Việc sử dụng các thiết bị thử nghiệm bằng tải trọng tĩnh như hình 1.5 để đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM đã được các nhà khoa học Nga nghiên cứu ứng dụng từ rất sớm trên các sân bay[33]. Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng kích thủy lực và tải trọng của các quả tải tác dụng lực tĩnh xuống mặt đường, đo đạc độ võng mặt đường. Độ võng mặt đường đo được nhờ hệ giá đỡ có gắn các đồng hồ chuyển vị.
Phương pháp này có ưu điểm sử dụng thiết bị đơn giản, xử lý kết quả không phức tạp. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là: độ chính xác của thiết bị đo kém, chuẩn bị tải trọng khó khăn, bộ gá phải gắn chắc chắn và đủ xa để không ảnh hưởng bởi tải trọng, thời gian thử nghiệm dài. Do những nhược điểm đó nên phương pháp gia tải tĩnh hiện nay ít được nghiên cứu và ứng dụng. Phổ biến hiện nay trên thế giới người ta tập trung nghiên cứu phương pháp không phá hủy gắn liền với biện pháp gây tải khi thử nghiệm là tải trọng động.
Hình 1.5. Thiết bị thử nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh 1.6.2. Phương pháp sử dụng tải trọng động đánh giá sức chịu tải
Phương pháp sử dụng tải trọng động khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sử dụng tải trọng tĩnh, hơn nữa công nghệ đo lường tự động hóa ngày càng phát triển hỗ làm cho ưu điểm của phương pháp này càng nổi trội hơn. Một trong những công nghệ có thể kể đến như:
- Công nghệ tải trọng điều hòa:
Từ giữa những năm 1950, Cục Hàng không liên bang Hoa Kỳ (FAA) đã nghiên cứu các thiết bị tải trọng rung để đánh giá mặt đường sân bay và ô tô. Phương pháp này xác định mô đun độ cứng động (DSM) từ quan hệ “Tải trọng động- độ võng động”. Giá trị DSM tìm được sẽ được xử lý, phân tích xác định tải trọng cho phép của
mặt đường. Phương pháp này được tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) khuyến nghị sử dụng để đánh giá khả năng chịu tải mặt đường sân bay, đường ô tô.
Hiện nay hệ thiết bị rung này được chế tạo theo 3 kiểu gồm Dynaflect, Road Rater, Rolling Dynamic Deflectometer (RDD)
+ Kiểu Dynaflect thể hiện trong hình 1.6 là một thiết bị điện tạo ra dao động hình sin với biên độ 5kN, tần số 8Hz bởi động cơ điện có gắn quả nặng lệch tâm. Các cảm biến gia tốc, vận tốc thu nhận số liệu liên tục. Tuy nhiên do biên độ tải trọng khá nhỏ chỉ phù hợp đối với kết cấu mặt đường chịu tải trọng nhẹ.
+ Kiểu Road Rater thể hiện trong hình 1.7 là một thiết bị tạo ra dao động hình sin với biên độ lên đến 35kN, tần số có thể thay đổi bởi nguồn thủy lực nâng hạ khối thép tác động lên tấm ép.
Xử lý số liệu đo được trên cơ sở mối tương quan “ Tải trọng - Độ võng”. Qua nhiều thử nghiệm người ta thấy rằng khi tải trọng nhỏ thì mối tương quan “ Tải trọng - Độ võng” thường không tuyến tính, và mối tương quan này chỉ trở nên tuyến tính khi tải trọng tác dụng đủ lớn, phương pháp này còn đưa ra hàng loạt các toán đồ và công thức tính toán.
Hình 1.6. Thiết bị thí nghiệm Dyaflect Hình 1.7. Thiết bị Road Rater
+ Kiểu Rolling Dynamic Deflectometer (RDD)
Sử dụng 2 bộ bánh xe kép gia tải động xuống mặt đường. Độ võng được đo thông qua cảm biến đo gia tốc. Xe chạy với tốc độ 5 km/h vừa đi vừa đo. Máy rung thủy lực lắp trên xe truyền dạng hình sin trong khoảng 5-100 Hz
- Phương pháp FWD :
Nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị tạo tải trọng va đập (quả rơi) như sau: Quả nặng rơi từ một độ cao nhất định theo trục dẫn hướng tác dụng lên mặt đường qua tấm ép. Để kéo dài thời gian tác dụng của tải trọng cho giống với tải trọng của bánh xe khi chuyển động, người ta dùng hệ thống giảm chấn là các lò xo hay tấm đệm cao su. Các thông số dao động của công trình được các cảm biến ghi nhận và được ghi lại dưới dạng file dữ liệu. Ở các nước phát triển người ta đã chế tạo các thiết bị và phương pháp tính toán tương ứng với loại thiết bị đó sử dụng cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng mặt đường, gọi chung là phương pháp FWD (Falling Weight Deflectometer).
Hiện nay trên thế giới có một số hãng sản xuất thiết bị dựa trên nguyên tắc này như: Hình 1.9. Thiết bị HWD của hãng Dynatest Group Hình 1.10. Thiết bị HWD của hãng KUAB Hình 1.11. Thiết bị FWD của hãng Carl Bro Group
Hình 1.12. Thiết bị JILS HWD của hãng Foundation Mechanics
rơi lớn hơn, thường sử dụng đo đạc cho tấm bê tông có chiều dày lớn như kết cầu mặt đường sân bay.
1.6.3. Phương pháp truyền sóng xác định đặc tính cơ học.
- Công nghệ Radar phát sóng với tần số rất cao để đánh giá độ đồng nhất, lỗ hổng nền đường phía dưới tấm BTXM.
Nguyên lý cơ bản dựa trên việc truyền đi các sóng điện từ vào các lớp vật liệu mặt đường và nhận lại các sóng điện tử phản xạ ngược trở về. Các sóng trả về này về bản chất đã bị ảnh hưởng bởi các thông số như hằng số điện môi, độ từ thẩm, độ dẫn liệu, thông qua bộ xử lý tín hiệu, xử lý ảnh, nhờ đó chúng ta có thể hình ảnh hóa các đặc tính về điện của các cấu trúc vật thể.
Hình 1.13. Thiết bị Radar xuyên đất hãng IDS Georadar
- Công nghệ truyền sóng bề mặt SASW (Spectral Analysys of Surface Wawes)
Hình 1.14. Thiết bị đo dựa trên công nghệ truyền sóng bề mặt
Nguyên lý của phương pháp này là dùng một nguồn lực gây kích động làm cho công trình dao động, các tham số dao động (vận tốc, gia tốc, chuyển vị) sẽ được các đầu đo gắn trên công trình ghi nhận và truyền về máy phân tích. Các chương trình phân tích và xử lý (ví dụ phân tích Fourier nhanh) sẽ cho ta các 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 cơ bản của phương pháp là sử dụng va đập cơ học trong thời gian ngắn để tạo sóng ứng suất nhanh và sử dụng bộ chuyển đổi thu tín hiệu, phân tích tính toán vận tốc truyền trong vật liệu qua đặc tính này xác định được tính chất cơ học của vật liệu
Hình 1.15. Thiết bị IMPact-Echo đo chiều dày, khuyết tật trong tấm BTXM
1.7. Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM hiện đang áp dụng tại Việt Nam tại Việt Nam
1.7.1. Các quy định pháp lý có liên quan
Hiện nay tại Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTXM chỉ mới đang sử dụng [1] . Do vậy việc đánh giá chất lượng mới chỉ được đề cập như:
- Kiểm tra trước khi thi công
+ Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của xi măng, cốt liệu, cốt thép, nước, phụ gia, vật liệu chèn khe, chất tạo màng sử dụng bảo dưỡng, ống chụp thanh truyền lực
+ Thiết kế cấp phối bê tông đảm bảo các chỉ tiêu: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, tỷ lệ nước/xi măng, độ sụt, nhiệt độ hỗn hợp bê tông
+ Kiểm tra nền móng trước khi thi công mặt BTXM: độ lún, độ chặt, kích thước hình học
- Kiểm tra trong quá trình thi công
+ Kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông, kiểm tra tổn thất độ sụt, độ tách nước, khối lượng thể tích, nhiệt độ hỗn hợp bê tông
+ Kiểm tra bố trí thanh truyền lực, cốt thép tăng cường
+ Đúc mẫu, kiểm tra cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn
- Kiểm tra sau khi thi công:
+ Khoan mẫu kiểm tra: chiều dày tấm bê tông, cường độ chịu kéo bửa, cường độ chịu nén
+ Kiểm tra các chỉ tiêu khai thác: độ bằng phẳng, độ gồ ghề quốc tế IRI, độ nhám bề mặt, độ đầy khi rót vật liệu
+ Kiểm tra các chỉ tiêu liên quan đến kích thước: cao độ, độ dốc dọc, độ dốc ngang, độ chênh cao tấm liền kề, độ thẳng của khe, độ lệch tim đường, chiều sâu cắt khe
+ Kiểm tra hư hỏng (nếu có): bong tróc, nứt, hở đá, sứt cạch, sứt góc, khiếm khuyết trên bề mặt khe dãn, độ lệch của thanh truyền lực
- Kiểm tra đánh giá sau quá trình khai thác: hiện tại chưa có quy định.
Do mới chỉ có quyết định tạm thời nêu trên nên việc đo đạc kiểm tra khác như: FWD, sức kháng trượt cũng chỉ dừng ở việc đo đạc thử nghiệm phục vụ nghiên cứu, chưa áp dụng rộng rãi.Đặc biệt mặt đường BTXM sau thời gian khai thác chưa có hướng dẫn, chỉ dẫn đánh giá kể cả mặt đường cất hạ cánh sân bay. Chỉ số PCN rất quan trọng nhưng mới dừng ở việc tính toán lý thuyết thông qua các thông số từ mẫu thí nghiệm. Chưa có sân bay nào cung cấp chính thức chỉ số PCN bằng phương pháp đo đạc không phá hủy như trên thế giới thường làm.
Theo [25] đối với mặt đường sân bay- xác định số phân cấp mặt đường bằng FWD hoặc HWD. Tiêu chuẩn này mới chỉ biên dịch từ tài liệu của FAA, các hệ số thực nghiệm vẫn sử dụng như tài liệu gốc, chưa có nghiên cứu hiệu chỉnh phù hợp với loại vật liệu cũng như điều kiện của Việt Nam, chưa có ví dụ tính toán để áp dụng.
1.7.2. Các thiết bị thí nghiệm gia tải động hiện có tại Việt Nam
Đối với thiết bị sử dụng công nghệ tải trọng điều hòa ở Việt Nam hiện chưa có, chưa có nghiên cứu do vậy hướng nghiên cứu tập trung vào phương pháp sử dụng thả rơi (FWD). Hiện nay có khá nhiều các đơn vị trong nước đã được trang bị thiết bị
FWD và đang trong tình trạng hoạt động tốt như: - Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Được trang bị thiết bị FWD PRIMAX 1500 của hãng Grontmij- Đan Mạch - Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải
Được trang bị thiết bị FWD Dynatest 8000 của hãng Dynatest (Đan Mạch) - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
Được trang bị thiết bị PAVEFWD-150 của hãng Pavetesting LTD (Anh)
Ngoài ra còn một số đơn vị đã được trang bị nhưng chưa thường xuyên khai thác dẫn đến hư hỏng nhưng có thể khắc phục sửa chữa như:Trung tâm Kỹ thuật đường bộ thuộc Tổng Cục Đường Bộ; trường Trung cấp Giao thông Vận tải …
Những thiết bị kể trên đều có điểm chung đó là có bộ phận gia tải (thả rơi tạo va chạm với mặt đường), bộ phận đo độ võng mặt đường thông qua nguyên lý đo dao động.
Việc xử lý tín hiệu đo đạc dao động để tính ra chuyển vị, mỗi hãng đều có phần mềm xử lý chuyên dùng riêng để tính toán, thao tác với các thiết bị đã được thương mại hóa dễ sử dụng. Tuy nhiên cơ sở khoa học thì chưa được phân tích rõ
1.8. Phân tích lựa chọn vấn đề nghiên cứu
Qua phân tích ở trên cho thấy việc kiểm soát chất lượng, đánh giá sức chịu tải mặt đường là cần thiết đã được các nước phát triển trên thế giới cũng như các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu từ rất sớm.Xu hướng sử dụng phương pháp động để đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM là hướng đi chính. Tại Việt Nam tập trung nghiên cứu,thử nghiệm, đầu tư thiết bị thí nghiệm động theo kiểu FWD. Do vậy nghiên cứu sinh cũng tiếp tục lựa chọn hướng nghiên cứu này và tập trung làm rõ hơn về cơ sở khoa học ứng dụng phương pháp, thực nghiệm phân tích kiểm chứng kết quả đo đạc.
Hình 1.16. Sơ đồ trình tự đo đạc FWD hiện nay đang áp dụng tại Việt Nam
Từ sơ đồ khối công tác đo đạc thực nghiệm đánh giá mặt đường BTXM (hình 1.16) còn tồn tại những vấn đề cần tập trung nghiên cứu:
Ở khối (1) thông tin lớp vật liệu, chiều dày lớp kết cấu thông thường lấy từ hồ sơ thiết kế hoặc thông qua hố đào tại hiện trường.Tại hố đào sẽ phá hủy kết cấu mặt đường nên tần suất kiểm tra sẽ rất thưa, độ tin cậy thấp. Do vậy nếu áp dụng thêm phương pháp không phá hủy để xác định được chiều dày sẽ tăng thêm độ chính xác.
Đo đạc thực nghiệm FWD
Tính toán xử lý kết quả (4)
- Sử dụng thuật toán ngược tính mô đun đàn hồi động các lớp vật liệu.
Bộ số liệu ban đầu (3)
- Nạp bộ số liệu ban đầu phục vụ cho tính toán
Chuyển đổi mô đun đàn hồi động sang mô đun đàn hồi
tĩnh (5)
Từ kết quả mô đun đàn hồi tĩnh+ chiều dày lớp kết cấu
tính sức chịu tải (6) Thu thập thông tin (1)
- Kết cấu các lớp vật liệu - Chiều dày các lớp vật liêu
Đo đạc hiện trƣờng (2)
- Xác định lực tác dụng
- Chậu võng trên mặt đường khi tác dụng lực
Phương pháp đo không phá hủy, thời gian đo đạc nhanh sẽ đo được nhiều điểm. Nghiên cứu sinh nghiên cứu đề xuất bổ sung phương pháp dựa trên nguyên lý truyền sóng xác định chiều dày lớp mặt đường BTXM và sẽ được trình bày ở chương 3
Ở khối (3) thông số ban đầu về giá trị mô đun đàn hồi từng lớp vật liệu hiện nay đang dựa trên bảng khuyến cáo của Cục hàng không dân dụng Mỹ [53]. Dựa trên bộ số hạt nhân này phần mềm xử lý sử dụng thuật toán ngược tính thử dần các bộ số mô đun đàn hồi của các lớp kết cấu. Nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng phương pháp truyền sóng đo đạc mô đun đàn hồi động của lớp BTXM làm thay cho việc sử dụng bảng số liệu theo như khuyến cáo của [53] sẽ phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.
Ở khối (4) hiện nay đã có nhiều phần mềm viết sẵn kèm theo thiết bị để xử lý tính toán. Những phần mềm này chưa nêu rõ phương pháp tính toán, mô hình tính toán do vậy cần phải làm rõ cơ sở nguyên tắc đo đạc, xử lý số liệu nhằm đảm bảo tính thống nhất.
Ở khối (5) phương pháp đo đạc FWD cho kết quả là mô đun đàn hồi động, trong khi các tính toán, kiểm toán mặt đường BTXM đang sử dụng mô đun đàn hồi tĩnh. Nghiên cứu sinh tiến hành đo đạc thực nghiệm xác định tương quan giữa mô đun đàn hồi động và tĩnh đối với lớp vật liệu làm móng đường.
Ở khối (6) đo đạc thực nghiệm và xử lý số liệu tính toán ra được mô đun đàn hồi các lớp kết cấu. Trong khi đó kiểm toán mặt đường BTXM còn phải kiểm toán ứng suất dưới đáy tấm. Nghiên cứu sinh thực nghiệm xây dựng tương quan giữa mô đun đàn hồi BTXM và cường độ chịu kéo khi uốn của loại bê tông thông thường sử dụng cho mặt đường BTXM tại Việt Nam.
Ngoài ra đo đạc khả năng truyền tải trọng của các tấm BTXM là vấn đề cần quan tâm. Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị hỗ trợ đo đạc độ cập kênh của tấm khi chịu tác động của tải trọng trong điều kiện dự án không huy động được thiết bị FWD.
1.9. Kết luận chƣơng 1
Ứng dụng công nghệ đo đạc hiện đại (tự động, không phá hủy, phần mềm phân tích xử lý, tính toán trên máy tính) đánh giá chất lượng mặt đường BTXM được các nước phát triển tập trung nghiên cứu. Từ những nghiên cứu của các nhà khoa học, các hãng sản xuất thiết bị đã chế tạo và thương mại nhiều thiết bị đo đạc hiện đại phục vụ công tác đánh giá có thể kể đến như: FWD, HWD, RDD, IMPact-Echo, Road Rater,
Dyaflect…
Đồng bộ với các thiết bị đo đạc là hệ thống phần mềm từ phần mềm thu thập số liệu đến phần mềm tính toán chuyên dùng được lập trình bởi tập thể những người chuyên nghiệp, lập trình theo mô đun. Những sản phầm này được tạo ra bởi những đơn vị có tính chuyên nghiệp, chuyên môn hóa cao, có khả năng thương mại, mang tính phổ biến dễ được thừa nhận. Xu hướng khai thác ứng dụng sẽ thay thế cho việc tự lập