Hiện nay tại nước ta đang đồng thời sử dụng hai tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm là 22TCN 211-06 và 22TCN 274-01, tuy nhiên trong quá trình áp dụng đã bộc lộ những điểm hạn chế nhất định vì thế cần được nghiên cứu chỉnh sửa, bổ sung hoặc thay thế để phù hợp với điều kiện của nước ta. Tài liệu nêu một số ưu, nhược điểm của hai tiêu chuẩn thiết kế đường áo đường mềm đang được sử dụng ở nước ta và các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm tại một số nước trên thế giới từ đó đề xuất định hướng phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam
Trang 1ĐỀ XUẤT ĐỊNH HƯỚNG SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN,
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM
I Ưu, nhược điểm và các khó khăn khi áp dụng tiêu chuẩn 22TCN 211:2006, 22TCN 274:2001; các nội dung cần phải bổ sung sửa đổi, cập nhật để tiếp tục sử dụng các tiêu chuẩn này.
- Tiêu chuẩn yêu cầu kiểm toán kết cấu áo đường qua các trạng thái giớihạn: độ võng đàn hồi trên bề mặt kết cấu áo đường liên quan đến cường độchung của toàn kết cấu; ứng suất kéo khi uốn lớn nhất xuất hiện ở đáy của vậtliệu liền khối và ứng suất cắt trượt lớn nhất xuất hiện trong nền đất hoặc tronglớp vật liệu rời rạc, kém dính Ứng suất kéo khi uốn xuất hiện dưới đáy lớp vậtliệu liền khối khi đủ lớn, lớn hơn cường độ chịu kéo uốn của vật liệu có xét đếnhiện tượng mỏi sẽ có thể gây nứt mặt đường Ứng suất cắt trượt lớn nhất xuấthiện trong lớp vật liệu rời rạc, kém dính Như vậy, các điều kiện kiểm toán củaphương pháp tính toán thiết kế đều xuất phát từ các hư hỏng chính, phổ biến củakết áo đường như lún, trượt, nứt mỏi …
- Đã đề cập khá chi tiết đến các quy định, yêu cầu về thiết kế cấu tạo chungđối với các lớp kết cấu áo đường và khu vực tác dụng nền đường
- Đây là tiêu chuẩn rất quen thuộc với những kỹ sư đường của Việt Nam,các nội dung và phương pháp tính toán đã được phổ biến trong các chương trìnhđào tạo kỹ sư chuyên ngành đường bộ từ nhiều năm nay Việc xây dựng được
Trang 2một tiêu chuẩn như hiện nay đang sử dụng (tiêu chuẩn 22TCN-211-06) là cảmột quá trình nghiên cứu, là công sức, trí tuệ của các chuyên gia, các cán bộtrong lĩnh vực đường bộ đã được tích lũy nhiều năm trong qua trình vận dụng.
- Tiêu chuẩn và phương pháp thí nghiệm các thông số vật liệu phục vụcông tác tính toán thiết kế là khá đơn giản
1.1.1.2 Nhược điểm và các khó khăn chính khi áp dụng tiêu chuẩn 22TCN
211:2006
a) Về lý thuyết tính toán
- Mặc dù phương pháp thiết kế theo trường phái cơ học lý thuyết nhưngbản thân các tính toán trạng thái ứng suất được vẫn sử dụng thực nghiệm để điềuchỉnh kết quả tính toán thông qua một loạt các hệ số điều chỉnh trong tính toán.Điều đó chứng tỏ rằng, với môi trường vật liệu không đàn hồi và không đồngnhất như kết cấu áo đường ô-tô, nếu thuần túy chỉ dựa vào lời giải của các bàitoán thiết lập từ các mô hình cơ học mô phỏng sự làm việc và trạng thái ứng suất– biến dạng của kết cấu áo đường thì chưa đủ mà bắt buộc phải dựa vào thựcnghiệm để điều chỉnh sao cho sát với thực tế hơn
- Chưa đề cập đến biến dạng không hồi phục do cắt trượt trong lớp kết cấu
bê tông nhựa mặt đường
- Kiểm toán có xét đến nứt mỏi như đã nêu ở trên nhưng chưa có giá trịcường độ chịu kéo khi uốn có xét đến mỏi đối với thực tế vật liệu và điều kiệnkhai thác của Việt Nam
- Trong tính toán, kiểm toán vẫn chưa đề cập đến nứt phản ảnh (mới chỉkiểm soát thông qua thiết kế cấu tạo)
- Toàn bộ tiêu chuẩn vẫn sử dụng mô đun đàn hồi tĩnh tải (Eđh) dùng đểtính toán, trong khi, tiêu chuẩn gốc Liên xô cũ (VSN 46-83) cũng đã có điềuchỉnh từ những năm 1983 trong đó sử dụng mô đun đàn hồi dưới tác dụng tảitrong ngắn hạn đối với bê tông nhựa, mô đun đàn hồi tĩnh tải chỉ sử dụng tínhtoán kết cấu mặt đường của bãi đỗ xe hoặc các đoạn xe chạy chậm Điều nàycũng khắc phục được vấn đề trong tính toán đó là mô đun hồi tĩnh tải của bêtông nhựa được cho rằng là khá thấp với vai trò cũng như tính năng của nó mang
Trang 3lại trong kết cấu áo đường chung, chưa phản ảnh hết được khả năng làm việcthực tế của bê tông nhựa, trong khi mô đun đàn hồi tải trọng ngắn hạn thì caohơn nhiều.
b) Về thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường và quyết định thông số vật liệu để kiểm
toán kết cấu áo đường:
- Với các chỉ dẫn hiện hành, việc thiết kế cấu tạo bị hạn hẹp trong các loạivật liệu thông dụng như cấp phối đá dăm và bê tông nhựa thường các loại Chưa
có các chỉ dẫn đối với thiết kế cấu tạo cho đường có lượng giao thông lớn, vìvậy, thường kết cấu áo đường thiết kế có chiều dày lớp móng lớn dẫn đến cácbất cập trong việc tính toán kết cấu cũng như lựa chọn kết cấu tối ưu đối vớiđường có quy mô giao thông lớn
- Hiện có nhiều loại vật liệu đã được dùng (hoặc nên được dùng phổ biếnhơn), như bê tông nhựa có phụ gia polime, hỗn hợp đặc biệt như SMA, hỗn hợptái chế… chưa có giá trị thông số khuyến cáo trong tiêu chuẩn
- Việc yêu cầu thí nghiệm để xác định thông số tính toán các loại vật liệucho tất cả các loại dự án đem lại rủi ro về độ phân tán của các giá trị này chưa kểviệc tăng chi phí thiết kế do phải làm thí nghiệm Việc thực hiện cũng rất khókhăn vì cần số lượng mẫu đủ độ tin cậy
- Việc lựa chọn giá trị các thông số vật liệu còn khó khăn do việc phân loạivật liệu chưa đồng nhất giữa các tiêu chuẩn thiết kế và thi công nghiệm thu
c) Khó khăn trong xác định thông số tải trọng giao thông phản ánh đúng điều
kiện giao thông thực tế:
- Hiện chưa ban hành chỉ dẫn chính thức cho công tác điều tra lưu lượng vàtải trọng trục xe: phương pháp thực hiện, cách xử lý số liệu
- Đối với các thiết bị cân đếm xe tự động, chưa có qui trình thực hiện, chưa
có qui định về cơ sở pháp lý để thực hiện (quy định về thiết bị, mức độ chínhxác), khi nào cho phép sử dụng thiết bị thủ công hoặc tự động
- Việc điều tra qua catalog của loại xe lưu hành sẽ không thể cho kết quả tincậy, do hiện tượng chở quá tải trên các tuyến đường, đặc biệt là đường trục giaothông chính - các đường quốc lộ là rất phổ biến
Trang 41.1.2 Một số nội dung định hướng chỉnh sửa và bổ sung trong tiêu chuẩn
Về định hướng lựa chọn, áp dụng phương pháp/tiêu chuẩn thiết kế áođường phù hợp với Việt Nam sẽ được nêu trong nội dung dưới đây, tuy nhiên,việc điều chỉnh hay thay thế một phương pháp thiết kế mới không thể tiến hànhngay trong thời gian ngắn, để làm được điều này cần phải có thời gian và các lộ
trình thích hợp Như vậy, trong thời gian đó vẫn rất cần thiết hoàn chỉnh một cách tốt nhất có thể tiêu chuẩn 22TCN-211:2006, giảm thiểu các tồn tại như đã
phân tích đề cập ở trên Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu cũng đã phối hợp vớiBan biên soạn chuyển đổi tiêu chuẩn 22TCN-211:2006 đề xuất điều chỉnh một
số nội dung được cho là hạn chế trong 22TCN-211:2006 để có thể ban hànhTCVN hoặc tiêu chuẩn cơ sở trong khi chờ tiêu chuẩn theo định hướng mới khi
- Cập nhật các tiêu chuẩn mới, tên gọi cách phân loại BTN theo tiêu chuẩnhiện hành
b) Về thiết kế cấu tạo:
- Điều chỉnh cơ bản là thiết kế cấu tạo kết cấu cho đường có tải trọng nặng/rất nặng/ đặc biệt nặng (tính ra tổng tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy) Thamkhảo các cấu tạo kết cấu của các tiêu chuẩn nước ngoài: Đức/ Hàn Quốc/ TrungQuốc…Lựa chọn vật liệu và kết cấu tầng mặt theo loại kết cấu áo đường Nội
Trang 5dung có rút gọn, có bổ sung Trong đó bổ sung cách tính giá trị CBR trung bìnhtrong từng đoạn nền.
- Các nội dung hạn chế trong tính toán như cắt trượt trong lớp BTN, nứtphản ảnh sẽ được khắc phục thông qua quy định chặt chẽ ở thiết kế cấu tạo
- Cập nhật bổ sung các nội dung đã được quy định trong Quyết định 858ngày 26/3/2014 “Hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hànhnhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN nóngđôi với các tuyên đường ô tô có quy mô giao thông lớn” Quyêt định này trênthực tế đã góp phần giảm thiểu các hiện tượng hư hỏng hằn lún sớm và cácnghiên cứu ở trong phòng thí nghiệm
c)Về tính toán và kiểm toán kết cấu áo đường
- Việc tính toán tổ hợp nhiều bài toán với lượng giao thông khác nhau: nhẹ/trung bình/ nặng/ rất nặng/ đặc biệt nặng, sử dụng các mô đun đàn hồi của vậtliệu theo tiêu chuẩn cũ hiện hành và theo mô đun đàn hồi xét đến tải trọng ngắnhạn Cần tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm so sánh đối chứng với các thiết kế theo
hệ tiêu chuẩn khác (của nước ngoài và tại Việt Nam) để định ngưỡng giá trịthích hợp
- Điều chỉnh cách tính mô đun đàn hồi trung bình của các lớp vật liệu mặtđường gia cố theo công thức bình quân gia quyền
d) Về xác định thông số thiết kế (tải trọng, vật liệu và nền đường).
- Giữ nguyên nội dung tính toán quy đổi số trục xe khác về lưu lượng trục
xe tính toán, số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế, cách xác địnhtải trọng trục xe tính toán của xe nặng như phụ lục A của quy trình cũ Bổ sungthêm nội dung điều tra lưu lượng và tải trọng trục xe
- Kiến nghị sử dụng mô đun đàn hồi tải trong ngắn hạn tương tự như tiêuchuẩn gốc của cộng hòa liên bang Nga Tuy nhiên, để sử dụng được cần cónghiên cứu thí nghiệm trong phòng để điều chỉnh thông số mô đun đàn hồi theohướng sử dụng mô đun đàn hồi ứng với tải trọng ngắn hạn (Resilient modulus)đối với tầng mặt trên cùng (BTN) thí nghiệm theo ASTM 7369-11
- Bổ sung, cập nhật các thông số của các vật liệu mới đã nêu ở trên
Trang 61.2.1.1 Ưu điểm chính:
- Tiêu chuẩn đã thể hiện rõ quan điểm thiết kế tổng thể
- Trong thiết kế mặt đường đã chú trọng xét đến tác động của môi trường(ẩm và nhiệt độ), ảnh hưởng của môi trường được xét kỹ trong các thông số tínhtoán Mr, mi
- Phương pháp tính toán đã dùng các thông số trung bình kèm theo việc sửdụng một hệ số tin cậy
- Phương pháp và cách tính toán khá đơn giản, dựa trên các phương trìnhthực nghiệm hoặc tra thông qua các toán đồ có sẵn
- Tiêu chuẩn và phương pháp thí nghiệm các thông số vật liệu phục vụ tínhtoán kết cấu áo đường hiện đại, tuân thủ theo hệ thông tiêu chuẩn văn minh nhấthiện nay đó là ASTM hoặc AASHTO của Mỹ
1.2.1.2 Nhược điểm và các khó khăn chính khi áp dụng
Trang 7quan hệ thực nghiệm dùng trong tính toán cho các điều kiện khác (tải trọng, khíhậu, kết cấu và vật liệu ).
- Khái niệm về hệ số mức độ phục vụ chưa quen thuộc, các giới hạn về hệ
số mức độ phục vụ đầu (pi) và mức độ phục vụ cuối (pt) cần được qui định phânbiệt rõ hơn cho các loại đường của Việt Nam
- Trị số độ tin cậy khá rộng, dẫn đến việc khó khăn cho Tư vấn, các nhàquản lý có cơ sở để lựa chọn độ tin cậy cho phù hợp
b) Về thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường và quyết định thông số vật liệu để kiểm
toán kết cấu áo đường :
- Cũng như tiêu chuẩn 22TCN 211 : 2006, khi sử dụng tiêu chuẩn 22TCN
274 : 2001 người thiết kế gặp khó khăn, thậm chí còn khó khăn hơn so với tiêuchuẩn 22TCN 211: 2006 trong việc thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường, do không
có chỉ dẫn cụ thể trong thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường
- Đã có chỉ dẫn về mối quan hệ giữa các thông số vật liệu thông dụng (cóthể thí nghiệm được) với hệ số lớp a1 để tính toán kết cấu áo đường Nhưng cácchỉ số này chưa tương ứng với điều kiện khai thác của Việt Nam Và cũng nhưtiêu chuẩn 22TCN 211 : 2006, nhiều vật liệu hiện đã được sử dụng, hoặc sẽ sửdụng nhiều trong thời gian sắp tới chưa có số liệu
- Về việc xác định hệ số lớp a2 đối với các lớp móng trên chỉ sử dụng cho
03 trường hợp (vật liệu rời, gia cố xi măng và gia cố nhựa) chưa bao quát đượccho các trường hợp khác như các trường hợp tái chế bằng bitum bột + xi măng
và với các vật liệu gia cố tổng hợp khác Tương tự như vậy, hệ số lớp a3 đối vớicác lớp móng dưới thì chỉ sử dụng được trong trường hợp lớp móng dưới là vậtliệu rời
- Về việc xác định mô đun đàn hồi biểu kiến MR của đất nền đường: chưaxem xét đến mô đun đàn hồi chung cho khu vực tác dụng của nền đường; thínghiệm xác định mô đun đàn hồi của vật liệu hạt (đất nền và cấp phối vật liệuhạt) là chưa khả thi do hạn chế về thiết bị thí nghiệm hiện có ở Việt Nam; yêucầu xác định Mri thay đổi theo 4 mùa còn khó khăn thực hiện được đối với
Trang 8trường hợp thiết kế mới (lúc đó chưa có nền đường); các vấn trong việc xác định
Mr hiện trường bằng thiết bị FWD…
1.2.2 Một số nội dung định hướng chỉnh sửa và bổ sung trong tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn 22TCN 274:2001 đã được Bộ GTVT giao cho Tổng cục đường
bộ Việt Nam chủ trì biên soạn và ban hành Tiêu chuẩn cơ sở, đến nay tiêu chuẩn
đã cơ bản được chỉnh sửa điều chỉnh nhiều nội dung để dễ dàng thuận tiện ápdụng theo điều kiện của Việt Nam Trong báo cáo này sẽ không nhắc lại các nộidung đã được Tổng cục đường bộ Việt nam sửa đổi điều chỉnh, mà chỉ có một
số đánh giá chung mang tính định hướng như sau:
- Như đã nêu ở trên, hầu như tiêu chuẩn 22TCN 274:2001 chưa được ápdụng một cách chính thức ở các Dự án Việt Nam, do vậy những vấn đề tồn tạitrong quá trình áp dụng chưa có nhiều để đề cập đến Các khó khăn khi áp dụngtiêu chuẩn này xuất phát chính từ các quan điểm và các tồn tại từ phương phápthiết kế gốc của AASHTO 93, có thể nói chưa phù hợp với điều kiện Việt Namtrong những năm vừa qua
- Do không có thiết bị thí nghiệm trong phòng nên việc áp dụng 22TCN274:2001 này có 1 số điểm là chưa khả thi Tuy nhiên, tồn tại chủ yếu của
22TCN 274:2001 này là đã cố gắng tìm cách khắc phục “các hạn chế vốn có của phương pháp AASHTO 93” bằng cách suy luận mà không qua thử nghiệm
(kể cả trong phòng và hiện trường) trong khi chính AASHTO 93 đã nêu rõ cáchạn chế của mình nhưng lại chưa có những điều chỉnh, bổ sung chính thức vàophần bản hướng dẫn thiết kế Giống như nhiều nước khác, khi áp dụng phươngpháp của AASHTO 93 để thiết kế kết cấu mặt đường người ta thường áp dụngnguyên văn, khi gặp các tồn tại hạn chế đã nói thì việc thêm, bớt, thay đổi làtrách nhiệm của kỹ sư tư vấn thiết kế (dựa vào kinh nghiệm của tư vấn)
- Do triết lý thiết kế của tiêu chuẩn gốc AASHTO được xây dựng từ cácnghiên cứu thực nghiệm, nên để áp dụng sát với tiêu chuẩn gốc của AASHTO
93, nước ta cần trang bị các hệ thống thiết bị thí nghiệm đồng bộ theo tiêu chuẩncủa Mỹ (AASHTO và ASTM), cần có các chương trình nghiên cứu dài hạn vềđiều tra, thí nghiệm mang thống kê và tính kiểm chứng các thông số về khí hậu,
Trang 9đất nền và các thông số vật liệu hàng năm từ đó việc áp dụng tiêu chuẩn này mới
- Trong hướng dẫn đã thể hiện rõ quan điểm thiết kế tổng thể
- Về cấu tạo, đặc biệt chú trọng vai trò của lề đối với sự làm việc của mặtđường (lề phải gia cố hoặc liên kết với tấm BTXM mặt đường); đặc biệt chútrọng các cấu tạo thoát nước dưới móng áo đường
- Trong thiết kế mặt đường đã chú trọng xét đến tác động của môi trường(ẩm và nhiệt độ
- Trong tính toán đã dùng các thông số trung bình kèm theo việc sử dụngmột hệ số tin cậy
- Việc đánh giá kết cấu mặt đường hiện có bằng cách “thử nghiệm khôngphá hủy - NDT" , đo cả vùng chậu võng kết hợp với tính toán lý thuyết trên máytính để xác định ra mô đun đàn hồi của nền đất và các lớp kết cấu là một bướccải tiến quan trọng của AASHTO 1993
- Phương pháp và tiêu chuẩn thí nghiệm các thông số đầu vào là rõ ràng vàtường minh của AASHTO hoặc ASTM
2.1.2 Một số hạn chế cơ bản
Một trong những hạn chế cơ bản của phương pháp thiết kế mặt đườngAASHTO đó chính là những điều kiện hạn chế của "thí nghiệm AASHTO" để
từ đó rút ra các quan hệ thực nghiệm dùng trong tính toán, cụ thể như :
- Loại mặt đường mềm trong thí nghiệm AASHTO 1956-1959 chỉ là cáckết cấu 3 lớp bằng các vật liệu thường dùng lúc đó Lớp mặt bằng bê tông nhựa,các lớp móng trên và dưới đều bằng vật liệu hạt không gia cố chất kết dính
- Thí nghiệm AASHTO bị hạn chế về loại tải trọng và số lần tác dụng chỉ là1.144.000 lần, với tổ hợp tải trọng trục đơn lớn nhất là 30,000 lb (13.35 tấn) và
Trang 10tổ hợp tải trọng trục kép lớn nhất là 48,000 lb (21.36 tấn), tổng số tải trọng trụctích lũy 18 Kíp trong thực nghiệm chỉ là 1 x 106 lượt.
- Thử nghiệm AASHTO chỉ tiến hành trong 2 năm, trong khi thực tế kếtcấu mặt đường tồn tại nhiều năm; do vậy điều kiện thử nghiệm chưa phù hợpvới thực tế về tác động của môi trường
- Vị trí thử nghiệm ở Otawa (bang Illinois) có điều kiện chế độ thuỷ nhiệtchỉ đặc trưng cho các vùng có băng giá về mùa đông và mưa vừa đến mưa totrong suốt năm
Theo đánh giá trong báo cáo của chương trình nghiên cứu chiến lượcđường bộ (SHRP - Strategic Highway Research Program) của Hoa Kỳ được tiếnhành trong 5 năm đã đưa ra một số nhận xét sau về phương trình thiết kế thựcnghiệm của AASHTO:
- Phương trình thiết kế AASHTO dự báo chưa chính xác và thiếu an toàn
về khả năng làm việc của mặt đường Trị số ESAL tính toán trên cơ sở độ tổnthất khả năng phục vụ thực tế của các đoạn đường thường cho giá trị cao hơnnhiều lần so với ESAL thực tế
- Điều kiện môi trường như lượng mưa, chu kỳ đóng băng-tan băng có ảnhhưởng đến khả năng làm việc của mặt đường lớn hơn so với mức tính đến trongphương trình AASHTO
- Mô đun đàn hồi đất nền trong phương trình thiết kế của AASHTO chưathực sự chính xác
- Việc sử dụng chỉ số độ tổn thất khả năng phục vụ PSI cũng cho thấy một
số hạn chế của phương trình AASHTO Do mọi nhân tố gây suy giảm khả năngphục vụ được xem xét gộp lại chỉ thông qua một chỉ số PSI dẫn tới khó đánh giáảnh hưởng của từng nhân tố đến sự suy giảm khả năng làm việc của mặt đường
- Cũng tương tự như vậy, do các tính chất của các lớp vật liệu được xemxét gộp lại thông qua một chỉ số kết cấu SN, ảnh hưởng của từng lớp vật liệumặt đường tới khả năng làm việc của mặt đường không tường minh chỉ thôngqua một hệ số ai bất biến Mối quan hệ này tất nhiên biến đổi phụ thuộc vào tính