Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)

Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)

1 MỞ ĐẦU *Đặt vấn đề nghiên cứu Mặt đường BTXM - mặt đường cứng với mặt đường mềm hai loại hình mặt đường sử dụng cho giao thông đường sân bay, đóng vai trò quan trọng việc hình thành nên mạng lưới giao thông khu vực, lãnh thổ xuyên quốc gia Tại Việt Nam, việc kiểm soát chất lượng thi công chưa tốt, chưa đánh giá sức chịu tải mặt đường sau thi công, lượng xe tải, xe nặng xe vượt tải ngày tăng kết hợp với yếu tố môi trường ngày khắc nghiệt làm mặt đường nhanh chóng bị xuống cấp Hiện nay, thí nghiệm biến dạng không phá hủy (Nondestructive deflection test - NDT) sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đường Đặc điểm thí nghiệm khắc phục nhược điểm thí nghiệm phá hoại kết cấu việc lấy mẫu, khoan, cắt, đào,… làm ảnh hưởng đến khả làm việc mặt đường; cần nhiều thời gian thực , thực thường xuyên…Chính đề tài : “Nghiên cứu số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô phương pháp không phá hủy Việt Nam” hình thành, bước đầu góp phần hoàn thiện quy trình đánh giá chất lượng mặt đường BTXM hoàn toàn có sở khoa học, đáp ứng đòi hỏi thực tiễn *Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tiến hành với mục đích đưa kết nhằm ứng dụng có hiệu phương pháp đánh giá chất lượng mặt đường BTXM Việt Nam với vấn đề: - Tổng quan tham số đặc trưng cho mặt đường BTXM, phương pháp xác định - Thiết kế chế tạo thiết bị đo đạc bổ sung phục vụ nghiên cứu thực nghiệm - Xây dựng tương quan cường độ chịu kéo uốn mô đun đàn hồi BTXM phục vụ cho việc kiểm toán trạng thái giới hạn - Xây dựng tương quan mô đun đàn hồi động mô đun đàn hồi tĩnh đường - Thông qua thí nghiệm đo đạc mô hình phòng thí nghiệm, đoạn đường thi công phục vụ thử nghiệm, đoạn đường khai thác phân tích đánh giá số liệu, cách xử lý số liệu, từ đề xuất phương pháp đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM phù hợp với điều kiện Việt Nam * Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối xây dựng công trình giao thông - Thiết bị đo đạc đánh giá mặt đường BTXM có có khả chế tạo Việt Nam - Các phương pháp đánh giá phù hợp với điều kiện Việt Nam *Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết với thực nghiệm mô hình thực nghiệm kiểm chứng trường nhằm hoàn thiện phương pháp đánh giá chất lượng mặt đường BTXM * Nội dung nghiên cứu bao gồm: -Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu mặt đường BTXM, xác định tham số cần đo đạc - Nghiên cứu đặc tính BTXM mặt đường từ thiết kế, chế tạo thiết bị đo đạc phù hợp - Thực nghiệm đo đạc mô hình phòng thí nghiệm, đoạn đường thi công phục vụ thử nghiệm, đoạn đường khai thác - Tổng hợp phân tích kết thí nghiệm, thử nghiệm nhằm đưa dẫn định hướng phương pháp đánh giá chất lượng mặt đường BTXM *Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu xác định tham số quan trọng, từ lựa chọn thiết bị đo phù hợp để tiến hành thử nghiệm Phân tích kết đo để đánh giá phân loại đối tượng đo, giúp cho việc khai thác sử dụng phù hợp hiệu - Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam, xây dựng phương pháp đánh giá sức chịu tải mặt đường trước khai thác * Kết cấu luận án: Gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, kiến nghị định hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM 1.1 Các thông số đặc trƣng cho khả khai thác kết cấu mặt đƣờng bê tông xi măng Hiện nay, Thế giới có nhiều phương pháp đánh giá mặt đường bê tông xi măng khác làm sở cho việc tu, bảo dưỡng thiết kế nâng cấp Mỗi phương pháp dựa thông số khác Có thể phân thành hai nhóm chính: 1.1.1 Nhóm 1: Đánh giá theo kinh nghiệm Việc đánh giá khả khai thác kết cấu dựa vào số liệu thị sát thí nghiệm vật liệu dựa vào hư hại kết cấu tác dụng tải trọng Bằng kinh nghiệm đúc kết suốt trình xây dựng, khai thác sửa chữa, nâng cấp mà đề giải pháp thiết kế tăng cường tu sửa chữa Ví dụ như: Căn vào số liệu đánh giá tình trạng hư hỏng bề mặt,tình trạng thoát nước, số liệu thí nghiệm mẫu khoan thí nghiệm vật liệu, từ đề biện pháp sửa chữa tăng cường Căn vào số liệu thống kê số lượng tải trọng mà kết cấu phục vụ với thay đổi đặc trưng lý vật liệu để đánh giá mức độ hư hỏng kết cấu Dựa vào mức độ hư hỏng kết cấu, khả phục vụ lại kết cấu ước tính so sánh lượng xe tương lai có đáp ứng hay không phân loại lại cấp hạng đường, làm sở để chọn thông số tính toán cho mặt đường hữu tăng cường, sửa chữa 1.1.2 Nhóm 2: Các thông số dựa sở toán học Hiện nay, giới tồn nhiều phương pháp tính toán kết cấu mặt đường bê tông xi măng nước dùng phương pháp thích hợp cho điều kiện nước Có thể thấy rằng, phương pháp tính toán mặt đường bê tông xi măng chủ yếu dựa hai toán học là: phương pháp dựa toán “tấm đàn hồi” toán “hệ đàn hồi nhiều lớp” Với phương pháp thiết kế mặt đường bê tông xi măng dựa lý thuyết toán “tấm đàn hồi” môn học kết cấu với giả thiết xem bê tông xi măng vật liệu đàn hồi đẳng hướng tuân theo giả thuyết tiết diện phẳng có kích thước vô hạn đặt đàn hồi với giả thiết khác “mô hình nền” Theo mô hình bán không gian đàn hồi, tính chất đàn hồi Gorbunov Poxadov giải với thông số đặc trưng cho sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng mô đun đàn hồi bê tông xi măng Ebt, mô đun đàn hồi đất E0 Theo mô hình hệ số Winkler, lời giải Westergaard tải trọng đặt giữa, cạnh góc với thông số đặc trưng cho sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng mô đun đàn hồi bê tông xi măng Ebt,mô đun phản lực k Một nhân tố có ảnh hưởng lớn đến khả khai thác bền vững kết cấu khả truyền tải khe nối Do vậy, việc đánh giá khả truyền tải khe nối coi phần trình đánh giá sức chịu tải chung mặt đường bê tông xi măng Từ phân tích trên, đặc trưng cho sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng bao gồm thông số sau : Mô đun đàn hồi bê tông xi măng Ebt, mô đun đàn hồi đất E0 mô đun phản lực k với mô hình hệ số Winkler, khả truyền tải khe nối 1.2 Phân tích tổng quan kết nghiên cứu 1.2.1 Một số nghiên cứu tác giả nước Hiện nay, thí nghiệm không phá hủy (NDT) sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đường Đặc điểm thí nghiệm khắc phục nhược điểm thí nghiệm phá hoại kết cấu việc lấy mẫu, khoan, cắt, đào,… làm ảnh hưởng đến khả làm việc mặt đường; thời gian thực lâu, thực thường xuyên… Trên giới, có nhiều nghiên cứu đề cập đến vấn đề thu kết quan trọng -Nghiên cứu Priyanka S cộng [50] Nghiên cứu thực Illinois _ Hoa Kỳ Theo đó, Illinois, mô hình học kinh nghiệm ME (Mechanistic-Empirical) sử dụng để thiết kế chiều dày kết cấu áo đường tăng cường mặt đường cũ, đặc biệt số trường hợp không sử dụng vật liệu truyền thống (ví dụ vật liệu tái chế) Khi đó, cần phải đánh giá đặc trưng lý mặt đường cũ mặt đường sau tăng cường, đồng thời dự báo tuổi thọ mặt đường tương lai Các thí nghiệm NDT thiết bị FWD theo hướng dẫn AASHTO 1993 áp dụng để thí nghiệm cho 20 đoạn đường với loại kết cấu lưu lượng giao thông khác Kết thí nghiệm kết hợp với việc áp dụng mô hình ME thiết kế lớp mặt đường tăng cường cho thấy hiệu kinh tế rõ rệt Trên 20 đoạn đường thí nghiệm, dùng phương pháp thí nghiệm, đánh giá thiết kế truyền thống Bang Illinois, tất phải tăng cường lớp mặt với chiều dày từ đến 10cm; theo phương pháp NDT AASHTO 1993 phải tăng cường cho 10 đoạn đường Nếu dùng NDT kết hợp với mô hình kinh nghiệm ME phải tăng cường cho đoạn -Nghiên cứu L Khazanovich, A Gotlif [47] Nghiên cứu đề cập tới việc sử dụng thí nghiệm NDT để xác định khả truyền lực khe nối (Load Transfer Efficiency -LTE) mặt đường bê tông xi măng Hoa Kỳ, thuộc chương trình LTPP (LongTerm Pavement Performance) Đặc điểm thiết kế điều kiện xây dựng, loại truyền lực, khoảng cách khe nối, khoảng cách truyền lực, hàm lượng cốt thép khe nối, hướng khe nối (so với tim tuyến), chiều dày tấm, thời tiết Tuổi thọ mặt đường chất lượng khe nối - Nghiên cứu L.P Priddy, D.W Pittman, and G.W Flintsch [46] Nghiên cứu đề cập tới việc sử dụng phương pháp NDT để đánh giá phần mặt đường BTXM sân bay sửa chữa theo phương pháp sửa chữa sâu (Full Depth Repair FDR).Cụ thể, bị hư hỏng, phải đào bỏ đổ lại mới.Khi đó, phương pháp NDT sử dụng để đánh giá chất lượng thay Nghiên cứu đưa ảnh hưởng thông số tới hệ số truyền lực LTE khe nối thay với cũ theo cho điều kiện khác 1.2.2 Một số nghiên cứu tác giả nước Việc nghiên cứu thử nghiệm đánh giá mặt đường BTXM nhiều nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu từ sớm kể đến như: - Tác giả Nguyễn Xuân Đào đồng nghiệp [13] Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải nghiên cứu chế tạo thiết bị rơi tạo xung lực động tác dụng lên bề mặt đường máy ghi chấn động dùng để ghi lại độ võng bề mặt đường tác dụng xung lực Ứng dụng nghiên cứu thực nghiệm lần áp dụng đường BTXM trước Lăng Bác Nghiên cứu bước đầu cho kết so sánh thi công chất lượng tốt có lỗi trình thi công, giúp cho tư vấn có định đắn Tuy nhiên thiết bị đo đạc đơn giản, tốc độ lấy mẫu thấp, độ xác chưa cao, phần mềm tính toán tự động chưa hoàn thiện Đo đạc độ võng thực tâm gia tải đầu đo khác - Tác giả Vũ Đình Phụng, [ 30] nghiên cứu phương pháp tính toán mặt đường cứng, khả chịu tải mặt đường bê tông Nghiên cứu thực nghiệm phá hỏng BTXM mặt đường Nghiên cứu chưa đề cập nhiều đến phương pháp không phá hủy đánh giá trạng thái đàn hồi - Tác giả Phạm Cao Thăng, [28] nghiên cứu phân tích từ kết đo chậu võng mặt đường xác định hệ số mô đun đàn hồi Chưa đề cấp đến kết đo đạc thực tế khả truyền tải trọng mặt đường bê tông xi măng 1.3 Phân tích tổng quan ứng dụng phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM giới 1.3.1 Phương pháp sử dụng tải trọng tĩnh đánh giá sức chịu tải Việc sử dụng thiết bị thử nghiệm tải trọng tĩnh hình 1.5 để đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM nhà khoa học Nga nghiên cứu ứng dụng từ sớm sân bay[33] Nguyên tắc phương pháp sử dụng kích thủy lực tải trọng tải tác dụng lực tĩnh xuống mặt đường, đo đạc độ võng mặt đường Độ võng mặt đường đo nhờ hệ giá đỡ có gắn đồng hồ chuyển vị 1.3.2 Phương pháp sử dụng tải trọng động đánh giá sức chịu tải Phương pháp sử dụng tải trọng động khắc phục nhược điểm phương pháp sử dụng tải trọng tĩnh, công nghệ đo lường tự động hóa ngày phát triển hỗ làm cho ưu điểm phương pháp trội Một công nghệ kể đến như: - Công nghệ tải trọng điều hòa: Từ năm 1950, Cục Hàng không liên bang Hoa Kỳ (FAA) nghiên cứu thiết bị tải trọng rung để đánh giá mặt đường sân bay ô tô Phương pháp xác định mô đun độ cứng động (DSM) từ quan hệ “Tải trọng động- độ võng động” Hiện hệ thiết bị rung chế tạo theo kiểu gồm Dynaflect, Road Rater, Rolling Dynamic Deflectometer (RDD) + Kiểu Dynaflect thiết bị điện tạo dao động hình sin với biên độ 5kN, tần số 8Hz động điện có gắn nặng lệch tâm Các cảm biến gia tốc, vận tốc thu nhận số liệu liên tục Tuy nhiên biên độ tải trọng nhỏ phù hợp kết cấu mặt đường chịu tải trọng nhẹ + Kiểu Road Rater thiết bị tạo dao động hình sin với biên độ lên đến 35kN, tần số thay đổi nguồn thủy lực nâng hạ khối thép tác động lên ép + Kiểu Rolling Dynamic Deflectometer (RDD) Sử dụng bánh xe kép gia tải động xuống mặt đường Độ võng đo thông qua cảm biến đo gia tốc Xe chạy với tốc độ km/h vừa vừa đo Máy rung thủy lực lắp xe truyền dạng hình sin khoảng 5-100 Hz - Phương pháp FWD, HWD : Nguyên tắc hoạt động loại thiết bị tạo tải trọng va đập (quả rơi) sau: Quả nặng rơi từ độ cao định theo trục dẫn hướng tác dụng lên mặt đường qua ép Để kéo dài thời gian tác dụng tải trọng cho giống với tải trọng bánh xe chuyển động, người ta dùng hệ thống giảm chấn lò xo hay đệm cao su Các thông số dao động công trình cảm biến ghi nhận ghi lại dạng file liệu Ở nước phát triển người ta chế tạo thiết bị phương pháp tính toán tương ứng với loại thiết bị sử dụng cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng mặt đường, gọi chung phương pháp FWD (Falling Weight Deflectometer) 1.3.3 Phương pháp truyền sóng xác định đặc tính học - Công nghệ Radar phát sóng với tần số cao để đánh giá độ đồng nhất, lỗ hổng đường phía BTXM Nguyên lý dựa việc truyền sóng điện từ vào lớp vật liệu mặt đường nhận lại sóng điện tử phản xạ ngược trở Các sóng trả về chất bị ảnh hưởng thông số số điện môi, độ từ thẩm, độ dẫn liệu, thông qua xử lý tín hiệu, xử lý ảnh, nhờ hình ảnh hóa đặc tính điện cấu trúc vật thể - Công nghệ truyền sóng bề mặt SASW (Spectral Analysys of Surface Wawes) Nguyên lý phương pháp dùng nguồn lực gây kích động làm cho công trình dao động, tham số dao động (vận tốc, gia tốc, chuyển vị) đầu đo gắn công trình ghi nhận truyền máy phân tích Các chương trình phân tích xử lý (ví dụ phân tích Fourier nhanh) cho ta đặc trưng dùng đánh giá chất lượng công trình - Công nghệ truyền sóng biến dạng kiểm tra chiều dày, khuyết tật mặt đường BTXM Nguyên lý phương pháp sử dụng va đập học thời gian ngắn để tạo sóng ứng suất nhanh sử dụng chuyển đổi thu tín hiệu, phân tích tính toán vận tốc truyền vật liệu qua đặc tính xác định tính chất học vật liệu 1.4 Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM áp dụng Việt Nam Hiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thi công nghiệm thu mặt đường BTXM sử dụng Quyết định tạm thời [1] Tiêu chuẩn TCVN 11365: 2016 mặt đường sân bay- xác định số phân cấp mặt đường FWD HWD Tiêu chuẩn biên dịch từ tài liệu FAA, hệ số thực nghiệm sử dụng tài liệu gốc, chưa có nghiên cứu hiệu chỉnh phù hợp với loại vật liệu điều kiện Việt Nam, chưa có ví dụ tính toán để áp dụng 1.5 Phân tích lựa chọn vấn đề nghiên cứu Phân tích công tác đo đạc thực nghiệm đánh giá mặt đường BTXM áp dụng tồn vấn đề cần tập trung nghiên cứu: - Chiều dày lớp kết cấu thông thường lấy từ hồ sơ thiết kế thông qua hố đào trường.Tại hố đào phá hủy kết cấu mặt đường nên tần suất kiểm tra thưa, độ tin cậy thấp Do áp dụng thêm phương pháp không phá hủy để xác định chiều dày tăng thêm độ xác Nghiên cứu sinh nghiên cứu đề xuất bổ sung phương pháp dựa nguyên lý truyền sóng xác định chiều dày lớp mặt đường BTXM trình bày chương - Hiện có nhiều phần mềm viết sẵn kèm theo thiết bị để xử lý tính toán Những phần mềm chưa nêu rõ phương pháp tính toán, mô hình tính toán cần phải làm rõ sở nguyên tắc đo đạc, xử lý số liệu nhằm đảm bảo tính thống - Phương pháp đo đạc FWD cho kết mô đun đàn hồi động, tính toán, kiểm toán mặt đường BTXM sử dụng mô đun đàn hồi tĩnh Nghiên cứu sinh tiến hành đo đạc thực nghiệm xác định tương quan mô đun đàn hồi động tĩnh lớp vật liệu làm móng đường - Đo đạc thực nghiệm xử lý số liệu tính toán mô đun đàn hồi lớp kết cấu Trong kiểm toán mặt đường BTXM phải kiểm toán ứng suất đáy Nghiên cứu sinh thực nghiệm xây dựng tương quan mô đun đàn hồi BTXM cường độ chịu kéo uốn loại bê tông thông thường sử dụng cho mặt đường BTXM Việt Nam - Ngoài đo đạc khả truyền tải trọng BTXM vấn đề cần quan tâm Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị hỗ trợ đo đạc độ cập kênh chịu tác động tải trọng Qua phân tích cho thấy việc kiểm soát chất lượng, đánh giá sức chịu tải mặt đường cần thiết nước phát triển giới nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu từ sớm Xu hướng sử dụng phương pháp động để đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM hướng Tại Việt Nam tập trung nghiên cứu,thử nghiệm, đầu tư thiết bị thí nghiệm động theo kiểu FWD Do nghiên cứu sinh tiếp tục lựa chọn hướng nghiên cứu tập trung làm rõ sở khoa học ứng dụng phương pháp, thực nghiệm phân tích kiểm chứng kết đo đạc 1.9 Kết luận chƣơng Ứng dụng công nghệ đo đạc đại (tự động, không phá hủy, phần mềm phân tích xử lý, tính toán máy tính) đánh giá chất lượng mặt đường BTXM nước phát triển tập trung nghiên cứu Từ nghiên cứu nhà khoa học, hãng sản xuất thiết bị chế tạo thương mại nhiều thiết bị đo đạc đại phục vụ công tác đánh giá kể đến như: FWD, HWD, RDD, IMPact-Echo, Road Rater, Dyaflect… Qua nghiên cứu tổng quan cho thấy chất lượng mặt đường BTXM thực tế thi công Việt Nam chưa tương xứng với khả thực đáng có nó.Nguyên nhân có nhiều phải kể đến nguyên nhân đánh giá, kiểm soát chất lượng thi công chưa tốt.Việc đánh giá, kiểm soát chất lượng chưa tốt xuất phát từ việc đầu tư nghiên cứu chưa trọng, công nghệ kiểm tra đại khó tiếp cận công nghệ gốc, phần mềm phần cứng thiết kế kiểu hộp đen khó thay đổi cho phù hợp với điều kiện, đối tượng đo CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI MẶT ĐƢỜNG BTXM 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán mặt đƣờng cứng Khi tính toán bê tông mặt đường, thường sử dụng lý thuyết mỏng theo lý thuyết đàn hồi Tấm mỏng thỏa mãn điều kiện theo [34] sau: (2.1) h 100 b h: chiều dày b: kích thước cạnh nhỏ Mặt đường bê tông xi măng sử dụng loại vật liệu có mô đun đàn hồi cao, cường độ chịu kéo nhỏ nhiều so với cường độ chịu nén Vì việc tính toán thiết kế kết cấu áo đường cứng tất quy trình nước dựa lời giải toán uốn đàn hồi Phương trình vi phân cân chịu uốn [29] sau: D w x4 w x y2 (2.2) w y4 : w - Chuyển vị đứng q( x, y ) r ( x, y ) q - Tải trọng bánh xe tác dụng r - Phản lực móng tác dụng lên đáy (phản lực nền) D - Độ cứng trụ D Ebt h3 12 (2.3) : Ebt mô đun đàn hồi bê tong hệ số poisson h chiều dày bê tông Phương trình (2.2) gọi phương trình Sopie-Germain, giải phương trình (2.2) tìm độ võng Khi tính độ võng w(x,y), để xác định mô men uốn, ta áp dụng từ lý thuyết đàn hồi: Mx đó: w x2 D w ; My y2 w y2 D w x2 (2.4) M x , M y mô men uốn đơn vị dài mặt cắt x=const, y=const; Đối với ứng suất kéo uốn, theo lý thuyết đàn hồi ta có: x Qx đó: x , y D w x3 6M x ; h2 (2.5) 6M y y h w ; Qy y x D w y3 w x y (2.6) ứng suất đơn vị dài mặt cắt x=const, y=const; Qx ; Qy lực cắt đơn vị dài mặt cắt x=const, y=const; Trong phương trình (2.2) phản lực r xác định tuỳ theo mô hình sử dụng + Theo mô hình Winkler phản lực điểm tỷ lệ thuận với độ lún điểm đó: r= k x w (2.7) Trong đó: k hệ số Mô hình sử dụng rộng rãi tính toán quy trình nhiều nước + Theo mô hình bán không gian đàn hồi Nền xem bán không gian vô hạn đàn hồi đặc trưng mô đun đàn hồi đặc trưng mô đun đàn hồi E0 hệ số Poisson 0; Để giải phương trình (1-1), việc cần tìm hàm phản lực cần ý tới điều kiện biên Điều kiện biên phụ thuộc vào dạng liên kết cạnh tấm, điều kiện biên thường dùng có biên tự do, có biên ngàm biên khớp Theo mô hình hệ số H.M.Westergaard (1926) cho lời giải toán chữ nhật chịu lực với tải trọng tác dụng ba vị trí giữa, góc cạnh * Sự biến đổi nhiệt độ theo mùa ngày đêm gây ứng suất nhiệt làm bị uốn vồng (khi không có truyền lực, ma sát đáy tấm, trọng lượng thân tấm) Về toán nhiệt có công trình nghiên cứu tác giả R.D.Bradbury, L.I.Goretxki, L.I.Trigônhi, B.G.Korenhev [14],[15] Trong tính toán thiết kế quy trình nhiều nước xét đến ảnh hưởng ứng suất nhiệt cho thông qua hệ số chiết giảm cường độ tính toán Theo số tác giả ứng suất nhiệt gây khoảng (0.35-0.40)Rku [15] Đặc trưng toán động cho kết cấu bê tông mặt đường cần thiết phải tính đến lực quán tính, tích phần khối lượng dao động mặt đường với gia tốc chuyển động nó, xét lực cản nhớt xem môi trường đàn nhớt Phương trình vi phân dao động cho toán động lực học viết thêm so với (2.2) sau: D w x4 w x y2 w y4 m w t2 w t q( x, y, t ) r ( x, y, t ) (2.8) : m – khối lượng phần bê tông mặt đường tham gia dao động - hệ số cản nhớt đất đơn vị diện tích t – thời gian Các điều kiện biên toán động, hoàn toàn tương tự điều kiện biên toán tĩnh Nhận xét: Qua phân tích nêu cho thấy thông số đặc trưng cho mặt đường BTXM tính toán khả chịu tải như: Mô đun đàn hồi bê tông, chiều dày tấm, cường độ chịu kéo uốn, hệ số passion, mô đun đàn hồi hệ số phản lực Các đặc trưng có mối liên hệ chặt chẽ với độ võng mặt đường chịu tải trọng, đo đạc độ võng chịu tải trọng, kết hợp với số thông số biết tính toán thông số lại Khi xác định thông số nêu áp dụng tiêu chuẩn hành tính toán khả chịu tải mặt đường Hiện tính toán, kiểm toán theo tiêu chuẩn Việt Nam sử dụng với thông số tĩnh đo đạc thu thập thông số động cần thiết phải có nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi cho phù hợp Nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xây dựng tương quan trình bày chương 2.2.Cơ sở lý thuyết thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đƣờng BTXM trƣờng 2.2.1 Các nghiên cứu chậu võng Chậu võng mặt đường phần mặt đường bị uốn võng xuống, tác dụng tải trọng Đối với bê tông xi măng đẳng hướng, tải trọng tác dụng tâm tấm, chu vi chậu võng có dạng hình tròn Đặc điểm chậu võng mặt đường, độ lớn đường kính không phụ thuộc vào độ lớn tải trọng tác dụng Khi thay đổi tải trọng tác dụng , làm thay đổi độ lớn độ võng mà không làm thay đổi đường kính chậu võng Theo kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, đường kính chậu võng mặt đường phụ thuộc vào độ cứng uốn trụ bê tông (D) độ cứng đường Trong độ cứng uốn trụ bê tông (D) xác định qua công thức (2.3) Khi chịu tải trọng tác dụng, bị võng truyền áp lực xuống Trường hợp tải trọng tác dụng tải trọng tĩnh, xuất phản lực tác dụng lên Chiếu lực tác dụng lên theo phương vuông góc với (2.12) P r x, y ds s đó: P- tải trọng tác dụng s- diện tích hình chiếu chậu võng r(x,y)=k.w(x,y)- phản lực tọa độ x,y k- hệ số tương đương w(x,y)- độ võng tâm toạn độ x,y Thay biểu thức r(x,y)= C.w(x,y) vào (2.12) , ta được: P r x, y ds k w( x, y )ds s (2.13) s w( x, y )ds V s với V thể tích chậu võng mặt nền, lấy thể tích chậu võng mặt đường , xác định từ số liệu thực nghiệm Vậy hệ số k P V 2.2.2 Phương pháp xác định hệ số theo đặc trưng chậu võng Cục hàng không liên bang (FAA) nghiên cứu thực nghiệm xác định tương quan hình dạng độ cong mặt võng (thông qua độ võng số điểm chậu võng) với độ cứng tấm, thông qua tham số đặc trưng khả chống biến dạng bê tông (bán kính độ cứng tương đối) Phương pháp đánh giá gọi phương pháp AREA, sở phương pháp sau: Sử dụng thiết bị đánh giá với tối thiểu đầu đo độ võng mặt Từ độ võng W0, W1, W2 ,W3 (inch), đo bê tông dày không 40cm, vị trí tâm tải trọng cách tâm tải trọng tương ứng 12,24 36 inch (30,60 90), xác định tham số AREA: AREA W1 W0 W2 W0 W3 W0 Xác định đặc trưng đàn hồi động bê tông [39] ln L= A AREA B C D (2.16) với số thực nghiệm: A=36; B=1812,279; C=-2,559; D=4,387 Khi biết độ võng tâm tải trọng W0 đặc trưng đàn hồi L, hệ số C xác định từ công thức Westergaad: (2.17) P R R k= 8W0 L2 ln 2L 0,673 L với R- bán kính vệt bánh xe quy đổi Trong số trường hợp, đòi hỏi cần thiết phải quy đổi giá trị hệ số mô đun đàn hồi với Các kết nghiên cứu cho thấy, chuyển đổi giá trị hệ số mô đun đàn hôi nền, cần xem xét phụ thuộc chúng với độ cứng kết cấu mặt đường phía Đối với kết cấu mặt đường bê tông xi măng tham khảo quan hệ sau: Theo N.M Gersevanov: (2 18) 0,65E0 E0 k0 = h E Theo Gluscov: (2.19) 3 E0 =1,8 0,085.E.h k với E0 ,k- tương ứng mô đun đàn hồi, hệ số nền lớp móng tương đương; E,h- tương ứng mô đun đàn hồi bê tông chiều dày bê tông Các công thức (2.18) (2.19) công thức có từ nghiên cứu thực nghiệm Khi thử nghiệm thiết bị gia tải tĩnh giá trị độ võng đo độ võng tĩnh hệ số nhận từ công thức (2.17) hệ số tĩnh Khi thử nghiệm thiết bị gia tải động nhận giá trị độ võng động, hệ số tính từ công thức (2.17) hệ số động Do đường vật liệu có đặc tính đàn nhớt, thể đặc tính biến dạng trễ chịu tác dụng tải trọng động, nên độ võng động nhỏ độ võng tĩnh Do hệ số động nhận từ tính toán lớn so với hệ số tĩnh Qua phân tích cho thấy việc xác định chậu võng lực tác dụng tương ứng cần thiết việc xác định sức chịu tải trọng phương pháp động Tuy nhiên để đo đạc xác định chậu võng công nghệ đo đạc dựa nguyên lý truyền sóng Các cảm biến đo gia tốc thu thập dao động (m/s2) mặt đường vị trí, qua thuật toán phần mềm xử lý số liệu đưa giá trị chuyển vị (mm) Phần trình bày làm rõ mục 2.3 2.3 Nghiên cứu lý thuyết nguyên lý phƣơng pháp truyền sóng 2.3.1 Tóm tắt lý thuyết truyền sóng Vật chất cấu tạo nguyên từ (hoặc phân tử), liên kết với lực tương tác nguyên từ (hoặc phân tử).Các lực nguyên tử (hoặc phân tử) lực đàn hồi, tức nguyên tử (hoặc phân tử) coi nối với lò xo Do nguyên tử (hoặc phân tử) có liên kết, nên dao động nguyên tử (hoặc phân tử) làm nguyên tử (hoặc phân tử) kế cận dao động Nếu nguyên tử liên kết vững với nhau, chúng chuyển động đồng thời có trạng thái dao động, tức pha Nhưng nguyên tử (hoặc phân tử) vật chất thực tế liên kết với lực đàn hồi, nên dao động cần có thời gian xác định để truyền dao động nguyên tử (hoặc phân tử) sau đạt trạng thái dao động “trễ pha” so với nguyên tử (hoặc phân tử) bị kích thích 2.3.2 Các loại sóng Sóng ứng suất lan truyền dạng: - Sóng khối: sóng dọc (sóng P) sóng ngang (sóng S) + Sóng dọc (P) gây co dãn môi trường, hạt dao động theo phương truyền sóng gặp môi trường có trở kháng âm khác phản xạ trở lại + Sóng ngang (S) gây chuyển động không thay đổi thể tích môi trường, hạt dao động mặt phẳng thẳng góc với phương truyền sóng Sóng cắt lan truyền môi trường lỏng khí môi trường khả chịu ứng suất cắt - Sóng mặt: sóng Rayleigl sóng Love + Sóng Rayleigh: Đó loại sóng truyền dọc theo bề mặt liên kết phía lực đàn hồi mạng vật rắn phía lực đàn hồi gần phần tử khí + Sóng Love: Nếu sóng mặt truyền vào vật liệu, có độ dày nhỏ lần bước sóng, xuất loại sóng khác gọi sóng Love (sóng tấm) Vật liệu bắt đầu dao động tấm, có nghĩa sóng chiếm toàn chiều dày vật 2.3.3 Các phƣơng trình phƣơng trình truyền sóng môi trƣờng đàn hồi 2 G x x G x t t 2 (2.56) x (2.55) x hay vs t2 với vs x G (2.57) (2.58) vs có thứ nguyên vận tốc vận tố sóng cắt truyền theo trục x Quỹ đạo chuyển động hạt nằm mặt phẳng đứng yz Phương trình (2.56) phương trình truyền sóng cắt Tương tự ta có: y t G y (2.59) Đây phương trình truyền sóng theo phương y, quỹ đạo chuyển động hạt nằm mặt phẳng đứng yz G (2.60) z t Đây phương trình truyền sóng theo phương z, quỹ đạo chuyển động hạt nằm mặt phẳng nằm ngang xy Như áp dụng Phương pháp NLCT Gauss chuyển động biến dạng thể tích chuyển động xoay vật thể cứng phân tố quanh trục x, y, z tác giả nhận phương trình truyền sóng (2.49), (2.57), (2.59),(2.60) Đối với phần tử dao động đồng thời dạng sóng, nhiên ứng dụng thực tế ứng với dạng sóng qua nghiên cứu thử nghiệm nhà khoa học khai thác chế tạo thiết bị đo đạc tách riêng loại sóng từ đánh giá đặc trưng học - Các ứng dụng đo đạc + Sử dụng đặc trưng sóng cắt dùng cho việc đo đạc độ võng mặt đường phương pháp đánh giá sức chịu tải mặt đường (FWD) trình bày chương + Sử dụng đặc trưng sóng nén đo đạc vận tốc truyền, chiều dày lớp bê tông mặt đường (phương pháp tiếng vọng), trình bày chương 2.5 Kết luận chƣơng - Từ tương quan tải trọng tác dụng chậu võng mặt đường xác định thông số Mô đun x 10 đàn hồi lớp vật liệu thông qua toán ngược - Mô đun đàn hồi đường thông qua đo đạc động cần phải xây dựng tương quan để quy đổi thành mô đun đàn hồi tĩnh áp dụng tính toán sức chịu tải mặt đường BTXM theo quy định tiêu chuẩn - Đo đạc tương quan lực chậu võng xác định mô đun đàn hồi nhiên, phải nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hệ số tương quan mô đun đàn hồi cường độ chịu kéo uốn - Qua phân tích cho thấy việc ứng dụng nguyên lý truyền sóng cắt đo đạc chậu võng nghiên cứu khai thác xác định độ đồng nhất, chiều dày thông qua nguyên lý truyền sóng dọc CHƢƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÙ HỢP PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo kiểm tra chiều dày, đánh giá độ đồng BTXM-TOTC1 3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu chế tạo thiết bị Như phân tích mục 1.8 chương chương cho thấy việc xác định chiều dày (h) lớp BTXM mặt đường phương pháp không phá hủy cần thiết Hiện Việt Nam để đo đạc kiểm tra chiều dày phải sử dụng phương pháp khoan lỗ nhược điểm phương pháp phá hủy làm tổn hại đến kết cấu, thời gian thí nghiệm kéo dài, chi phí thí nghiệm cao, kiểm tra mang tính cục 3.1.2 Nguyên lý hoạt động - Mô tả mô hình thử Hình 3.1 Mô nguyên lý hoạt động thiết bị Mô tả: Xung lực tác động đột ngột điểm bề mặt vật thể, va chạm, nguồn kích thích lan truyền vật thể loại sóng ứng suất khác nhau: sóng dọc (sóng P), sóng ngang (sóng S) sóng R (Rayleight) 3.1.3 Thiết kế hệ thiết bị thí nghiệm Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo Đầu đo gia tốc Đầu đo gia tốc Nguồn nuôi Đầu đo gia tốc Đầu đo gia tốc Car d AD C Hình 3.6 Sơ đồ khối thiết bị đo TOTC-01 3.1.4 Những vấn đề ảnh hưởng đến kết đo phương án xử lý + Nguồn kích thích dao động có ảnh hưởng nhiều đến phân tán số liệu Thực nghiệm với nhiều kích cỡ tải tác dụng: sử dụng chì thả rơi, bi thép cỡ cho thấy diện tiếp xúc bé cho kết đo đạc xác Tuy nhiên kích thước bé không đủ lượng va chạm cảm biến không đủ độ nhạy để số liệu Nghiên cứu sinh thử nghiệm với cảm biến có độ nhạy 1000mV/G nên sử dụng viên bi tạo va chạm có đường kính 5mm phù hợp + Vấn đề lựa chọn vị trí tác động: Khoảng cách điểm va chạm đầu đo quan trọng khoảng 11 cách lớn không thu phản xạ sóng P, mối quan hệ đơn giản thể không áp dụng Nếu khoảng cách nhỏ, tương ứng sóng mặt Trên sở thực nghiệm nghiên cứu sinh nhận thấy vị trí tác động tải trọng cách cảm biến đo tối thiểu 40mm tối đa không 0.4 chiều dày số liệu có độ chụm cao Cách thử: đặt cảm biến cố định, gõ viên bi vị trí khác Do nghiên cứu sinh thiết kế tạo va chạm cách với cảm biến đo 50mm dễ đáp ứng loại bê tông mặt đường thông thường + Ảnh hưởng tốc độ lấy mẫu liệu: Ví dụ, tốc độ sóng v 4000 m/s chiều dày 0.2 m, tần số tương ứng đo 10 kHz Do để đạt sai số 1% thiết bị phải có tần số lấy mẫu 1000 kHz (1MHz) Nghiên cứu sinh lựa chọn thu thập số liệu Ni 6215 có khả lấy mẫu 1.25 MHz 3.2 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo độ cập kênh hai bê tông qua khe nối TOTC-02 3.2.1 Mục tiêu chế tạo Qua phân tích kết khảo sát đánh giá mặt đường [18] cho thấy hư hỏng phần lớn xuất phát từ khe nối hai BTXM Dấu hiệu hư hỏng sớm phát thông qua biểu cập kênh hai có tải trọng di chuyển qua Độ cập kênh hai chuyển vị tương đối hai bê tông qua khe nối Tuy nhiên chuyển vị tương đối hai bê tông nhỏ cần phải sử dụng cảm biến đo có tính như: Độ xác cao, độ phân giải < 10-3mm, gá lắp đặt nhanh, ổn định 3.2.2 Nguyên lý cấu tạo thiết bị Nghiên cứu sinh thiết kế thiết bị đo sử dụng cảm biến có độ nhạy cao kết nối với máy tính, qua phần mềm thu thập số liệu xử lý kết sau: + Quả đối trọng nặng 25kg chế tạo thép có 03 chân điều chỉnh chiều cao chân, chân nhọn tiếp xúc điểm với mặt đường hạn chế dao động tương đối so với mặt đường BTXM + 04 cảm biến đo chuyển vị LVDT độ phân giải 10-4 mm kiểm tra, hiệu chuẩn so sánh với thiết bị chuẩn + Cảm biến LVDT01 LVDT02 đặt bê tông thứ với đối trọng mục đích để kiểm tra dao động đối trọng (nếu trình đo đối trọng xuất dịch chuyển tương BTXM cảm biến kiểm soát được) + Cảm biến LVDT 03 LVDT 04 đặt bê tông thứ 2, sử dụng 02 cảm biến nhằm mục đích kiểm soát tăng thêm độ tin cậy phép đo + Giá trị cập kênh tính K= (LVDT03+LVDT04)/2-(LVDT02+LVDT01)/2 (mm) + Dữ liệu thu thập liên tục xử lý máy tính 3.3 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biến dạng TOTC-03 3.3.1 Mục tiêu chế tạo - Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biến dạng đo biến dạng đáy bê tông chịu tải trọng - Cảm biến hoạt động ổn định điều kiện ẩm, nhiệt độ thay đổi - Thiết bị đo tự động ghi liệu liên tục 3.3.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị Biến dạng s: tỉ số độ biến thiên kích thước ( l ) kích thước ban đầu l (3.3) l Biến dạng gọi đàn hồi mà ứng lực biến dạng theo Sơ đồ thiết kế thiết bị đo sử dụng cảm biến điện trở Hình 3.31 Sơ đồ mạch sử dụng cảm biến 3.4 Kết luận chƣơng 12 Từ nội dung nghiên cứu chương có số kết luận sau - Nghiên cứu sinh thiết kế chế tạo thành công thiết bị đo (TOTC-01) có khả xác định chiều dày bê tông mặt đường, xác định khuyết tật với phần mềm thu thập số liệu, xử lý số liệu có tính mở Phần cứng lựa chọn ghép nối mô đun hãng PCB Piezotronics hãng National Instruments (Ni) phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam, không vi phạm quyền của hãng sản xuất thiết bị đo chuyên dùng + Thông qua thử nghiệm phân tích lý thuyết nghiên cứu sinh đưa lưu ý đo đạc: Phải lựa chọn thu thập số liệu với tốc độ cao thu thập số liệu tối thiểu 1MzH; vị trí tác động viên bi cách vị trí đặt cảm biến 40-50mm; có đường kính viên bi tạo va chạm 4-:-5mm; phương tác dụng vuông góc với mặt đường BTXM - Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị TOTC-02 đo độ cập kênh có sử dụng cảm biến đo chuyển vị độ nhạy cao (