Nghiên cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay trong điều kiện việt nam TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM DUY LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 9580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô đường thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: TS Vũ Đức Sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải GS.TS Phạm Cao Thăng Học viện kyc thuật quân Phản biện 1: …………………………………… Phản biện 2: …………………………………… Phản biện 3: …………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thơng Vận tải CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Phạm Duy Linh; GS.TS Phạm Cao Thăng; TS Vũ Đức Sỹ: “Nghiên cứu phương pháp tính tốn quy đổi lưu lượng trục xe khai thác thiết kế kết cấu áo đường cứng đường tơ” Tạp chí Cầu đường số tháng 9/2017; Phạm Duy Linh; GS.TS Phạm Cao Thăng; TS Vũ Đức Sỹ: Tạp chí cầu đường số tháng 10/2017; Hoang Long Nguyen, Cao Thang Pham, Duy Linh Pham, Tuan Anh Pham, Duc Phong Pham, and Binh Thai Pham: Designing of concrete pavement expansion joints based on climate conditions of Vietnam: De Gruyter-Journal of the Mechanical Behavior of Materials số 28 ngày 1/10/2019, (tạp chí Scopus); Phạm Duy Linh; GS.TS Phạm Cao Thăng; TS Vũ Đức Sỹ ; TS Lương Xuân Chiểu; TS Trần Nam Hưng (2020): “Nghiên cứu thực nghiệm trường xác định phân bố nhiệt độ BTXM mặt đường khu vực Hà Nội” Tạp chí Cầu đường số tháng 6/2020; Phạm Duy Linh; GS.TS Phạm Cao Thăng; TS Vũ Đức Sỹ: “Phương pháp tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp, có xét ảnh hưởng chiều dày lớp cách ly lớp” Tạp chí GTVT số tháng 6/2020; Phạm Duy Linh; GS.TS Phạm Cao Thăng; TS Vũ Đức Sỹ: ”Nghiên cứu tính tốn Gradient nhiệt độ nhiệt độ trung bình BTXM mặt đường, điều kiện khí hậu Việt Nam” Tạp chí GTVT số tháng 8/2020 ĐẶT VẤN ĐỀ I SỰ CẦN THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Với ưu điểm bật mặt đường BTXM áp dụng rộng rãi làm kết cấu áo đường cho tuyến đường cấp cao, làm mặt đường sân bay trục đường tơ có lưu lượng trục xe lớn nhiều xe tải trọng nặng lưu hành.Tuy nhiên quy trình sử dụng Việt Nam khơng hồn tồn tự biên soạn, mà sở tham khảo tiêu chuẩn nước phù hợp với điều kiện thực tế họ Để quy định kỹ thuật quy trình phù hợp với điều kiện cụ thể Việt Nam, cần tiến hành nghiên cứu hiệu chỉnh, bổ sung số yêu cầu kỹ thuật cho phù hợp với điều kiện Việt Nam.Do Đề tài “Nghiên cứu đánh giá số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô sân bay điều kiện Việt Nam” lĩnh vực nghiên cứu cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Luận án tập trung nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng lớp cách ly kết cấu hệ nhiều lớp mặt đường BTXM ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ môi trường đến làm việc kết cấu BTXM mặt đường ô tô sân bay điều kiện Việt Nam III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung luận án tập trung vào số vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan; Nghiên cứu tính tốn đánh giá ảnh hưởng lớp cách ly đến phân bố nội lực lớp mặt đường BTXM; Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm trường, xác định trường nhiệt độ phân bố theo chiều sâu BTXM; Nghiên cứu tính tốn xác định gradient nhiệt độ nhiệt độ trung bình theo BTXM theo chiều dày tính tốn cần thiết bố trí khe dãn dãy BT mặt đường ơtơ sân bay; Nghiên cứu tính tốn thử nghiệm số, đánh giá lượng hóa ảnh hưởng lớp cách ly nhiệt độ môi trường đến làm việc BTXM mặt đường ôtô sân bay điều kiện khí hậu khu vực miền Bắc Việt Nam IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Ý nghĩa khoa học: Xây dựng phương pháp tính tốn đánh giá ảnh hưởng chiều dày cường độ lớp cách ly đến làm việc mặt đường BTXM hệ nhiều lớp Trên sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đo đạc trường xác định phân bố trường nhiệt độ theo chiều sâu BT mặt đường gradient nhiệt cho chiều dày khác Nghiên cứu xác định cần thiết phải bố trí khe dãn cho dãy BT mặt đường điều kiện khí hậu Việt Nam − Ý nghĩa thực tiễn: Tính tốn kiến nghị chọn loại vật liệu chiều dày lớp cách ly, phù hợp với điều kiện Việt Nam; Xây dựng đề xuất công thức tính tốn gradient nhiệt nhiệt độ trung bình theo chiều sâu BT phụ thuộc chiều dày tấm, phục vụ tính tốn ứng suất nhiệt xác định khoảng cách khe dãn dãy tấm, điều kiện khí hậu khu vực TP Hà Nội khu vực có điều kiện tương tự miền Bắc Việt Nam CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG Chương I giới thiệu phân tích làm việc mặt đường BTXM hệ nhiều lớp tác dụng tải trọng bánh xe nhiệt độ môi trường làm sở để tiếp tục nghiên cứu chương 1.1 Cấu tạo chung mặt đường BTXM 1.1.1 Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM Mặt đường BTXM có cấu tạo chung gồm phận sau: Tấm BTXM lớp trên; Lớp cách ly; Lớp móng trên; Lớp móng dưới; Nền đất; Các khe nối 1.1.2 Nguyên nhân gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường BTXM Các ngun nhân gây tình trạng hư hỏng xuống cấp mặt đường BTXM bao gồm nguyên nhân sau:Do tải trọng xe: Do điều kiện khí hậu: Điều kiện khai thác, thi cơng Và vấn đề đáng lưu tâm công tác thiết kế đặc biệt thiết kế cấu tạo chưa thực phù hợp với điều kiện khai thác Trong luận án, tập trung nghiên cứu số vấn đề liên quan lớp cách ly ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường tính tốn thiết kế ảnh đến chất lượng khai thác mặt đường BTXM mặt đường ô tô sân bay điều kiện khí hậu Việt Nam 1.2 Tính tốn BTXM mặt đường hệ nhiều lớp 1.2.1 Các phương pháp tính tốn theo quy trình thiết kế Việt Nam 1.2.1.1 Phương pháp tính tốn thiết kế Việt Nam theo quy trình 22 TCN 223-95 [2]: Khi tính tốn chưa xem xét tính tốn lớp móng cứng chịu kéo uốn với BTXM mặt đường 1.2.1.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo Quy định tạm thời thiết kế mặt đường BTXM thơng thường có khe nối xây dựng cơng trình giao thơng QĐ 3230/2012 [1] : Khi tính tốn quy định lớp phải bố trí lớp cách ly láng nhựa lớp BTNC xét lớp cách ly với vai trò cấu tạo 1.2.1.3 Phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM nhiều lớp mặt đường sân bay theo TCVN 10907-2015 [3]: Lớp cách ly quy định dùng 1-2 lớp giấy dầu, láng cát nhựa có chiều dày khơng q 5mm Trong tính tốn chấp nhận giả thiết độ võng lớp với độ võng lớp 1.2.1.4 Một số nghiên cứu tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp Việt Nam [10, 11, 15] Trong [11], GS.TSKH Nguyễn Văn Liên giới thiệu phương pháp tính tốn dầm BT lớp nhiều lớp chịu uốn đàn hồi theo phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) Khi tính cho kết cấu hệ nhiều lớp chấp nhận giả thiết lớp khơng có lực ma sát mà khơng xét có bố trí lớp cách ly để khảo sát ảnh hưởng lớp cách ly.Năm 1995, GS.TS Phạm Huy Khang Luận án tiến sỹ kỹ thuật [15], kiến nghị phương pháp tính tốn kết cấu mặt đường BTXM nhiều lớp có mơ đun đàn hồi khác (dính chặt), tính tốn quy đổi hệ nhiều lớp lớp có đặc trưng mơ đun đàn hồi đổi Luận án TS Nguyễn Hồng Minh (2007) [10]: Trong tính tốn sử dụng giả thiết lớp cách ly có chiều dày nhỏ nên bỏ qua ảnh hưởng lớp cách ly đến phân bố lại nội nội lực lớp 1.2.2 Các phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM hệ hai lớp có khe nối giới: 1.2.2.1 Tính BT mặt đường theo phương pháp bán thực nghiệm theo Westergaard [16, 39]: Khi tính tốn khơng xét lớp móng cứng tham gia chịu kéo uốn 1.2.2.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo AASHTO [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 36, 37]: Phương pháp tính tốn ứng suất kéo uốn BT nhiều lớp với giả thiết chiều dày lớp cách ly nhỏ, không ảnh hưởng đến phân bố nội lực lớp Khi đó, ứng suất kéo uốn lớp tỉ lệ với độ cứng lớp 1.2.2.3 Phương pháp học thực nghiệm Mỹ [33, 42, 45] Khi thiết kế lớp tăng cường BTXM lớp mặt cường cũ BTXM quy định lớp cách ly sử dụng từ BTN nóng có chiều dày cho phép khơng q inch (~ 5cm) Trong tính tốn, đóng vai trị lớp cách ly, 1.2.2.4 Theo cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) [41, 43] Trong thiết kế quy định lớp cách ly theo cấu tạo, trường hợp sử dụng từ vật liệu BTN chiều dày khơng q inch (5cm) 1.2.2.5 Theo phương pháp tính tốn quy trình thiết kế Ấn Độ: giống phương pháp Westergaard 1.2.2.6 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng Trung Quốc JTG D40-2011 [78] Khi tính tốn kết cấu tăng cường BTXM lớp BTXM hữu, quy định bắt buộc phải sử dụng lớp bù phụ tạo phẳng kết hợp lớp cách ly BTN nóng, chiều dày tối thiểu lấy 4cm Nhưng xem lớp cấu tạo, tính tốn khơng xem xét ảnh hưởng lớp cách ly 1.2.3 Một số phần mềm tính tốn kết cấu mặt đường biến dạng Hiện giới có nhiều phần mềm thương mại có khả giải tốn tương tác kết cấu cơng trình hệ nhiều lớp biến dạng Mỗi phần mềm xây dựng có mạnh riêng giải tốn tương tác Trong tính tốn lớp cách ly quy định lấy theo cấu tạo với điều kiện lớp BT dính chặt, nửa dính trơn trượt tự do, không xét ảnh hưởng lớp cách ly đến làm việc kết cấu 1.2.4 Nhận xét chung: Trong tính tốn thiết kế, quy trình thiết kế sử dụng nguyên lý mỏng Trường hợp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM hai lớp có sử dụng lớp cách ly sơ đồ tính xem lớp cách ly có vai trò lớp cấu tạo Tuy nhiên số quy trình lại quy định chiều dày lớp cách ly lớn Trong điều kiện nhiệt độ nắng nóng Việt Nam, số vật liệu bị suy giảm cường độ (mô đun đàn hồi) gây biến dạng lớn, làm tăng độ võng lớp mặt, gây phân bố lại nội lực lớp hệ nhiều lớp Đây vấn đề cần xem xét làm rõ 1.3 Tính tốn BTXM ảnh hưởng nhiệt độ môi trường 1.3.1 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ với mặt đường BTXM 1.3.1.1 Gradient nhiệt độ tượng uốn vồng BTXM gradient nhiệt: Do có chênh lệch nhiệt độ phân lớp BT theo chiều sâu mà phân lớp co dãn khác nhau.Khi nhiệt độ bề mặt cao nhiệt độ đáy vào ngày nắng nóng mùa hè, xuất hiện tượng uốn vồng tấm, gây ứng suất kéo uốn đáy Còn trường hợp uốn võng ngược lại, đồng thời tải trọng bánh xe gây ứng suất kéo uốn đáy Như bất lợi cho BT mặt đường làm việc vào mùa hè nắng nóng Độ lớn ứng suất nhiệt uốn vồng phụ thuộc mức độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt đáy (gradient nhiệt): ∆t=T bm -T đ (1.14) 1.3.1.2 Tấm BT bị co dãn nhiệt độ thay đổi theo mùa năm Khi nhiệt độ môi trường thay đổi mùa năm, nhiệt độ trung bình (T tb ) theo chiều sâu thay đổi dẫn đến tượng dãy BT bị co lại dãn 1.3.2 Các phương pháp tính tốn Gradient nhiệt độ 1.3.2.1 Phương pháp tính tốn gradient nhiệt theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95 [2]: Trong quy trình chấp nhận giả thiết gần đường truyền nhiệt theo chiều sâu tuyến tính với hệ số khơng đổi 0,84 1.3.2.2 Phương pháp tính tốn gradient nhiệt BTXM theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [1] Quy trình chấp nhận giả thiết gần đường truyền nhiệt theo chiều sâu tuyến tính với với gradient nhiệt độ đơn vị (T g , C/cm) BTXM số cho khu vực; 1.3.2.3 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt BTXM cho mặt đường sân bay theo tiêu chuẩn TCVN 10907-2015 [3] Trong quy trình cường độ kéo uốn giành cho tải trọng 70% cường độ kéo uốn BT, phần 30% lại giành cho ứng suất nhiệt Khoảng cách khe co dãn quy định bố trí theo cấu tạo 1.3.2.4 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt bê tơng xi măng có xét ảnh hưởng nhiệt độ theo Mỹ (Theo tiêu chuẩn AASHTO-1998 [21, 22]) Khi thực tính tốn xem xét đến ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến kích thước làm việc BTXM nhiên sử dụng hệ số thực nghiệm 1.3.2.5 Tính tốn ảnh hưởng nhiệt độ bê tông xi măng mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM Nga [52, 58, 65] Khi tính tốn gradient nhiệt độ mặt đáy tấm, chấp nhận giả thiết nhiệt độ bề mặt dao động ngày đêm theo hàm điều hịa, giải tốn truyền nhiệt chiều bán không gian vô hạn theo quy luật Fourie theo lời giải giải tích 1.3.3 Quy định bố trí khe dãn mặt đường BTXM 1.3.3.1 Theo quy định hiệp hội mặt đường BTXM Mỹ [22, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 34, 38, 40, 45] Bố trí khe dãn theo cấu tạo Trên trục trường hợp thật cần thiết, bố trí khe dãn với khoảng cách lên đến 500fit( ~ 150m) Viện BT Mỹ quy định, bố trí khe dãn với điều kiện cụ thể 1.3.3.2 Theo Cục hàng không liên bang Mỹ [16, 18, 20] Các khe dãn bố trí vị trí giao cắt với cơng trình liền kề (đường cất hạ cánh với đường lăn, đường lăn với sân đỗ máy bay) 1.3.3.3 Theo quy trình thiết kế mặt đường Ấn độ [28, 35] Cũng quy định bố trí khe dãn tương tự Mỹ 1.3.3.4 Theo quy trình thiết kế mặt đường số nước khác [17, 34, 45] Trong [34] nêu kinh nghiệm thực tế nước Tây Âu (Bỉ, Đan Mạch, Hà Lan, Đức) khe dãn bố trí vị trí giáp đầu cầu, đoạn đường cong, cịn đoạn đường thẳng, cần thiết bố trí với khoảng cách từ 30-60m (98-196ft) Fwa đề nghị áp dụng, với BT có chiều dày 20cm, lấy khoảng cách khe dãn 60m, với chiều dày BT nhỏ 20cm, lấy khoảng cách khe dãn 40m 1.3.3.5 Theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM Nga [52, 53, 55, 56, 62, 63, 65] Khoảng cách khe dãn, đưa quy định theo cấu tạo theo bảng có sẵn phù hợp với điều kiện khí hậu Nga 1.3.3.6 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng Trung Quốc JTG D40/2011 [78] Chỉ bố trí khe dãn vị trí giao cắt với cơng trình khác, với cơng trình cầu đường Cịn lại tuyến đường nói chung, bố trí khe dãn thực cần thiết theo tính tốn Như việc bố trí khe dãn tuyến đường bố trí theo cấu tạo 1.3.3.7 Trong TCVN 10907/2015 quy định [3] Các khe dãn quy định theo cấu tạo, khoảng cách cố định theo miền với cấu tạo khe dãn thiết kế điển hình 1.3.3.8 Trong QĐ 3230/2012 quy định bố trí khe co, dãn dãy mặt đường [1] Khe dãn bố trí theo cấu tạo, tùy trường hợp điều kiện nhiệt độ lúc thi công tư vấn thiết kế bố trí thêm số khe dãn khoảng cách khe dãn không nên nhỏ 12 ÷ 15 lần chiều dài 1.3.3.9 Trong TCVN 9345/2012 [4], quy định bố trí khe dãn BTXM Cũng quy định bố trí khe dãn với điều kiện đảm bảo dãn nở nhiệt dãy BTXM 1.3.3.10 Thực tế bố trí khe dãn dãy BTXM mặt đường Việt Nam Trên mặt đường BTXM Việt Nam có bố trí khe dãn theo cấu tạo Tuy nhiên thực tế khai thác mặt đường BTXM cho thấy, tình trạng nứt tấm, vị trí xuất cạnh khe co mà chủ yếu cạnh khe dãn cho ba khu vực Bắc, Trung, Nam 1.3.4 Một số công trình, nghiên cứu khác gradient nhiệt khoảng cách khe co, dãn mặt đường BTXM Việt Nam giới Trên giới có số nghiên cứu trường nhiệt độ BTXM mặt đường quy định bố trí khe dãn mặt đường BTXM đáng ý có việc xác định nhiệt độ trung bình h BTXM xác định theo công thức: Ttb = ∫ T z ,t ( z ).dz , (1.30) h0 Tại Việt Nam, có số kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến làm việc BT mặt đường Trong đề tài cấp nhà nước nghiệm thu 1996 [6], đưu kết luận lý có tới 80% bị nứt kích thước lớn khoảng cách khe dãn Và số Luận án tiến sĩ luận án NCS Ngô Hà Sơn (1996) [7];Luận án NCS Nguyễn Duy Đồng (2007) [8]; Luận án NCS Phạm Đăng Nguyên (2016) [12]; luận án NCS Nguyễn Hoàng Long [9].Tuy nhiên nghiên cứu này, chủ yếu khảo sát trường nhiệt độ gradient nhiệt cho trường hợp cụ thể BT mặt đường có chiều dày định, mà chưa đưa tính tốn xác định gradient nhiệt chung cho có chiều dày khác 1.3.5 Nhận xét chung Trên sở tổng quan quy định nước tính tốn xác định khoảng cách khe dãn mặt đường BTXM, nhiều khác biệt, phụ thuộc điều kiện quy định nước Trong điều kiện khí hậu nắng nóng Việt Nam, cần có nghiên cứu ứng dụng kinh nghiệm nước tính tốn khoảng cách khe co, dãn mặt đường BTXM cho phù hợp với điều kiện Việt Nam 1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu làm rõ tính tốn thiết kế mặt đường BTXM điều kiện Việt Nam 10 2.2.2.2 Khảo sát đánh giá độ tin cậy phương pháp tính đề xuất: Để khảo sát độ tin cậy Bảng 2.4: So sánh kết tính phương pháp tính, luận án ứng suất kéo uốn lớn đáy xét trường hợp sử dụng lớp cách BTXM phương ly từ bitum - cát dày 0,5cm pháp khác So sánh TCVN 10907-2015, quy trình Ứng suất kéo uốn BCH197-91 quy định Kết phương PP tính lớp pháp với BTXM, tính tốn ứng suất kéo uốn PP đề MPa xuất,% lớp BTXM, so sánh với kết PP đề xuất 1,517 0,00% tính theo hai lớp TCVN Theo TCVN 10907 1,485 2,11% 10907, BCH 197-91 Nga, Theo BCH 197-91 1,497 1,32% theo Westergaard cho kết Theo Westergaard 1,514 0,20% bảng 2.4: Kết tính tốn tương tự với phương pháp tính tốn (có chấp nhận giả thiết lớp cách ly khơng có biến dạng), sai lệch phương pháp nhỏ (không 2,11%) Với kết cho thấy phương pháp đề xuất tính tốn đáng tin cậy phù hợp với lý thuyết tính toán mặt đường BTXM 2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng lớp cách ly có chiều dày lớn 2.2.3.1 Sử dụng lớp cách ly vật liệu Bitum- cát Đá cát nhựa (SAMI) a Sử dụng lớp cách ly Bitum – cát Trong tính tốn xét ảnh hưởng lớp cách ly đến nội lực lớp: lựa chọn lớp cách ly bitum cát, thay chiều dày lớp cách ly thay đổi từ 0,5 đến cm cho kết bảng 2.10: 11 Nhận xét kết khảo sát: Khi tăng chiều dày lớp cách ly bitum-cát, từ 0,5cm lên 2cm làm tăng độ lún lớp cách ly, gây thay đổi phân bố lại ứng suất kéo uốn lớp, làm tăng đáng kể ứng suất kéo uốn lớp (14,35%) giảm ứng suất kéo uốn lớp (26,54%), lúc hầu hết tác dụng tải trọng BTXM chịu kéo uốn Bảng 2.10: Kết khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp cách ly Bitum- cát đến độ võng ứng suất kéo uốn BTXM Chiều dày lớp cách ly Bitumcát,cm Độ võng lớp BTXM,m m Ứng suất kéo uốn lớp BTXM, Mpa 0,5 1,5 0,133 0,137 0,140 0,143 15,172 16,230 16,880 17,347 b Sử dụng lớp cách ly SAMI Trong tính tốn sử dụng lớp cách ly Đá cát nhựa (SAMI), thay lớp chiều dày lớp cách ly từ 1,5 đến cm cho kết bảng 2.16: Nhận xét kết khảo sát: Khi tăng chiều dày lớp cách ly SAMI, từ 1,5cm – 3cm làm tăng độ lún lớp cách ly, gây thay đổi phân bố lại ứng suất kéo uốn lớp, làm tăng đáng kể ứng suất kéo uốn lớp (6,97%), độ võng tăng (2,89% ).Do vật liệu SAMI có mơ đun đàn hồi cao so với vật liệu bitum cát, nên tăng chiều dày lớp cách ly, mức độ ảnh hưởng lớp cách ly SAMI nhỏ hơn, so với mức độ ảnh hưởng vật liệu bitum - cát 2.2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp suất biến dạng lớp BTXM thay đổi Bảng 2.11: Kết tính tốn khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp cách ly SAMI đến độ võng ứng suất kéo uốn BTXM Chiều dày lớp cách ly SAMI,cm Độ võng lớp BTXM,cm Ứng suất kéo uốn lớp BTXM, Mpa 1,5 0,133 1,517 0,135 1,560 2,5 0,136 1,594 0,137 1,623 cách ly từ BTNC đến ứng chiều dày lớp cách ly: Trong luận án, tiến hành tính tốn khảo sát đánh giá ảnh hưởng lớp cách ly với chiều dày lớn (tối thiểu 3cm quy định QĐ 3230), mặt đường nhiều lớp, điều kiện khí hậu nắng nóng Việt Nam 12 Giá trị mô đun đàn hồi lớp BTN loại cốt liệu nhóm A, phụ thuộc nhiệt độ, phạm vi từ 10 đến 65 C, xác định theo cơng thức (2.18) [69] :E BTN =6T+600, Trong điều kiện Việt Nam: Mô đun đàn hồi BTN 47 C tính theo (2.18) 310-315Mpa (chọn tính tốn với E BTN = 312 Mpa) Tính tốn với lớp cách ly BTNC có chiều dày thay đổi từ từ đến cm cho kết bảng 2.22: Bảng 2.22: Kết tính tốn khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp cách ly BTNC đến độ võng ứng suất kéo uốn BTXM Chiều dày lớp cách ly BTNC,cm Độ võng lớp BTXM,cm Ứng suất kéo uốn lớp BTXM, Mpa 0,133 1,512 0,134 1,554 0,136 1,588 Nhận xét kết khảo sát: Với kết cấu áo đường cứng có chiều dày BT trung bình tư 2025cm, lớp cách ly BTNC có chiều dày từ 4cm trở lên, gây phân bố lại ứng uất lớp, làm tăng đáng kể ứng suất kéo uốn lớp BT, dẫn tới làm giảm chất lượng khai thác mặt đường 2.2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến dạng lớp BTXM thay đổi nhiệt độ lớp cách ly Để tính nhiệt độ đáy lớp BTXM làm sở tính mô đun đàn hồi lớp cách ly BTN, thí dụ khảo sát, sử dụng cơng thức tính T h theo (1.20) Nga Giá trị mô đun đàn hồi lớp cách ly BTN tính theo (2.18) biết nhiệt độ lớp BTN cho kết bảng 2.23 Bảng 2.23 : Tính tốn mơ đun đàn hồi BTN phụ thuộc với nhiệt độ bề mặt Nhiệt độ bề mặt lớn nhất, 0C Nhiệt độ trung bình bề mặt, 0C Biên độ dao động nhiệt bề mặt, 0C Nhiệt độ đáy BT, 0C Mô đun đàn hồi lớp cách ly BTN, MPa 65 46,5 18,5 48,0 312 60 42 18 43,6 338 50 33,5 16,5 34,9 390 Khi biết giá trị mô đun đàn hồi lớp cách ly BTN mức nhiệt độ khác theo bảng 2.23, khai báo số liệu đầu vào chiều dày mô đun đàn hồi BTN ứng với mức nhiệt bề mặt tấm, theo phần mềm tính tốn Multi-Layer Concrete Pavement -MLCP, tính ứng suất chuyển vị lớp mặt đường Kết tính xem bảng 2.24 biểu đồ 2.35: 13 Bảng 2.24: Ứng suất kéo uốn lớp BTXM (ứng với nhiệt độ bề mặt) theo chiều dày lớp cách ly BTNC Mức nhiệt độ bề mặt, 0C Ứng suất kéo uốn BTXM, Mpa Hcl= 3,0cm Hcl= 3,5cm Hcl= 4,0cm Hcl= 4,5cm Hcl= 5,0cm Hcl= 5,5cm Hcl= 6,0cm 65 1,512 1,534 1,554 1,569 1,588 1,599 1,617 60 1,499 1,52 1,539 1,556 1,571 1,585 1,597 50 1,482 1,502 1,52 1,537 1,551 1,565 1,578 40 1,467 1,487 1,504 1,52 1,535 1,548 1,56 Nhận xét kết khảo sát: Khi nhiệt độ bề mặt BT giảm, cho phép tăng chiều dày lớp cách ly BTN mà không làm tăng ứng suất kéo uốn lớp BT Đây lý do, nước có khí hậu khơng q nắng nóng, cho phép sử dụng lớp cách ly BTN có chiều dày tới 5cm (như Mỹ [19, 50] cho phép lớp cách ly có chiều dày không inch (5cm) 2.3 Kết luận chương II Trong luận án xây dựng phần mềm tính tốn BT mặt đường nhiều lớp theo phương pháp SPHH ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 (Multi-Layer Concrete Pavement – MLCP) Kết tính tốn đảm bảo độ tin cậy, sử dụng tính tốn kết cấu mặt đường cứng hệ lớp sử dụng lớp cách ly khác Cấu tạo lớp cách ly với vai trò tạo phẳng hạn chế ma sát BTXM mặt đường với kết cấu móng đường Qua kết tính tốn khảo sát cho thấy với trường hợp lớp cách ly có chiều dày lớn, điều kiện khí hậu nắng nóng Việt Nam, có độ lún lớn, nên gây phân bố lại nội lực lớp, làm tăng đáng kể ứng suất kéo uốn BTXM, dẫn tới làm suy giảm chất lượng mặt đường Trường hợp nâng cấp mặt đường BTXM hữu lớp BTXM mới, để tạo phẳng bù phụ vị trí hư hỏng, lồi lõm lún sụt mặt đường hữu, theo [5] quy định sử dụng BTXM vữa XM để trám vá, chèn lấp, tránh dùng vật liệu BTN vừa làm lớp cách ly vừa để chèn lấp hư hỏng, làm tăng chiều dày lớp cách ly CHƯƠNG TÍNH TỐN GRADIENT NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG VỚI CÁC CHIỀU DÀY TẤM KHÁC NHAU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chương III tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu lý thuyết trường nhiệt độ BTXM mặt đường để xây dựng các công thức hồi quy tính tốn thơng số phục vụ việc tính tốn ảnh hưởng nhiệt độ đến làm việc chất lượng khai thác mặt đường BT điều kiện khí hậu Việt Nam 14 3.1 Tính tốn phân bố nhiệt độ BTXM mặt đường điều kiện Việt Nam 3.1.1 Nhiệt độ môi trường tác động lên bề mặt bê tông mặt đường Nhiệt độ bê tông, cung cấp hai nguồn nhiệt gồm nhiệt độ từ khơng khí nhiệt độ xạ từ mặt trời, điều kiện trời lặng gió Để xác định nhiệt độ bề mặt tấm, cần tiến hành khảo sát thực tế thể sử dụng công thức lý thuyết sau: T = Tkk + Tbx , (3.1) Thí dụ tính tốn nhiệt độ bề mặt BTXM khu vực TP Hà Nội cho kết quả: T bm=39,0+26,0 = 65,2 C 3.1.2 Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu bê tông Để xác định trường nhiệt độ phân bố theo chiều sâu bê tông vào thời điểm ngày, đo đạc khảo sát thực tế sử dụng lời giải xác theo toán truyền nhiệt chiều bán khơng gian vơ hạn theo quy luật Fourie, để tính trường nhiệt độ bê tông [14, 67, 68, 74] theo phương trình: ∂T ∂ 2T = α , (3.3) ∂t ∂z Giải phương trình (3.3) để tính toán nhiệt độ chiều sâu bê tông, vào thời điểm ngày luận án đề nghị áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) 3.2 Khảo sát trường xác định phân bố nhiệt độ theo chiều sâu BT mặt đường khu vực TP Hà Nội Chiều sâu đặt đầu đo, cm Giờ Trong luận án, NCS đo 0,02 -10 -20 -30 -39,98 thực bãi thử 1,00 29,5 34,86 38,25 39,75 38,98 2,00 29 33,9 37,2 38,86 38,33 nghiệm, sở 3,00 29 33,34 36,51 38,31 38,15 Học Viện Kỹ Thuật 4,00 29 32,79 35,74 37,55 37,52 5,00 29,3 32,6 35,33 37,15 37,21 Quân Sự, xã Xuân 6,00 30 32,52 34,87 36,55 36,55 Phương, Quận Nam Từ 7,00 32 33,19 34,94 36,41 36,32 8,00 36 34,69 35,26 36,2 35,92 Liêm- TP Hà Nội vào 9,00 41 36,99 36,2 36,53 35,99 tháng năm 2018 10,00 47,5 40,22 37,59 36,93 35,85 11,00 53,5 43,68 39,41 37,82 35,94 tháng năm 2019 12,00 58,5 47,12 41,36 38,73 36,49 Ứng dụng thử nghiệm 13,00 62,5 50,32 43,5 40,01 37,09 14,00 65 52,89 45,39 41,14 37,62 đo đạc nhiệt độ 15,00 63,5 53,81 46,76 42,31 38,22 BTXM với độ 16,00 60 53,61 47,54 43,09 38,95 17,00 55,5 52,33 47,72 43,75 39,74 sâu khác 18,00 50 50,12 47,2 43,88 40,15 BTXM với mơ hình 19,00 45 47,66 46,38 43,92 40,50 20,00 40 44,73 45,01 43,43 40,43 bảng 3.2 bên: 21,00 22,00 23,00 24,00 36 32,5 30,5 30 42,1 39,39 37,43 35,97 43,67 41,97 40,64 39,27 42,97 42,07 41,39 40,42 40,47 40,08 40,05 39,31 15 3.3 Tính tốn phân bố trường nhiệt độ BTXM mặt đường điều kiện Việt Nam Số liệu đo đạc nhiệt độ bề mặt sử dụng để tính tốn nhiệt độ theo chiều sâu cho trường hợp chiều dày khác phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) để giải phương trình (3.3) nêu Lập chương trình tính trường nhiệt độ BT ”TPCP ” (Temperature Profile in Concrete Pavement - Trường nhiệt độ mặt đường BTXM) Kết cho BTXM dày 40cm hình 3.7 3.8: Hình 3.7: Trường nhiệt độ Hình 3.8: Phân bố nhiệt theo BT dày 40cm thay đổi theo chiều sâu 40 cm ngày độ sâu khác khác ngày So sánh kết tính tốn theo chương trình tính với kết đo đạc thực tế trường cho thấy: sai khác không 0,3 C -0,5 C (không 2,34%), không lớn, đáng tin cậy Tính tốn tương tự cho BTXM dày 22cm; 26cm; 30cm; 36cm Nhận xét:Đường truyền nhiệt theo chiều sâu BTXM khơng phải đường thẳng tuyến tính mà đường cong phi tuyến;Nhiệt độ lớn chiều sâu khác không thời điểm Gradient nhiệt độ lớn vào thời điểm 14h có chiều dày khác 3.4 Xây dựng cơng thức tính tốn gradient nhiệt độ nhiệt độ trung bình BTXM mặt đường 3.4.1 Giới thiệu phần mềm Mınitab Phân tích hồi quy : Minitab phiên thu gọn phần mềm OMNITAB, phần mềm phân tích thống kê NIST 16 3.4.2 Tính tốn xác định gradient nhiệt BT mặt đường với chiều dày khác Mục đích: để tính ứng Bảng 3.9: Bảng thống kê chênh lệch nhiệt suất uốn vồng độ bề mặt đáy cho BT BTXM có chiều dày khác khu vực TP Kết thực nghiệm Hà Nội Nhiệt độ Nhiệt độ Gradient chạy phần mềm tính Chiều sâu mặt tấm, đáy tâm,0C nhiệt, toán cho kết chênh BT,cm C (Th) ∆T,0C lệch nhiệt độ bề 22 65 44,4 20,6 mặt đáy cho 26 65 42,5 22,5 30 65 41,0 24,0 có chiều dày khác 36 65 39,3 25,7 nhau, xem bảng 3.9 40 65 37,6 27,4 Phân tích ta có hàm hồi quy xác định gradient nhiệt BTXM có dạng sau: ∆ T = 12 ,3226 ln( , h + 1) (3.5) ta có hàm xác định nhiệt độ đáy BT có chiều dày h: Th = −12,3226 ln(0,2.h + 1) + Tbm , (3.6) có dạng hàm quan hệ với chiều dày hàm logarit tương tự cơng thức (1.24) Nga 3.4.3 Tính tốn nhiệt độ trung bình theo chiều sâu bê tơng mặt đường Bảng:3.11 Bảng nhiệt độ trung bình Mục đích: để tính tốn cần thiết phải bố trí tính khoảng BTXM Hà Nội cách khe dãn dãy BT Chênh lệch nhiệt độ để tính tốn Gradient Nhiệt độ khe dãn bất lợi hiệu nhiệt Chiều nhiệt trung bình BTXM, dày Nhiệt độ độ trung bình vào mùa ∆Ttb,0C mặt tấm, 0C ,0C (Th) nóng nhiệt độ thi công BT BT,cm theo công vào mùa lạnh Để từ tính tốn thức (3.11) theo cơng xác định cần thiết bố trí khe thức (3.12) dãn tính khoảng cách 22 65 53,87 11,13 26 65 52,29 12,71 khe dãn Nhiệt độ trung bình 30 65 50,87 14,13 BT ngày nóng 36 65 49,05 15,95 có chiều dày cho khu vực 40 65 47,95 17,05 TP Hà Nội, theo Phân tích cho cơng thức hồi quy tính hàm tính tốn nhiệt độ trung bình theo chiều sâu BTXM: T tb =-17,8388.ln(0,04.h+1)+ T bm, (3.14) 3.4.4 Nhận xét Đường truyền nhiệt BT theo chiều sâu khơng phải đường tuyến tính, đường cong phi tuyến Kết tính tốn cho thấy, gradient nhiệt đơn vị ( C/cm) số cho khu vực khí hậu, mà phụ thuộc vào chiều dày 17 Có thể ứng dụng cơng thức (3.5), (3.6) (3.14) để xác định gradient nhiệt độ bề mặt đáy nhiệt độ trung bình theo chiều sâu Các công thức áp dụng cho điều kiện khí hậu khu vực TP Hà Nội địa phương có điều kiện tương tự 3.5 Tính tốn khe dãn mặt đường BTXM Trên giới Hình 3.21 Cấu tạo khe dãn theo [75] điều kiện nhiệt độ cụ thể địa phương để xem xét cần thiết bố trí khe dãn với khoảng cách hợp lý Ở Việt Nam khe dãn có cấu tạo điển hình 3.21: 3.5.1 Cơ sở tính tốn cần thiết bố trí khe dãn mặt đường bê tông xi măng Để mặt đường BT khơng cần bố trí khe dãn cần thỏa mãn hai điều kiện sau: Trường hợp thứ (điều kiện 1): để không xảy nứt vỡ cạnh bê tơng (như hình 1.5 -1.7) cần thỏa mãn điều kiện theo công thức: τ max k = σ T ≤ 0,26.[Rn ] (3.22) Trường hợp thứ hai (điều kiện 2): Điều kiện ổn định dọc dãy dãn nở nhiệt, để không xảy đẩy trồi tách khỏi mặt lớp móng gây ổn định dọc dãy thỏa mãn điều kiện theo công thức: σ T ≤ σ Tcp , ( σ Tcp = 0,031 E bt ρ h; ) (3.23) 3.5.2 Cơ sở tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường BTXM Khi không thỏa mãn điều kiện (3.22) (3.23), dãy bê tơng cần phải bố trí khe dãn Khoảng cách khe dãn xác định sở: Bỏ qua ma sát đáy BTXM; Một phần ứng suất nhiệt BTXM dãn nở hấp thủ cường độ nén ván chèn khe; Độ dãn nở nhiệt dãy BTXM với độ nén ép vàn chèn khe (có xem xét đến ảnh hưởng chiều cao ván chèn khe so với chiều dày BTXM) xác định theo công thức: E BT ∆ v L= , (3.30) σT −σV hv h 3.6 Kết luận chương III Đã tiến hành khảo sát nhiệt độ bề mặt theo chiều sâu BTXM dày 40cm khu vực thành phố Hà Nội để làm số liệu phục vụ tính toán trường nhiệt độ BTXM với chiều dày 18 khác nhau; Trong luận án xây dựng phần mềm tính tốn phân bố trường nhiệt độ theo chiều sâu BT theo phương pháp SPHH ứng dụng tính tốn trường nhiệt độ BT khu vực khí hậu khác Nghiên cứu bước đầu đưa nhận xét tính phi tuyến đường truyền nhiệt tâm BTXM mặt đường đại lượng gradient nhiệt đơn vị (T g , C/cm) khơng phải số mà thay đổi phụ thuộc chiều dày Đã đề xuất hàm hồi quy xác định Gradient nhiệt độ BTXM khu vực TP Hà Nội, theo (3.5), (3.6) hàm xác định nhiệt độ tính tốn trung bình theo (3.14) Đồng thời giới thiệu công thức (3.22), (3.23), (3.30) phục vụ tính tốn xác định cần thiết bố trí khe dãn khoảng cách khe dãn dãy BT điều kiện khí hậu Việt Nam, cho loại mặt đường ô tô sân bay CHƯƠNG ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Trong Chương IV tiến hành nghiên cứu khảo sát số để đánh giá ảnh hưởng lớp cách ly nhiệt độ môi trường tính tốn thiết kế kết cấu BTXM qua đưa đề xuất kiến nghị phù hợp điều kiện Việt Nam góp phần hồn thiện quy định kết cấu BTXM mặt đường ô tô sân bay Việt Nam 4.1 Tính tốn xác định chiều dày hợp lý lớp cách ly điều kiện Việt Nam Bảng 4.1 Kết so sánh ứng suất kéo Bảng 4.2 Kết tính tốn lưu uốn lớn đáy BTXM lượng trục xe cho phép phương pháp tính khác mặt đường BTXM Ứng suất kéo uốn lớp BTXM Lớp cách ly lớp giấy dầu: E=30MPa, h=0,3cm Lớp bitum cát: E=50MPa, h=0,5cm Lớp SAMI: E=150MPa,h=1,5cm Lớp BTNC12.5: E=313MPa,h=3cm Lớp BTNC12.5: E=313MPa,h=4cm Lớp BTNC12.5: E=313MPa,h=5cm Lớp BTNC12.5: E=313MPa,h=6cm tính theo phương pháp, MPa TCV PP đề BCH 197N xuất 91 10907 1,517 1,485 1,519 1,517 1,485 1,519 1,517 1,485 1,519 1,512 1,485 1,519 1,554 1,485 1,519 1,588 1,485 1,519 1,617 1,485 1,519 Rku=4Mpa Lớp cách ly Lớp BTNC12.5: E=312MPa,h =4cm Lớp BTNC12.5: E=312MPa,h =5cm Lớp BTNC12.5: E=312MPa,h =6cm km Tổng lưu lượng trục khai thác cho phép, N 1,554 0,38 11 402 927 1,588 0,39 585 320 1,617 0,40 004 138 σ0 (Μπα) Hệ số mỏi, 19 Trong điều kiện khí hậu nắng nóng Việt Nam, kiến nghị lớp cách ly sử dụng từ loại vật liệu với chiều dày tương ứng: giấy dầu (1-2 lớp), lớp bitum - cát (dày 0,3-0,5cm), lớp đá cát nhựa (SAMI) dày tối đa 1,5cm Từ lớp BTNC có chiều dày khơng q 3,5cm, trường hợp đặc biệt cần kết hợp để tạo phẳng cho lớp mặt móng (lớp BTXM mặt đường cũ) nên giới hạn tối đa dày 4cm 4.2 Khảo sát tính tốn ứng suất nhiệt BTXM mặt đường theo phương pháp xác định giá trị gradient nhiệt đề xuất Trong luận án tiến hành tính tốn ứng suất nhiệt kết cấu mặt đường BTXM theo QĐ 3230, sau tính tốn lại ứng suất nhiệt, qua so sánh kết với phương pháp tính theo cơng thức (3.5) với chiều dày BTXM Hbt = 22cm; 26 cm; 30 cm 4.2.1 Tính tốn ứng suất kéo uốn chênh lệch nhiệt độ gây theo (QĐ 3230/2012) Bảng 4.5 So sánh kết tính ứng Hình 4.1 Biểu đồ so sánh ứng suất nhiệt uốn vồng σ t,max (Mpa) suất kéo uốn nhiệt độ gây theo hai phương pháp Phương pháp tính Chiều dày BT,cm 22 26 30 Theo QĐ 3230 1,699 1,496 1,266 Theo đề xuất 1,833 1,504 1,176 Sai lệch, % 7,89% 0,53% -7,11% Kết tính tốn thể bảng 4.4 hình 4.1 cho thấy BT có chiều dày nhỏ nên ứng suất nhiệt uốn vồng tính gradient nhiệt theo cơng thức đề xuất có giá trị cao so với phương pháp tính gradient nhiệt tính theo QĐ 3230 (tới 7,89%) Cịn với có chiều dày lớn ngược lại Thực tế BT mặt đường Việt Nam thường có chiều dày 23-25cm, áp dụng tính ứng suất nhiệt uốn vồng theo QĐ 3230, dẫn đến tình trạng BT có chiều dày nhỏ yêu cầu, nên ảnh hưởng đến chất lượng khai 4.2.2 Tính toán ứng suất nhiệt BT mặt đường sân bay Bảng 4.6 Tính tốn ứng suất nhiệt Bảng 4.7 Bảng kết qủa tính tốn kích thước phù hợp uốn vồng theo TCVN10907 Phương pháp tính Cường độ theo TCVN10907 Tính ứng suất theo (4.1) Sai lệch, % Ứng suất nhiệt , MPa 25 đến 35 đến > 40 cm