Đ9.1. CÁC TIÊU CHUẨN VỀ CƯỜNG ĐỘ MẶT ĐƯỜNG MỀM Sự biến dạng của mặt đường sân bay mềm là kết quả biểu hiện của một loạt các quá trình xảy ra đồng thời cùng hoặc kế tiếp nhau (hình 9.1). Nền đất bị ép nén dưới tải trọng trong các giới hạn của vùng hoạt động, do vậy đã xảy ra lún của mặt đường đến một độ lớn στ với sự hình thành một vài bề mặt cong được gọi là “chậu võng”. Mặt đường có độ cứng và bề dày càng lớn, thì áp lực của tải trọng bên ngoài được phân bố trên một diện tích mặt càng lớn và do đó các ứng suất ứng truyền tới nền đất càng nhỏ.
Hình 9.1. Biến dạng khi phá hoại mặt đường mềm sân bay
Dưới tác dụng của tải trọng sẽ diễn ra sự ép nén vật liệu mặt đường còn ở phần dưới của các lớp kết cấu là sự kéo căng. Khi giới hạn độ bền của vật liệu trong mặt đường hay trong các lớp nền đường tăng lên bởi các ứng suất kéo thì sẽ hình thành các vết nứt. Theo chu vi phần tiếp xúc của tải trọng với mặt đường có các ứng suất cắt tác động, và khi có các tải trọng lớn sẽ gây ra vỡ hỏng mặt đường, có khi còn đâm thủng một phần mặt đường nằm dưới tải trọng có dạng hình nón cụt rộng. Trong các nền đường làm bằng các vật liệu không dính kết và có độ bám dính kết ít (như sỏi, cát, đá dăm) và trong nền đất đệm khi có sự tăng lên của lực bám do ứng suất tiếp tuyến thì có xuất hiện các hiện tượng trượt dẻo, mà sự phát triển của chúng dẫn đến mất độ bền vững.
Khi có sự tác động lặp lại trên mặt đường mềm của các tải trọng khác nhau, mà chúng được truyền qua các diện tích mặt như nhau, thí dụ khi máy bay đi qua lại nhiều lần theo cùng một vệt bánh xe, thì đường cong tăng lên của độ võng mặt đường theo mức độ chất tải phụ thuộc vào các tải trọng có thể tương ứng với một trong số đường cong được nêu ra trên hình 9.2.
154 • TKM§BTXM
Hình 9.2. Biến dạng đường khi gia tải nhiều lần liên tục
Nếu các tải trọng ứng độ bền theo tính toán của mặt đường, hoặc nhỏ hơn tải trọng tính toán, còn lớp đất nền đường đã được đầm lèn chặt thì mặt đường chỉ còn chịu sự võng đàn hồi. Ở thời kỳ đầu tiên sau khi đưa đường băng vào khai thác, khi đó xảy ra ổn định cuối cùng, mặt đường có thể nhận biến dạng dư liên quan tới việc đầm lèn chặt bổ sung và nó nhanh chóng chấm dứt. Và tiếp theo đó mặt đường chỉ là các biến dạng đàn hồi (đường cong I).
Khi có tải trọng lớn hay là khi sự giảm đi theo thời gian cường độ của đất (vào thời kỳ mùa xuân hay mùa thu) chúng sẽ xuất hiện các biến dạng dẻo nhỏ được tích luỹ dần dần (đường cong II). Nếu tổng cộng của chúng sau thời kỳ đã làm suy yếu mặt đường vượt quá trị số cho phép nào đó, mặt đường sẽ bị phá hoại (đường cong III).
Như vậy cường độ mặt đường phụ thuộc vào độ võng cho phép giới hạn và phụ thuộc vào số lượng các lần đặt tải trọng trong thời kỳ giảm yếu của đất. Khi có các tải trọng rất lớn hay là khi cường độ của đất bị giảm đi, tích luỹ bắt đầu gia tăng lên rất nhanh và cuối cùng xảy ra sự phá huỷ hoàn toàn mặt đường.
Đường cong quan hệ độ võng của mặt đường mềm sân bay với tải trọng động thể hiện trên hình 9.3. Tính chất biến dạng mặt đường phụ thuộc vào đoạn đường cong đã diễn ra sự làm việc của mặt đường và phụ thuộc vào tỉ số giữa tải trọng động và tải trọng đã gây ra sự phá huỷ làm hư hỏng mặt đường. Khi tải trọng nhỏ, độ võng uốn cong tỉ lệ thuận với các tải trọng gọi là làm việc ở giai đoạn đàn hồi.
Sau khi dỡ tải các biến dạng bị mất hoàn toàn và còn một ít biến dạng dư không đáng kể mà thông thường là có liên quan đến việc đầm lèn, bổ sung thêm của mặt đường và của nền đất đệm lót.
Khi tăng tải trọng đã làm sinh ra các biến dạng, chúng tỉ lệ thuận với các tải trọng.
Mặt đường ở giai đoạn này được gọi là giai đoạn bền đối đối với tải trọng. Ở giai đoạn này thường xảy ra ở các mặt đường sân bay và các áo đường cấp cao.
Nếu tiếp tục tăng tải trọng, ở trong nền đất và mặt đường phát sinh các biến dạng trượt, mà chúng ta còn chưa nhận thấy rõ khi ta quan sát xem xét bề ngoài. Nhưng
I II
III Số lần đặt tải
Độvõngcủamặtđ−ờng I
II
III Số lần đặt tải
Độvõngcủamặtđ−ờng
http://www.ebook.edu.vn TKM§BTXM •155 chúng đã phá vỡ tính tỉ lệ của tải trọng và của biến dạng. Trước đây đối với sự hoạt động ở giai đoạn này người ta đã tính đến các mặt đường ở trên các sân bay khi cho phép có sự tích luỹ nhỏ các biến dạng ở thời kỳ của mùa thu, mùa xuân có quá ẩm ướt ở các nền đất. Ở cuối giai đoạn này cường độ quy ước trong mặt đường đã thể hiện hiện rõ các vết rạn nứt, mặc dù nó vẫn còn bảo đảm được tỉ lệ đáng kể về sức chịu tải.
Hình 9.3. Đường cong quan hệ độ võng của mặt đường mềm với tải trọng động tác dụng
1. Giai đoạn bền 2. Giai đoạn bền quy ước 3. Giai đoạn phá hoại
Giai đoạn bị phá huỷ hư hỏng của mặt đường được bắt đầu sau khi đã bị lõm lún xuống cùng với độ rạn nứt trên đoạn đường này (0,8 – 1,2)D. Tính từ mép cạnh ngoài rìa của bàn nén truyền tải trọng (D là đường kính của bàn nén mẫu).
Các cuộc thử nghiệm xảy ra nhiều lần với các tải trọng để làm thí nghiệm của các mặt đường mềm trên các sân bay và đường ôtô với các tấm ép có đường kính khác nhau đã chỉ ra quan hệ giữa độ võng tới hạn tương đối của mặt đường đã bị hư hỏng lõm lún xuống theo quan hệ sau đây:
5 . 2
E0
E D aarctg h D
md td = δ =
λ
Trong đó: h là bề dày mặt đường.
D là đường kính bàn nén truyền tải trọng.
a là hệ số phụ thuộc vào dạng loại mặt đường. Đối với giai đoạn cuối của giai đoạn bền, với mặt đường bêtông nhựa a = 0.03; đối với mặt đường đá dăm có gia cố các vật liệu dính kết hữu cơ thì a = 0,035. Khi nền đất gia cố chất dính kết thì a = 0,04. Đối với giai đoạn cường độ quy ước, phụ thuộc vào môđun biến dạng của vật liệu mặt đường thì hệ số a có thể chiếm từ 0,055 đến 0,07.
Độvõngcủamặtđ−ờng
Tải trọng P
1 2
3
Độvõngcủamặtđ−ờng
Tải trọng P
1 2
3
156 • TKM§BTXM
Việc sử dụng các máy bay hiện đại có tải trọng lớn như máy bay siêu âm Boing hạng nặng… đã làm tăng các yêu cầu đối với việc đảm bảo an toàn cho các chuyến bay.
Vì vậy hiện nay việc thiết kế các mặt đường sân bay đang được thực hiện dựa theo các điều kiện làm việc của chúng ở trong giai đoạn đàn hồi, không cho phép các tích luỹ tích tụ các biến dạng dẻo. Các phương pháp này về nguyên lý gần giống với phương pháp khi ta thiết kế các đường ôtô nhưng chúng lại đơn giản hơn. Bề dày chung của mặt đường được người ta chọn từ các điều kiện khi ta tính toán về độ trùng phục của tải trọng thì độ chỗ võng đàn hồi không vượt quá trị số đã cho phép giới hạn, còn ở trong các lớp kết cấu làm bằng vật liệu đá đã được gia cố chất dính kết thì các ứng suất kéo căng ra không bị vượt quá các trị số cho phép. Cách tính toán được xem là cơ bản nhất đó là tính toán về độ võng đàn hồi của các mặt đường, mà nó đặc trưng cho ứng suất cho phép của toàn bộ kết cấu có nhiều lớp đối với các tải trọng.
Đ2.9. TÍNH TOÁN VỀ BỀ DÀY CỦA MẶT ĐƯỜNG (THEO ĐỘ VÕNG ĐÀN HỒI GIỚI HẠN CHO PHÉP)
Theo quan điểm của cơ kết cấu thì mặt đường sân bay là hệ nhiều lớp, các lớp có độ cứng khác nhau, chúng nằm ở trên nền đất được xem như là bán không gian đàn hồi đẳng hướng.
Việc truyền áp lực, lún và nén từng lớp riêng biệt của hệ nhiều lớp phụ thuộc vào bề dày và môđun đàn hồi của chúng, cũng như vào khả năng chuyển dịch của lớp này theo lớp kia trong quá trình biến dạng. Đối với các vật liệu biến dạng phi tuyến tính không đồng nhất, bao gồm các lớp kết cấu đa dạng của mặt đường sân bay (như bêtông át phan, đá dăm đầm lèn chặt...) hiện nay ta vẫn chưa tìm ra được lời giải tối ưu về mặt lý thuyết, mà chúng cho phép tính toán với độ chính xác cao các ứng suất truyền đến các nền đất. Vì vậy, với một vài giả thuyết, khi tính toán mặt đường người ta dựa trên các định luật phân bố ứng suất trong môi trường có nhiều lớp mà chúng đã được giải trong lý thuyết đàn hồi.
Việc ứng dụng các sơ đồ này cho các mặt đường được chứng minh là khi độ võng nhỏ thì chúng biến dạng như vật liệu biến dạng tuyến tính. Cùng với tính chất phức tạp của bài toán nghiên cứu, ta chưa có các cách giải quyết mà mới chỉ giải quyết cho một số trường hợp riêng biệt. Tính chất khó khăn phức tạp của bài toán tăng lên cùng với sự tăng lên số lượng các lớp đang xem xét. Vì vậy phần lớn các giải pháp đã được công bố thuộc về hệ hai lớp, mà ở đó lớp trên cùng có môđun đàn hồi lớn hơn so với lớp đệm bán không gian đàn hồi đẳng hướng.
Các kết cấu của các mặt đường sân bay rất đa dạng phong phú. Để đảm bảo cân bằng bền vững và khả năng so sánh các phương án khác nhau về độ bền vững người ta đánh giá chúng bằng môđun đàn hồi tương đương– là môđun của bán không gian đồng nhất, mà khi có tải trọng tính toán tác dụng thì đều có sự biến dạng giống như mặt đường nhiều lớp. Môđun đàn hồi tương đương về mặt lý thuyết của kết cấu đã chọn của mặt đường sân bay được xác định theo toán đồ được lập ra trên cơ sở nghiên cứu về các ứng suất và các biến dạng trong hệ hai lớp (hình 9.4) của Giáo sư B.I Kôgan.
Toán đồ chỉ ra giá trị môđun đàn hồi của lớp trên và lớp dưới E1 và E2, chiều dày tương đối của lớp trên h/D và giá trị môđun đàn hồi tương đương của cả hệ hai lớp Etđ. Biết 4 trong các giá trị trên có thể tìm giá trị thứ 5 theo toán đồ.
http://www.ebook.edu.vn TKM§BTXM •157 Thí dụ: Khi biết được bề dày của mặt đường là h và môđun biến dạng của nó là E1, môđun đàn hồi của nền đất lót đệm là E2 và đường kính của diện tích mặt hình vòng tròn theo tính toán là D, mà từ đó tải trọng truyền qua mặt đường đến nền đất dưới, để xác định môđun đàn hồi tương đương của hệ hai lớp là mặt đường – nền đất người ta thực hiện các thao tác sau đây:
Đầu tiên người ta xác định đường kính vòng tròn, mà qua nó tải trọng được truyền xuống mặt đường. Người ta tính toán theo vệt lốp xe khi có tải trọng tác dụng lên bánh xe, được tăng thêm hệ số ảnh hưởng của các bánh xe còn lại của trụ đỡ. Kết cấu nhiều lớp của mặt đường khi xác định môđun đàn hồi tương đương được thay thế bằng một lớp có chiều dày H, bằng tổng chiều dày của các lớp, còn môđun đàn hồi của nó được lấy bằng Etb theo công thức 9.1 bao gồm cả lớp trên, và lớp đất đắp của nền:
Hình 9.4. Toán đồ để xác định môdun đàn hồi tương đương của hệ hai lớp Etđ (các số trên các đường cong biểu thị tỷ số của môđun tương đương đàn hồi của hệ hai lớp với môđun đàn hồi của lớp trên: Etđ/E1 )
...
...
3 2 1
3 3 2 2 1 1
+ + +
+ +
= +
h h h
h E h E h
Etb E (9.1)
158 • TKM§BTXM
Trên trục tung (hình 9.4) tìm điểm tương ứng tỷ lệ E2/Etb; còn trên trục hoành lấy giá trị tỷ lệ H/D. Hạ từ các điểm đó các đường vuông góc, xác định nội suy giá trị đường cong trên toán đồ, mà nó đi qua điểm giao nhau các đường vuông góc. Từ tỷ lệ
Ψ=Etđ/E1, ta có thể xác định giá trị Etđ = ΨE1 cần tìm.
Hình 9.5. Sơ đồ để xác định các môđun tương đương (môđun chung) của mặt đường sân bay gồm có:
a) Khi xác định hệ số ảnh hưởng của các bánh xe bên cạnh;
b) Xác định ứng suất kéo uốn trong bê tông atphal.
1. Bê tông atphal 2. Lớp đá gia cường 3. Đá không được gia cường;
4. Lớp trên nền đường 5. Nền đất tự nhiên.
Trong đó: E1;E2;E3... môđun đàn hồi tính toán của các lớp kết cấu riêng biệt với chiều dày tương ứng h1, h2, h3;
Độ biến dạng của lớp bán không gian đồng nhất khi có tác dụng của tải trọng tính toán có thể tính theo công thức Busineska đối với độ võng của bề mặt lớp bán không gian đàn hồi đẳng hướng do tải trọng được phân bố đều theo hình tròn:
Etd
qD(1 μ2)
δ = −
Trong đó: q – Áp lực trong lốp bánh xe máy bay tính toán
D – Đường kính của hình tròn tiếp xúc mặt đường của bánh xe tính toán
μ– Hệ số Poát xông của các vật liệu làm mặt đường (μ =0,25−0,35) Có thể lấy theo công thức:
http://www.ebook.edu.vn TKM§BTXM •159 Etd
qD 9 ,
= 0 δ
Cường độ trong kết cấu đã chọn của mặt đường sân bay sẽ được đảm bảo nếu độ võng tương đối theo tính toán λp =δ /D=0,9q/Эtd nhỏ hơn độ võng tiêu chuẩn cho phép lớn nhất của mặt đường, được xác định theo thí nghiệm mặt đường sân bay và trên cơ sở các thí nghiệm chuyên môn, có tính đến hệ số điều kiện làm việc của các khu vực khác nhau của sân bay k.
gh
p k λ
λ ≤ (9.2)
Trong đó: λp – Độ võng tương đối giới hạn của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng;
λgh – Độ võng tiêu chuẩn cho phép của mặt đường lấy theo quy định;
k – Hệ số điều kiện làm việc của các khu vực khác nhau của sân bay;
Etđ – Môđun đàn hồi tương đương của kết cấu hai lớp.
Bảng 9.1 Hệ số điều kiện làm việc của MĐ sân bay theo vùng
Phía bắc 500C Giữa 43oC–50oC Miền nam Mặt đường sân bay
A B,C D A B,C D A B,C D Mặt đường mềm
Mặt đường cứng Bê tông
Bê tông lưới thép Bê tông cốt thép Lắp ghép
Dự ứng lực
1 0,8 0,9 1 1,2
1,05 0,9
1 1 1,3
1,1 0,9 1 1 1,3
1 0,75 0,85 0,95 1,2
1,05 0,85 0,95 1,25 1,3
1,1 1,05 1,15 0,9 1,4
1 0,7 0,8 0,9 1,2
1,05 0,8 0,9 0,9 1,3
1,1 1 1,1 1,2 1,4
Các giá trị của các độ võng tương đối giới hạn đối với các mặt đường ở trên các nền đất khác nhau đã được nêu rõ trên hình 9.6 đối với các máy bay có áp suất bên trong bánh xe khác nhau và khi có số lần tác dụng của tải trọng của máy bay thiết kế trong một ngày đêm ở năm cuối cùng của thời kỳ phục vụ theo thiết kế. Thời hạn này được người ta lấy bằng 10 năm đối với các mặt đường bêtông átphan và 5 năm đối với các mặt đường có dạng giản đơn.
Đối với các mặt đường có dạng giản đơn làm từ các vật liệu đá có độ bền cao, có thành phần đã được chọn lọc kỹ và được gia cố thêm bằng các vật liệu dính kết hữu cơ và kết dính khoáng chất, độ võng tương đối theo tính toán được tăng lên 20% so với các trị số đã quy đổi áp dụng đưa vào ở trên hình 9.6.
160 • TKM§BTXM
Nếu kết cấu đã chọn ban đầu của mặt đường sân bay không thoả mãn điều kiện (9.2), thì ta cần phải thay đổi các chiều dày của các lớp đã định. Khi có lượng dư thừa của cường độ thì ta cần phải giảm bề dày của một trong số các lớp kết cấu đắt tiền mà vẫn thoả mãn yêu cầu về bề dày tối thiểu của các lớp từ các loại vật liệu khác nhau. Khi không đảm bảo cường độ thì ta cần phải tăng các lớp của nền đường. Giải pháp tốt nhất được tìm ra sau khi so sánh một vài phương án.
Khi thiết kế các áo đường trên các đường ôtô dẫn vào sân bay thì các áo đường mềm đã được tính bằng các phương pháp chỉ ra trong BCH 46–83 là các tài liệu văn bản về thiết kế áo đường mềm. Các phương pháp tính toán của các mặt đường mềm trên các sân bay cũng giống như là ở trên đường ôtô, nhưng chúng khác nhau là bởi có hàng loạt các chi tiết cụ thể.
a)
b)
c)
Hình 9.6. Biểu đồ xác định độ võng giới hạn ởu(m) của mặt đường mềm sân bay xây dựng trên đất: