NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH BURMISTER

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MƠ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH BURMISTER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MƠ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH BURMISTER Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông Mã số : 60580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỒNG HẢI TS NGUYỄN MAI LÂN Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian năm học Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, giúp đỡ Nhà trường bảo tận tình thầy cơ, học viên tích lũy ưkiến thức chuyên sâu lĩnh vực công tác, phục vụ cho công việc tương lai Học viên xin chân thành cảm ơn Nhà trường Thầy Cô khoa Xây dựng Cầu Đường tạo điều kiện cho học viên bạn học viên khác có điều kiện học tập nghiên cứu thật tốt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng cơng trình giao thơng với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng xe chạy đến ứng xử học kết cấu áo đường mềm theo mô hình đàn hồi tuyến tính Burmister” hồn thành giúp đỡ Khoa Xây dựng Cầu Đường thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp gia đình Học viên xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hồng Hải, TS Nguyễn Mai Lân trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tận tình cho học viên trình thực luận văn Chân thành cảm ơn Ông JeanMaurice Balay tác giả phần mềm Alizé-LCPC, đồng ý giúp đỡ cung cấp phiên Alizé-LCPC hỗ trợ cho học viên trình nghiên cứu Với thời gian trình độ cịn hạn chế, học viên khơng thể tránh khỏi thiếu sót q trình làm luận văn, mong q thầy cô thông cảm hướng dẫn thêm Cuối cùng, học viên xin kính chúc Nhà trường, Khoa Xây dựng Cầu Đường gặt hái nhiều thành cơng Kính chúc thầy cô bạn sức khỏe, hạnh phúc thành đạt Học viên xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 30 tháng 06 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Thọ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Thọ iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cần thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài .3 3.1 Đối tượng nghiên cứu .3 3.2 Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .3 Kết cấu luận văn CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY 1.1 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 1.1.1 Yêu cầu chung .4 1.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường 1.2 ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG 1.2.1 Tác dụng tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm 1.2.2 Ảnh hưởng tải trọng xe chạy đến chế làm việc đất vật liệu áo đường .6 1.2.3 Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm nguyên lý tính tốn cường độ áo đường mềm 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM 1.3.1 Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method) 1.3.2 Phương pháp dựa phá hoại cắt giới hạn (Limiting Shear Failure Method) 1.3.3 Phương pháp độ võng giới hạn (Limiting Deflection Method) 10 1.3.4 Phương pháp hồi quy dựa đặc trưng cường độ mặt đường thí nghiệm tuyến đường thực tế 10 1.3.5 Phương pháp học - thực nghiệm (Mechanistic–Empirical Method) 11 1.3.6 Phương pháp thiết kế áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [1] 11 1.4 MƠ HÌNH CƠ HỌC XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG CÁC LỚP VẬT LIỆU CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY .12 1.4.1 Mơ hình Boussinesq (1958) .13 1.4.2 Mơ hình đàn hồi lớp (Hogg) .13 1.4.3 Mơ hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister (1943) 14 iv 1.4.4 Chi tiết lý thuyết mơ hình tính tốn trình bày mục 1.5.Mơ hình đàn hách lớpác lớp thỏa mãn 15 1.5 ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY THEO MƠ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH NHIỀU LỚP BURMISTER 16 1.5.1 Mơ hình tính tốn giả thuyết 17 1.5.2 Cơ sở tính tốn 17 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG .21 CHƯƠNG PHÂN LOẠI XE VÀ ĐỀ XUẤT TẢI TRỌNG TÍNH TỐN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 22 2.1 MỞ ĐẦU 22 2.2 PHÂN LOẠI XE VÀ PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯỜNG VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 22 2.2.1 Phân loại xe đường .23 2.2.2 Tải trọng trục tính tốn phương pháp qui đổi tải trọng trục tải trọng tính tốn .27 2.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ PHÂN LOẠI XE THỰC TẾ TẠI VIỆT NAM 30 2.3.1 Theo kết khảo sát tác giả Nguyễn Quang Ân 30 2.3.2 Kết khảo sát thực tế trạm thu phí Bắc Hải Vân .30 2.4 CẤU HÌNH TRỤC, PHÂN BỐ TẢI TRỌNG TRÊN MỖI TRỤC VÀ CỤM TRỤC CỦA MỖI LOẠI XE THỰC TẾ KHẢO SÁT 39 2.4.1 Đối với xe loại 1b (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 40 2.4.2 Đối với xe loại 1c (xe trục, trục sau bánh đôi) 40 2.4.3 Đối với xe loại 41 2.4.4 Đối với xe loại (1S1Tr) 42 2.4.5 Đối với xe loại (3S) 42 2.4.6 Đối với xe loại 43 2.4.7 Đối với xe loại 44 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .44 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ALIZÉ-LCPC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM VÀ ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO MẶT ĐƯỜNG DỰ ÁN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI 46 3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ALIZE-LCPC 46 3.2 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ TẢI TRỌNG TÍNH TỐN48 3.2.1 Mơ hình thơng số tính tốn kết cấu áo đường 48 3.2.2 Tải trọng tính tốn .49 3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG 49 v 3.3.1 Ứng suất - biến dạng kết cấu tác dụng tải trọng tính tốn tiêu chuẩn 100kN 120kN 49 3.3.2 Phân tích ứng suất - biến dạng kết cấu tác dụng loại xe có cấu hình tải trọng trục, cụm trục khác theo kết khảo sát phân loại xe thực tế trạm thu phí Bắc Hải Vân 53 3.4 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỐ LẦN TÁC DỤNG LẶP LẠI CỦA TẢI TRỌNG GÂY PHÁ HOẠI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG DỰA TRÊN ĐIỀU KIỆN PHÁ HOẠI NỨT MỎI VÀ TÍCH LUỸ BIẾN DẠNG DƯ 62 3.4.1 Theo điều kiện nứt mỏi (Fatigue Cracking) 63 3.4.2 Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư (Permanent Deformation) 66 3.5 HỆ SỐ QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TỐN TIÊU CHUẨN DỰA TRÊN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG VÀ MƠ HÌNH PHÁ HOẠI THỰC NGHIỆM 69 3.6 ỨNG DỤNG ALIZE-LCPC PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI ĐOẠN KM16+629 - KM16+680 71 3.6.1 Các thơng số tính tốn 71 3.6.2 Kết tính tốn theo 22TCN 211-06 72 3.6.3 Kiểm toán khả làm việc kết cấu dựa kết phân tích ứng suất-biến dạng phần mềm Alizé-LCPC mơ hình phá hoại 72 3.6.4 Kết luận 72 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG .74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .76 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Một số dạng cấu tạo kết cấu mặt đường mềm [6] Hình Sơ đồ tác dụng tải trọng bánh xe mặt đường Hình Hư hỏng mặt đường tác dụng tải trọng xe chạy Hình Phá hoại mặt đường mềm tác dụng tải trọng Hình Ảnh hưởng tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường Hình Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp học thực nghiệm .11 Hình Phân bố ứng suất theo chiều sâu theo Boussinesq 13 Hình Mơ hình tính tốn theo Hogg 14 Hình Mơ hình Burmister cho hệ nhiều lớp 15 Hình 10 Chia bán khơng gian thành hệ lớp [11] 15 Hình 11 Sơ đồ mơ hình tính Burmister cho hệ đàn hồi nhiều lớp 17 Hình 1.Phân loại xe theo FHWA [9] 23 Hình 2 Kết khảo sát cân động xác định tải trọng trục số tuyến QL [4] 30 Hình Phân bố lưu lượng xe theo (loại xe 4, chỗ) 32 Hình Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (loại xe 4, chỗ) .32 Hình Phân bố lưu lượng xe theo (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 32 Hình Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 33 Hình Phân bố lưu lượng xe theo (xe khách loại lớn) 33 Hình Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (xe khách loại lớn) 33 Hình Phân bố lưu lượng xe theo (xe tải trục) .34 Hình 10 Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (xe tải trục) 34 Hình 11 Phân bố lưu lượng xe theo (xe tải trục: đơn, cụm trục ba) 35 Hình 12 Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (xe tải trục: đơn, cụm trục ba) 35 Hình 13 Phân bố lưu lượng xe theo (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc trục) 36 Hình 14 Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơmoóc trục đơn) .36 Hình 15 Phân bố lưu lượng xe theo (xe tải trục: đơn, cụm trục đôi) 37 vii Hình 16 Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (xe tải trục: đơn, cụm trục đôi) 37 Hình 17 Phân bố lưu lượng xe theo (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc trục) 37 Hình 18 Quan hệ tổng tải trọng xe tần suất xuất (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc trục) .38 Hình 19 Phân bố xe theo 39 Hình 20 Tỷ lệ phân bố loại xe dòng xe khảo sát 39 Hình 21 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 1b .40 Hình 22 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 1c .41 Hình 23 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 41 Hình 24 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 42 Hình 25 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 42 Hình 26 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 43 Hình 27 Cấu tạo hình dạng kích thước xe loại 44 Hình Ứng xử học mặt đường tác dụng tải trọng đặc biệt [13] 46 Hình 2.Giao diện phần mềm sau khởi động .46 Hình 3 Module tính tốn ngược xác định mơđun đàn hồi lớp vật liệu dựa kết đo chảo lún mặt đường thiết bị FWD 47 Hình Mơ hình tính tốn kết cấu mặt đường theo lý thuyết đàn hồi lớp 47 Hình Khai báo tải trọng đặc biệt tính tốn 48 Hình Biểu diễn kết phân tích dạng 2D 3D [13] .48 Hình Kết cấu áo đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi .49 Hình Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 30oC .50 Hình Biểu đồ độ võng bề mặt kết cấu biến dạng thẳng đứng móng đất (subgrage) mặt cắt có toạ độ X=0, trường hợp Ptc= 100kN, T = 30oC .50 Hình 10 Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 10oC .51 Hình 11 Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 60oC .51 viii Hình 12 Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 10oC 52 Hình 13 Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 30oC 52 Hình 14 Biểu đồ độ võng bề mặt kết cấu biến dạng thẳng đứng móng đất (subgrage) mặt cắt có toạ độ X=0, trường hợp Ptc=120kN, T = 30oC 52 Hình 15 Kết phân tích ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 60oC 53 Hình 16 Kết tính tốn ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 1c) 54 Hình 17 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe buýt loại lớn (loại 1c) 54 Hình 18 Kết tính tốn ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 2) 55 Hình 19 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe thân liền trục (loại 2) 56 Hình 20 Kết tính tốn ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 3) 57 Hình 21 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), .57 Hình 22 Kết tính tốn ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 4) 58 Hình 23 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe kéo kéo rơ moóc trục (loại 4) 59 Hình 24 Kết tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 5) 60 Hình 25 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), .60 Hình 26 Kết tính tốn ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 6, 1S1T1Tr) 61 Hình 27 Phân bố ứng suất biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp 62 Hình 28 Số lần tác dụng lặp lại tải trọng gây phá hoại theo điều kiện nứt mỏi cho loại xe (theo công thức Viện Asphalt) 65 Hình 29 Số lần tác dụng lặp lại tải trọng gây phá hoại theo điều kiện tích luỹ biến dạng bề mặt lớp subgrade cho loại xe (theo công thức Viện Asphalt) 67 Hình 30 Tỷ số số lần tác dụng lặp lại cho phép tải trọng tính tốn (Nf_P) với tải trọng trục tiêu chuẩn 120kN (Nf_120) 68 Hình 31 Hệ số quy đổi tải trọng trục tương đương tải trọng trục tính tốn tiêu chuẩn 10 (100kN) 70 Hình 32 Hệ số quy đổi tải trọng trục tương đương tải trọng trục tính tốn tiêu chuẩn 12 (120kN) 70 7.1 Xét trục sau xe Bảng 21 Ứng suất biến dạng kết cấu tải trọng xe – trục sau Hình 59 Độ võng biến dạng theo phương Z Hình 60 Mặt cắt tính tốn phân bố ứng suất biến dạng Hình 61 Mô biến dạng kết cấu tác dụng xe 7.2 Xét trục xe Bảng 22 Ứng suất biến dạng kết cấu tải trọng xe – trục Hình 62 Độ võng biến dạng theo phương Z – trục xe 7.3 Xét trục trước xe Bảng 23 Ứng suất biến dạng kết cấu tải trọng xe 6– trục trước Hình 63 Độ võng biến dạng theo phương Z – trục xe