4.3.3.1. Thiết bị FWD
Thiết bị thí nghiệm:
Thiết bị thí nghiệm FWD Dynatest 8000 của Viện KH & CN GTVT có bán kính tấm ép 15cm và 7 sensor D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6 với khoảng cách đến tâm tấm ép lần lượt là 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 mm.
a/. Nguyên tắc thí nghiệm
Tải trọng va đập tác dụng lên mặt đường do vật nặng có khối lượng nhất định rơi từ độ cao định trước theo trục dẫn hướng tác dụng lên mặt đường qua tấm ép. Để kéo dài thời gian tác dụng của tải trọng giống như tải trọng xe chạy trên đường (bánh xe chuyển động) người ta làm bộ lò xo giảm chấn hoặc các tấm đệm cao su. Khi đó vật nặng rơi xuống hệ thống đệm cao su (hoặc lò xo giảm chấn) và truyền tải trọng xuống mặt đường trong khoảng thời gian từ 0,025s đến 0,04 s . Đầu đo tải trọng (sai số đo không vượt quá 2%) gắn tại tâm truyền tải xác định tải trọng P tác dụng xuống mặt đường. Chuyển vị tại tâm tấm truyền tải và tại các điểm cách tâm tấm truyền tải một khoảng cách nhất định được ghi lại bằng các đầu đo chuyển vị (sai số đo không vượt quá ± 0, 002mm) hoạt động trên nguyên tắc bộ chuyển đổi vận tốc. Tải trọng được điều chỉnh theo chiều cao rơi của vật nặng và độ võng trên bề mặt đường được tính toán từ số liệu đầu ra của các bộ chuyển đổi vận tốc.
Thiết bị thí nghiệm :
- Thiết bị đo độ võng động FWD ( Falling Weight Deflectometor) bao gồm: Hệ thống thủy lực nâng tải trọng, bộ hệ thống xử lý 9000, máy tính và máy in.
b/. Nguyên lý làm việc của bộ phận gia tải (gây ra tải trọng)
- Bộ phận gây ra tải trọng là một vật nặng có khối lượng m được rơi từ độ cao quy định H xuống tác dụng lên trên một tấm ép đường kính D, thông qua bộ phận giảm chấn có độ cứng C hoặc moduyn đàn hồi E gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Biến dạng (độ võng) của mặt đường ở tâm tấm ép và ở các vị trí cách tấm ép một khoảng quy định sẽ được các đầu cảm biến đo võng ghi lại. Các số liệu đo được như: xung lực tác dụng lên mặt đường thông qua tấm ép, áp lực tác dụng lên mặt đường (bằng giá trị xung lực chia cho diện tích tấm ép), độ võng mặt đường ở các vị trí quy định (do các đầu cảm biến đo võng ghi lại) là cơ sở để xác định cường độ kết cấu mặt đường.
- Như vậy, từ thế năng của vật nặng gây tải trọng tại thời điểm bắt đầu rơi là mgH chuyển hoàn toàn thành động năng tại thời điểm quả nặng tiếp xúc với hệ giảm chấn và tấm ép 2
1
mv . Tương ứng với thời điểm H=0 ta có: 2
1
mgH mv (4.11)
- Tùy theo độ cứng của toàn hệ giảm chấn (bao gồm cả tấm ép) mà vận tốc V1 (tương ứng thời điểm t1) sẽ tắt dần nhanh hay chậm đến không ( v2 = 0) tại thời điểm t2.
- Tại thời điểm t2, thế năng ban đầu đã chuyển qua động năng và chuyển thành lực tác dụng lên mặt đường và gây ra ứng suất - biến dạng trong kết cấu nền mặt đường, làm mặt đường chuyển dịch theo chiều xuống dưới một đoạn là S. Gọi a là gia tốc của quả nặng trong quá trình tiếp xúc với hệ giảm chấn ta có:
11 22 v v a t t (4.12) Do đó, lực tác dụng trên mặt đường: 1 m gH v F ma t t (4.13)
Rõ ràng rằng: tùy theo khối lượng của vật nặng và chiều cao rơi của quả nặng, người ta có thể thay đổi được độ lớn của lực tác dụng trên mặt đường, hay nói cách khác là độ lớn của áp lực truyền lên mặt đường thông qua tấm ép. Cũng tương tự như thế, người ta có thể thay đổi độ cứng của hệ giảm chấn để đạt được độ lớn và thời gian tác dụng của tải trọng trên bề mặt mặt đường theo mong muốn.
Qua đó ta thấy rằng: bằng thiết bị gây tải trên, người ta hoàn toàn có thể tạo ra xung lực tương tự như xe chạy trên đường. Và tải trọng tác dụng trên mặt đường là dạng động tương tự như tác dụng của tải trọng bánh xe.
Có thể thực hiện nhiều thí nghiệm trên cùng một vị trí với tải trọng rơi khác nhau. Lợi thế của việc đo võng bằng xung tải là rất nhanh, tải trọng rơi cũng dễ dàng thay đổi và mô phỏng khá sát thực tải trọng giao thông.
Hình 4.25. Xung lực tạo ra trong thí nghiệm FWD
c/. Mô hình chậu võng và các sensor đo võng mặt đường
- Thiết bị FWD được lắp trên một chiếc rơ-mooc và được một ô tô tải nhẹ kéo đi trong quá trình di chuyển và đo đạc. Việc điều khiển quá trình đo và thu thập số liệu được tự động thông qua phần mềm chuyên dụng. Tại vị trí cần kiểm tra, tấm ép và các đầu đo võng được hạ xuống tiếp xúc với mặt đường. Hệ thống điều khiển nâng khối tải trọng lên độ cao quy định và rơi tự do xuống tấm ép gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Các đầu cảm biến đo võng sẽ ghi lại độ võng của mặt đường ở các khoảng cách quy định. Trị số xung lực và độ võng được ghi lại vào file dữ liệu. Sau khi đo xong, tấm ép và các đầu đo võng được nâng lên và thiết bị di chuyển đến vị trí kiểm tra tiếp theo.
- Mô hình chậu võng
Hình 4.26. Mô hình chậu võng
Chiều cao rơi
Tải trọng
Hệ lò xo giảm chấn Bàn ép
Chậu võng
Cảm biến đo gia tốc Bàn ép
- Các sensor đo võng mặt đường
Khi lực tác dụng trên mặt đường gây ra trong kết cấu mặt đường một trạng thái ứng suất biến dạng tương ứng. Các thông số cần đo đạc thông thường là biến dạng hoặc ứng suất.
Ta biết rằng, khi đo được gia tốc của một chất điểm chuyển động, hoàn toàn có thể tính ra chuyển vị của chúng và do đó tính ra được ứng suất.
Gọi gia tốc chuyển vị của chất điểm là a, vận tốc là v và chuyển vị của chất điểm là S, ta có: dS v dt ; 2 2 dv d S a dt dt (4.14)
trong đó: v, t, S, a là vận tốc, thời gian, quãng đường và gia tốc của chuyển vị thẳng đứng của mặt đường dưới tác dụng của xung lực.
Bằng những đầu đo gia tốc theo nguyên lý gia tốc, gắn trên bề mặt mặt đường, ta có thể đo được chuyển vị thẳng đứng của mặt đường tại mỗi điểm nằm trong vùng ảnh hưởng của tải trọng. Chuyển vị (hoặc biến dạng) đo được trong trường hợp này là ứng suất hoặc các thông số dẫn xuất tính ra từ nó của kết cấu cũng là trạng thái động.
Các file dữ liệu FWD thu được bao gồm các thông số sau: thời gian, nhiệt độ, tải trọng và độ võng tại các sensor đo võng.
Căn cứ vào các số liệu đo võng, có thể vẽ được chậu võng trên mặt đường cho mỗi vị trí đo.
4.3.3.2. Đo đạc tính toán kết cấu theo lý thuyết
a/. Đo đạc tính toán mô đun đàn hỗi tĩnh BTXM
Bảng 4.12. Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông
Kí hiệu mẫu
Trạng thái ban đầu Trạng thái sau
Số đọc chuyển vị kế trung bình Chiều dài khoảng tính toán Tải ban đầu
Biến dạng Mô đun đàn hồi Tải ban đầu Ứng suất Số đọc chuyển vị kế Tải trọng Ứng suất Số đọc chuyển vị kế
(kN) (MPa) (mm) (kN) (MPa) (mm) (mm) (kN) (MPa)
BT1 11.2 0.50 0.252 281.6 12.52 0.322 0.080 200 398 30235 0.221 0.301 0.338 0.424 0.296 0.378
b/. Tính toán xác định sức chịu tải theo lý thuyết. - Xác định hệ số nền tương đương trên đỉnh lớp móng:
Theo phục lục D, TCVN 10907-2015 xác định hệ số nền tương đương như sau:
1 2 2 3 3 2 3 1 s s s se K K K K (4.15)
trong đó: Ks1, Ks2, Ks3 là trị số hệ số nền tính toán (MN/m3 ), tương ứng với các lớp (tính từ trên) một, hai, ba của nền tự nhiên hay móng nhân tạo từ đất đồng nhất và vật liệu ở trạng thái khác nhau trong đó gồm các lớp thấm lấy theo Bảng F.6 Phụ lục C và TCVN 10907-2015; 2 2 1 2 2 1 1 1, 6 0,5 1, 6 0,5 r r t D t t t D t 2 1 2 3 1 1 0, 5 1, 6 1, 6 0, 5 r r D t t t D t (4.16)
trong đó: t1 ,t2 là chiều dày tương ứng các lớp một và hai của nền (móng) (m); Dr là đường kính quy ước truyền tải trọng trên móng (m), lấy bằng:
Đối với kết cấu gồm một lớp móng và một lớp nền, mặt đường BTXM đổ tại chỗ tính cho cấp tải trọng cấp III thì đường kính quy ước truyền tải trọng trên móng là Dr=2.9m.
Tra bảng F6 phục lục F, TCNV 10907-2015 ta được:
Hệ số nền của lớp BTXM nghèo Ks1=1100 MN/m3, và của cát Ks3=45 MN/m3 Thay số vào ta tính được: Kse=129,09 MN/m3
- Xác định đặc trưng đàn hồi của tấm bê tông:
3 4 2 74, 62 12 1 se E h l cm K (4.17)
trong đó: 30235 MPa là mô đun đàn hồi BTXM thí nghiệm ở bảng 4.12
- Giả thiết tải trọng bánh đơn tương đương của máy bay tác dụng trên tấm bê tông: W = 120 kN
- Áp lực bánh hơi lấy theo áp lực tiêu chuẩn: q = 1,37 MPa - Bán kính đường tròn phân bố tải trọng:
W 16, 7 r cm q (4.18)
2 W 0,31625 4 log / 1, 0693 c h l b (4.19)
Ứng suất làm việc của bê tông:
2, 307 ku c R MPa K (4.20) Vớ hệ số an toàn K = 1,95 Hệ số 2 2 1, 6 0.675 b r h h= 15,85 (cm).
Vậy tải trọng bánh đơn tương đương của máy bay tính toán: W = 120,50 kN W W 120,5 120 100% 100% 0, 41% W 120,5 tt gt tt (4.21)
Do vậy kết cấu có sức chịu tải tính toán: 120kN 4.3.4. Phân tích kết quả đo
4.3.4.1. Lựa chọn thuật toán xác định các đặc trưng sức chịu tải của mặt đường BTXM
Từ các số liệu về chậu võng, sử dụng các thuật toán tính ngược (Back- Calculate) để xác định các đặc trưng sức chịu tải tải động của mặt đường bê tông xi măng cũng như đánh giá khả năng truyền tải của khe nối thông qua hai thuật toán tính ngược, đó là thuật toán BetsFit và thuật toán AREA.
Thuật toán BetsFit: đó là tìm một cặp trị số bán kính độ cứng tương đối của tấm (moduyn đàn hồi của tấm bê tông xi măng EPCC) trị số đặc trưng cường độ của nền đất sao cho chậu võng tính toán được thông qua bài toán cơ học có sai số nhỏ nhất hoặc nằm trong một giới hạn nào đó với chậu võng đo được.
Thuật toán AREA: đó là từ chậu võng thực đo theo sơ đồ đặt đầu đo qui định, tính giá trị AREA. Từ đó ước lượng bán kính độ cứng tương đối như là một hàm AREA và tính toán với hệ số nền k và môđun đàn hồi của tấm bê tông xi măng bởi các công thức thực nghiệm.
Thuật toán tính ngược trên dựa vào lời giải của Westergaard đối với mô hình nền Winkler.
4.3.4.2. Sử dụng phần mềm phân tích ngược BAKFAA để tính mô đun từng lớp.
đường sử dụng chương trình LEAF phân tích lớp đàn hồi dựa trên dữ liệu thí nghiệm FWD
Quá trình phân tích ngược là một quá trình tính toán mô đun lớp mặt đường và mô đun đàn hồi nền đất dựa trên những chậu võng mặt đường phát sinh bởi tải trọng FWD, với các thông số về mặt đường đã biết như: kết cấu mặt đường và hệ số Poisson tương ứng với vật liệu từng lớp kết cấu mặt đường. Từ một giải pháp phân tích chính xác cho một cấu trúc nhiều lớp chưa được phát triển, thì phương pháp phân tích ngược là một giải pháp gần đúng. Nguyên lý của phương pháp phân tích ngược là một bộ giá trị mô đun lớp ban đầu được giả định (giá trị giả định này gọi là giá trị hạt giống và thường được ước tính căn cứ vào kinh nghiệm hoặc tài liệu nghiên cứu). Sau đó quá trình phân tích ngược được lặp đi lặp lại nhiều lần, bằng cách điều chỉnh bộ mô đun lớp mặt đường dần dần để được sự phù hợp nhất (sai số nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được) giữa độ võng thực đo và độ võng lý thuyết có thể đạt được.
Hình 4.27. Mô hình phân tích ngược tính mô đun lớp
4.3.4.3.Sử dụng phần mềm EverFE 2.25
EverFE 2.25 là phần mềm sử dụng phần tử hữu hạn 3D dùng để phân tích sự làm việc của kết cấu áo đường BTXM thông thường.
phát triển mạnh trong thập niên vừa qua. Nó đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu và thiết kế đường hiểu biết tốt hơn về nhiều khía cạnh về sự làm việc của áo đường như: tính phức tạp của áo đường BTXM (cơ chế chuyển tải giữa các khớp), sự khó khăn khi xem xét cả 2 hiệu ứng tải trọng và môi trường, khó khăn trong việc mô hình kết cấu.
EverFE 2.25 sử dụng một số loại phần tử để suy xét hệ thống áo đường bê tông từ 1- 9 tấm / lề gia cố. Có đến ba lớp nền đàn hồi có thể được xác lập dưới áo đường, và nền đường được lý tưởng hóa như là giảm sức căng hoặc gối đỡ trên nền bán không gian vô hạn đàn hồi. 20 - nút phần tử bậc 2 của khối hình học 6 mặt được sử dụng để mô tả tấm và lớp nền đàn hồi, và nền bán không gian vô hạn đàn hồi được kết hợp thông qua số lượng hợp nhất, 8 - nút phần tử bậc hai được khớp với các lớp dưới cùng lớp phần tử rắn. Tổng hợp tuyến tính hoặc phi tuyến khóa liên kết chuyển tải cũng như các chốt truyền tải có thể được mô hình hóa tại các khớp ngang. Các tải trọng truyền theo chiều dọc và liên kết ngang cũng có thể được mô hình hóa.
4.3.4.4. Sử dụng phần mềm COMFAA 3.0 để tính toán trị số sức chịu tải của mặt đường PCN.
Để tạo thuận lợi cho việc sử dụng hệ thống ACN - PCN, Cục Hàng không Hoa kỳ (FAA) đã phát triển một phần mềm ứng dụng để tính toán giá trị ACN bằng cách sử dụng các quy trình và điều kiện theo quy định của ICAO và có thể được sử dụng để xác định giá trị PCN. Phần mềm này được gọi là COMFAA và có thể được tải về cùng với mã nguồn và tài liệu hỗ trợ của nó từ trang web của FAA.
Phần mềm COMFAA là một chương trình đa năng hoạt động ở hai chế độ tính toán: Chế độ tính ACN - PCN và chế độ tính toán, thiết kế chiều dày mặt đường.
- Chế độ tính ACN - PCN.
+ Tính số ACN - PCN cho máy bay và cho mặt đường trên mặt đường mềm. + Tính số ACN - PCN cho máy bay và cho mặt đường trên mặt đường cứng. + Tính toán độ dày mặt đường mềm dựa trên các quy trình ICAO (phương pháp CBR) cho các giá trị mặc định của CBR (15, 10, 6, và 3).
+ Tính độ dày miếng mặt đường cứng dựa trên các quy trình ICAO (phương pháp Hiệp hội Xi măng Portland, trường hợp tải bên trong) cho các giá trị mặc định của k.
+ Tính tổng chiều dày mặt đường mềm dựa trên phương pháp FAA CBR quy định tại AC 150 / 5320-62, thiết kế và đánh giá mặt đường sân bay, cho các giá trị CBR và mức che phủ theo quy định của người sử dụng.
+ Tính chiều dày tấmmặt đường cứng dựa vào phương pháp FAA Westergaard (phân tích tải góc) quy định tại AC 150 / 5320-6 cho các giá trị k và mức che phủ theo quy định của người sử dụng.