Loại mặt đường Mã mặt đường Ghi chú
Mềm F Flexible
Cứng R Rigid
c. Chỉ số phân cấp máy bay ACN (Aircraft Classification Number)
ACN không phải là thông số được xác định từ thí nghiệm HWD. Tuy nhiên, chỉ số này có quan hệ chặt chẽ với PCN. ACN của một máy bay được xác định bằng số và bằng hai lần tải trọng tính toán của bánh đơn (bơm với áp suất tiêu chuẩn là 1,25Mpa), đơn vị tính là 1000kg, tương đương với tải trọng trên càng chính của máy bay đang xét (bơm với áp lực tiêu chuẩn q).
ACN là một số không thứ nguyên. Cách tính ACN là tìm một tải trọng bánh đơn bơm căng với áp suất 1,25Mpa gây ra tại một độ sâu nào đó trong mặt đường một ứng suất bằng ứng suất mà càng bánh máy bay bơm căng đến áp lực tiêu chuẩn q gây ra.
Với mặt đường cứng, yêu cầu chịu tải càng bánh máy bay được xác định bằng lời giải Westergaard cho một bản đàn hồi được gia tải đặt trên một nền Winkler (trường hợp tải trọng đặt giữa tấm), giả định ứng suất làm việc của bê tông là 399 psi (2,75Mpa). Với mặt đường mềm, các yêu cầu chịu tải càng bánh máy bay được xác định bằng phương pháp CBR cho từng cấp chịu tải của nền. Phương pháp CBR dùng lời giải Boussinesq cho ứng suất và chuyển vị trong một bán không gian đàn hồi, đẳng hướng và đồng nhất. Để tiêu chuẩn hoá tính toán ACN và loại bỏ tần suất hoạt động
- 22 -
khỏi thang phân cấp tương đối, phương pháp ACN-PCN quy định rằng các giá trị ACN phải được xác định với tần suất 10.000 lần hoạt động.
d. Hệ số truyền lực LTE
Theo [64], LTE là tỷ lệ % của ứng suất hoặc độ võng của một tấm đang chịu tải trọng, truyền qua khe nối sang tấm bên cạnh.
Hình 1.13 mô tả chuyển vị và ứng sất tại mép thớ dưới ở cạnh tự do của tấm khi chịu tác dụng của tải trọng. Khi đó, tấm có độ võng tại vị trí mép tấm là de, ứng suất kéo uốn trong thớ dưới, ở vị trí cạnh tấm là se.
Hình 1.13. Chuyển vị và ứng suất tại cạnh tự do của tấm
Trường hợp hai tấm đặt sát nhau, giữa hai tấm có thanh truyền lực, hoặc hai tấm có hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) [58][59][67]. Khi có tải trọng tác dụng, hai tấm cùng tham gia chịu lực, với độ võng ở mép tấm lần lượt là dl, du (như hình 1.14); ứng suất kéo uốn ở thớ dưới tại vị trí mép tấm lần lượt là su, sl.
Hình 1.14. Sự tham gia chịu lực đồng thời của hai tấm cạnh nhau khi chịu tải trọng Hệ số truyền lực được xác định như sau [66][69]: Hệ số truyền lực được xác định như sau [66][69]:
LTE=b.(du/dl)*100% (1.6)
Trong đó b là hệ số hiệu chỉnh độ võng của tấm BTXM.
- 23 -
LTE phụ thuộc vào các yếu tố sau [58][59]:
- Hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) giữa hai bề mặt tấm; - Thông số cơ lý và bố trí, cấu tạo thanh truyền lực (nếu có);
- Điều kiện tiếp xúc giữa bề mặt lớp móng và đáy tấm, cũng như cường độ lớp móng; - Nhiệt độ.
Theo [64], sơ đồ đo LTE bằng thiết bị FWD, HWD như sau (hình 1.15):
Hình 1.15. Sơ đồ xác định LTE thông qua thiết bị FWD [64]
1.3.2.2. Nhóm thông số thứ hai
Nhóm thông số này chủ yếu liên quan tới các yếu tố tính toán, thiết kế tấm BTXM. Các thông số này được xác định khi có tải trọng thẳng đứng (tải trọng của máy HWD) tác dụng, tấm làm việc ở trạng thái chịu kéo khi uốn [44][75].
Khi đó, trên tiết diện cắt ngang của tấm với bề rộng bằng 01 đơn vị đo (tùy trường hợp sử dụng, có thể là 1m, 1 inch, ….), sẽ xuất hiện vùng chịu nén có chiều cao x, mô men uốn giới hạn mu tại tiết diện. Trong cốt thép tham gia chịu kéo sẽ có ứng suất kéo σs. Nội dung tính toán xác định các thông số này được trình bày chi tiết ở chương 2.
Nhận xét chung: Các chỉ tiêu sử dụng để đánh giá mặt đường BTXM khi sử
dụng thiết bị quả nặng rơi đều có liên quan chặt chẽ tới chỉ tiêu độ võng mặt đường (khi đánh giá bằng HWD).
1.4. Các nghiên cứu có liên quan
Trong nội dung này chỉ giới hạn đề cập tới các nghiên cứu có liên quan tới hai vấn đề chính:
- 24 -
- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới thông số độ võng (là chủ yếu) và các thông số của tấm BTXM mặt đường đã nêu ở phần 1.3.2 của luận án này.
1.4.1. Các nghiên cứu về truyềt nhiệt trong mặt đường BTXM
Về ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thiết kế và khai thác mặt đường BTXM, đã có các nghiên cứu trong và ngoài nước:
1.4.1.1. Các nghiên cứu trong nước
a. Nghiên cứu [21] [22][23][24][25]
Theo [21] [22][23][24][25], dạng phương trình theo Fourier đã được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong tấm BTXM với các giả thiết:
- Đây là quá trình truyền nhiệt chiều trong tấm bán không gian đồng nhất; - Nhiệt độ bề mặt tấm BTXM biến động theo dạng giao động điều hòa.
Dạng phương trình truyền nhiệt chi tiết đã thiết lập được ở các nghiên cứu trên:
(1.8) Các hệ số trong phương trình được thiết lập theo điều kiện đo đạc thực tế, phụ thuộc vào thời điểm và khu vực đo đạc, thông số vật liệu…
Các hệ số này, vì thế cần được hiệu chỉnh và thiết lập lại theo thời gian để tăng thêm tính phù hợp với điều kiện thực tế.
b. Nghiên cứu [39][40][42]
Theo [39][40][42], việc phân tích sự truyền nhiệt trong tấm BTXM theo hai
phương pháp:
- Phương pháp xây dựng phương trình truyền nhiệt (theo Fourier); - Phương pháp số (dùng phần tử hữu hạn);
Kết quả phân tích cũng đều chỉ ra rằng:
- Việc sử dụng phương trình theo Fourier với các giả thuyết tương tự như các nghiên cứu [21] [22][23][24][25] đề cập ở trên cho kết quả khá tương đồng với số liệu đo đạc nhiệt độ ở ngoài thực tế.
(Các số liệu thu thập thực tế của nghiên cứu [9] cũng phản ảnh được xu hướng phù hợp khi sử dụng phương trình này).
÷÷ ø ö çç è æ - ÷÷ ø ö çç è æ - + + = a z T a z t z K t T z t tbmat n 2 . cos . 2 . exp . . ) , ( . .max w w w
- 25 -
- Nhiệt độ không truyền theo dạng tuyến tính theo chiều sâu của tấm;
c. Nghiên cứu [16]
Trong nghiên cứu này đã đề cập tới một số nội dung: xây dựng bài toán truyền nhiệt một chiều theo chiều sâu để nghiên cứu tính toán và xác định trường nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường sân bay; sử dụng phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để giải bài toán tính tấm ba chiều chịu tác động đồng thời của tải trọng và nhiệt độ.
1.4.1.2. Nghiên cứu của Mỹ
Quan điểm truyền thống từ năm 1926 [87] cho rằng, trong mặt đường BTXM, nhiệt độ được truyền theo quy luật tuyến tính.
Tuy nhiên, hiện nay, với các kết quả đo đạc trực tiếp tại hiện trường, nhiều học giả đã chỉ ra rằng nhiệt độ không phân bố tuyến tính theo chiều dày tấm BTXM.
Nghiên cứu [71] [57] thực hiện trên tuyến đường liên bang 70 (1-70). Tấm BTXM có chiều dài 5m, dày 30cm, đặt trên tầng móng bằng vật liệu cấp phối đá dăm gia cố vôi. Ở mỗi vị trí, có 5 đầu đo được bố trí ở bề mặt tấm, các vị trí cách mặt tấm lần lượt 75mm, 150mm, 225mm và 300 mm (đáy tấm). Số liệu được thu thập 10 phút một lần. Kết quả được trình bày trong hình 1.16, với sự phân bố không tuyến tính của nhiệt độ theo cả chiều dày tấm.
Hình 1.16. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm BTXM theo giờ trong ngày Tuy nhiên, quy luật phân bố ở vùng nửa trên của tấm (từ độ sâu -150mm lên Tuy nhiên, quy luật phân bố ở vùng nửa trên của tấm (từ độ sâu -150mm lên đến bề mặt tấm) và ở vùng nửa dưới của tấm cũng không giống nhau.
- 26 -
Phần phía nửa dưới của tấm, có thể thấy các đường cong có độ dốc tương đối giống nhau, thể hiện sự phân bố tuyến tính, ít thay đổi của nhiệt độ theo chiều sâu. Trong khi đó, ở phần nửa chiều dày phía trên, hình thành hai xu hướng rõ rệt. Các đường biểu diễn chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn 0 (nhiệt độ bề mặt thấp hơn ở giữa tấm, đáy tấm) có độ dốc lớn hơn các đường biểu diễn chênh lệch nhiệt độ lớn hơn 0 (nhiệt độ bề mặt cao hơn phần phía dưới).
Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM thay đổi phổ biến từ -50C đến 100C.
Kết quả cũng cho thấy càng xuống sâu thì nhiệt độ trong tấm càng ổn định, ít biến thiên theo thời gian.
1.4.1.3. Nghiên cứu của Braxin
Trong điều kiện thời tiết nóng ẩm (gần với điều kiện Việt Nam), các tác giả Braxin [65][77] đã thực hiện đo đạc trên 15 tấm BTXM ở hiện trường (chiều dày tấm 25cm). Vào mùa hè, với nhiệt độ trung bình trong không khí là 320C, số giờ nắng trung bình trong ngày là 7 giờ, giá trị trung bình của chênh lệch nhiệt độ lớn nhất trong ngày giữa thớ trên và thới dưới của tấm BTXM thu được là 150C vào ban ngày. Sự chênh lệch này giảm xuống còn 100C vào mùa đông (nhiệt độ không khí khoảng 110C, 3 giờ nắng/ngày). Sự phân bố nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng không tuyến tính.
Cũng tại Braxin, nghiên cứu [84] đã thiết lập được diễn biến nhiệt độ theo chiều sâu trong tấm BTXM ở các thời điểm khác nhau trong năm và trong ngày (hình 1.17). Diễn biến của nhiệt độ theo thời gian trong chiều dày tấm khá tương đồng với các nghiên cứu của Mĩ [71] [57].
- 27 -
Hình 1.17. Nhiệt độ theo chiều sâu trong tấm BTXM [84] a. Diễn biến ở cùng giờ theo tháng; b. Diễn biến theo giờ trong ngày
(h.S: giờ sáng, h.C: giờ chiều)
Các diễn biến đều cho thấy, nhiệt độ không phân bố theo quy luật tuyến tính theo chiều sâu của tấm BTXM. Dạng đồ thị phân bố nhiệt độ tương đồng với dạng thu được ở các nghiên cứu của Mĩ.
1.4.1.4. Nghiên cứu của Nhật bản
Năm 2017, các nghiên cứu trình bày trong [82][81] sử dụng phương trình truyền nhiệt theo Fourier để phân tích trường nhiệt độ trong tấm BTXM sân bay ở 10 địa điểm khác nhau tại Nhật Bản. Cùng với đó, số liệu đã được so sánh, đối chiếu với kết quả đo đạc thực tế.
Kết quả thu được cho thấy, nhiệt độ đo đạc trực tiếp trong tấm BTXM vào tháng 4 (hình 1.18a) và tháng 8 (hình 1.18b) có quy luật khá tương đồng với các nghiên cứu của Mĩ, Braxin ở trên. Ngoài ra, Các số liệu đo đạc phân bố sát với quy luật của phương trình Fourier.
- 28 -
Hình 1.18. Nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng sân bay [82][81]
1.4.2. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số được đánh
giá bằng HWD của tấm BTXM
1.4.2.1. Các nghiên cứu tại Mĩ
Theo [66][64][68][54], hiệp hội đường bộ Mĩ đã xây dựng chương trình nghiên cứu quốc gia về việc sử dụng số liệu đo bằng FWD trong thiết kế mặt đường BTXM theo phương pháp ME. Để xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá mặt đường bằng FWD, nhiệt độ không khí (TA) và và nhiệt độ mặt đường (TS) được đo trực tiếp tại thời điểm thí nghiệm bằng các đầu đo nhiệt của máy FWD. Nhiệt độ trung bình ban ngày sẽ được lấy theo số liệu của 5 ngày liên tục.
Biến thiên nhiệt độ trong các tấm BTXM mặt đường được đo bởi 5 đầu đo đặt trong tấm, ở các độ sâu lần lượt là 25mm, 50 mm, 100mm, 200mm, 300mm (tính từ bề mặt tấm BTXM).
Các kết quả chính của nghiên cứu bao gồm:
a. Nhiệt độ phù hợp để thực hiện FWD
Để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ tới các chỉ tiêu đánh giá mặt đường bằng FWD, nhiệt độ môi trường không nên vượt quá 270C. Nhiệt độ tiêu chuẩn để để thực hiện các thí nghiệm là 200C.
- 29 -
b. Ảnh hưởng giữa nhiệt độ, chiều dày tấm và kết quả FWD
Kết quả đánh giá bằng FWD đối với các tấm có chiều dày nhỏ thì ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ hơn so với tấm có chiều dày lớn.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số nền k
Đối với hệ số nền k, các phép đo được thực hiện tại 4 vị trí trên đoạn đường dài 25m. Buổi sáng, khi nhiệt độ không khí thấp (khoảng 2,70C), hệ số nền k đo được thay đổi từ 55kPa/mm đến 80 kPa/mm; Theo thời gian trong ngày, nhiệt độ không khí (và nhiệt độ bề mặt tấm BTXM) tăng dần, hiện tượng uốn vồng xuất hiện, làm giảm rõ rệt giá trị hệ số nền đo được bằng FWD (hình 1.19). Ở nhiệt độ bề mặt tấm BTXM là 32,20C (lúc 17h), hệ số nền chỉ còn khoảng 20kPa/mm đến 30kPa/mm.
Hình 1.19. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đo k của mặt đường BTXM bằng FWD [64]
(Ta: Nhiệt độ trong không khí, Ts: Nhiệt độ bề mặt tấm BTXM) d. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới LTE
Tại các vị trí khe nối, hệ số LTE cũng bị ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt (như hình 1.20) [46][67][74]. Theo đó, với tấm dày 24cm, không có thanh truyền lực, vào buổi sáng, do nhiệt độ còn thấp nên tấm bị co lại, hiệu ứng aggregate interlock bị giảm, kéo theo LTE nhỏ.
Sang buổi trưa và buổi chiều, nhiệt độ trong tấm tăng lên, tấm bị dãn dài, hiệu ứng “aggregate interlock” [67][70] tăng lên. Do vậy, LTE tăng mạnh, đạt tới lân cận 80% ở hầu hết các điểm đo.
- 30 -
Hình 1.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá LTE
Ngoài việc tấm bị dãn dài, hiện tượng uốn vồng do chênh lệch nhiệt độ giữa thớ trên và thớ dưới cũng có ảnh hưởng tới LTE. Hình 1.21 giới thiệu tương quan giữa LTE và ###∆" (trong đó ∆"### được xác định tại thời điểm thí nghiệm) cho hai trường hợp (khe nối có thanh truyền lực và không có thanh truyền lực), tấm dày 24 cm, chiều dài tấm bằng 4,6m.
Trường hợp khe nối không có thanh truyền lực, khi ∆"### nhỏ hơn 0, nhiệt độ thới trên nhỏ hơn thớ dưới, tại lân cận khe nối, tấm bị uốn vồng lên; đáy tấm tiếp xúc không tốt với mặt tầng móng, hiệu ứng aggregate interlock giảm, LTE nhỏ (dưới 20%).
Hình 1.21. Ảnh hưởng của ###∆" nhất tới LTE [64]
Khi ∆"###=0, không có sự uốn vồng, LTE đạt khoảng 40%. Khi ∆"### lớn hơn 0, tại khe nối, tấm bị uốn vồng xuống, đáy tấm vẫn tiếp xúc với bề mặt lớp móng, hiệu ứng aggregate interlock ít ảnh hưởng, thậm chí tốt hơn khi tấm bị dãn dài. Lúc đó, LTE tăng lên tới 80%.
- 31 -
Trường hợp có thanh truyền lực, LTE hầu như không bị ảnh hưởng bởi ∆"### (hình 1.21).
e. Ảnh hưởng của mùa trong năm tới độ võng [66][73]
Nội dung này không đề cập trực tiếp, nhưng qua đó có thể có thêm các nhận định về ảnh hưởng tổng hợp của chế độ thủy nhiệt ở các thời điểm trong năm tới độ võng của mặt đường BTXM.
Sự thay đổi về độ võng khi đánh giá bằng FWD theo mùa được trình bày trong hình 1.22. Thời gian trong năm được chia làm 4 giai đoạn. Giai đoạn (1) từ tháng 12 năm trước đến tháng 3 năm sau, nhiệt độ môi trường rất thấp, kèm theo hiện tượng băng tuyết. Khi đó, độ võng (khi thí nghiệm FWD) nhỏ. Từ tháng 3 đến tháng 5 (giai đoạn (2)) bắt đầu có sự tan băng, độ ẩm trong nền-móng đường tăng, có thể đến mức bão hòa nước (kèm theo các dòng thấm gây xói ngầm), độ võng tăng mạnh.
Hình 1.22. Thay đổi của độ võng theo mùa [66]
Giai đoạn 3 bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 6, nắng nóng, nền và móng đường giảm dần độ ẩm, hệ số nền k tăng, độ võng giảm dần. Từ tháng 7 đến tháng 11 (giai đoạn 4), tiếp tục có thời tiết khô ráo, nhiệt độ giảm dần, kéo theo chênh lệch nhiệt độ ít hơn, độ võng vì thế mà giảm đi.
1.4.2.2. Các nghiên cứu tại CH Séc
Theo [62], các tác giả trước hết đã đề xuất phương pháp đánh giá LTE bằng thiết bị quả nặng rơi FWD theo sơ đồ sau (hình 1.23):
- 32 -
Hình 1.23. Sơ đồ đánh giá LTE bằng FWD cho mặt đường BTXM [62] Với sơ đồ trên, LTE được xác định như sau:
$%& =(!""
(#""∗ 100% (1.9) Trong đó d300, d200 lần lượt là độ võng (µm) đo được tại các đầu đo của FWD cách tâm của vị trí tác dụng tải trọng 300mm, 200mm.
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã đánh giá được ảnh hưởng của gradien nhiệt