớp m ón g) chắc chắn c ó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và tần suất của các cô n g tác bảo dưỡng cần thiết để duy trì mức phục vụ cần có V iệ c chọn m ức phục vụ ban đầu cũ n g phản ánh trong việc ch ọn lớp mặt Tính chất của m ặt đường, cấp phối và hình dạng của cốt liệu,

độ rỗng và cô n g thức phối hợp tạo ra lực bám và tính thoát nước (an toàn), m ức độ tiếng

ồn khi chạy x e (giảm tiếng ồn) cũng như m àu sắc và độ sáng (dễ nhìn) Sự tiến triển của mức phục vụ theo thời gian sẽ phụ thuộc vào v iệ c ch ọn tính chất củ a cốt liệu và côn g thức phối hợp Cũng như vậy cá c đặc trưng của độ bám sẽ giảm theo độ trơn nhẵn của cốt liệu ở bề mặt, độ kín của hỗn hợp đá trộn nhựa và cố t liệu

Tình trạng kết cấu của các lớp m ón g và sự phát triển củ a nó thể hiện qua độ biến dạng của mặt cắt của đường và các đường nứt, cũng ảnh hưởng đến mức phục vụ cần thiết D o đó phải có sự liên kết giữa các v iệ c chọn lựa khi làm lớp mặt và lớp m óng.

C uối cù n g chính việc tính toán các lớp m óng của m ặt đường sẽ x ác định các giới hạn gián đoạn giao thông thất thường liên quan với các đ iều k iện khí hậu.

2.3 LỰA C H Ọ N C H IẾ N LUỢC Đ A U T Ư V À b ả o d ư ỡ n g

Chọn m ột ch iến lược đầu tư và bảo dưỡng là xác định các phương tiện để duy trì mức phục vụ, đã được xem như m ục tiêu của m ột bộ phận g iố n g nhau củ a m ạng lưới đường, theo thời gian Các "phương tiện" đó là giá thành xây dựng (đầu tư ban đầu hoặc làm lại trong trường hợp mặt đường h iện hữu bị x u ố n g cấp) và g iá thành bảo dưỡng sau này.

V iệc n ghiên cứu so sánh các ch iến lược này đ ò i h ỏi m ột tiếp cận kinh tế dài hạn và có tính tới các yếu tố không chắc chắn như cá c m ùa đ ôn g khắc nghiệt và tỉ lệ tăng trưởng gia o thông N ó bao gồm việc so sánh để thực hiện các lựa ch ọn khác nhau.

- Các chi phí, nghĩa là giá thành của cô n g tác xây dựng, k h ôi phục vào bảo dưỡng;

- Các lợi ích chủ yếu liên quan chủ y ếu đến v iệ c cải thiện độ an toàn, tiết kiệm thời gian, giảm giá thành ch ạy x e và các hiệu quả gián tiếp đ ố i với nền kinh tế.

V iệ c tính toán được tổng hợp và quy đ ổ i về thời đ iểm h iện tại, nhưng phải tiến hành các xem xét khác để tính đến những lợi ích không thể tính thành tiền.

C hiến lược được chọn là chiến lược giảm đến m ức tố i th iểu cá c ch i p h í được quy

đ ổi về thời kỳ tính toán tùy thuộc vào những quy định củ a n gân sách N ộ i dung phần tiếp th eo của chương này được giới hạn trong v iệc phân tích c á c c h i p h í x â y dựng và bảo dưỡng.

2.3.1 Tuổi thọ tính toán đê so sánh các chiến lược

Tuổi thọ tính toán phải được lấy đủ dài:

- Đ ể làm xuất hiện những chỗ khác nhau về tình hình làm v iệc (và từ đó là tình hình bảo dưỡng) giữa các mặt đường được dự kiến có tuổi thọ và độ rủi ro tính toán khác nhau;

- Đ ể ch o sự bảo dưỡng kết cấu là cần thiết, trên các m ặt được m à các hư h ỏn g phát triển chậm nhất.

T uổi thọ tính toán này được lấy càng dài thì tỉ suất q uy đ ổ i v ề thòi đ iểm hiện tại càng nhỏ K éo dài quá đáng tuổi thọ tính toán thì v iệc xác định v iệ c bảo dưỡng sau này sẽ có phần tùy tiện, còn việc quy về hiện tại sẽ giảm thiểu trọng lượng của nó trong tính toán kinh tế.

T rong thực tế, trên các mạng lưới đường quốc gia với m ột tu ổi thọ tính toán đầu tư ban đầu 2 0 năm c ó độ rủi ro thấp, việc so sánh kinh tế giữa cá c loại kết cấu đều tiến hành với m ột tuổi thọ tính toán 30 năm (40 năm với các đường ca o tốc chuyển nhượng).

N ếu ta m uốn so sấnh các chiến lược đẳu tư khắc nhau dẫn đến m ột đ ộ rủi ro phá hoại như nhau, v í dụ sau 20 hoặc 30 năm, thì phải lấy tuổi thọ tính toán dài hơn, vào khoảng

4 0 năm (với m ột tỉ suất quy đổi vể hiện tại khoảng 7%).

2.3.2 Các chiến lược đầu tư - báo dưỡng khác nhau liên quan với việc chọn mức phục vụ

N hư đã nêu ở phần I, tiếp cận xác suất của v iệc tính toán dẫn tới v iệc chọn m ột cặp

g iá trị đ ộ rủ i ro - tuổi thọ tính toán ban đẩu Đ ể làm rõ v iệc so sánh các chiến lược đầu

tư khác nhau, cần phải khẳng định một trong hai thông s ố đó:

- H oặc là xác định tuổi thọ tính toán và so sánh các kết quả tính toán với các độ rủi ro khác nhau, ví dụ so sánh sau 20 năm giữa các độ rủi ro 2 và 10%.

- H oặc là xác định độ rủi ro tính toán và so sánh các kết quả tính toán tìm được ứng với các tuổi thọ khác nhau, v í dụ so sánh 10 hoặc 2 0 năm với đ ộ rủi ro 5%.

Các ch iến lược có thể khác nhau khi xét tới số vốn đầu tư ban đầu N hư vậy từ v iệc

x e m x ét v ề mặt kinh tế kỹ thuật có thể rút ra các hình thức của chính sách bảo dưỡng gắn liền với v iệc lựa chọn này [12].

Ta lần lượt x em xét các trường hợp:

- V ốn đầu tư ban đầu cao, tương ứng với mặt đường c ó tuổi thọ dài (15 - 20 năm hoặc lớn hơn) với m ột độ rủi ro hư hỏng kết cấu thấp;

- V ốn đầu tư ban đầu thấp, tương ứng với m ột tuổi thọ ngắn hơn và các n gu y c ơ gián đoạn phục vụ cao hơn;

- Đ ầu tư theo giai đoạn

* Đầu tư ban đầu cao

V iệ c lựa chọn này tương ứng với m ục tiêu bảo đảm mặt đường k hông bị x u ố n g cấp kết cấu trước m ột thời gian dài V ới các ch iều d ày thiết k ế như vậy thì tốc độ hư hỏng do

m ỏi của các mặt đường này thường chậm , ít nhất cho tới khi lớp mặt còn bảo đảm chức

năng bảo vệ kết cấu của nó N hư vậy các mặt đường này th ích ứng v ớ i m ột ch ín h sủ c li

bả o đảm m ức p h ụ c vụ ca o về mặt phục vụ đều đặn: đ ộ rủi ro do gián đoạn g ia o thông

liên quan với thời tiết bất thường là nhỏ, chỉ gâ y phiền phức ch o người sử dụng khi phải rải lại lớn mặt định kỳ (để duy trì mức độ an toàn và thuận tiện cũng như sự toàn vẹn của kết cấu).

Các nghiên cứu về kinh tế ch o thấy, khi m à tỉ suất quy đ ổi về thời đ iểm hiện tại

k hông quá cao thì chính sách bảo dưỡng gắn với ch iến lược đầu tư ban đầu cao là b ả o

dưỡng d ự p h òn g [15] Chính sách bảo dưỡng này là tiến hành bảo dưỡng ngay từ khi có dấu hiệu m ột sự xu ốn g cấp nhất định của m ức phục vụ, trước khi những hư h ỏn g về kết cấu phát triển N hư vậy v iệc bảo dưỡng dự p h òng này bảo tồn độ bền cơ học của kết cấu.

Các trị số của độ rủi ro tính toán tính cho 20 năm đối với các mặt đường thuộc mạng

lưới đường quốc gia của "Catalô các kết cấu m ặt đường làm mới" quy đổi v ề thời đ iểm

1988 được tóm tắt ở bảng 2.1.

B ả n g 2 1 Đ ộ rủi ro tính toán ch o 2 0 năm quy đ ổ i v ề thời đ iểm hiện tại

của Catalô 1977 đối với mặt đường q u ố c lộ

Sự thay đổi của độ rủi ro theo kỹ thuật là d o sự khác nhau củ a tình hình m ỏi của các vật liệu (*\

* Đầu tư ban đầu thấp

N gược lại, các mặt đường c ó tuổi thọ ngắn (khoảng 10 đến 15 năm ) và độ rủi ro cao thì các đặc trưng cơ học của chúng thay đ ổi nhanh, ngay cả khi mức phục vụ ban đầu (độ an toàn, sự thuận lợi) là tốt do chất lượng thi cô n g và các đặc trưng đã chọn ch o lớp

(t) Các căn cứ sử dụng là tỉ suất rủi ro 5% sau 20 năm với lượng giao thông TI và 5% sau 5 năm với lượng giao thông T4 Các trị số khác được rút ra từ việc nội suy theo các đặc trưng mỏi của vật liệu.

mặt Tất nhiên nguy cơ không thể sử dụng đường do thời tiết xuất trong trường hợp này c ó thể cao Từ đó ta có thể:

- X ác định m ột s ố vốn đầu tư ban đầu thích hợp sao ch o trạng thái giới hạn của kết cấu mặt đường chấp nhận được sau một khoảng thời gian bằng tuổi thọ của các đặc trưng bề mặt của mặt đường;

- N hư vậy đến hết thời hạn này phải tiến hành bảo dưỡng kết cấu, k hôi phục lại

cù n g m ột lúc cá c đặc trưng bề mặt của mặt đường Chính sá ch bảo dưỡng thích ứng

với loại mặt đường này là một chiến lược b ả o dư ỡng k iể u ch ữ a b ệ n h , ch ỉ tiến hành bảo

dưỡng khi đã đạt các ngưỡng giới hạn x u ố n g cấp kết cấu K iểu ch iến lược này nói

ch u n g ch ỉ áp dụ ng ch o các m ạng lưới thứ cấp có thể chấp nhận v iệ c sự thuận tiện giảm

rõ rệt giữ a hai đợt khôi phục tình trạng và sẽ c ó các thời k ỳ v iệ c sử dụng đường bị giả m (h oặc gián đoạn).

* Đầu tư theo giai đoạn

G iữa hai chiến lược cực đoan trên đây tồn tại các trường hợp trung gian là các chiến lược đầu tư theo giai đoạn Trong trường hợp này chiều dày mặt đường được rải dày thêm dần nhằm làm cho kết cấu thích ứng với sự tăng trường củ a lượng giao thông và tác dụng phá hoại của nó, và theo sự giảm của cường độ chịu m ỏi (hình 2 3 ).

Hư hỏng tích lũy

H ình 2.3 Sơ đổ chiến lược đầu tư theo giai đoạn

N hư vậy có thể m ô tả chiến lược này như sau:

- Kết cấu ban đầu được dự kiến cho một độ rủi ro tính toán vừa phải, thậm ch í thấp,

g iố n g như trong chiến lược đầu tư ban đầu cao nhưng với m ột tuổi thọ ngắn hơn (v í dụ 5% sau 10 nãm thay vì sau 20 năm), đến nỗi trong thời kỳ này k hông cần bảo dưỡng kết cấu tổng thể.

- Tùy thuộc vào lượng g iao thông tích lũ y và những bất thường v ề k h í hậu, mặt đường được nâng cấp liên tiếp (v í dụ sau 8 năm rồi rau 15 năm ) làm ch o sự hư hỏng của mặt đường chậm lại và đạt được (v í dụ sau 2 0 năm ) đ ộ hư h ỏn g của mặt đường làm th eo

ch iến lược đầu tư ca o và bảo dưỡng dự ph òng.

M ức phục vụ của mặt đường theo ch iến lược này c ó thể tương đối ca o nếu tôn trọng các điều kiện sau:

- Đ ộ rủi ro tính toán ở cu ố i tuổi thọ tính toán ban đầu n ó i chung vừa phải D ù các hiểu biết trong lĩnh vực này cò n chưa đủ, ta c ó thể ước tính m ột trị s ố lớn nhất vào khoảng từ 10 đến 15% Trên trị số đó sẽ xuất h iện những phá hoại ảnh hưởng tới sự thuận tiện và an toàn trước khi hết tuổi thọ ban đầu;

- Phải thường xu yên theo d õi tình hình m ặt đường đ ể tiến hành bảo dưỡng và rải mặt đường kịp thời Đ iểm nhạy cảm của giải pháp đầu tư th eo g ia i đoạn là nếu làm các lớp bảo dưỡng quá chậm , thì các ch ỗ hư hỏng sẽ phát triển nhanh, làm giảm bớt lợi ích v ề kinh tế đã tính toán ban đầu;

- N gay từ giai đoạn đầu tiên nền đường dưới mặt đường phải bảo đảm chống được sự đóng băng - tan băng N hư v ậy v iệ c giảm ch iều dày cá c lớp m ón g trên và lớp mặt phải được lớp trên nền đất bù lại.

2.3.3 Các yếu tố kinh tế để chọn chiến lược

V iệ c đánh giá và chọn các ch iến lược c h o m ạng lưới cá c qu ốc lộ ở Pháp đã được làm vào cu ối những năm sáu m ươi, khi áp dụng chính sách tăng cường kết hợp và bảo dưỡng

dự phòng M ột trong các yếu tố quan trọng được phân tích là tình hình đóng băng - tan băng của mặt đường C hiến lược được ch ọn đ ể thiết k ế m ặt đường c ó tuổi thọ dài và m ột

độ rủi ro nhỏ, với việc bảo dưỡng dự p hòng vẫn được sử dụng từ những năm đó ch o các đường cao tốc cũ n g như các q u ốc lộ [13] V iệ c giảm phiền hà ch o người sử dụng do

cô n g tác sửa chữa gây ra, hiện đã được chú ý hơn.

Chiến lược đầu tư theo giai đoạn c ó thể thích hợp với cá c đường có lượng giao thông trung bình và (hoặc) c ó tỉ lệ tăng x e cao trong các vù n g k h í hậu ít khắc nghiệt (tình hình đóng băng - tan băng) M ặt khác lợi ích k in h tế củ a ch iế n lược này tăng lên khi tỉ suất quy đ ổi v ề hiện tại tăng C uối cù n g cần lưu ý là v iệ c n g h iên cứu kinh tế - kỹ thuật ch o thấy là các ch iến lược đầu tư th eo giai đoạn nói ch u n g tiêu thụ nhiều vật liệu và năng lượng hơn so với giải pháp x ây dựng theo m ộ t giai đoạn Trong bối cảnh m à n gu ồn cung cấp cố t liệu bị hạn c h ế hoặc khi g iá các sản phẩm dầu m ỏ tăng thì cần lưu ý đến đ iểm này V ới các bộ phận của m ạng lưới đường c ó lượng g ia o thông nhỏ hoặc lợi ích kinh t ế

là thứ yếu thì c ó thể ch ọn các ch iến lược đầu tư ban đầu thấp và bảo dưỡng th eo kiểu chữa bệnh Tuy nhiên v iệc lựa ch ọn này thường k hông bảo đảm được sự tối ưu về kinh t ế (trừ khi lượng giao thông rất n h ỏ) m à xuất phát từ tình hình ngân sách quá eo hẹp.

Từ những nghiên cứu so sánh về kinh tế, sau khi đã xác định ch iến lược đầu tư và bảo dưỡng ch o phép đạt được các mục tiêu về mức phục vụ, việc cò n lại là chọn m ột hoặc nhiều giải pháp kỹ thuật thích hợp Thực tế xét về mặt tăng trưởng m ức phục vụ, các kỹ thuật hiện c ó không hoàn toàn tương đương nhau, để bước đầu phân tích, cần x em xét cách làm v iệ c của chúng.

* Các kết cấu bê tông rất nhạy cảm với v iệc thiếu chiều dày và không thể bảo dưỡng bằng cá c lớp thảm m ỏng phải được xây dựng với tuổi thọ dài.

* Trường hợp các kết cấu có lớp m óng gia c ố các chất liên kết rắn trong nước, nguy

c ơ hư h ỏn g tăng rất nhanh khi giảm chiểu dày mặt đường C hiều dày của lớp đá trộn nhựa chủ yếu là để chèn kín và bảo vệ phần trên của m óng đường k hông thể giảm rõ rệt

m à k hông tổn hại đến độ bển của toàn thể kết cấu một cách nhanh ch ón g Loại kết cấu này ít thích hợp với việc đầu tư theo giai đoạn.

* V ớ i cá c kết cấu hỗn hợp, việc giảm chiều dày lớp cấp p hối đá - bitum của kết cấu ban đầu phải được bù lại bằng việc tăng chiều dày lớp cấp p hối đá gia c ố chất liên kết rắn trong nước, điều này ít có lợi xét về chiều dày của kết cấu mặt đường V iệ c giảm

ch iều dày của cấp phối đá - bitum sẽ tăng nhanh tốc độ truyền nứt nên cần phải được

x em xét cẩn thận Các kết cấu này cũng ít thích hợp với việc xây dựng theo giai đoạn

N hững đặc trưng cơ học của chúng và sự phát triển kết cấu chậm , đặc biệt là về độ bằng phẳng, làm ch o loại kết cấu này thích ứng với chiến lược đầu tư ban đầu cao kèm theo

v iệ c bảo dưỡng dự phòng.

* V ớ i mật đường nhựa dày và có kết cấu ngược, có thể c ó nhiều k ế hoạch xây dựng khác nhau.

* M ặt đường m ểm bằng vật liệu hạt có thể có mức độ êm thuận và an toàn ban đầu

ca o , nhưng độ bằng phẳng thường xuống cấp nhanh, không thích hợp để duy trì m ột

m ức phục vụ cao về an toàn và êm thuận Các kết cấu này thích hợp với các đường thứ

y ếu trong khuôn khổ một chiến lược đầu tư ban đầu tương đối nhỏ (tuổi thọ ngắn) kèm

th eo việc bảo dưỡng sửa chữa.

V ề lớp mặt, các kỹ thuật hiện có tương đối nhiều (xem phần III) ch o phép đáp ứng

cá c trường hợp chiến lược và các mức phục vụ dự kiến ban đầu khác nhau.

2.4 NGHIÊN c ú ti KINH TẾ - KỸ THUẬT T ối u u ĐỂ LỤA CHỌN CÁCH TÍNH TOÁN

Khi có lớp trên nền đất, kết cấu mặt đường chiếm khoảng 30% g iá thành của đường

ô tô hoặc của đường cao tốc làm mới và 50% chi phí bảo dưỡng V iệ c nghiên cứu tối ưu toàn bộ các chi phí này: chi phí xây dựng và bảo dưỡng chứng tỏ tỉ lệ này là đúng Đ ể tìm một giải pháp tối ưu phải xem xét bốn điểm chính:

2.3.4 Những liên quan khi lựa chọn các kỹ thuật mật đường

- N gh iên cứu khả năng gắn lớp trên nền đất v ào trong kết cấu mặt đường;

- Chọn các kỹ thuật mặt đường thích hợp nhất về mặt kinh tế - kỹ thuật, bằng cách làm tăng giá trị của các vật liệu địa phương hiện có.

- Tính toán kết cấu mặt đường c ó xét đến chất lượng đạt được ở hiện trường (đ ộ chặt,

độ đ ồn g đều về chiều dày) và tính hiệu quả của v iệ c b ố trí cấu tạo.

- Tính toán giá thành tổng cộ n g xây dựng + bảo dưỡng.

V iệ c nghiên cứu này thường được tiến hành trước hết đối với thiết k ế ch i tiết mặt đường (hoặc thiết k ế sơ bộ của đường ca o tố c) son g son g với các nghiên cứu v ề địa kỹ thuật vì tác dụng thực tế của nó c ó liên quan đến v iệ c ch ọn lớp trên nền đất.

K hi m ời thầu, nếu các x í ngh iệp c ó khả nãng lập các phương án dự thi, thì tư vấn phải đưa ra sớm để giải pháp lớp trên nền đất c ó thể được chấp nhận sử dụng M ặt khác khi xét thầu nếu cần phải x em xét tổn g giá thành x ây dựng + bảo dưỡng, sửa chữa thì tư vấn phải xác định rõ cách làm hoặc yêu cầu x í n gh iệp chứng m inh.

2.4.1 Nghiên cứu khả năng kết hợp lớp trên nền đất trong kết cấu mặt đường Trong nhiều vùng không c ó vật liệu thiên nhiên thích hợp để làm lớp trên nền đất hoặc giá vận chuyển quá đắt thì phải tiến hành gia cô' các vật liệu tại ch ỗ với các chất liên kết rắn trong nước.

V ớ i đường ít x e có thể làm lớp m óng đường bằng cách gia c ố m ột số vật liệu tại chỗ như đất sét với vôi hoặc xi mãng V ới cá c cô n g trường lớn như cô n g trường xâ y dựng đường cao tốc cần phải khắc phục tối đa những bất thường về thời tiết, phải chịu một lượng vận chuyển khi thi côn g lớn và phải bảo đảm sự ổn định về chất lượng của nền

m óng thì có thể xử lý bằng các chất liên kết rắn trong nước để cải thiện tính năng c ơ học Lớp trên nền đất được gia c ố đáp ứng được cá c m ục tiêu trước m ắt, nói ch u n g bảo đảm chất lượng và đủ ch iều dày khi tính toán mặt đường N hư vậ y từ g iả i pháp tối thiểu được xác định để bảo đảm cá c m ục tiêu trước m ắt, ta c ó thể tìm x em sự cả i thiện các đặc trưng về lâu dài của lớp trên nền đất (như gia c ố tại trạm trộn, tăng liề u lượng chất liên kết, tăng ch iều dày v v .) c ó thể ch o phép tiết k iệm đáng k ể các lớp kết cấu

m ặt đường kh ông.

T uy nhiên không nên quên là tính chất và chất lượng của các vật liệu địa phương đều rất phân tán, vì vậy m ột mặt cần phải tiến hành làm cá c đoạn đường thực n gh iệm , mặt khác phải sử dụng m ột hệ s ố an toàn đủ đ ể khắc phục sự phân tán này Trong phần IV bạn đọc sẽ tìm thấy các điều liên quan đến phương pháp luận nghiên cứu và đến sự làm

rõ cá c đặc trưng cơ học của các vật liệu của lớp trên nền đất.

2 4 2 L ự a c h ọ n cá c kỹ th u ậ t m ậ t đ ư ờ n g

Các kỹ thuật xây dựng mặt đường được sử dụng ở Pháp là kết quả của m ột sự dung hòa cần thiết giữa sự ổn định trước mắt, h iệu quả v ề lâu đài và sự toàn vẹn của các đặc

trưng bể mặt Chất lượng của các vật liệu mặt đường nghiên cứu được quy định trong các tiêu chuẩn và chỉ dẫn (xem phần V).

Các kỹ thuật mặt đường khác nhau, sử dụng các vật liệu c ó tính chất cơ học rất khác nhau không thể hoàn toàn tương đương về mặt tăng trưởng của m ức phục vụ theo thời gian X ét dưới góc độ kinh tế, điểm này sẽ được đánh giá qua tính toán tổng giá thành xây dựng và bảo dưỡng (xem điểm 2.4.4.) Sự khan hiếm và tăng giá của các vật liệu

qu ý, cũ n g như những bó buộc ngặt nghèo của việc bảo vệ m ôi trường đã dẫn đến việc phải tận dụng các vật liệu có sẵn trên tuyến hoặc gần tuyến để làm lớp m óng Đ ó thường

là những vật liệu có một số tính chất không đáp ứng được yêu cẩu của các tiêu chuẩn hoặc chỉ dẫn Đ ể đảm bảo có thể sử dụng các vật liệu này cần tiến hành các nghiên cứu

và thực nghiệm để kiểm tra một số tính nãng của chúng (độ ổn định, độ b ề n .)•

Kết quả của những nghiên cứu này cho phép xác định phạm vi sử dụng vật liệu (lớp

m ón g dưới hoặc lớp m óng trên, lượng giao thông), những quy định bổ sung cần thiết (ví

dụ găm đá vào bê tông) và những điều cần thận trọng trên cô n g trường (nhất là trong thời kỳ thi công).

2.4.3 Xét tới chất lượng đạt được tại công trường và việc bố trí kết cấu trong tín h to á n m ặt đường

Đ ể tính toán ứng suất vằ biến dạng cho phép của cấc lớp mật đường, phương pháp tính toán của Pháp tính đến sự phân tán về chiều dày của các lớp (xem m ục 1.4.3.5).

V iệ c tính chiều dày các kết cấu mặt đường trong Catalô 1977 hoặc trong "Sổ tay mặt đường ch o đường ít xe" đều căn cứ vào chất lượng thi cô n g c ó thể đạt được bằng kỹ thuật thi côn g thông thường Khống chết tốt chất lượng thi cô n g , nhất là giảm được sự phân tán về chiểu dày, thì rất có lợi về mặt kinh tế vì phương pháp tính toán này đã xét tới điều đó.

Có thể khống ch ế tốt nhất các chiều dày nhờ có đội m áy thi cô n g và kiểm tra thích

đ áng Trong thực tế điều này được thể hiện bằng các sai s ố cao độ rất nhỏ và bằng việc

k iểm tra mặt cắt (độ cao và độ bằng phẳng) bắt đầu từ cá c lớp phía dưới (lớp trên nền đất) Sổ tay thiết k ế mặt đường của đường cao tốc [6] của Scéteuroute đã lợi dụng những

c ả i tiến này.

Mặt khác việc bố trí các công trình thoát nước cũng c ó thể cải thiện sức chịu tải của

m ặt nền và một số cách bố trí kết cấu (như thay đổi chiều dày trên mặt cắt ngang) cũng

c ó thể giảm được khối lượng vật liệu cần thiết.

2 4 4 T ín h tổng giá th àn h x ây dựng + b ả o dưỡng

V iệ c tìm một sự tối ưu về kinh tế đối với tổng giá thành xâ y dựng + bảo dưỡng đã

q u y đ ổ i về hiện tại đòi hỏi xác định các cách thức bảo dưỡng đ ối với từng loại kỹ

thuật T uy n hiên cò n chưa c ó phương pháp tìm được cá c q u y luật tiến triển <củ m ật đường từ những hiểu biết về tính chất và các đặc tính cơ học của vật liệu lúc Xíâydựng mặt đường Từ v iệc tổn g k ết tình hình làm v iệ c củ a m ộ t s ố đoạn đường ôtô Víà ư ờn g

ca o tốc ta c ó được những th ô n g tin v ề sự phát triển cá c hư h ỏ n g và cá c nhu Ị cả b ảo

dưỡng th eo thời gian.

V ới các mặt đường c ó lượng g ia o thông trung bình và lớn, m ột chương tirìn bảo dưỡng m ẫu theo kiểu bảo dưỡng dự phòng đã được lập ra vào năm 1989 ch o miạn lưới các quốc lộ với các kết cấu sau:

- Mặt đường bê tông (các tấm ngắn c ó khê n ố i k h ôn g b ố trí thanh truyền lực, cá tấm ngắn c ó thanh truyền lực và cá c tấm dài, bê tông cố t thép liên tục) (Bảng 2.2).

- Các kết cấu gia c ố các chất liên kết rắn trong nước, các kết cẫu hỗn hợp vài cc k ết cấu nềm dùng chất liên kết h yđrôcácbon (bảng 2 3 ).

V ớ i m ặt đường của các đường cao tốc, bản tổn g k ết làm trong cùng thời kỳ' á dựa

trên v iệ c phân tích tình hình làm v iệ c của hơn 9 0 0 0 k m m ặt đường đang khai thiácrong khuôn khổ một chiến lược thiết kế mặt đường có tuổi thọ dài, độ rủi ro thấp> V bảo dưỡng dự phòng, đã đưa ra được các k ế hoạch trong 4 0 năm với kết cấu bê tỏm g'h i ở bảng 2 4 và với kết cấu bitum g h i ở bảng 2 5

Từ những lựa chọn khác nhâu về tuổi thọ tính toán ban đầu và của độ rủi ro, ríràxig

sẽ c ó những tác động đ ố i với kết hoạch bảo dưỡng, và đ iều đ ó cũng được phảin nh ở những đ iểm khác nhau giữa hai nhóm bảng.

Dưới đây là các ký h iệu trong các bảng từ 2 2 đến 2.5;

J Sửa chữa các khe n ối n gan g và d ọc

JL Sửa chữa các khe nối n gan g

JT Sửa chữa các khe n ối d ọ c

RS Sửa chữa lớp mặt (bê tôn g nhựa rất m ỏng, hỗn h ợ p lo á t

nước hoặc làm lại tại ch ỗ ) TPC D ải phần cách giữa

V L Làn x e chạy chậm

Bảng 2.2 Sơ đồ mẫu bảo dưỡng kết cấu mặt đường bê tông xi măng

của mạng lưới quốc lộ Thông tư của Cục Đường bộ

Bảng 2.3 Sơ dỏ mẫu bảo dưỡng các kết cấu m ặt đường m ềm, nửa cứng

và hỗn hợp của m ạng lưới quốc lộ Thông tư của Cục Đường Bộ