Nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐÌNH CHUNG NGHIÊN CỨU GĨP PHẦN HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐÌNH CHUNG NGHIÊN CỨU GĨP PHẦN HỒN THIỆN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành : Xây dựng đường ôtô đường thành phố Mã ngành : 62580205 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Phạm Huy Khang GS TS Vũ Đình Phụng HÀ NỘI, 2018 i LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn trực tiếp GS TS Phạm Huy Khang GS TS Vũ Đình Phụng Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn dẫn tận tình, góp ý định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu để giúp thực luận án Tôi xin cảm ơn quý thầy, cô Bộ môn Đường Bộ, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải động viên, nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình làm luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Giao thông vận tải tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập Trường Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơng trình Trường Đại học giao thơng vận tải tạo điều kiện để học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo Công ty TNHH MTV Thiết kế Tư vấn xây dựng cơng trình hàng khơng ADCC / Qn chủng Phịng khơng Khơng qn, Cục Hàng khơng Việt Nam, Tổng Công ty cảng hàng không Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập, khảo sát, nghiên cứu Cảng hàng không, sân bay Cuối cùng, xin bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Đình Chung ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tơi Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, chưa công bố cơng trình khác khơng chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Đình Chung iii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ, đồ thị ix Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu xii Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 1.1 Tổng quan mặt đường mềm sân bay 1.1.1 Tổng quan mặt đường sân bay 1.1.2 Cấu tạo chung mặt đường mềm sân bay 1.1.3 Các yêu cầu mặt đường mềm sân bay 1.1.4 Quy định sức chịu tải kết cấu mặt đường 1.1.5 Điều kiện khai thác Cảng hàng không nước ta 1.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn 12 1.2.1 Hiện tượng phá hoại kết cấu mặt đường mềm 12 1.2.2 Tải trọng tàu bay tác động lên khu vực đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ 13 1.3 Các phương pháp thiết kế 15 1.3.1 Phương pháp lý thuyết 15 1.3.1.1 Phương pháp thiết kế theo độ võng đàn hồi giới hạn cho phép 15 1.3.1.2 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn CHИП 2.05.08.85 16 1.3.1.3 Các phương pháp số 17 1.3.2 Các phương pháp thực nghiệm 17 1.3.2.1 Phương pháp thiết kế Công binh Mỹ (Phương pháp CBR) 17 1.3.2.2 Phương pháp thiết kế ICAO 18 1.3.2.3 Phương pháp thiết kế Pháp 19 iv 1.3.2.4 Phương pháp thiết kế Anh 20 1.3.2.5 Phương pháp thiết kế hãng sản xuất máy bay Boeing, Airbus 21 1.3.3 Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm 22 1.3.3.1 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 22 1.3.3.2 Phương pháp thiết kế Viện bêtông Asphalt Mỹ 23 1.3.4 Đánh giá ưu nhược điểm phương pháp khả áp dụng vào Việt Nam 24 1.4 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 25 1.4.1 Tính tốn theo tiêu chuẩn độ võng tương đối giới hạn 25 1.4.2 Tính tốn theo tiêu chuẩn cường độ chịu kéo uốn lớp BTN 28 1.4.3 Đánh giá tồn tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015 31 1.4.3.1 Tải trọng thiết kế 31 1.4.3.2 Chiều sâu tác dụng tải trọng tàu bay 32 1.4.3.3 Tính tốn độ võng tương đối tải trọng tàu bay gây d 32 1.4.3.4 Tính toán độ võng tương đối giới hạn u 32 1.4.3.5 Quy trình thi cơng, nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sân bay 33 1.5 Các nghiên cứu giới Việt Nam 33 1.5.1 Nghiên cứu phương pháp thiết kế 33 1.5.2 Nghiên cứu FAA ảnh hưởng tần suất, áp suất bánh nhiệt độ cao đến hình thành vệt lún mặt đường BTN sân bay 35 1.6 Kết luận Chương 38 1.6.1 Kết luận Chương 38 1.6.2 Nội dung nghiên cứu 39 Chương ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 40 2.1 Mơ hình tính ứng suất, biến dạng hệ nhiều lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay 40 2.2.1 Mơ hình tính tốn 40 2.2.2 Các giả thiết 40 2.2.3 Mô hình hóa tính nhớt đàn hồi lớp vật liệu bê tơng nhựa 40 v 2.2.4 Mơ hình tác dụng tải trọng động 42 2.2 Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay 43 2.2.1 Tổng quan phần mềm Abaqus 43 2.2.1.1 Giới thiệu chung 43 2.2.1.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn 43 2.2.1.3 Phương trình sở xác định ma trận độ cứng Jacobian 47 2.2.1.4 Phân tích mơ hình chịu tác dụng tải trọng động 50 2.2.2 Các loại phần tử sử dụng tính tốn 50 2.2.3 Đơn vị sử dụng thống Abaqus 51 2.2.4 Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, độ võng mặt đường 52 2.2.4.1 Tính ứng suất, độ võng hệ kết cấu lớp 52 2.2.4.2 Tính ứng suất, độ võng hệ kết cấu lớp 55 2.2.5.3 Tính ứng suất, độ võng hệ kết cấu nhiều lớp chịu tác dụng tải trọng tĩnh 56 2.2.5.4 Tính ứng suất, độ võng mặt đường tác dụng tải trọng động 58 2.2.5.5 Tính ứng suất, độ võng mặt đường xét lớp BTN vật liệu nhớt đàn hồi 60 2.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng kết cấu mặt đường mềm sân sân bay 62 2.3.1 Lựa chọn mơ hình toán 62 2.3.2 So sánh mơ hình tính tốn 62 2.3.3 Ảnh hưởng áp suất bánh đến độ võng mặt đường 63 2.3.4 Ảnh hưởng số lượng bánh đến độ võng mặt đường 65 2.3.5 Ảnh hưởng cường độ đất (CBR mô đun đàn hồi) đến độ võng mặt đường 66 2.3.6 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi lớp BTN đến độ võng mặt đường 68 2.3.7 Ảnh hưởng cường độ đất đến ứng suất kéo đáy lớp BTN 69 2.4 Kết luận Chương 70 vi Chương KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM 73 3.1 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 73 3.1.1 Xác định chiều sâu đất bị nén tác dụng tải trọng tàu bay 73 3.1.2 Tính độ võng tương đối tính tốn tải trọng ngồi tốn đồ 73 3.1.3 Tính độ võng tương đối giới hạn tải trọng ngồi tốn đồ 79 3.1.4 Xây dựng phần mềm tính tốn theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 81 3.2 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6F 83 3.2.1 Phạm vi áp dụng tiêu chuẩn phạm vi nghiên cứu 83 3.2.2 Mơ hình tính tốn 83 3.2.3 Hệ số phá hủy tích lũy CDF (Cumulative Damage Factor) 85 3.2.4 Phần mềm thiết kế FAARFIELD 87 3.2.4.1 Tổng quan phầm mềm FAARFIELD 87 3.2.4.2 Sơ đồ thuật toán giải chương trình 89 3.2.4.3 Các bước thiết kế kết cấu mặt đường theo FAARFIELD 89 3.2.4.4 Thông số tàu bay thiết kế 90 3.2.4.5 Tỷ lệ qua so với mức độ cho phép (P/C - Pass to Coverage Ratio) 90 3.2.4.6 Thông số vật liệu FAARFIELD 91 3.2.4.7 Chiều dày tối thiểu lớp kết cấu 92 3.2.5 Thiết kế kết cấu mặt đường 94 3.2.5.1 Lớp mặt đường BTN 94 3.2.5.2 Lớp móng 94 3.2.5.2 Lớp móng 95 3.2.5.3 Nền đường 95 3.2.6 Những vấn đề đặt áp dụng Việt Nam 96 3.3 Ứng dụng phần mềm Abaqus thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay 97 3.3.1 Mơ hình tính tốn 97 3.3.2 Các giả thiết 99 3.3.3 Các modul sử dụng tính tốn 99 3.3.4 Các bước thiết kế kết cấu mặt đường theo phần mềm Abaqus 100 vii 3.4 Kết luận Chương 101 Chương ÁP DỤNG THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỘT SỐ CẢNG HÀNG KHÔNG 104 4.1 Một số ứng dụng kết nghiên cứu luận án vào thực tế 104 4.1.1 Ứng dụng kết nghiên cứu sửa chữa đường cất hạ cánh 1A - Cảng hàng không quốc tế (HKQT) Nội Bài 104 4.1.2 Thiết kế kết cấu đường cất hạ cánh - Cảng HKQT Cát Bi 106 4.1.2.1 Giới thiệu quy hoạch Cảng HKQT Cát Bi 106 4.1.2.2 Dự báo nhu cầu vận chuyển loại tàu bay khai thác 107 4.1.2.3 Số liệu địa chất khu vực xây dựng 108 4.1.2.4 Tính tốn chiều dày lớp kết cấu mặt đường 109 4.2 Áp dụng thiết kế kết cấu khu bay giai đoạn - Cảng HKQT Long Thành 114 4.2.1 Giới thiệu quy hoạch Cảng HKQT Long Thành 114 4.2.2 Dự báo nhu cầu vận chuyển loại tàu bay khai thác 116 4.2.3 Số liệu địa chất khu vực xây dựng 118 4.2.4 Tính tốn chiều dày lớp kết cấu mặt đường 118 4.3 Đánh giá tuổi thọ mặt đường số Cảng hàng khơng khai thác 121 4.3.1 Cơ sở tính toán tuổi thọ mặt đường 121 4.3.2 Tính tốn tuổi thọ kết cấu đường cất hạ cánh - Cảng HK Vinh 122 4.3.3 Tính tốn tuổi thọ kết cấu đường cất hạ cánh - Cảng HKQT Phú Quốc 123 4.4 Kết luận Chương 126 Kết luận kiến nghị 127 Danh mục cơng trình khoa học công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Quy định cấp chịu lực đất Bảng 1.2 Kết cấu trạng số Cảng hàng không Bảng 1.3 Nhiệt độ mặt đường số sân bay 10 Bảng 1.4 Hệ số quy đổi tương đương vật liệu gia cố 20 Bảng 1.5 So sánh tải trọng tàu bay khai thác với tải trọng tiêu chuẩn 31 Bảng 2.1 Các thông số vật liệu nhớt đàn hồi 39 Bảng 2.2 Hệ đơn vị sử dụng Abaqus 48 Bảng 2.3 So sánh kết tính tốn độ võng 51 Bảng 2.4 So sánh kết tính tốn phương pháp 53 Bảng 2.5 So sánh độ võng ứng suất cắt (vật liệu đàn hồi tuyến tính) 58 Bảng 2.6 So sánh độ võng ứng suất cắt (BTN vật liệu nhớt đàn hồi) 58 Bảng 2.7 So sánh kết tính độ võng mặt đường 60 Bảng 2.8 Các điều kiện thí nghiệm 68 Bảng 3.1 So sánh kết tính tốn độ võng tương đối 77 Bảng 3.2 So sánh kết tính tốn độ võng tương đối ngồi tốn đồ 79 Bảng 3.3 Xác định tuổi thọ kết cấu dựa giá trị CDF 85 Bảng 3.4 Giá trị modun hệ số Poisson vật liệu 92 Bảng 3.5 Chiều dày tối thiểu lớp kết cấu 93 Bảng 4.1 Tổng hợp dự báo lượng hành khách giai đoạn 108 Bảng 4.2 Tổng hợp dự báo loại tàu bay tần suất khai thác (Cát Bi) 108 Bảng 4.3 Tổng hợp kết tính tốn chiều dày lớp kết cấu (Cát Bi) 113 Bảng 4.4 Tổng hợp dự báo loại tàu bay tần suất khai thác (Long Thành) 117 Bảng 4.5 Tổng hợp kết tính tốn chiều dày lớp kết cấu (Long Thành) 121 Bảng 4.6 Tần suất tàu bay khai thác Cảng HKQT Phú Quốc 120 ... NGUYỄN ĐÌNH CHUNG NGHIÊN CỨU GĨP PHẦN HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành : Xây dựng đường ôtô đường thành phố... xii Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 1.1 Tổng quan mặt đường mềm sân bay 1.1.1 Tổng quan mặt đường sân bay ... 1.3.2.1 Phương pháp thiết kế Công binh Mỹ (Phương pháp CBR) 17 1.3.2.2 Phương pháp thiết kế ICAO 18 1.3.2.3 Phương pháp thiết kế Pháp 19 iv 1.3.2.4 Phương pháp thiết kế Anh