7 Cấu trúc của luận án
4.1. Thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm
4.1.1.3. Các thông số về vật liệu
Các thông số về vật liệu sử dụng cho (ME) gồm có các thơng số liên quan tới các loại vật liệu sử dụng trong xây dựng nền mặt đường, gồm có vật liệu cho lớp đất nền thượng, vật liệu móng gia cố/khơng gia cố, vật liệu BTN, BTXM… với các trường hợp kết cấu mặt đường tăng cường trên mặt đường hiện hữu thì cần phải tiến hành khảo sát thực địa mới có thể đánh giá và thu thập được dữ liệu phục vụ cho công tác thiết kế. Trong phạm
vi luận ánh chỉ đề cập tới các thông số về vật liệu cho đường mềm xây dựng mới. Các thông tin liên quan tới yêu cầu của việc thu thập thông số vật liệu cho mặt đường nâng cấp, mặt đường BTXM xin tham khảo [16], [46].
Với mặt đường BTN xây dựng mới, các thông số đầu vào vật liệu cần phải thu thập gồm:
Lớp đất nền thượng (Subgrade layer) và vật liệu không gia cố
Theo (ME) lớp đất nền thượng có thể là các loại đất theo phân loại của AASHTO từ loại đất A1 tới loại đất A-7-6. Trong đó, vật liệu khơng gia cố là các loại vật liệu theo phân loại của AASHTO M145 được phân loại từ nhóm A1 tới nhóm A3, các loại đá(sỏi) nghiền, sỏi suối/sông) hoặc các sản phẩm tái chế nguội khác. Các loại đất được phân loại thuộc các nhóm từ A1 tới A3 được đánh giá từ rất tốt tới tốt trong khi các loại đất phân loại theo các nhóm từ A4 tới A7 được đánh giá là từ khá tới rất xấu đối với công tác đắp nền. [16], [46], [74].
Giá trị mô đun đàn hồi (Mr) của lớp nền thượng/vật liệu không gia cố là một trong các thông số đầu vào quan trọng nhất của vật liệu nền đắp và các lớp móng đường. Với phiên bản (ME) hiện tại chỉ có hai mức độ yêu cầu cho Mr ở hai mức độ thiết kế khác nhau.
Mức độ đầu vào 2 (input level 2) cho phép xác định giá trị Mr từ thí nghiệm trực tiếp hoặc sử dụng các phương trình tương quan thực nghiệm giữa Mr với các thông số khác để xác định Mr của lớp đất nền thượng khi khơng có điều kiện thí nghiệm [46].
Mức độ đầu vào 3 (input level 3) : Các giá trị của Mr phụ thuộc vào các loại đất khác nhau được tích hợp sẵn vào trong phần mềm. Khi loại vật liệu đất nền được lựa chọn, phần mềm sẽ tự xác định giá trị của Mr tương ứng [46].
Các phương trình tương quan thực nghiệm giữa Mr và các thông số khác của đất, và phân loại đất theo [74] và giá trị Mr của vật liệu khơng gia cố tùy theo phân nhóm của loại vật liệu sử dụng cho phương pháp (ME) của Hoa Kỳ có thể tham khảo phụ lục 5. Các thông tin liên quan tới yêu cầu về vật liệu đầu vào của đất nền cho các mức thiết kế khác nhau như bảng 4.1a.
Bảng 4.1a: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16] Chỉ tiêu Mức 2 Mức 3
Mơ đun đàn hồi Mr Thí nghiệm AASHTO T307 Mặc định theo phân loại đất AASHTO
Cấp phối hạt Thí nghiệm AASHTO T 27 Mặc định theo phân loại đất AASHTO
Giới hạn Atterberg AASHTO T195 Mặc định theo phân loại đất AASHTO
Hệ số Poisson Mặc định của ME bằng 0.35 Mặc định của ME bằng 0.35 Hệ số áp lực bên Mặc định của ME bằng 0.5 Mặc định của ME bằng 0.5 Dung trọng khô lớn nhất AASHTO T180
Được tính tốn trong (ME) từ cấp phối hạt, chỉ số dẻo và giới hạn chảy.
Độ ẩm tối ưu AASHTO T180 Khối lượng riêng AASHTO T180 Độ dẫn nước bão hòa AASHTO T215 Thơng số đường đặc tính
nước ngầm Không áp dụng
Vật liệu gia cố
Vật liệu gia cố được được phân loại rộng rãi theo các giá trị cường độ và các tính chất nhiệt của vật liệu. (ME) yêu cầu các tính chất cường độ của vật liệu gia cố với mặt đường mềm khác với mặt đường cứng.
Các loại vật liệu gia cố cho kết cấu mặt đường mềm có thể gồm có các vật liệu hạt gia cố xi măng, gia cố vôi, sự kết hợp giá cố xi măng-vôi-tro bay. Việc sử dụng các loại vật liệu gia cố sẽ nâng cao tuổi thọ và chất lượng cho cơng trình. Các thơng số về cường độ có thể xác định trực tiếp trong phịng thí nghiệm hoặc thơng qua các phương trình tương quan liên quan tới các cường độ mẫu R7 (mẫu 7 ngày) hoặc R28 (mẫu thí nghiệm sau 28 ngày) đã được nghiên cứu ở Hoa Kỳ. Tính dẫn nhiệt và khả năng chịu nhiệt của vật liệu được lấy theo các giá trị mặc định của chương trình. Giá trị của hệ số pốt xơng với vật liệu gia cố thay đổi từ 0.15 tới 0.35 cho các loại vật liệu gia cố khác nhau [32], [44]. Các yêu cầu về tiêu chuẩn vật liệu, các chỉ tiêu cơ học của các mức thiết kế khác nhau (mức 1,2,3) và giá trị hệ số pốt xơng của vật liệu gia cố theo các hướng dẫn (ME) và nghiên cứu ở NCAT được tổng hợp trong từ bảng 4.26 tới bảng 4.30 [44] trong phụ lục 5.
Trong nghiên cứu của đề tài cấp bộ năm 2017 [16] đã đề xuất thông số vật liệu cho lớp móng gia cố như sau :
Đối với lớp đá gia cố xi măng, kiến nghị nghiên cứu sửa đổi tiêu chuẩn TCVN8819- 2011 : Quy định cường độ nén ở 7 ngày tuổi thay cho 14 ngày ; Quy định cường độ chịu kéo uốn thay cho cường độ ép chẻ ; Khống chế tỷ lệ xi măng không nên quá cao (nên nhỏ hơn hoặc bằng 5% khối lượng cốt liệu) để đảm bảo cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi chỉ vào khoảng 4.14-5.52MPa (600-800psi).
Vật liệu bê tông nhựa
Theo phiên bản cơ học thực nghiệm (ME Design V2.3) [46], vật liệu BTN có 3 mức thiết kế (1, 2,3) với hai nhóm thơng số đầu vào chủ yếu :
Thể tích hỗn hợp (dung trọng, thể tích có hiệu
của bitume (Vbeff), độ rỗng dư (Va), hệ số pốt xơng (lấy theo giá trị mặc định nếu ở mức thiết kế 3 và tính tốn theo |E*| của BTN nếu ở mức 2).
Các tính chất cơ học : Gồm các mức lựa chọn 1 (nhập trực tiếp kết quả thí nghiệm |E*| vào chương trình), lựa chọn 2 (giá trị |E*| sẽ được phần mềm tính tốn theo tính chất của vật liệu bitum được thí nghiệm tại phịng thí nghiệm và cấp phối thiết kế sử dụng trong hỗn hợp BTN), mức 3 (giá trị |E*| được xác định theo nhóm bitum đã lựa chọn và cấp phối thành phần hạt sử dụng trong thiết kế hỗn hợp BTN).
Ngoài ra, các ứng xử từ biến, cường độ kéo gián tiếp, tính chất nhiệt (tính dẫn nhiệt, truyền nhiệt, co ngót do nhiệt đặc trưng bởi hệ số co ngót nhiệt của BTN) là các thông số đầu vào cũng được yêu cầu đối với vật liệu BTN. Trong đó, cả ứng xử từ biến và kéo gián tiếp cũng gồm 3 mức thiết kế (1,2,3) như đối với |E*|. Với ứng xử từ biến mức 1 yêu cầu thí nghiệm trực tiếp với các nhiệt độ (-20oC, -10oC và 0oC), mức 2 yêu cầu thí nghiệm từ biến tại -10oC và mức 3 giá trị từ biến của BTN được tính tốn thơng qua các thơng số đầu vào khác. Cịn với cường độ kéo gián tiếp (mức 1 và 2) yêu cầu thực hiện ở (-10oC) và mức 3 thì tính tốn thơng qua các thơng số khác có liên quan tới BTN.
Vật liệu bitum
Với vật liệu bitum ở mức thiết kế 1 và mức thiết kế 2 có hai sự lựa chọn hệ thống phân loại bitum trong chương trình gồm lựa chọn theo Superpave (Superpave Performance Grade) và hệ thống phân loại theo độ kim lún/độ nhớt (Penetration/Viscosity Grade) [46].