Nghiên cứu lựa chọn kết cấu áo đường hợp lý cho đường có nhiều xe tải nặng khu vực thành phố hồ chí minh luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Trong nội dung này, học viên tập trung nghiên cứu tổng quan về thiết kế cấu tạo các loại kết cấu áo đường mềm được áp dụng hay khuyến khích sử dụng cho các tuyến đường có quy mô

TR¦êNG §¹I HäC GIAO TH¤NG VËN T¶I

- -

PH¹M HOµNG AN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HỢP LÝ CHO ĐƯỜNG CÓ NHIỀU XE TẢI NẶNG KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH

LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT

TP HỒ CHÍ MINH - 2016

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC GIAO TH¤NG VËN T¶I

- -

PH¹M HOµNG AN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG HỢP LÝ CHO ĐƯỜNG CÓ NHIỀU XE TẢI NẶNG KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH

CHUY£N NGµNH: X¢Y Dùng §-êng « t« vµ ®-êng thµnh phè

M· sè: 60.58.02.05

LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT

h-íng dÉn khoa häc:

TS Vò THÕ S¥N

TP HỒ CHÍ MINH – 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu áp dụng kết cấu áo đường hợp lý cho đường có quy mô giao thông lớn, có nhiều xe tải nặng trên thế giới và Việt Nam 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu áp dụng kết cấu áo đường hợp lý cho đường có quy mô giao thông lớn, có nhiều xe tải nặng trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu áp dụng kết cấu áo đường hợp lý cho đường có quy mô giao thông lớn, có nhiều xe tải nặng ở Việt Nam 34

1.2 Tổng quan về hiện trạng khu vực thành phố Hồ Chí Minh 49

1.3 Kết luận chương 1 51

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÁC HƯ HỎNG VÀ SUY GİẢM TUỔİ THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG TRÊN MỘT SỐ TUYẾN ĐƯỜNG Ô TÔ CỦA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MİNH 53

2.1 Tổng hợp nguyên tắc cơ bản cần chú trọng khi thiết kế mới và thiết kế tăng cường kết cấu mặt đường cho các tuyến đường ô tô có lưu lượng và tải trọng lớn 53

2.1.1 Đối với mặt đường thiết kế mới 53

2.1.2 Đối với mặt đường thiết kế cải tạo tăng cường 59

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản 59

2.1.4 Các yêu cầu về sửa chữa, bù vênh và yêu cầu về cấu tạo chuyển tiếp qua các đoạn có bề dầy kết cấu tăng cường mới khác nhau 60

2.1.5 Yêu cầu thiết kế cấu tạo đối với các lớp kết cấu mới tăng cường trên đường có quy mô giao thông lớn 61

2.2 Phân tích ảnh hưởng của cường độ giao thông, điều kiện môi trường

đến các hư hỏng và suy giảm tuổi thọ của mặt đường trên một số tuyến

đường ô tô của thành phố Hồ chí Minh 62

2.3 Tổng quan về ảnh hưởng của tải trọng nặng đến suy giảm tuổi thọ mặt đường mềm 62

2.3.1 Loại xe và tải trọng xe và trục xe cho phép ở Việt nam 62

2.3.2 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn và hệ số quy đổi 69

2.3.3 Ảnh hưởng của tải trọng xe trong khai thác đường ô tô đến dự báo tuổi thọ của kết cấu áo đường 72

2.4 Tổng hợp số liệu khảo sát cân, đếm xe trên một số quốc lộ trong thời gian gần đây 75

2.4.1 Kết quả khảo sát cân đếm xe trên QL 25B đoạn Mỹ Thủy – Cát Lái 75

2.4.2 Kết quả nghiên cứu thử nghiệm đánh giá áp lực bánh xe tác dụng xuống mặt đường 82

2.4.3 Phân tích đánh giá 85

2.4.4 Lưu lượng xe 85

2.4.5 Tải trọng trục xe 86

2.4.6 Áp lực bánh xe lên mặt đường 86

2.4.7 Lựa chọn mô đun đàn hồi yêu cầu (Eyc) để thiết kế kết cấu áo đường chưa phù hợp 86

2.5 Kết luận chương 2 87

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÁC LOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CHO ĐƯỜNG CÓ QUY MÔ GIAO THÔNG LỚN, TẢI TRỌNG NẶNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 88

3.1 Lựa chọn kết cấu, vật liệu, phương pháp tính toán 88

3.2 Nghiên cứu kết cấu áo đường, lựa chọn kết cấu hợp lý cho đường có nhiều xe tải nặng khu vực Tp Hồ Chí Minh 94

3.2.1 Kết cấu 01 96

3.2.2 Kết cấu 02 97

3.2.3 Kết cấu 03 98

3.2.4 Kết cấu 04 99

3.2.5 Kết cấu 05 100

3.3 Kết luận chương 3 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân cấp đường theo quy mô giao thông, JTG D50-2006 6

Bảng 1.2: Phân loại mức độ giao thông của tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc 6

Bảng 1.3: Định nghĩa mức độ giao thông của Mỹ theo 13

Bảng 1.4: Phân loại cấp đường ở Úc 18

Bảng 1.5: Phân loại đường theo mức độ giao thông ở Nhật 29

Bảng 1.6: Một số kết cấu sử dụng cho loại đường có mức giao thông cấp C 29 Bảng 1.7: Một số kết cấu sử dụng cho loại đường có mức giao thông cấp D 30 Bảng 2.1 Đề xuất phân loại xe trong thiết kế đường 64

Bảng 2.2: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 69

Bảng 2.3: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại mỏi 73

Bảng 2.4: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại lún vệt bánh 74

Bảng 2.5: Kết quả điều tra lưu lượng xe khảo sát 75

Bảng 2.6: Kết quả điều tra tải trọng trục xe 77

Bảng 2.7: Kết quả điều tra khảo sát lưu lượng xe Quốc Lộ 1A, đoạn An Sương đến Ngã tư Ga 78

Bảng 2.8: Kết quả điều tra tải trọng trục xe Quốc Lộ 1A, đoạn An Sương đến Ngã tư Ga 80

Bảng 2.9: Tổng hợp kết quả đo áp lực bánh xe xuống mặt đường ở các tải 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sơ đồ trình tự thiết kế kết cấu áo đường theo TC Trung Quốc 5

Hình 1-2: Kết cấu điển hình sử dụng cho đường GT quy mô lớn đưa ra tại Hội nghị KHKT Quảng Tây 7

Hình 1-3: Một số kết cấu áo đường được sử dụng phổ biến ở Trung Quốc 9

Hình 1-4: Các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường điển hình sử dụng tại Mỹ 14

Hình 1-5: Loại hỗn hợp BTN sử dụng cho các lớp trong kết cấu ở Mỹ 15

Hình 1-6: Loại BTN, chiều dầy cho các lớp BTN được kiến nghị sử dụng ở Mỹ 16

Hình 1-7: Trình tự thiết kế và lựa chọn một kết cấu áo đường của Úc 18

Hình 1-8: Kết cấu có lớp BTN >75mm 20

Hình 1-9: Kết cấu Full depth Asphalt 21

Hình 1-10: Kết cấu mặt đường tổng hợp 22

Hình 1-11: Kết cấu có lớp mặt BTN dầy 5 và 7,5 cm 23

Hình 1-12: Kết cấu có lớp mặt BTN dầy 10 và 15 cm 24

Hình 1-13: Kết cấu sử dụng lớp BTN hết chiều dầy ứng với mức nhiệt độ WMAPT 28, 32oC 25

Hình 1-14: Kết cấu tổng hợp có lớp đá gia cố xi măng (3500Mpa) dầy 15 và 20 cm 26

Hình 1-15: Kết cấu tổng hợp có lớp đá gia cố xi măng (5000Mpa) dầy 15 và 20 cm 27

Hình 1-16: Trình tự thiết kế theo phương pháp thiết kế theo Nhật bản 28

Hình 1-17: Thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường BTN sử dụng ở Nhật 28

Hình 1-18:Trình tự thiết kế kết cấu theo phương pháp thiết kế của Hàn Quốc 31

Hình 1-19: Sơ đồ tính toán thiết kế chiều dầy kết cấu theo phương pháp của Hàn Quốc 31

Hình 1-20: Ví dụ KCAĐ thiết kế cho đường có lưu lượng lớn ở Hàn Quốc 32

Hình 2.1: Mô hình tính toán phá hoại kết cấu 73

Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và áp lực bánh xe lên mặt đường 84

Hình 2.3: Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và đường kính vệt bánh đôi 84

Hình 3.1: Chức năng của các lớp trong kết cấu mặt đường BTN 95

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong khoảng thời gian gần đây, nhất là từ năm 2013, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe xuất hiện trên nhiều Dự án xây dựng đường bộ nước ta nói chung, cũng như thành phố Hồ Chí Minh nói riêng (quốc lộ 1A, Xa lộ Đại Hàn, quốc

lộ 25B, đại lộ Đông-Tây, Xa Lộ Hà Nội, ) gây ra bức xúc trong dự luận xã hội

Bộ Giao thông Vận tải đã tổ chức nhiều cuộc họp lấy ý kiến của các cơ quan, đơn vị liên quan, các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng đường bộ; đã

tổ chức nhiều đoàn kiểm tra, khảo sát hiện trường để xác định nguyên nhân

hư hỏng và đưa ra biện pháp khắc phục

Dưới sự chỉ đạo sát sao của lãnh đạo Bộ GTVT, nhiều Thông tư, Chỉ thị, Tiêu chuẩn được ban hành nhằm từng bước khắc phục tình trạng hư hỏng hằn lún vệt bánh xe

Nhìn chung công tác khắc phục hư hỏng do hằn lún mặt đường BTN bước đầu đã được khắc phục, tuy nhiên với kết cấu áo đường chưa hợp lý, hiện nay tình trạng hư hỏng hằn lún vẫn xuất hiện Chính điều này, đặt ra cho người kỹ sư giao thông nhiệm vụ phải tìm hiểu, đồng thời có những đánh giá, nghiên cứu, phân tích những kết cấu áo đường hợp lý khắc phục hư hỏng do hằn lún mặt đường BTN

Đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn kết cấu áo đường hợp lý cho đường có

nhiều xe tải nặng khu vực TP Hồ Chí Minh” nhằm giải quyết vấn đề cấp

thiết này ở thành phố Hồ Chí Minh, từ đó đưa ra những giải pháp nâng cao chất lượng đường có nhiều xe tải nặng ở nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Trên cơ sở kế thừa những kết quả nghiên cứu đã được công bố về vật liệu và kết cấu áo đường mềm trên thế giới, tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm kết hợp với điều tra thống kê số liệu về lưu lượng, tải trọng xe;

về điều kiện tự nhiên môi trường (khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm) trên thành phố Hồ Chí Minh Đề tài nhằm giải quyết các mục tiêu sau:

 Bước đầu nghiên cứu khí hậu thành phố Hồ Chí Minh; đề xuất lựa chọn mác nhựa đường theo độ kim lún phù hợp với phân khu khí hậu mặt đường ở thành phố Hồ Chí Minh;

 Xây dựng hướng dẫn lựa chọn các loại kết cấu mặt đường cho những tuyến đường có lưu lượng lớn và tải trọng nặng ở thành phố Hồ Chí Minh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Kết cấu áo đường cho đường có nhiều xe tải nặng khu vực thành phố Hồ Chí Minh

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thống kê, tính toán trên lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để đưa ra lựa chọn kết cấu áo đường hợp lý cho đường có nhiều xe tải nặng khu vực TP Hồ Chí Minh

5 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn có kết cấu gồm 03 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình giao thông TP.HCM

Chương 2: Tổng hợp, phân tích ảnh hưởng đến các hư hỏng và suy giảm

tuổi thọ của mặt đường trên một số tuyến đường ô tô của thành phố Hồ chí Minh

Chương : Nghiên cứu lựa chọn các loại kết cấu mặt đường cho đường có

quy mô giao thông lớn, tải trọng nặng ở thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu áp dụng kết cấu áo đường hợp lý cho đường có quy mô giao thông lớn, có nhiều xe tải nặng trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình nghiên cứu áp dụng kết cấu áo đường hợp lý cho đường có quy mô giao thông lớn, có nhiều xe tải nặng trên thế giới

Trong nội dung này, học viên tập trung nghiên cứu tổng quan về thiết

kế cấu tạo các loại kết cấu áo đường mềm được áp dụng hay khuyến khích

sử dụng cho các tuyến đường có quy mô lớn trong hệ thống Tiêu chuẩn của một số nước như Trung Quốc, Mỹ, Úc, Nhật Bản

Về phạm vi nghiên cứu của tuyến đường có quy mô giao thông lớn, trong nghiên cứu này sử dụng theo quy định tại mục 1.3 của Hướng dẫn ban hành cùng QĐ số 858 của Bộ GTVT, đường có quy mô giao thông lớn ở đây được tạm hiểu là các tuyến đường có lưu lượng xe lớn và/hoặc có nhiều xe khách lớn, xe tải lớn lưu thông, cụ thể là các tuyến đường có tống số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế (xác định tại mục A.2 của tiêu chuẩn 22TCN 211-06) Ne ≥ 5.106 trục hoặc các tuyến đường có số xe tải hạng trung trở lên và xe khách lớn trung bình ngày đêm lưu thông trên một làn xe N ≥ 1500 xe/ngày đêm.làn xe

số biến dạng tương đối cho phép (λcp) làm đặc trưng cho trạng thái làm việc

giới hạn của mặt đường với tải trọng tiêu chuẩn tính toán là tải trọng trục 8 tấn Năm 1966 có điều chỉnh bổ sung về các thông số vật liệu nhưng vẫn giữ phương pháp tính cũ Năm 1978 thay thế phương pháp tính bằng sử dụng độ võng cho phép như là giá trị tính toán thiết kế và bổ sung thêm nội dung kiểm toán ứng suất kéo vào năm 1986 Năm 1997, Trung Quốc ban hành Tiêu chuẩn JTJ 014-97 trong đó điều chỉnh sử dụng Độ võng đàn hồi giới hạn như là giá trị thiết kế, thể hiện là mô đun đàn hồi chung của kết cấu mặt đường thiết kế phải lớn hơn mô đun đàn hồi yêu cầu được xác định từ lưu lượng xe trục tải trọng trục tiêu chuẩn 10 tấn trung bình ngày đêm của năm thiết kế cùng với kiểm toán ứng suất kéo tại đáy lớp BTN Tính đến thời điểm hiện tại, Trung Quốc đang sử dụng Tiêu chuẩn JTG D50-2006 (Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường BTN), điểm thay đổi về nguyên lý tính toán của Tiêu chuẩn này chính là sử dụng độ võng đàn hồi và ứng suất kéo như là một giá trị yêu cầu khi thiết kế

Hình 1-1: Sơ đồ trình tự thiết kế kết cấu áo đường theo TC Trung Quốc

1.1.1.1.2 Phân loại đường theo quy mô giao thông

Trong Bảng 3.1.8 của Tiêu chuẩn JTG D50-2006 quy định 4 cấp đường

theo lưu lượng tích lũy (Ne) và lưu lượng xe khách và xe tải cỡ trung trở lên chi tiết trong bảng sau:

Bảng 1.1 : Phân cấp đường theo quy mô giao thông, JTG D50-2006

STT Cấp đường

(mức giao thông)

Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy (Ne – trục xe/làn)

Xe khách và xe tải trung trở lên (xe/ngày.làn)

1.1.1.1.3 Kết cấu điển hình cho đường giao thông quy mô lớn ở Trung Quốc Khi thiết kế kết cấu mặt đường BTN dùng cho các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn Trung Quốc luôn chú trọng các biện pháp hạn chế vệt hằn do tích lũy biến dạng và hiện tượng xuất hiện vệt hằn sớm, vệt hằn sâu hai bên bị đẩy trồi lên cao do các lớp kết cấu không đủ cường độ chống cắt trượt Do vậy, trong một số nghiên cứu hoặc dự án đã thi công, Trung Quốc

bố trí BTN tầng mặt thành 3 lớp, bố trí lớp bê tông nhựa chặt loại hạt mịn

ở trên cùng với bề dày từ 3,0 - 4,0cm rồi đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung và 5,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt lớn Hoặc cũng có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựa chặt loại hạt trung dày 4,0 – 5,0cm rồi đến 2 lớp

bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0 – 6,0cm và 6,0 – 8,0cm ở dưới Theo báo cáo kết quả nghiên tại Hội nghị khoa học về thiết kế và thi công mặt đường BTN tại Quảng Tây Kết cấu tổng thể chung được sử dụng cho các tuyến đường giao thông quy mô lớn được đánh giá là khá thành công bao gồm các lớp như hình vẽ

Hình 1-2: Kết cấu điển hình sử dụng cho đường GT quy mô lớn đưa ra tại

Hội nghị KHKT Quảng Tây

Tùy theo quy mô giao thông, tầng mặt BTN có thể bố trí thành 2 hoặc 3 lớp Lớp mặt thường sử dụng BTNC 13 hoặc SMA chất kết dính là nhựa thường hoặc nhựa polymer Đối với lớp giữa thường sử dụng BTNC 20, chất kết dính là nhựa thường hoặc nhựa polymer Lớp móng của tầng mặt, thường sử dụng BTNC 20 Lớp dính bám giữa các lớp BTN có thể sử dụng nhũ tương polime tăng chất lượng dính bám giữa các lớp

Kết cấu áo đường mềm dùng cho các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn ở Trung Quốc ít nhất phải có một lớp móng trên bằng vật liệu toàn khối, như cấp phối đá dăm gia cố xi măng hoặc bê tông nhựa rỗng, tiếp đó là các lớp móng dưới bằng cấp phối đá dăm gia cố xi măng hoặc cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng cường độ thấp hơn hoặc bằng cấp phối đá dăm không gia cố

Để giảm tổng bề dày kết cấu áo đường, giảm số lớp phải thi công (có lợi cho tiến độ thi công và có thể có lợi cả về kinh tế) chọn vật liệu làm lớp móng dưới có mô đun đàn hồi cao và tính ổn định với nước tốt, do vậy đối với đường cấp cao và đường có giao thông quy mô lớn ở Trung Quốc ít sử dụng lớp móng là các vật liệu cấp phối đá tự nhiên không gia cố Thường sử dụng móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng một hoặc hai lớp Trong điều kiện bất lợi cho việc sử dụng móng đường gia cố xi măng thì thay thế bằng lớp móng đá dăm đen (ATB) để tăng tính ổn định và chịu lực cho kết cấu áo đường mềm Chú ý, trong trường hợp sử dụng móng đường là lớp đá gia cố xi măng, Trung Quốc thường thiết kế một lớp gọi là

”lớp quá độ” nhằm hạn chế nứt phản ảnh từ móng đường lên lớp BTN phía trên

Hình 1-3: Một số kết cấu áo đường được sử dụng phổ biến ở Trung Quốc

Chiều dày nhất định của lớp mặt đường BTN đóng 1 vai trò quan trọng trong việc cải thiện tổng thể khả năng làm việc của lớp BTN, nhưng nếu chiều dày lớp BTN quá dày thì sẽ có thể gây ra hiện tượng hằn lún bánh xe nghiêm trọng, tăng chiều dày lớp BTN để cải thiện ứng suất cắt trong lớp BTN không phải là cách tốt nhất, do vậy trong điều kiện tải trọng nặng cần chọn một phạm vi chiều dày hợp lý

Trên thế giới hiện tại đại bộ phận đều đang sử dụng phổ biến kết cấu áo đường nửa cứng, nhưng kết cấu mặt đường này dưới tải trọng nặng thì khả năng xuất hiện hư hỏng sớm là rất cao, do vậy nhiều nước trên thế giới

đã đề xuất một loại kết cấu mới đó là loại kết cấu mặt đường toàn chiều dày BTN (full depth Asphalt pavement) có tính tương thích cao đối với đường tải trọng lớn, đặc biệt thích hợp đối với tình trạng xe quá tải đang ngày càng nhiều trên các tuyến quốc lộ như hiện nay Kết cấu toàn chiều

dày BTN đã sử dụng thành công ở nhiều nước như Anh, Mỹ tuổi thọ sử dụng có thể đạt đến 50 năm Do vậy, đưa kết cấu mặt đường này ứng dụng vào nước ta để sử dụng cho đường quy mô giao thông lớn là rất hợp lý và cần thiết

Khái niệm thiết kế toàn chiều dày BTN đại diện cho một xu hướng mới của KCMĐ cao tốc nước ngoài, có tính khả thi họp lý cao Tổng chiều dày của lớp kết cấu này mỏng hơn so với tổng chiều dày của lớp móng thông thường, đồng thời có khả năng làm giảm các rạn nứt do mỏi, do vậy có thể khống chế được các hư hỏng KCMĐ chỉ xảy ra ở lớp trên Vì vậy khi mặt đường hỏng đến một mức độ nhất định, chỉ cần thay thế lớp trên

mà không ảnh hưởng đến cao độ của mặt đường Đây cũng là cách sửa chữa hiệu quả kinh tế nhất

Cốt lõi của loại thiết kế kết cấu này là dựa vào chức năng của từng lớp để bố trí hợp lý các lớp, tạo ra một kết cấu mặt đường có lớp mặt có khả năng chống lún tốt, hạn chế khả năng thấm nước và mài mòn, lớp giữa có độ bền cao, lớp dưới có khả năng chống mỏi tốt Loại KCMĐ này vẫn chưa được nghiên cứu nhiều ở nước ta, để ứng dụng cho đường quy mô giao thông lớn, chúng ta rất cần thiết để nghiên cứu sâu hơn về KCMĐ này

hệ này không dựa trên cơ sở khoa học, nhưng cách này vẫn được sử dụng

với độ tin cậy cao, chỉ cần thừa nhận những giới hạn của cách tiếp cận này Cụ thể, việc sử dụng những dữ liệu không có trong tập hợp dữ liệu gốc để miêu tả những hiện tượng xảy ra thì không được chính xác (đoạn này hơi tối nghĩa) Phương pháp phổ biến theo lối thiết kế theo kinh nghiệm là sử dụng phương trình trong tập hướng dẫn thiết kế áo đường của AASHTO năm 1993 Phương trình này được thành lập dựa trên những dữ liệu của thí nghiệm “AASHTO road test”- Thí nghiệm tiêu tốn 27 triệu đô

la để xây đường đến Ottawa, từ năm 1956-1961

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng phương pháp thiết kế dựa trên

“kinh nghiệm” của AASHTO cho thấy nhiều vấn đề còn tồn tại của phương pháp này như công thức sử dụng được xây dựng trên cơ sở số liệu thực nghiệm, điều này chỉ đúng với điều kiện về môi trường, tải trọng và đặc tính vật liệu tương tự như mô hình thử nghiệm Việc mở rộng và phát triển cho các điều kiện thay đổi khác là thiếu cơ sở khoa học Do đó, các nước phát triển đặc biệt là Mỹ đã tiến hành nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế dựa trên sự kết hợp thực nghiệm và lý thuyết cơ học gọi là phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic-Empirical Design) Không như phương pháp thiết kế “kinh nghiệm”, phương pháp này tìm lời giải thích những hiện tượng bằng cách sử dụng những tính toán khoa học dựa trên lý thuyết cơ học cơ bản Cố gắng mô phỏng quan hệ giữa ứng suất cắt, ứng suất kéo uốn, lún võng của kết cấu áo đường và các tác nhân vật

lý gây ra là: tải trọng, thuộc tính vật liệu Mối quan hệ giữa các hiện tượng trên và nguyên nhân vật lý của nó về cơ bản có thể mô tả bằng cách sử dụng các mô hình toán học Có rất nhiều mô hình toán học đã được sử dụng Theo cách này, kinh nghiệm được sử dụng để đưa ra các giá trị tới hạn của ứng suất tính toán và kết quả biến dạng của kết cấu áo đường (ở trạng thái kết câu áo đường hư hỏng) Mối quan hệ giữa những hiện tượng

tự nhiên và sự phá hỏng áo đường được miêu tả bởi những phương trình xuất phát từ kinh nghiệm đã được tính toán dựa trên tải trọng hình tròn phá

hoại kết cấu áo đường Những thuận lợi khi sử dụng phương pháp thiết kế này so với thiết kế chỉ hoàn toàn bằng kinh nghiệm là: Nó có thể sử dụng

để thiết kế cả áo đường mới lẫn áo đường cải tạo lại; Nó thích nghi với những tải trọng thay đổi; Nó tận dụng tốt hơn những thuộc tính của vật liệu; Nó dự đoán chính xác hơn khả năng thể hiện của vật liệu; Nó thể hiện

rõ hơn vai trò của kết cấu; Nó thích nghi hơn với môi trường và làm giảm

sự lão hoá của vật liệu

Tuy nhiên về cơ bản, Mỹ vẫn sử dụng AASHTO 93 làm cơ sở để thiết kế kết cấu mặt đường, chỉ có một số Bang áp dụng phương thiết kế mới, như ở Wasington là một ví dụ, theo Hướng dẫn của Cục đường bộ BangWasington tháng 6/2011, việc thiết kết cấu cáo đường về cơ bản vẫn dựa trên Hướng dẫn thiết kế áo đường của AASHTO 1993, tuy nhiên các tính toán vẫn có xem xét đến theo Hướng dẫn thiết kế mặt đường bằng phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG version 1.0) cùng với cơ sở dữ liệu và kinh nghiệm nhiều năm thiết kế của Bang

Trình tự thiết kế chung bao gồm các bước sau:

Xác định tổng chiều dầy kết cấu yêu cầu

Lựa chọn loại hỗn hợp BTN thích hợp cho tầng mặt dựa trên lưu lượng giao thông và hiệu quả kinh tế

Lựa chọn loại hỗn hợp và chiều dầy lớp BTN cho tầng giữa

Lựa chọn loại hỗn hợp và chiều dầy lớp BTN cho tầng móng

1.1.1.2.2 Phân loại đường theo quy mô giao thông

Theo tài liệu cục đường bộ liên bang Mỹ và Hiệp hội mặt đường nhựa quốc gia thì mức độ giao thông được phân chia thành 04 loại như Bảng sau:

Bảng 1.3: Định nghĩa mức độ giao thông của Mỹ theo

Áp dụng cho đường có lưu lượng rất thấp như là đường địa phương, đường đô thị và đường cấm xe tải

Đường phục vụ dân sinh, không phải đường kết nối các vùng miền …

10,000,000

•

•

Đường hai hoặc nhiều làn, có cường độ giao thông ở mức độ trung bình thường

là các đường phố hoặc các tuyến đường tỉnh lộ và quốc lộ hoặc có thể là các tuyến đường nối các tiểu Bang

•

•

Đường hai hoặc nhiều làn, kiểm soát hoàn toàn hoặc một phần các đường nhánh kết nối vào Có mức độ giao thông từ trung bình đến cao, là các tuyến đường tỉnh lộ, quốc lộ và đường kết nối nhiều tiểu bang Có xe tải nặng chạy trên hai làn

1.1.1.2.3 Kết cấu mặt đường BTN sử dụng ở Mỹ

Mặt đường BTN nóng được sử dụng phổ biến ở Mỹ, nó thích hợp với nhiều loại hình giao thông, điều kiện môi trường và nguồn vật liệu sử dụng cũng khá sẵn có ở Mỹ Kết cấu mặt đường BTN ở Mỹ thường được bao gồm 03 tầng: tầng mặt (surface course), tầng giữa (intermediate course) và tầng móng (base course) Việc thiết kế cấu tạo các lớp trong kết cấu thường chia làm hai kiểu chính đó là kết cấu hết chiều dầy là BTN (full depth HMA) và kiểu BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm như trong Hình 1-4

Hình 1-4: Các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường điển hình

sử dụng tại Mỹ

Đối với tầng mặt, vật liệu sử dụng thường là các loại vật liệu có chất lượng cao, đáp ứng nhiều chức năng của lớp mặt phía trên cùng như: tạo nhám, độ bằng phẳng, độ ồn, chống vệt hằn và thoát nước Ngoài ra nó còn phải có khả năng ngăn chặn khả năng xâm nhập của nước xuống lớp phía dưới của kết cấu áo đường Tầng giữa hay thường gọi là lớp liên kết được rải dưới lớp mặt, chức năng của nó là phân phối tải trọng truyền xuống lớp móng dưới hạn chế biến dạng vĩnh cửu Đối với tầng móng có thể sử dụng một hoặc một vài lớp BTN hoặc có thể sử dụng các lớp móng cấp phối đá dăm gia cố hoặc không gia cố

Hình 1-5: Loại hỗn hợp BTN sử dụng cho các lớp trong kết cấu ở Mỹ

Để xác định loại hỗn hợp BTN thích hợp sử dụng cho lớp mặt cần dựa trên cường độ giao thông và giá thành của nó Trước tiên, cần xác định loại hỗn hợp sử dụng Theo kiến nghị của NAPA&FHWA [32] đối với mức độ giao thông nhẹ chỉ sử dụng lớp BTNC thông thường, đối với mức độ giao thông vừa BTNC cũng là giải pháp lựa chọn tối ưu, tuy nhiên có thể cân nhắc lựa chọn hỗn hợp SMA (Stone mastic asphalt) hoặc OGFC

(open-graded friction course), còn mức độ giao thông nặng thì tất các các loại hỗn hợp BTN đều có thể đưa vào để xem xét lựa chọn dựa trên tiêu chí và kinh phí của từng Dự án (Hình 1-5) Thứ hai, lựa chọn kích cỡ cốt liệu chế tạo hỗn hợp BTN, đối với đường nhiều xe nặng cần xem xét đến lựa chọn cấp phối BTN có đường kính danh định cốt liệu lớn hơn Tiếp đến xem đến đặc tính bề mặt, đối với BTNC sử dụng cốt liệu có đường kính lớn thường có bề mặt thô, dễ bị phân tầng trong quá trình thi công và có nguy cơ thấm nước xuống lớp dưới

Hình 1-6: Loại BTN, chiều dầy cho các lớp BTN được kiến nghị

sử dụng ở Mỹ

Các lớp BTN sử dụng với đường có quy mô giao thông lớn tương đương với Esals > 10,000,000

1) Lớp mặt: Sử dụng ba loại BTN đó là SMA, OGFC và DCG (Dense coarse graded) với chiều dầy thay đổi tùy thuộc vào thiết kế của Dự án Về đường kính danh định các cỡ hạt: SMA sử dụng loại 9.5, 12.5 và 19 mm; OGFC sử dụng loại 9,5 và 12.5 mm; DCG sử dụng loại 9.5, 12.5 và 19mm

2) Lớp giữa: Sử dụng BTN loại DFG, DCG và SMA Trong đó DFG và DCG sử dụng các đường kính cỡ hạt dạnh định là 19 và 25 mm còn SMA chỉ sử dụng đường kính cỡ hạt danh định là 19 mm

3) Lớp móng: Sử dụng các loại BTN là DFG, DCG và ATPB Trong đó DFG và DCG sử dụng các đường kính cỡ hạt dạnh định là 19, 25 và 37.5

mm còn ATPB sử dụng đường kính cỡ hạt danh định là 19 và 25 mm

1.1.1.3 Úc

1.1.1.3.1 Nguyên tắc và trình tự thiết kế kết cấu áo đường mềm của Úc

Theo tài liệu Hướng dẫn lựa chọn và thiết kế kết cấu áo đường mềm của Hiệp hội mặt đường Asphalt Úc, thì việc thiết kế và lựa chọn một kết cấu áo đường mềm phù hợp vẫn dựa vào các thông số đầu vào như: điều kiện khai thác, thông số vật liệu của các lớp kết cấu, điều kiện về đất nền đường, điều kiện môi trường và điều kiện về thi công và bảo trì …Trình tự thiết kế kết cấu được khái quát trong sơ đồ sau:

Hình 1-7: Trình tự thiết kế và lựa chọn một kết cấu áo đường của Úc

1.1.1.3.2 Phân loại cấp đường của Úc

Các loại và cấp đường ở Úc được phân chia cụ thể trong tài liệu Hướng dẫn thiết kế kết cấu áo đường Các nhóm và cấp đường được tổng hợp trong Bảng 1.4 dưới đây:

Bảng 1.4: Phân loại cấp đường ở Úc

ESALs

Đường ngoài đô thị

đô với các thành phố

Thông số đầu vào phục vụ thiết kế lựa chọn kết câu: tải trọng và lưu lượng xe, thông số vật liệu của các lớp kết cấu,

điều kiện đất nền đường, điều kiện vệ khí hậu, điều kiện về thi công và bảo trì…

Xác định cấp hạng đường

Lựa chọn một hoặc nhiều loại kết cấu

Xác định số lớp và chiều dầy

Tính toán chi phí vòng đời

ESALs

thị trấn quan trọng,

giữa thủ đô với các

vùng trọng điểm

quan trọng, các đường

vào các khu dân cư

trọng

các loại trên

trọng

Đường đô thị

lưu lượng giao thông

nối với các tuyến

đường địa phương

Trong đó kết cấu mặt đường thiết kế cho đường có giao thông quy mô lớn tập trung chủ yếu là cấp 1 và cấp 2 thuộc nhóm đường ngoài đô thị và cấp

6, 7 thuộc nhóm đường đô thị Đây là loại đường có số trục xe tích lũy thiết

kế là từ 105 đến 108 ESA

1.1.1.3.3 Kết cấu mặt đường sử dụng tại Úc

Theo tài liệu Hướng dẫn lựa chọn và thiết kế kết cấu áo đường mềm của Hiệp hội mặt đường Asphalt Úc , Úc chia ra làm 06 loại kết cấu áo đường mềm điển hình đáp ứng cho đường có lưu lượng và tải trọng từ thấp đến cao Trong nội dung nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu chỉ liệt kê một số loại kết cấu điển hình áp dụng cho đường có quy mô giao thông lớn

a) Kết cấu mặt đường có lớp BTN lớp hơn 75mm (Deep strength asphalt pavement)

Đây là kết cấu trong đó lớp BTN sử dụng với vai trò vừa là lớp mặt bảo

vệ (wearing cours) vừa là lớp móng (intermediate) chịu tác dụng của tải trọng, ngoài lớp BTN ở trên thì vẫn sử dụng lớp móng dưới là vật liệu cấp phối đá dăm không gia cố

Kết cấu này được sử dụng phổ biến cho nhóm đường có lưu lượng và xe tải trọng tương đối lớn bao gồm nhóm đường đô thị (đường cấp 6, 7), đường ngoài đô thị (cấp 1 và 2)

Trong kết cấu mặt đường này,

lớp BTN là lớp chịu lực chính trong

kết cấu Để lớp BTN chịu lực sâu

trong kết cấu thì tổng chiều dầy BTN

sử dụng nhìn chung phải lớn hơn

75mm Tương quan chiều dầy của

lớp BTN và lớp móng cấp phối đá

dăm phụ thuộc vào điều kiện chịu

lực và hiệu quả kinh tế của kết cấu

mặt đường đó đem lại

Hình 1-8: Kết cấu có lớp BTN

>75mm

b) Kết cấu mặt đường sử dụng BTN hết chiều dầy (Full depth Asphalt Pavement)

Đối với loại kết cấu này, các

lớp BTN trong kết cấu đóng vai trò

vừa là tầng móng vừa là tầng mặt

trong kết cấu áo đường mềm Loại

mặt đường này có ưu điểm là thi

công tương đối nhanh, chi phí bảo trì

thấp Dùng cho cả điều kiện xe tải

trọng nặng và nhẹ (chiều dầy thay

đổi) Được áp dụng cho đường cấp 1

và cấp 2 (nhóm ngoài đô thị) và cấp

c) Kết cấu mặt đường tổng hợp (Composite Pavements – Deep strength Asphalt with cemented sub-base)

Kết cấu mặt đường tổng hợp bao gồm lớp BTN nhựa chịu lực sâu rải trên lớp móng dưới là vật liệu đá gia cố xi măng Đây là kết cấu sử dụng khá phổ biến đối với tuyến đường có xe tải trọng nặng và đặc biệt là điều kiện đất nền yếu Kết cấu mặt đường đường này được kết hợp giữa móng cứng của lớp đá gia cố và lớp mềm đàn hồi của BTN

Đây là loại kết cấu có hiệu quả

về mặt kinh tế và kỹ thuật Thích hợp

với các đường có xe tải nặng Đối

với kết cấu này chú ý nhưng hư hỏng

của lớp móng đá gia cố, dẫn đễn chi

phí cải tạo đắt đỏ Trong thực tế, khả

năng chịu lực của lớp đá gia có xi

măng khá nhạy cảm do thiết kế thiếu

chiều dầy hoặc lu nèn không chặt

Hình 1-10: Kết cấu mặt đường tổng hợp

1.1.1.3.4 Một số ví dụ kết áo đường theo mức độ độ giao thông của Úc

Để hiểu hơn về loại kết cấu mặt đường BTN nước Úc đang sử dụng, nhóm nghiên cứu giới thiệu một số loại kết cấu trong Catalog kết cấu mặt đường mềm của Úc, tập trung vào nhóm kết cấu sử dụng cho đường có quy

mô giao thông lớn và nhiệt độ trung bình trọng số theo năm của mặt đường từ

28oC đến 32oC

a) Kết cấu có lớp mặt BTN trên móng cấp phối đá dăm

Hình 1-11: Kết cấu có lớp mặt BTN dầy 5 và 7,5 cm

Hình 1-12: Kết cấu có lớp mặt BTN dầy 10 và 15 cm

b) Kết cấu chỉ sử dụng BTN

Đối với kết cấu sử dụng BTN hết chiều dầy kết cấu, Úc có đưa ra kết cấu cho 04 mức nhiệt độ mặt đường trung bình trọng số trong năm (WMAPT)

khác nhau đó là 22oC, 25oC, 28oC, 32oC Hình 1-13 chỉ đưa ra các kết cấu

Hình 1-13: Kết cấu sử dụng lớp BTN hết chiều dầy ứng với mức nhiệt độ

c) Kết cấu mặt đường tổng hợp

Tương tự như kiểu kết cấu sử dụng lớp BTN hết chiều dầy kết cấu, kết cấu cũng được thiết kế tính toán ở 04 mức nhiệt độ bình quân trọng số năm, ngoài ra còn thay đổi chiều dầy và loại vật liệu gia cố xi măng có mô đun đàn hồi khác nhau để người thiết kế tham khảo Tuy nhiên, trong nội dung này học viên nghiên cứu chỉ giới thiệu một số loại kết cấu được đưa ra ứng với

Hình 1-14và Hình 1-15

Hình 1-14: Kết cấu tổng hợp có lớp đá gia cố xi măng (3500Mpa)

dầy 15 và 20 cm

Hình 1-15: Kết cấu tổng hợp có lớp đá gia cố xi măng (5000Mpa)

dầy 15 và 20 cm

1.1.1.4 Nhật

Kết cấu mặt đường mềm ở Nhật được thiết kế dựa trên thông số chính là lưu lượng xe tải nặng chạy trong một ngày đêm của một làn xe và giá trị CBR thiết kế của đất nền Ngoài ra đặc tính bề mặt và thoát nước của nền cũng được xem xét đến trong quá trình thiết kế Trình tự thiết kế theo phương pháp của Nhật Bản

 Dữ liệu đầu vào:

 Lưu lượng giao thông

 Cường độ nền đường (CBR)

 Dữ liệu đầu ra

 Ta yêu cầu (Ta tương đương

với SN của AASHTO, USA)

 Chiều dầy các lớp

Thiết kế cấu tạo của kết cấu điển hình cũng được bao gồm tầng mặt và tầng móng như ở Việt Nam Chi tiết xem trong hình vẽ

Hình 1-17: Thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường BTN sử dụng ở Nhật

Nước Nhật phân 05 cấp đường theo mức độ lưu lượng xe/làn.ngày đêm (L, A, B, C và D) như bảng dưới đây:

Hình 1-16: Trình tự thiết kế theo phương pháp thiết kế theo Nhật bản

Bảng 1.5: Phân loại đường theo mức độ giao thông ở Nhật

STT Loại Lưu lượng xe tải nặng/ làn ngày đêm

Bảng 1.6 và Bảng 1.7 đưa ra số ví dụ thiết kế kết cấu cho cấp đường loại

C và D là hai cấp đường được xem là có quy mô giao thông lớn ở Nhật

Bảng 1.6: Một số kết cấu sử dụng cho loại đường có mức giao thông cấp C

nhựa

Gia cố

vô cơ

Cấp phối đá

Bảng 1.7: Một số kết cấu sử dụng cho loại đường có mức giao thông cấp D

nhựa

Gia cố

vô cơ

Cấp phối đá

tế về kinh tế kỹ thuật của đất nước Hàn Quốc từ đó đưa ra một Hướng dẫn riêng về thiết kế kết cấu cho nước họ Về trình tự và nguyên lý cũng tương tự như AASHTO của Mỹ

Hình 1-18:Trình tự thiết kế kết cấu theo phương pháp thiết kế

tùy vào tình trạng giao thông và quy mô tuyến đường, mác nhựa sử dung theo chuẩn PG thường là PG64-22 và PG76-22 Hình 1-20 đưa ra một số ví dụ về kết cấu áo đường mềm được sử dụng cho đường có quy mô giao thông lớn và đường cấp cao ở Hàn Quốc

Hình 1-20: Ví dụ KCAĐ thiết kế cho đường có lưu lượng lớn ở Hàn Quốc

1.1.1.6 Nhận xét chung:

Qua tổng hợp và phân tích những loại kết cấu áo đường mềm của một số nước trên thế giới đã áp dụng cho đường có quy mô giao thông lớn, có thể đưa ra một số nhận xét chung dưới đây

a) Về loại hình kết cấu: Đã có khá nhiều loại kết cấu mặt đường mềm

được áp dụng cho các tuyến đường có quy mô giao thông lớn, tuy nhiên có thể hệ thống thành 03 loại chính như sau:

dăm (HMA on aggregate base): Đây là kết cấu áo đường BTN thông thường,

sử dụng một hoặc nhiều lớp BTN rải trên lớp móng là cấp phối đá dăm, kết cấu này cũng được sử dụng khá phổ biến ở Việt nam hiện nay cho mặt đường các cấp