TÍNH TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TĨNH
2.5. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT TRONG LỚP BÊ TÔNG NHỰA
Trong kết cấu mặt đường mềm, các lớp vật liệu bê tông nhựa được bố trí trong các lớp trên của tầng mặt, trực tiếp nhận tải trọng từ bánh xe truyền xuống. Tải trọng bánh xe tác dụng xuống mặt đường, ngoài tải trọng tác dụng theo phương đứng, ở các vị trí nút giao, tại các các bãi đỗ là các khu vực thường xuất hiện lực ma sát theo phương ngang do hãm phanh gây ra. Khi chịu tác dụng của tải trọng phức tạp như vậy, trong các lớp bê tông nhựa, có thể xuất hiện các ứng suất cắt trượt. Khi giá trị ứng suất cắt trượt, vượt quá cường độ chống cắt của vật liệu bê tông nhựa, sẽ xuất hiện các biến dạng trượt dạng sóng hoặc dạng vệt hằn bánh xe. Tại mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu, khi ứng suất cắt trượt vượt quá lực dính bám giữa các lớp, có thể gây bóc tách lớp vật liệu phía trên.
Biến dạng trượt là hiện tượng hư hỏng khá phổ biến hiện nay của kết cấu mặt đường mềm, nhất là đối với vùng khí hậu có nhiệt độ cao như ở Việt Nam, khi đó cường độ chống cắt của vật liệu bê tông nhựa có giá trị thấp.
τam≤τcp, (2.55) với τam- ứng suất cắt hoạt động do tải trọng tĩnh bánh xe gây ra;
τcp - lực dính cho phép của vật liệu bê tông nhựa:
τcp =kC, (2.56)
k- hệ số, xét đến đặc trưng dính bám của nhựa bi tum với các loại cốt liệu khác nhau và điều kiện làm việc của kết cấu, xác định bằng thực nghiệm;
C- lực dính cho phép của vật liệu bê tông nhựa, xác định bằng thực nghiệm. Giá trị hệ số k và lực dính cho phép C có thể tham khảo theo quy trình thiết kế của Nga dưới đây:
Loại cốt liệu Hệ số k Lực dính cho phép C,
Mpa
Cốt liệu hạt lớn 1,6 0,3/0,27
Cốt liệu hạt trung 1,3 0,29/0,25
Cốt liệu hạt nhỏ 1,1 0,27/0,24
Cốt liệu cát 0,9 0,25/0,23
• Tử số lấy cho hỗn hợp bê tông nhựa nóng, mẫu số – bê tông nhựa ấm.
Khi tính ứng suất cắt trượt lớp bê tông nhựa, người ta bỏ qua ứng suất cắt hoạt động do trọng lượng bản thân lớp bê tông nhựa gây ra.
Khi không thỏa mãn điều kiện (2.55), cần có giải pháp kỹ thuật xử lý. Thường chọn loại vật liệu lớp mặt có cường độ chống cắt cao hơn hoặc thay đổi chiều dày lớp mặt bê tông nhựa. Khi có cả lực theo phương đứng và lực ngang do phanh bánh cùng tác dụng, sẽ làm gia tăng đáng kể ứng suất cắt trong lớp vật liệu bê tông nhựa.
Để tiện trong tính toán áp dụng, trong quy trình thiết kế trong quy trình thiết kế mặt đường BCH 46-83, trình bày tính toán chỉ tiêu ứng suất cắt trong lớp bê tông nhựa chiuju tác dụng của tải trọng tĩnh, bằng phương pháp biểu đồ, thể hiện trên hình 4.18.
Trên trục hoành thể hiện tỉ số tổng chiều dày các lớp bê tông nhựa H trên đường kính vệt bánh quy đổi D. Trên đường cong thể hiện tỉ số mô đun đàn hồi (trong tính toán, quy định tính theo mô đun đàn hồi động) lớp bê tông nhựa trên mô đun đàn hồi chung lớp móng và nền. Ứng suất cắt hoạt động nhận được bằng cách, từ giá trị tương ứng trên trục tung, nhân với áp lực tác dụng xuống mặt đường. Khi tính toán chỉ tiêu ổn định trượt, mô đun đàn hồi bê tông nhựa được lấy ở nhiệt độ cao nhất, khi đó lực dính của bê tông nhựa có giá trị nhỏ, ở điều kiện khí hậu của Việt Nam, có thể lấy ở 600C.
Hình 2.17. Toán đồ xác định ứng suất cắt hoạt động trong lớp bê tông nhựa Để không xảy ra hiện tượng bóc tách tại mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu dính kết, có thể tính toán theo công thức sau:
τtx ≤τ0, (2.58)
Trong đó: τtx- ứng suất tiếp tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp, được xác định theo công thức Mednicov (1983):
τtx =C3(u1−u2), (2.59) với C3- hệ số nền thứ 3 (mô đun chống trượt), xác định theo mục 1.1.3;
u1,u2- tương ứng là chuyển vị ngang tại đáy lớp trên và mặt lớp dưới tại bề mặt tiếp xúc;
τ0- cường độ dính bám cho phép tại bề mặt tiếp xúc, xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc loại vật liệu dính bám và đặc trưng bề mặt các lớp.
Trùng phục của tải trọng làm suy giảm sức kháng trượt của lớp BTN, do đó dẫn đến độ bền mỏi do trượt của vật liệu suy giảm, gây biến dạng dẻo, gây hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường. Để đánh giá ảnh hưởng của sự trùng phục tải trọng, phương pháp tính tương tự như đối với trường hợp không xét trùng phục , chỉ khác là trong vế trái của công thức, cần tính đến lưu lượng trục xe. Sau mỗi lần tác dụng của tải trọng, biến dạng dẻo tuy chưa đạt đến mức gây trượt lớp vật liệu, nhưng nó tạo ra các vi biến dạng dẻo. Sau
nhiều lần trùng phục tải trọng, sẽ liên kết các vi biến dạng dẻo thành các biến dạng lớn, gây ra trượt trong lớp vật liệu. Như vậy, nếu chỉ tính biến dạng dẻo do một lần tác dụng của tải trọng gây ra như nêu trong quy trình ODN 218-046-01, sẽ không phản ảnh sát điều kiện làm việc thực của lớp vật liệu.
Ở đây, kiến nghị áp dụng công thức của quy trình thiết kế Belaruss (Minck 2002). Từ công thức (2.56), có xét trùng phục tải trọng, ta có công thức sau:
ax
m tgС tt
τ ≤ σ ϕ+ , (2.60)
với τmax- ứng suất cắt tính toán lớn nhất do tải trọng tĩnh bánh xe gây ra;
σ - ứng suất pháp tại mặt cắt có ứng suất cắt lớn nhất;
ϕ- góc ma sát trong của asphalt;
Ctt- lực dính của bê tông asphalt, khi xét hiện tượng mỏi của vật liệu do trùng phục tải trong, lực dính cho phép có thể được tính theo công thức:
tt
m cd
C Ck
= k k , (2.61)
với: C - lực dính của bê tông asphalt, xác định bằng thí nghiệm mẫu;
k - hệ số chuyển đổi, lấy bằng 0,8;
kcđ - hệ số cường độ mặt đường, lấy theo cấp mặt đường theo quy trình;
km - hệ số mỏi, xét đến trùng phục tải trọng, phụ thuộc độ lớn tải trọng trục tính toán và lưu lượng tích lũy trục tải trọng, có thể sử dụng công thức gần đúng sau:
km = +A B N. tt (2.62)
trong đó các hệ số đàn hồi:
A = 0,727 + 0,0191P;
B = - 0,0544 + 0,0061P;
P - tải trọng trục xe tính toán tiêu chuẩn,T;
Ntt - lưu lượng tính toán, tính bằng Nqđ.10-2, với Nqđ là lưulượng trục xe quy đổi ng/đ ứng với tải trọng trục P (T).