CHƯƠNG 1. MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE
1.2. CÁC HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.2. Các mô hình nghiên cứu dự báo lún vệt bánh xe của BTN tại Việt Nam và trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa trong phòng và hiện trường. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe tại hiện trường và có không nhiều các mô hình dự báo trong phòng thí nghiệm.
1.2.2.1. Một số nghiên cứu về mô hình dự báo bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm
Nghiên cứu của Đại học công nghệ Baghdad, Irắc [10]
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, số lượt tải tác dụng, hàm lượng nhựa, loại bột khoáng sử dụng đến độ sâu VHBX đã cho các kết quả sau:
+ Khi nhiệt độ thử nghiệm tăng từ 30˚C đến 60˚C thì độ sâu VHBX tăng 7 lần;
+ Độ sâu VHBX tăng khoảng 35% khi hàm lƣợng nhựa thay đổi từ 4.25% đến 4.75%
và tăng khoảng 45% khi hàm lƣợng nhựa tăng từ 4.75% đến 5.25%;
+ Khả năng kháng HLVBX của BTN sử dụng bột khoáng là xi măng tốt hơn so với dùng bột khoáng là bụi đá vôi;
+ Nghiên cứu đã phát triển một mô hình dự đoán độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN trong điều kiện thử nghiệm (nhiệt độ và tải trọng lặp lại) và tính chất của hỗn hợp (hàm lượng nhựa và loại bột khoáng) theo phương trình tương quan:
Ln(RD) = -6.592 + 0.84LogN + 0.066T + 0.462AC – 0.281FT Trong đó: RD – độ sâu VHBX của BTN (mm)
N – số lần lặp lại của tải trọng tác dụng;
T – nhiệt độ thử nghiệm (˚C);
AC – hàm lƣợng nhựa (%);
FT – Loại bột khoáng sử dụng (FT=1 đối với xi măng và FT = 0 đối với bột đá vôi).
Nghiên cứu của Đại học Nottingham – Anh Quốc [6]:
Nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm Wheel Tracking đối với mẫu BTN đƣợc chế bị với kích thước 306x306 (mm) sau đó 4 mẫu khoan được lấy từ mẫu vừa thí nghiệm VHBX (Hình 1.11) để thực hiện thí nghiệm RLAT (Repeated Load Axial Test).
Hình 1.11: Mô phỏng mẫu thí nghiệm RLAT
RLAT là thí nghiệm dùng để tính toán biến dạng vĩnh cửu xảy ra trong một mẫu thí nghiệm dưới tác dụng của một ứng suất 300 (kPa) và tải trọng lặp lại 5000 chu kỳ. Hình ảnh thiết bị thí nghiệm nhƣ Hình 1.12.
Hình 1.12: Thiết bị thí nghiệm RLAT [6]
Trong thí nghiệm này, mẫu thử s trải qua 3 giai đoạn làm việc (Hình 1.13) bao gồm:
giai đoạn sơ cấp, thứ cấp, và giai đoạn thứ ba. Trong giai đoạn sơ cấp, biến dạng vĩnh cửu tích tụ và tăng lên nhanh chóng sau đó đạt tới một giá trị không đổi s chuyển sang giai đoạn thứ 2 (thứ cấp). Giai đoạn 2, tốc độ biến dạng của mẫu đƣợc giữ ổn định và sau đó tăng lên nhanh chóng rồi chuyển sang giai đoạn thứ 3. Số liệu về biến dạng tích lũy cuối cùng s được dùng để phân tích ở các bước tiếp theo.
Hình 1.13: Ba giai đoạn làm việc của mẫu thí nghiệm RLAT [6]
Kết quả của thí nghiệm RLAT tiếp tục đƣợc sử dụng để tính toán trị số biến dạng tương đối (ε) và giá trị độ nhớt của hỗn hợp (η). Các thông số này s được đưa vào phần mềm BISAR theo dạng mô hình 3 lớp (Hình 1.14) để tiến hành phân tích và cho ra kết quả dự đoán chiều sâu VHBX của mẫu thí nghiệm. Hình 1.15 là kết quả phân tích của phần mềm BISAR từ các dữ liệu thu đƣợc từ thí nghiệm RLAT so với kết quả thử nghiệm VHBX thực tế.
Hình 1.14: Mô hình 3 lớp trong phần mềm BISAR
Hình 1.15: Biểu đồ dự báo độ sâu VHBX thông qua dữ liệu thí nghiệm so với thí nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking
1.2.2.2. Các mô hình dự báo bằng thực nghiệm hiện trường
Phương pháp đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường thông qua tiêu chuẩn lún vệt bánh xe:
Quan hệ giữa tuổi thọ do LVBX kết cấu Nf2 (lần) với biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường εc (m/m) được thể hiện theo công thức sau:
5
2 4
f
f c
N f Trong đó:
Nf2 - tuổi thọ do LVBX kết cấu;
εc - biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường;
f4, f5 lần lượt là các hệ số hồi quy, phụ thuộc vào loại vật liệu, môi trường tác dụng, điều kiện tải trọng và giới hạn mức độ phá hoại. Các hệ số hồi quy có thể đƣợc xác định theo các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (xem Bảng 1.2).
Tiêu chuẩn giới hạn LVBX phải nhỏ hơn 0,4 – 0,5 inch (1.27cm) [1]
Bảng 1.2: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại LVBX [1]
TT Trung tâm nghiên cứu f4 f5 LVBX
1 Asphalt Institute (AI) 1.365x10-9 4.477 0.5 in
2
Shell Research – R=50% 6.150x10-7 4.000 0.5 in
Shell Research – R=85% 1.940x10-7 4.000 0.5 in
Shell Research – R=95% 1.050x10-7 4.000 0.5 in
3 US. Army Corps of Engineers 1.807x10-15 6.527 0.5 in 4 Transport and Road Research Laboratory 1.130x10-6 3.570 0.5 in 5 UK. Transport & Road Research
Laboratory – R=85% 6.180x10-8 3.950 0.4 in
6 Belgian Road Research Center 3.050x10-9 4.350 0.4 in
7 CHEVRON 1.337x10-9 4.484 0.5 in
Phương pháp thiết kế cơ học thực nghiệm [14]
Phương pháp thiết kế cơ học - thực nghiệm (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide - MEPDG) đã đƣa ra mô hình dự báo LVBX của các lớp BTN, các lớp móng và nền đường có xem xét đến tải trọng trục xe, các đặc tính cơ học của vật liệu BTN, vât liệu móng và nền đường. Theo phương pháp này, biến dạng vĩnh cửu (hay LVBX) của một kết cấu tổng thể là tổng biến dạng vĩnh cửu của từng lớp kết cấu riêng biệt và đƣợc biểu thị tại công thức sau [14]:
1
( )
n i
p i
i
PD h
Trong đó:
PD - biến dạng vĩnh cửu (hay độ sâu LVBX) của toàn bộ kết cấu mặt đường;
n - tổng số lớp của kết cấu mặt đường;
i
p - tổng các biến dạng dẻo (plastic strain) trong lớp kết cấu thứ i;
hi - chiều dày của lớp kết cấu thứ i.
Đối với biến dạng vĩnh cửu (LVBX) xét riêng cho lớp BTN. Các nghiên cứu đã đƣợc tiến hành có xét đến các đặc tính của hỗn hợp BTN trong cả quá trình thiết kế và khai thác và đƣợc thể hiện qua công thức thực nghiệm sau (R2=0.76) [14]:
6.631 0.435log 2.767 log 0.110log 0.118log 0.9 30logV 0.5011log
p
be a
r
Log N T S V
Trong đó:
p - biến dạng dẻo tích lũy tại lần lặp lại thứ N của tải trọng (in/in);
r - biến dạng đàn hồi của vật liệu nhựa, là một hàm của đặc tính hỗn hợp, nhiệt độ và tỷ lệ thời gian tác dụng tải (in/in);
N - số lần lặp lại của tải trọng;
T - nhiệt độ của mặt đường (˚F);
S - độ lệch ứng suất (Psi);
η - độ nhớt tại 70˚F (10-6 poise);
Vbe - hàm lƣợng nhựa có hiệu (%);
Va - độ rỗng dƣ (%).
Nhƣ vậy, theo công thức trên, biến dạng lún vệt bánh xe là một hàm của tải trọng, số lần tác dụng của tải trọng, chiều dày kết cấu, đặc tính của hỗn hợp BTN và nhiệt độ môi trường.
Mô hình dự đoán PEDRO
Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của các biến số giao thông đến sự hình thành LVBX trong BTN. Độ sâu LVBX đƣợc xác định qua công thức [15]:
Trong đó: εp - biến dạng theo phương thẳng đứng (μm/m) ζ0 - áp lực bánh xe (Pa)
α - bán kính vùng tác dụng (m) ν - hệ số Poisson
z - độ sâu tính từ mặt đường (m) V - tốc độ dòng xe (m/s)
ηA - độ nhớt của hỗn hợp BTN (Pa.s). Đại lƣợng này đƣợc tính nhƣ một hàm của mô đun cắt và góc pha bằng cách thí nghiệm mẫu BTN bằng thử nghiệm quét tần số.
x - khoảng cách từ trọng tâm tải trọng (m) i - số ảo
Phương pháp do Hiệp hội đường cao tốc (FHWA) đề xuất từ chương trình nghiên cứu chiến lược đường ô tô (Hoa Kỳ):
Theo phương pháp này, mỗi dạng LVBX được theo dõi, đánh giá và số liệu thu được s đƣợc xử lý bằng kỹ thuật hồi quy tuyến tính để xác định sự khác nhau giữa các loại tổ hợp kết cấu mặt đường và các điều kiện của hiện trường thử nghiệm. Kết quả nghiên cứu là các phương trình hồi quy chỉ ra quan hệ giữa LVBX với các biến số độc lập là chiều dày lớp mặt đường, vùng nhiệt độ, điều kiện độ ẩm và mô đun mặt đường. Phân loại các dạng LVBX để theo dõi phát triển hư hỏng mặt đường [1] [16].
Phương pháp của Shell sử dụng chương trình SPDM (Shell Pavement Design Manual) [1]
Chương trình SPDM là chương trình độc lập dùng để tính toán LVBX xảy ra trong lớp BTN. Đối với các vệt lún sâu bao gồm cả lún của lớp móng và nền đường không tính toán được bằng chương trình này. Phần lún do biến dạng không hồi phục của đất nền đƣợc xem nhƣ là không đáng kể.