2.1.3. Lựa chọn phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ trong tấm BTXM và các tham số cần hiệu chỉnh
a. Lựa chọn phương pháp
Phương pháp giải bài tốn phân bố nhiệt theo chiều sâu (trình bày ở tiểu mục 2.1.1a ở trên) được nghiên cứu sinh lựa chọn vì cĩ các ưu điểm sau:
- Phương pháp cĩ tính phổ biến cao tại Việt Nam: Phương pháp này đã và đang được các nhà khoa học trong nước tại Đại học Xây dựng Hà Nội, Đại học Giao thơng Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu, phát triển (như trình bày ở mục 1.4.1.1);
- Phương pháp đã được kiểm nghiệm qua một số dữ liệu đo đạc thực tế: Các nghiên cứu trong nước [21][22][23][39][40][42] đã cĩ đánh giá sự đúng đắn và phù hợp của phương pháp này đối với điều kiện Việt Nam thơng qua một số dữ liệu đo đạc thực tế. Do vậy, phương pháp cĩ sự tin cậy và phù hợp cao cho mục đích nghiên cứu của luận án;
- Các số liệu để hiệu chỉnh và áp dụng phương trình chi tiết cĩ thể đo đạc trực tiếp, đơn giản hơn các phương pháp cịn lại: Cĩ thể kết hợp đo đạc nhiệt độ theo chiều sâu của tấm với một số tham số đã được chuẩn hĩa (xin xem chi tiết trong chương 3) để hiệu chỉnh được các tham số của phương trình truyền nhiệt, cho phép áp dụng ở từng điều kiện cụ thể.
b. Các thơng số của phương trình cần phải hiệu chỉnh
Theo phương pháp đã lựa chọn, để tiện theo dõi, phương trình truyền nhiệt được nhắc lại như sau:
ỉ w ư ỉ w ư
ç-z. ÷ ç ÷ (1.8)
t(z,T ) = ttb.mat + K.z + tn.max .expç ÷.cosçwT - z. ÷
è 2a ø è 2a ø
Để cĩ thể áp dụng được phương trình này vào xác định nhiệt độ cụ thể trong chiều sâu tấm BTXM ứng với nhiệt độ bề mặt cho trước, cần phải xác định được các thơng số sau:
- Điều kiện biên của phương trình
Phương pháp xác định các thơng số này dựa vào một số nội dung lý thuyết cơ bản dưới đây và số liệu khảo sát thực tế (xin xem ở chương 3).
2.1.4. Hiệu chỉnh một số thơng số của phương trình truyền nhiệt
a. Điều kiện biên cho phương trình truyền nhiệt
Ở bề mặt tấm BTXM, nhiệt độ cĩ phương trình theo dạng hàm cos (2.2). Theo điều kiện biên như trên, với chu kỳ w=(2p/T) nhiệt độ trong ngày sẽ đạt
giá trị lớn nhất (cực đại) vào lúc 12h trưa nếu lấy mốc thời gian là 0 giờ.
Như trình bày tại mục 1.2.3.3, theo [40][41], E. Leviski đã đưa ra nhận định về sự “trễ pha” đối với điểm cực trị của nhiệt độ bề mặt tấm BTXM.
Kết quả đo đạc thực tế của NCS (hình 2.5) cũng cho thấy thời điểm nhiệt độ bề mặt đạt giá trị lớn nhất (theo thực tế) khơng trùng với thời điểm lý thuyết (thời điểm 12 giờ trưa).
Hình 2.5. Biến thiên nhiệt độ bề mặt và biên nhiệt độ theo thời gian ngày 9/9/2020 Để thể hiện được sự trễ pha này, phải bổ sung thêm
hằng số b để phương trình
điều kiện biên ban đầu (2.2):
"(. = 0, %) = "$%.'ặ$ + ").'*+. cos (7%)
trở thành:
"(. = 0, %) = "$%.'ặ$ + ").'*+. cos (7% + 8)
(2.17) Thơng qua chuỗi số liệu đo đạc nhiệt độ thực tế, xác định được t(z=0,T), ttb.mặt và tn.max. Từ đĩ, sẽ xác định được b.
Nội dung xác định ttb.mặt và tn.max được trình bày ở phần tiếp theo.
b. Nhiệt độ trung bình mặt đường trong ngày, ttbmặt:
Là giá trị nhiệt độ trung bình của bề mặt đường trong ngày. Được xác định bằng trung bình cộng của nhiệt độ mặt đường tại các thời điểm đo tmati:
t
tbmat = åtmati (2.18)
i=1®n n
Trong đĩ: n là số lần đo nhiệt trong ngày.
c. Biên độ dao động nhiệt lớn nhất trong ngày, tnmax:
tnmax là biên độ dao động nhiệt độ lớn nhất trong ngày tại bề mặt tấm. Nếu chọn gốc thời gian T=0 trùng với khi mặt tấm cĩ nhiệt độ cao nhất tmax thì biên độ dao động lớn nhất về ban ngày tnmax được xác định:
tnmax = tmax - ttbmặt (2.19) Trong nghiên cứu này, các số liệu nhiệt độ được đo trong cả ngày và đêm nên tnmax được xác định là: t n max = (tmax - tmin ) (2.20) 2 d. Hệ số truyền nhiệt độ a:
Hệ số này được xác định dựa vào các tham số khác trong phương trình truyền nhiệt. Với Dt = 0,10C thì hệ số truyền dẫn nhiệt độ phụ thuộc biên độ dao động nhiệt độ bề mặt lớn nhất trong ngày tnmax [40][41]:
ỉ 0,3618.zmax ç a =ç (ln tnmax + ln Dt) è ư2 ÷ (2.21) ÷ ø
Với các điều kiện tại đài khí tượng Láng, hệ số a tương ứng từng khoảng nhiệt độ dao động trên bề mặt được cho trong bảng 2.2:
Bảng 2.2. Trị số tính tốn hệ số truyền nhiệt của nền đất tại đài khí tượng Láng thay đổi theo tn.max [25]
Khoảng tn.max(0C) > 30 20-30 10-20 <10
e. Chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm zmax:
Là chiều sâu mà tại đĩ, nhiệt độ chỉ dao động xung quanh 1 khoảng Dt nào đĩ:
z
max = a (ln tnmax - ln Dt) (2.22) 0,3618
Trị số Dt được xác định theo mức độ chính xác của nhiệt kế dùng để quan trắc phân bố nhiệt độ trong đất, nên sử dụng giá trị lớn nhất khơng quá 0,50C [25]. Kết quả nghiên cứu trước đây cho điều kiện Hà Nội đã tìm ra giá trị zmax = 0,4m [25] với Δt = 0,5oC [25]. Nghiên cứu xác định trị số zmax với Δt = 0,1oC.
f. Hệ số K:
Theo [25], K là thơng số biểu thị ảnh hưởng của sự phân bố trường nhiệt độ dừng (phân bố nhiệt độ trung bình trong nền bán khơng gian) [0C/cm]. Thành phần K.z thể hiện quy luật phân bố bậc nhất của trường nhiệt độ dừng; ở các độ sâu z, sĩng nhiệt độ sẽ giao động quanh K.z.
Theo các số liệu quan trắc phân bố nhiệt độ trong nền đất ở đài khí tượng Láng đã được phân tích ở [25] thì phân bố nhiệt độ trung bình trong nền đất thực tế khơng phải là hằng số mà cĩ dạng gần bậc nhất trong phạm vi chiều sâu tắt biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm. Điều thực tế đĩ càng chứng tỏ việc dùng nghiệm cĩ thành phần K.z là đúng đắn.
Việc xác định thơng số K trong nghiên cứu này cĩ xét đến ảnh hưởng của trường phân bố nhiệt độ dừng. Cĩ hai cách xác định:
Cách 1: Sử dụng kết quả cĩ sẵn về chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm [25]
Chiều sâu tắt biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm zmax = 0,4m thì hệ số K sẽ được xác định là:
K = t0,4m - ttb.mat (2.23)
0,4
Theo số liệu quan trắc của đài khí tượng Láng, với chuỗi số liệu 22 năm, hệ số K đã được lập cho từng tháng trong năm, tính theo cơng thức (2.23) (bảng 2.3).
Bảng 2.3. Giá trị thơng số K thay đổi theo từng tháng trong năm [24]
Tháng 1 2 3 4 5 6
Ktháng 3,75 0,25 2,0 -4,75 -7,75 -5,75
Tháng 7 8 9 10 11 12
Ktháng -4,50 -1,50 -0,75 0,00 3,25 4,75 Cĩ thể cĩ các phương án xử lý xác định K như sau:
Xác định Kngày.trungbình, nghĩa là trong (2.23) trị số t0,4 và ttbmặt được tính trung bình trong nhiều năm cho từng ngày, như vậy ta sẽ cĩ 365 trị số K tương ứng với 365 ngày của năm.
Xác định Ktháng.trungbình, nghĩa là trong (2.23) trị số t0,4 và ttbmặt được tính bằng nhiệt độ trung bình của tất cả các ngày trong tháng của tất cả các năm cĩ số liệu quan trắc và như vậy ta sẽ cĩ 12 trị số K tương ứng với 12 tháng của năm.
Kết quả tính tốn đối chiếu phân bố nhiệt độ trong đất ở đài khí tượng Láng khi dùng hệ số Kngày và hệ số Ktháng đối với nhiều trường hợp khác nhau (các ngày cụ thể
ở các tháng khác nhau) cho thấy: tính theo Kngày là phù hợp với thực tế quan trắc; sai số tính theo Ktháng so với Kngày đối với những ngày chuyển mùa là khá lớn nhưng đối với những ngày mùa nĩng thì lại nhỏ, đĩ là do trong những ngày mùa nĩng nhiệt độ trung bình mặt thay đổi ít trong phạm vi tháng hơn là trong những ngày chuyển mùa. Đặc biệt đối với những ngày thuộc tháng chuyển mùa như tháng 4, tháng 9, 10 thì đương nhiên sai số lớn vì ttbmặt thay đổi trong tháng càng lớn (trong khi nĩi chung t0,4 đối với một tháng là rất ít thay đổi theo ngày).
Cách 2: Sử dụng kết quả đo nhiệt độ trực tiếp tại các vị trí cố định theo chiều sâu tấm (biết được z), từ đĩ tính được K theo phương trình truyền nhiệt tổng quát (1.8)
Từ số liệu đo nhiệt độ ở từng độ sâu z nhất định t(z,T), xác định được:
ỉ w ư ỉ w ư
ç-z. ÷ ç ÷ (2.24)
K.z = t(z,T ) - ttb.mat - tn.max .expç ÷.cosçwT -z. ÷
è 2a ø è 2a ø
ỉ w ư ỉ w ư
t(z,T ) -t -t ç-z. ÷ çwT -z. ÷
n.max .exp .cos
÷
tb.mat ç ÷ ç
(2.25)
K = è 2a ø è 2a ø
z
Nhận xét: Việc tính tốn K theo phương pháp này đơn giản, đã được kiểm nghiệm theo điều kiện Hà Nội; tuy vậy, như đã trình bày trong nội dung tính Zmax, thì điều kiện thực tế tại các khu vực khác nhau, loại vật liệu khác nhau, loại kết cấu mặt đường khác nhau đều cĩ ảnh hưởng trực tiếp tới Zmax, kéo theo ảnh hưởng tới K.
Ngồi ra, trong những năm gần đây, nhiệt độ và các yếu tố mơi trường đều cĩ sự thay đổi rất mạnh (do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu).
Do vậy, trong đề tài này, kiến nghị tính tốn K theo cách thứ 2, là cách tính theo số liệu đo ở điều kiện thực tế.
2.2. Xác định thơng số của mặt đường BTXM từ kết quả đo HWD2.2.1. Xác định PCN 2.2.1. Xác định PCN
2.2.1.1. Xác định bằng tính tốn thủ cơng a. Cơng thức tính tốn cơ bản
Theo tiêu chuẩn ICAO cũng như tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành TCVN 11365:2016, cĩ hai phương pháp xác định trị số PCN là: (i) phương pháp xác định bằng tàu bay đang sử dụng, (ii) phương pháp kỹ thuật đánh giá PCN. Trong phạm vi của luận án, chỉ đề cập tới phương pháp kỹ thuật, sử dụng kết quả thí nghiệm từ thiết bị HWD.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này bắt đầu từ cơng thức Westergaard áp dụng cho trường hợp tải trọng đặt giữa tấm [25]:
0,3162W ỉ l ư
sc = ç4 lg +1,0693÷ (2.26)
h2 è b ø
Trong đĩ sc là ứng suất kéo uốn cho phép của bê tơng (KG/cm2); W là tải trọng gây ra ứng suất sc (KG), cũng chính là tải trọng bánh đơn tương đương; h là chiều dày tấm BTXM; l là bán kính độ cứng tương đối của tấm BTXM xác định theo (2.29); b là bán kính vệt bánh quy đổi của máy bay.
Việc đánh giá sức chịu tải PCN của mặt đường sân bay cũng được tiến hành theo phương pháp tính ngược, nghĩa là tìm giá trị của tải trọng W khi đã biết sc, l/b và h.
Từ tải trọng bánh đơn tương đương tính chuyển sang chỉ số phân cấp mặt đường PCN [43][44][62][63].
PCN = 2*W (2.27)
Như vậy, các số liệu đầu vào của phương trình xác định PCN theo phương pháp tính ngược cơng thức Westergaard là cường độ kéo uốn, mơ đun đàn hồi, chiều dày tấm BTXM, hệ số nền k, trong đĩ mơ đun đàn hồi và hệ số nền được tính tốn từ độ võng của tấm xác định bằng thiết bị HWD, thơng qua các bước trung gian sau:
b. Xác định hệ số AREA
Hệ số nền và mơ đun đàn hồi của tấm BTXM được tính tốn dựa trên hệ số AREA (AREA4 trong AASHTO-93). Ý nghĩa của AREA được thể hiện qua hình 2.6 [13]: